4.4 Μάθημα 1

Οι διευθύνσεις IP, όπως οι διευθύνσεις MAC, είναι ένας τρόπος να υποδεικνύεται από πού προέρχεται ένα πακέτο δεδομένων και πού πηγαίνει. Το IPv4 ήταν το αρχικό πρωτόκολλο. Οι διευθύνσεις IPv4 έχουν πλάτος 32 bit δίνοντας έναν θεωρητικό μέγιστο αριθμό 4.294.967.296 διευθύνσεων. Ωστόσο, ο αριθμός αυτών των διευθύνσεων που είναι χρησιμοποιήσιμες από συσκευές είναι πολύ μικρότερος, καθώς ορισμένα εύρη διευθύνσεων προορίζονται για περιπτώσεις ειδικής χρήσης, όπως διευθύνσεις broadcast (οι οποίες χρησιμοποιούνται για να προσεγγίσουν όλους τους συμμετέχοντες ενός συγκεκριμένου δικτύου), διευθύνσεις multicast (παρόμοιες με τις διευθύνσεις broadcast, αλλά η συσκευή πρέπει να συντονιστεί σαν ραδιόφωνο) ή εκείνων που προορίζονται για ιδιωτική χρήση.

Στην ανθρωπίνως αναγνώσιμη μορφή τους, οι διευθύνσεις IPv4 συμβολίζονται ως τέσσερα ψηφία που χωρίζονται με μια τελεία. Κάθε ψηφίο μπορεί να κυμαίνεται από 0 έως 255. Για παράδειγμα, πάρτε την ακόλουθη διεύθυνση IP:

Τεχνικά, κάθε ένα από αυτά τα ψηφία αντιπροσωπεύει οκτώ μεμονωμένα bit. Επομένως, αυτή η διεύθυνση θα μπορούσε επίσης να γραφτεί ως εξής:

Στην πράξη χρησιμοποιείται ο δεκαδικός συμβολισμός όπως φαίνεται παραπάνω. Ωστόσο, η δυαδική αναπαράσταση εξακολουθεί να είναι σημαντική για την κατανόηση της υποδικτύωσης [subnetting].

Προκειμένου να υποστηριχθεί η δρομολόγηση, οι διευθύνσεις IP μπορούν να χωριστούν σε δύο μέρη: το δίκτυο και το τμήμα του host. Το τμήμα δικτύου προσδιορίζει το δίκτυο στο οποίο βρίσκεται η συσκευή και χρησιμοποιείται για τη δρομολόγηση πακέτων σε αυτό το δίκτυο. Το τμήμα του host χρησιμοποιείται για την ειδική αναγνώριση μιας δεδομένης συσκευής σε ένα δίκτυο και για την παράδοση του πακέτου στον συγκεκριμένο παραλήπτη του μόλις φτάσει στο link layer δίκτυο του.

Οι διευθύνσεις IP μπορούν να χωριστούν σε τμήματα υποδικτύου και host ανά πάσα στιγμή. Η λεγόμενη μάσκα υποδικτύου [subnet mask] καθορίζει πού συμβαίνει αυτή η διάσπαση. Ας επανεξετάσουμε τη δυαδική αναπαράσταση της διεύθυνσης IP από το προηγούμενο παράδειγμα:

Τώρα για αυτήν τη διεύθυνση IP, η μάσκα υποδικτύου ορίζει κάθε bit που ανήκει στο τμήμα δικτύου σε 1 και κάθε bit που ανήκει στο τμήμα του host σε 0:

Στην πράξη η μάσκα δικτύου γράφεται με δεκαδικό συμβολισμό:

Αυτό σημαίνει ότι αυτό το δίκτυο κυμαίνεται από 192.168.0.0 έως 192.168.0.255. Σημειώστε ότι οι τρεις πρώτοι αριθμοί, οι οποίοι έχουν όλα τα bit στη μάσκα δικτύου, παραμένουν αμετάβλητοι στις διευθύνσεις IP.

Τέλος, υπάρχει μια εναλλακτική σημειογραφία για τη μάσκα υποδικτύου, η οποία ονομάζεται Classless Inter-Domain Routing (CIDR). Αυτή η σημειογραφία απλώς υποδεικνύει πόσα bit έχουν οριστεί στη μάσκα υποδικτύου και προσθέτει αυτόν τον αριθμό στη διεύθυνση IP. Στο παράδειγμα, 24 από τα 32 bit έχουν οριστεί σε 1 στη μάσκα υποδικτύου. Αυτό μπορεί να εκφραστεί με συμβολισμό CIDR ως 192.168.0.1/24.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ορισμένες ενότητες του χώρου διευθύνσεων IPv4 προορίζονται για ειδικές περιπτώσεις χρήσης. Μία από αυτές τις περιπτώσεις χρήσης είναι οι εκχωρήσεις ιδιωτικών διευθύνσεων. Τα ακόλουθα υποδίκτυα είναι δεσμευμένα για ιδιωτική διευθυνσιοδότηση:

Οι διευθύνσεις από αυτά τα υποδίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν από οποιονδήποτε. Ωστόσο, αυτά τα υποδίκτυα δεν μπορούν να δρομολογηθούν στο δημόσιο Διαδίκτυο, καθώς δυνητικά χρησιμοποιούνται από πολλά δίκτυα ταυτόχρονα.

Σήμερα, τα περισσότερα δίκτυα χρησιμοποιούν αυτές τις εσωτερικές διευθύνσεις. Επιτρέπουν την εσωτερική επικοινωνία χωρίς την ανάγκη εκχώρησης εξωτερικής διεύθυνσης. Οι περισσότερες συνδέσεις διαδικτύου σήμερα συνοδεύονται από μία μόνο εξωτερική διεύθυνση IPv4. Τα routers αντιστοιχίζουν όλες τις εσωτερικές διευθύνσεις σε αυτήν την εξωτερική διεύθυνση IP κατά την προώθηση πακέτων στο διαδίκτυο. Αυτό ονομάζεται Network Address Translation (NAT) (Μετάφραση Διεύθυνσης Δικτύου). Η ειδική περίπτωση του NAT όπου ένα router αντιστοιχίζει εσωτερικές διευθύνσεις σε μία μόνο εξωτερική διεύθυνση IP ονομάζεται μερικές φορές masquerading (μεταμφίεση). Αυτό επιτρέπει σε οποιαδήποτε συσκευή στο εσωτερικό δίκτυο να δημιουργεί νέες συνδέσεις με οποιαδήποτε παγκόσμια διεύθυνση IP στο διαδίκτυο.

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για να ρυθμίσετε τις διευθύνσεις IPv4 σε έναν υπολογιστή. Είτε εκχωρώντας διευθύνσεις με μη αυτόματο τρόπο είτε χρησιμοποιώντας το Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) για αυτόματη παραμετροποίηση.

Όταν χρησιμοποιείτε DHCP, ένας κεντρικός server ελέγχει ποιες διευθύνσεις διανέμονται σε ποιες συσκευές. Ο server μπορεί επίσης να παρέχει στις συσκευές και άλλες πληροφορίες σχετικά με το δίκτυο, όπως τις διευθύνσεις IP των servers DNS, τη διεύθυνση IP του προεπιλεγμένου router ή, στην περίπτωση πιο περίπλοκων ρυθμίσεων, για την εκκίνηση ενός λειτουργικού συστήματος από το δίκτυο. Το DHCP είναι ενεργοποιημένο από προεπιλογή σε πολλά συστήματα, επομένως πιθανότατα θα έχετε ήδη μια διεύθυνση IP όταν είστε συνδεδεμένοι σε ένα δίκτυο.

Οι διευθύνσεις IP μπορούν επίσης να προστεθούν χειροκίνητα σε μια διεπαφή χρησιμοποιώντας την εντολή ip addr add. Εδώ, προσθέτουμε τη διεύθυνση 192.168.0.5 στη διεπαφή ens33. Το δίκτυο χρησιμοποιεί τη μάσκα δικτύου 255.255.255.0 που ισούται με /24 στη σημειογραφία CIDR:

Τώρα μπορούμε να επαληθεύσουμε ότι η διεύθυνση προστέθηκε χρησιμοποιώντας την εντολή ip addr show:

Η παραπάνω έξοδος εμφανίζει τόσο τη διεπαφή lo όσο και τη διεπαφή ens33 με τη διεύθυνσή της, που έχει εκχωρηθεί με την παραπάνω εντολή.

Για να επαληθεύσετε την προσβασιμότητα μιας συσκευής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εντολή ping. Στέλνει έναν ειδικό τύπο μηνύματος που ονομάζεται echo request στο οποίο ο αποστολέας ζητά από τον παραλήπτη μια απάντηση. Εάν η σύνδεση μεταξύ των δύο συσκευών μπορεί να πραγματοποιηθεί με επιτυχία, ο παραλήπτης θα στείλει ένα echo reply, επαληθεύοντας έτσι τη σύνδεση:

Η παράμετρος -c 3 κάνει το ping να σταματήσει μετά την αποστολή τριών echo requests. Διαφορετικά, το ping συνεχίζει να εκτελείται για πάντα και πρέπει να σταματήσει πατώντας Ctrl+C.

Η δρομολόγηση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα πακέτο μεταβαίνει από το δίκτυο προέλευσης στο δίκτυο προορισμού. Κάθε συσκευή διατηρεί έναν πίνακα δρομολόγησης που περιέχει πληροφορίες σχετικά με το ποιό δίκτυο IP μπορεί να προσεγγιστεί απευθείας μέσω της προσάρτησης της συσκευής σε link layer δίκτυα και ποιό δίκτυο IP μπορεί να προσεγγιστεί μεταβιβάζοντας πακέτα σε ένα router. Τέλος, μια προεπιλεγμένη διαδρομή [default route] ορίζει ένα router που λαμβάνει όλα τα πακέτα που δεν ταιριάζουν με καμία άλλη διαδρομή.

Κατά τη δημιουργία μιας σύνδεσης, η συσκευή αναζητά τη διεύθυνση IP του στόχου στον πίνακα δρομολόγησης της. Εάν μια καταχώρηση ταιριάζει με τη διεύθυνση, το πακέτο είτε αποστέλλεται στο αντίστοιχο link layer δίκτυο είτε μεταβιβάζεται στο router που υποδεικνύεται στον πίνακα δρομολόγησης.

Τα ίδια τα routers διατηρούν επίσης πίνακες δρομολόγησης. Κατά τη λήψη ενός πακέτου, ένα router αναζητά επίσης τη διεύθυνση προορισμού στον δικό του πίνακα δρομολόγησης και στέλνει το πακέτο στο επόμενο router. Αυτό επαναλαμβάνεται έως ότου το πακέτο φτάσει στο router του δικτύου προορισμού. Κάθε router που συμμετέχει σε αυτό το ταξίδι ονομάζεται hop. Αυτό το τελευταίο router βρίσκει ένα απευθείας συνδεδεμένο link για τη διεύθυνση προορισμού στον πίνακα δρομολόγησης του και στέλνει τα πακέτα στη διεπαφή προορισμού του.

Τα περισσότερα οικιακά δίκτυα έχουν μόνο μία διέξοδο, το μοναδικό router που προέρχεται από τον παροχέα υπηρεσιών διαδικτύου [Internet Service Provider] (ISP). Σε αυτήν την περίπτωση, μια συσκευή απλώς προωθεί όλα τα πακέτα που δεν προορίζονται για το εσωτερικό δίκτυο απευθείας στο οικιακό router, το οποίο στη συνέχεια θα τα στείλει στο router του παρόχου για περαιτέρω προώθηση. Αυτό είναι ένα παράδειγμα της προεπιλεγμένης διαδρομής.

Η εντολή ip route show παραθέτει τον τρέχοντα πίνακα δρομολόγησης IPv4:

Για να προσθέσετε μια προεπιλεγμένη διαδρομή, το μόνο που χρειάζεται είναι η εσωτερική διεύθυνση του router που πρόκειται να είναι η προεπιλεγμένη πύλη [default gateway]. Εάν, για παράδειγμα, το router έχει τη διεύθυνση 192.168.0.1. τότε η ακόλουθη εντολή τον ορίζει ως προεπιλεγμένη διαδρομή:

Για επαλήθευση, εκτελέστε ξανά το ip route show:

Γραπτώς, οι διευθύνσεις χρησιμοποιούν 8 ομάδες των 4 δεκαεξαδικών ψηφίων, με τη καθεμία να χωρίζεται με άνω και κάτω τελεία:

Για να είναι πιο εύκολο, τα μηδενικά που προηγούνται από κάθε ομάδα μπορούν να αφαιρεθούν όταν γράφονται, ωστόσο κάθε ομάδα πρέπει να περιέχει τουλάχιστον ένα ψηφίο:

Όπου πολλές ομάδες που περιέχουν μόνο μηδενικά ακολουθούν απευθείας η μία μετά την άλλη, μπορούν να αντικατασταθούν εξ ολοκλήρου από το :::

Ωστόσο, αυτό μπορεί να συμβεί μόνο μία φορά σε κάθε διεύθυνση.

Τα πρώτα 64 bit μιας διεύθυνσης IPv6 είναι γνωστά ως το πρόθεμα δρομολόγησης [routing prefix]. Το πρόθεμα χρησιμοποιείται από τα routers για να καθορίσουν σε ποιο δίκτυο ανήκει μια συσκευή και επομένως σε ποια διαδρομή πρέπει να σταλούν τα δεδομένα. Η υποδικτύωση γίνεται πάντα εντός του προθέματος. Οι ISP συνήθως διανέμουν προθέματα /48 ή /58 στους clients τους, αφήνοντάς τους 16 ή 8 bit για το εσωτερικό τους υποδίκτυο.

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι προθέματος στο IPv6:

Ενώ το πρόθεμα καθορίζει σε ποιο δίκτυο βρίσκεται μια συσκευή, το αναγνωριστικό διεπαφής χρησιμοποιείται για την απαρίθμηση των συσκευών μέσα σε ένα δίκτυο. Τα τελευταία 64 bit σε μια διεύθυνση IPv6 σχηματίζουν το αναγνωριστικό διεπαφής, όπως και τα τελευταία bit μιας διεύθυνσης IPv4.

Όταν μια διεύθυνση IPv6 εκχωρείται μη αυτόματα, το αναγνωριστικό διεπαφής ορίζεται ως μέρος της διεύθυνσης. Όταν χρησιμοποιείτε την αυτόματη διαμόρφωση διεύθυνσης, το αναγνωριστικό διεπαφής επιλέγεται είτε τυχαία είτε προέρχεται από τη διεύθυνση του link layer της συσκευής. Αυτό κάνει μια παραλλαγή της διεύθυνσης του link layer να εμφανίζεται στη διεύθυνση IPv6.

Όπως το IPv4, η διεύθυνση IPv6 μπορεί να εκχωρηθεί είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα. Ωστόσο, το IPv6 έχει δύο διαφορετικούς τύπους αυτοματοποιημένων διαμορφώσεων, το DHCPv6 και το Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC).

Το SLAAC είναι η ευκολότερη από τις δύο αυτοματοποιημένες μεθόδους και ενσωματωμένη στο πρότυπο IPv6. Τα μηνύματα χρησιμοποιούν το νέο Neighbor Discovery Protocol το οποίο επιτρέπει στις συσκευές να βρίσκουν η μία την άλλη και να ζητούν πληροφορίες σχετικά με ένα δίκτυο. Αυτές οι πληροφορίες αποστέλλονται από routers και μπορούν να περιέχουν προθέματα IPv6 τα οποία μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι συσκευές συνδυάζοντάς τα με ένα αναγνωριστικό διεπαφής της επιλογής τους, εφόσον η προκύπτουσα διεύθυνση δεν χρησιμοποιείται ακόμη. Οι συσκευές δεν παρέχουν ανατροφοδότηση στο router σχετικά με τις πραγματικές διευθύνσεις που έχουν δημιουργήσει.

Το DHCPv6, από την άλλη πλευρά, είναι το επικαιροποιημένο DHCP που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με τις αλλαγές του IPv6. Επιτρέπει τον καλύτερο έλεγχο των πληροφοριών που διανέμονται στους clients, όπως να επιτρέπεται η διανομή της ίδιας διεύθυνσης στον ίδιο client κάθε φορά και η αποστολή περισσότερων επιλογών στον client από το SLAAC. Με το DHCPv6, οι clients πρέπει να λάβουν τη ρητή συγκατάθεση ενός server DHCP για να χρησιμοποιήσουν μια διεύθυνση.

Η μέθοδος για τη μη αυτόματη αντιστοίχιση μιας διεύθυνσης IPv6 σε μια διεπαφή είναι η ίδια όπως με το IPv4:

Για να επαληθεύσετε ότι η εκχώρηση έχει λειτουργήσει, χρησιμοποιείται η ίδια εντολή ip addr show:

Εδώ βλέπουμε επίσης τη link local διεύθυνση fe80::010c:29ff:fe33:3b25/64.

Όπως στο IPv4, η εντολή ping μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να επιβεβαιώσει την προσβασιμότητα των συσκευών μέσω του IPv6:

Για να επαληθεύσετε τη link local διεύθυνση, χρησιμοποιήστε ξανά το ping. Επειδή όμως όλες οι διεπαφές χρησιμοποιούν το πρόθεμα fe80::/64, πρέπει να καθοριστεί η σωστή διεπαφή μαζί με τη διεύθυνση: