MODUŁ 06

Adresy IPv4 i podział na podsieci

PPrezentacja dla nauczyciela

Najczęstszy temat pisemnego i podstawa praktycznego: z adresu i maski musisz w głowie wyjąć adres sieci, broadcast i liczbę hostów.

Adres IPv4 to 32 bity zapisane czterema oktetami

Adres IPv4 to liczba, która musi zmieścić się w 32 bitach — czyli w czterech komórkach po 8 bitów. Te komórki nazywają się oktetami.

Każdy oktet ma 8 bitów, a 8 bitów daje 256 możliwych wartości, więc w oktecie zapisujemy liczbę od 0 do 255. Stąd zapis 192.168.10.5: cztery liczby rozdzielone kropkami, każda od 0 do 255.

Komputer nie pamięta tych liczb dziesiętnie, tylko bitowo. Liczba 192 to binarnie 11000000. Każdy bit ma własną wagę, od lewej: 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1. Gdzie jest jedynka, waga się dodaje — 128 + 64 = 192. Gdzie jest zero, waga się pomija.

Jedynki stoją na wagach 4 i 1, więc czwarty oktet to 4 + 1 = 5, czyli binarnie 00000101. Czytanie idzie od lewej: pięć zer na początku nie jest ozdobnikiem, tylko mówi, że ten oktet nie używa wag 128, 64, 32, 16 i 8.

Drugi wiersz pokazuje, ile wyniesie liczba, jeśli użyjemy danego bitu i wszystkich leżących na lewo: sam bit 128 daje 128, a 128 + 64 już daje 192. Ostatnia kolumna wychodzi na 255 — stąd górny limit oktetu.

Klasy adresów — jak pierwszy oktet kiedyś wyznaczał rozmiar sieci

Zanim powstał zapis /24, rozmiar sieci ustalano po pierwszym oktecte. Pierwsza litera adresu dawała klasa, a klasa mówiła, ile bitów jest sieciowych.

System nazywał się adresowaniem klasowym i warto go znać, bo pytania o niego nadal padają — choć w praktyce wypiera go zapis z maską.

Klasę rozpoznajesz po zaczynających się bitach pierwszego oktetu, bez liczenia do dziesiątki: pierwszy bit 0 oznacza klasę A, dwa pierwsze bity 10 — klasę B, trzy pierwsze 110 — klasę C. Adres 172.16.5.1 zaczyna się od 172, czyli od 10101100 — dwa pierwsze bity to 10, więc to klasa B.

Trzy adresy, których każda sieć musi mieć

Zanim cokolwiek policzysz, musisz rozróżnić trzy role, jakie pełni adres w obrębie jednej sieci:

• adres sieciowy — pierwszy adres bloku adresowego; identyfikuje samą sieć i służy do opisania jej w tablicach routingu;
• adresy hostów — wszystkie pomiędzy; to je przypisujesz komputerom, serwerom, drukarcom i interfejsom routera;
• adres broadcastowy (rozgłoszeniowy) — ostatni adres w podsieci; oznacza „wszystkie urządzenia tutaj”, służy do rozsyłania ramek bez znajomości odbiorcy.

Zasada jest prosta i bezwzględna: adresu sieciowego i adresu broadcastowego nie przypisujesz żadnemu urządzeniu. Dlatego z 64 adresów robisz się 62 hosty. Dwa adresy „znikają” zawsze, niezależnie od wielkości sieci — poza wyjątkami: /31 (łącze punkt–punkt, RFC 3021: oba adresy są hostami) i /32 (pojedynczy host).

Adres interfejsu routera wewnątrz twojej sieci to zazwyczaj pierwszy adres hosta, czyli przy /26 będzie to 192.168.10.1. W zadaniach często przyjmuje się pierwszy adres hosta — ale zawsze sprawdź, czy treść zadania nie wskazuje innej bramy.

Maska mówi, gdzie kończy się sieć

Maska to również 32 bity, ale o zupełnie innym znaczeniu niż adres. W masce jedynka oznacza bit należący do sieci, a zero — bit należący do hosta.

Liczba jedynek na początku maski to długość zapisu /n: maska 255.255.255.192 to 11111111.11111111.11111111.11000000, czyli /26 — 26 jedynek, potem 6 zer.

Adres sieciowy to operacja AND adresu z maską, czyli mnożenie bit po bicie, gdzie jedynka daje wynik tylko wtedy, gdy jedynki są w obu zapisach. AND zeruje wszystko, co maska oznacza jako „host”, i zostawia bez zmian to, co oznacza jako „sieć”.

Wynik: 192.168.10.128. W czwartym oktecie została tylko jedynka wagi 128. Reszta zer nie jest przypadkiem — to są dokładnie bity, które maska oznaczyła jako host, a one zostały wyzerowane. Adresy z tej samej podsieci różnią się tylko tam, gdzie maska ma zera.

Adres broadcastowy liczysz odwrotnie: bierzesz adres sieciowy i ustawiasz wszystkie bity hosta na jedynki. Dla tej samej maski: 192.168.10.128 + 63 = 192.168.10.191.

Dodajesz zawsze wielkość bloku minus jeden — przy /26 jest to 63, a nie 31, bo blok ma 64 adresy.

Czy dwa adresy są w tej samej sieci?

To pytanie pada w zadaniach niemal zawsze, więc procedura musi być wyćwiczona do automatyzmu. Liczy się adres sieciowy obu adresów i porównuje. Jeśli wyszły takie same — są w tej samej sieci.

Zmiana maski zmienia odpowiedź, więc porównujemy zawsze tę samą maską.

Podpowiedź praktyczna: jeśli oba adresy mają identyczne bity w części sieciowej, wystarczy porównać je na oku. W pierwszym przykładzie piątka i 60 mają wspólne pierwsze dwa bity 00, więc sąsiadują. Szóstka i siedemdziesiąt mają 00 i 01 — to już inna podsieć.

Adresy specjalne — których nie przypisujesz urządzeniu

Adresy prywatne (10/8, 172.16/12, 192.168/16) nie są routowalne w internecie — routery ich nie przepuszczają. Dzięki temu jedna sieć szkolna może mieć ten sam adres co milion innych sieci szkolnych.

Na wyjściu do internetu tłumaczy je mechanizm NAT, opisany w module 9. Klasy A i B z poprzedniej sekcji były właśnie po to, żeby wydzielić ten zakres.

Podział sieci na podsieci

Podział to operacja, która polega na pożyczeniu bitów z części hosta i przeniesieniu ich do części sieciowej. Zamiast jednej dużej sieci dostajesz kilka małych, oddzielonych routerem — dzięki temu ruch między nimi można kontrolować.

Kolejność jest zawsze taka sama i warto ją zapamiętać:

1. Ile podsieci potrzebujesz? Wybierz liczbę bitów, żeby 2^n dawało co najmniej tyle podsieci. Cztery podsieci → 2 bitów.
2. Ile hostów w każdej? Sprawdź, czy 2^(bitów hosta) − 2 wystarczy. Potrzebujesz 50 hostów → 6 bitów, bo 2^5 − 2 = 30 to za mało.
3. Nowa maska to stara maska plus pożyczone bity: /24 + 2 = /26, czyli 255.255.255.192.
4. Granice podsieci liczysz, wielokrotnie odliczając wielkość bloku. Przy /26 blok ma 64 adresy, więc granice to .0, .64, .128 i .192.
5. Adresy w każdej podsieci to: pierwszy — sieciowy, ostatni — broadcastowy, reszta to hosty. Adres routera to zwykle pierwszy z nich.

Zauważ, co stało się z liczbą adresów: było 254 hosty, jest 248. Zniknęło osiem adresów — po dwa na podsieć, bo każda potrzebuje własnego adresu sieciowego i własnego broadcastowego. Dlatego liczba podsieci zawsze kosztuje po dwa adresy.

Podział pod VLAN-y wygląda tak samo — różnica jest tylko taka, że podsieci dostają różne numery VLAN, a router przypisuje do każdej podsieci osobny interfejs z własnym adresem. Zadanie „podziel 192.168.10.0/24 na cztery podsieci dla VLAN 10, 20, 30 i 40” to dokładnie ten sam rachunek: maska /26, pierwsze adresy podsieci to .0, .64, .128, .192, a interfejsy routera dostają .1, .65, .129, .193.

IPv6 w zarysie

IPv4 daje około 4,3 miliarda adresów i kończą się — nie dlatego, że są „za małe”, tylko dlatego, że każdy potrzebuje adresu na każdym interfejsie, w każdym miejscu i czasie. IPv6 ma 128 bitów, czyli 2^128 adresów.

Nie rozwiązuje to problemu liczby, ale jego braku.

Zapis wygląda inaczej. Adres to osiem grup po cztery cyfry szesnastkowe, rozdzielonych dwukropkami. Zawsze osiem grup — brakujące uzupełnia się zerami:

Dwie zasady skracania i jedno ograniczenie: usuwa się zera wiodące w grupie (0042 → 42), a długą serię całych zer można zastąpić podwójnym dwukropkiem — ale tylko raz w adresie, bo inaczej nie dałoby się odtworzyć, gdzie seria się kończyła. Dwa podwójne dwukropki obok siebie w adresie są zawsze błędem.

Długość zapisuje się tak samo jak w IPv4: /64 znaczy 64 bity sieciowe i 64 bity interfejsu. Podział na podsieci działa tak samo — pożyczasz bity — tylko skalą są miliony zamiast setek.

Dwie różnice, które łatwo przeoczyć. Po pierwsze, w IPv6 nie ma adresu broadcastowego — jego rolę przejęło multicast, czyli ff02::1 oznacza „wszystkie węzły tego łącza”.

Nie przenoś na IPv6 reguły „odejmij dwa adresy” z IPv4 — dla /64 adres hosta to dowolny adres w obrębie prefiksu; nie ma tu adresu sieci i broadcastu do odjęcia. Po drugie, adres link-local fe80:: nadaje się sam, bez serwera DHCP — i dlatego działa zanim sieć jest w ogóle skonfigurowana.

Pule adresów prywatnych — RFC 1918

Dokument RFC 1918 wyznacza trzy bloki adresów, które nie są routowane w internecie i można ich swobodnie używać w sieciach lokalnych:

Adresacja w praktyce: stos TCP/IP

Adresacja IP działa w obrębie stosu TCP/IP — zestawu protokołów, który faktycznie napędza internet. Jego warstwa internetowa to IP (adresy i routing), transportowa to TCP (połączeniowy, pilnuje kolejności i potwierdza odbiór) albo UDP (szybki, bez potwierdzeń), a warstwa aplikacji to m.in.

HTTP, DNS, DHCP czy SSH. Adres IP jednoznacznie wskazuje interfejs, a maska dzieli go na część sieciową i część hosta — dopiero razem pozwalają stwierdzić, czy dwa komputery są w tej samej podsieci.