Adresacja IPv4 | Teleinf Edu

Adres IP i adresacja IPv4

Adres IP jest logicznym identyfikatorem interfejsu sieciowego i służy do dostarczania pakietów między sieciami. W sieciach korzystających z Protokołu Internetowego adresu IP używają między innymi komputery, smartfony, serwery i inteligentne telewizory. Urządzenie potrzebuje go do komunikacji oraz wysyłania i odbierania danych.

IPv4, czyli Protokół Internetowy w wersji 4, był pierwszą szeroko stosowaną wersją i pozostaje podstawą wielu sieci. Dostarcza logiczny system adresowania, który kieruje ruchem w połączonych ze sobą sieciach.

Struktura Adresu IPv4

Adres IPv4 jest liczbą 32-bitową. W zapisie binarnym składa się z sekwencji 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

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.

W modelu adresacji klasowej każdy adres IP składa się z dwóch części:

ID Sieci: Część, która identyfikuje konkretną sieć, do której należy urządzenie. Wszystkie urządzenia w tej samej sieci mają ten sam ID sieci.
ID Hosta: Część, która identyfikuje unikalne urządzenie w tej sieci.

Klasa A: 8-bitowy prefiks 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: $2^7 = 128$ możliwych identyfikatorów. Sieci 0 i 127 są zarezerwowane, więc pozostaje 126 konwencjonalnych sieci klasy A.

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: Używana przez duże organizacje, w tym firmy technologiczne i agencje rządowe. Blok $9.0.0.0/8$ przydzielony firmie IBM jest historycznym przykładem takiego przydziału.

Klasa B: 16-bitowy prefiks 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: 24-bitowy prefiks 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: Multicast i zakres zastrzeżony

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 (zakres zastrzeżony): Zakres 240.0.0.0 do 255.255.255.255. Bity wiodące to 1111. Współczesne rejestry określają ten blok jako zastrzeżony, więc nie służy do zwykłej adresacji unicastowej hostów.

Ograniczenia adresacji klasowej

Sztywna struktura adresacji klasowej szybko okazała się nieefektywna dla rosnącego internetu. Główne problemy to:

Duże marnotrawstwo adresów: Stałe rozmiary bloków powodowały znaczną nadmiarowość. 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 niewykorzystywanych i niedostępnych dla innych odbiorców.
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 gwałtownie rosła, tablice zwiększały rozmiar, zużywając pamięć i moc obliczeniową.

Adresacja klasowa stała się niewydolna z powodu marnotrawstwa i ograniczeń skalowalności. Kryzys zapoczątkował rozwój bardziej elastycznych technik adresowania i routingu, które ograniczały presję na pulę IPv4. Te rozwiązania, omawiane w przyszłych tematach, obejmują podsieci (subnetting), maski podsieci o zmiennej długości (VLSM) i ostatecznie bezklasowy routing międzydomenowy (CIDR).