Adresacja IPv4

Adresacja klasowa, podsieci, maski o zmiennej długości (VLSM) i CIDR.

Czym jest adres IP? Internetowy System Pocztowy

Wyobraź sobie internet jako globalne miasto. Aby list (pakiet danych) dotarł z Twojego domu do domu znajomego, potrzebuje precyzyjnego adresu. W świecie sieci komputerowych tym unikalnym identyfikatorem jest Adres IP (Adres Protokołu Internetowego). Każde urządzenie podłączone do sieci korzystającej z protokołu internetowego (komputery, smartfony, serwery, inteligentne telewizory) potrzebuje adresu IP do komunikacji, wysyłania i odbierania danych.

IPv4, czyli Protokół Internetowy w wersji 4, był pierwszą szeroko stosowaną wersją i pozostaje fundamentalną technologią internetu. Dostarcza on logiczny system adresowania, który kieruje ruchem w połączonych ze sobą sieciach.

Struktura Adresu IPv4

Adres IPv4 jest liczbą 32-bitową. Ponieważ komputery operują na systemie binarnym, adres ten jest fundamentalnie sekwencją 32 jedynek i zer. Aby ułatwić ludziom odczytywanie i pracę z tymi adresami, 32-bitowa sekwencja jest dzielona na cztery 8-bitowe sekcje.

Oktety i Notacja Kropkowo-Dziesiętna

Bity i Oktety: 32 bity są dzielone na cztery grupy po osiem bitów. Każda 8-bitowa grupa nazywana jest .
Notacja Kropkowo-Dziesiętna: Każdy oktet jest konwertowany z wartości binarnej na liczbę dziesiętną (od 0 do 255). Te cztery liczby dziesiętne są następnie zapisywane, oddzielone kropkami. Ten format jest znany jako "notacja kropkowo-dziesiętna".

Przykład: Z Binarnego na Dziesiętny

Rozważmy adres IP dla lokalnego routera: 192.168.1.1.

$192 \rightarrow 11000000$

$168 \rightarrow 10101000$

$1 \rightarrow 00000001$

Pełna 32-bitowa reprezentacja binarna to: 11000000.10101000.00000001.00000001

Adresacja Klasowa: Pierwotny Plan

We wczesnych dniach internetu, 32-bitowa przestrzeń adresowa IPv4 została podzielona na kilka kategorii o stałym rozmiarze, znanych jako klasy adresowe. Ten system, nazywany adresacją klasową, został zaprojektowany, aby obsłużyć sieci różnej wielkości. Klasa adresu była określana przez kilka pierwszych bitów pierwszego oktetu, co z kolei dyktowało podział adresu na część sieciową i hosta.

Każdy adres IP składa się z dwóch części:

ID Sieci: Część, która identyfikuje konkretną sieć, do której należy urządzenie (jak nazwa ulicy). Wszystkie urządzenia w tej samej sieci mają ten sam ID sieci.
ID Hosta: Część, która identyfikuje unikalne urządzenie w tej sieci (jak numer domu).

Klasa A: Dla Gigantycznych Sieci

Bity Wiodące: Pierwszy bit pierwszego oktetu to zawsze 0.

Zakres Adresów: 0.0.0.0 do 127.255.255.255.

Podział Sieć/Host: Pierwszy oktet to ID Sieci, a ostatnie trzy oktety to ID Hosta (8 bitów sieci, 24 bity hosta).

Liczba Sieci: $2^7 = 128$ sieci (sieci 0 i 127 są zarezerwowane).

Hostów na Sieć: $2^{24} - 2 = 16,777,214$ hostów (odejmujemy 2 na adres sieci i adres rozgłoszeniowy).

Domyślna Maska Podsieci: 255.0.0.0.

Zastosowanie: Przeznaczona dla kilku bardzo dużych organizacji, jak wielkie firmy technologiczne czy agencje rządowe.

Klasa B: Dla Średnich i Dużych Sieci

Bity Wiodące: Pierwsze dwa bity to zawsze 10.

Zakres Adresów: 128.0.0.0 do 191.255.255.255.

Podział Sieć/Host: Pierwsze dwa oktety to ID Sieci, a ostatnie dwa to ID Hosta (16 bitów sieci, 16 bitów hosta).

Liczba Sieci: $2^{14} = 16,384$ sieci.

Hostów na Sieć: $2^{16} - 2 = 65,534$ hostów.

Domyślna Maska Podsieci: 255.255.0.0.

Zastosowanie: Zaprojektowana dla uniwersytetów, dużych korporacji i dostawców usług internetowych. Na przykład, duży uniwersytet mógł otrzymać sieć klasy B, aby zapewnić adresy dla wszystkich swoich wydziałów i urządzeń studenckich.

Klasa C: Dla Małych Sieci

Bity Wiodące: Pierwsze trzy bity to zawsze 110.

Zakres Adresów: 192.0.0.0 do 223.255.255.255.

Podział Sieć/Host: Pierwsze trzy oktety to ID Sieci, a ostatni oktet to ID Hosta (24 bity sieci, 8 bitów hosta).

Liczba Sieci: $2^{21} \approx 2 \text{ miliony}$ sieci.

Hostów na Sieć: $2^8 - 2 = 254$ hostów.

Domyślna Maska Podsieci: 255.255.255.0.

Zastosowanie: Najpowszechniejsza klasa, przeznaczona dla małych firm i sieci domowych.

Klasy D i E: Zastosowania Specjalne

Klasa D (Multemisja): Zakres 224.0.0.0 do 239.255.255.255. Bity wiodące to 1110. Adresy te nie są przypisywane pojedynczym hostom, lecz są używane do .

Klasa E (Eksperymentalna): Zakres 240.0.0.0 do 255.255.255.255. Bity wiodące to 1111. Ten blok adresów został zarezerwowany do przyszłych lub eksperymentalnych zastosowań i nie jest używany w publicznym internecie.

Problemy z Adresacją Klasową

Choć prosta w koncepcji, sztywna struktura adresacji klasowej szybko okazała się wysoce nieefektywna i niezrównoważona dla rosnącego internetu. Główne problemy to:

Ogromne Marnotrawstwo Adresów: Stałe rozmiary bloków były niezwykle marnotrawne. Na przykład, firma zatrudniająca 300 pracowników potrzebowała więcej niż sieci klasy C (254 hosty), więc musiała otrzymać całą sieć klasy B. Zapewniało to 65 534 adresów hostów, co oznacza, że ponad 65 000 adresów ( ${\approx 99.5\%}$ ) było marnowanych i niedostępnych dla nikogo innego.
Szybkie Wyczerpywanie Adresów: Ta nieefektywność prowadziła do szybkiego kurczenia się dostępnych adresów IPv4, szczególnie w najbardziej pożądanych klasach A i B. Stało się jasne, że cała pula adresów IPv4 skończy się znacznie szybciej, niż przewidywano.
Wielkie Tablice Routingu: W świecie klasowym, routery w szkielecie internetu musiały utrzymywać osobny wpis dla każdej pojedynczej sieci. W miarę jak liczba sieci klasy C eksplodowała, tablice te rozrosły się do niezarządzalnych rozmiarów, zużywając pamięć i moc obliczeniową.

Wniosek był jasny: adresacja klasowa stała się niewydolna z powodu marnotrawstwa i ograniczeń skalowalności. Ten kryzys zapoczątkował rozwój bardziej elastycznych technik adresowania i routingu, aby ocalić internet przed wyczerpaniem adresów. Te nowoczesne rozwiązania, które zostaną omówione w przyszłych tematach, obejmują podsieci (subnetting), maski podsieci o zmiennej długości (VLSM) i ostatecznie bezklasowy routing międzydomenowy (CIDR).