Опубликован: 30.07.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 1714 / 60 | Длительность: 24:05:00
Лекция 2:

Адресация IPv6

Область и зона действия адреса IPv6

Затронутая нами в §2.3 концепция внутриканальных адресов подводит нас к одной любопытной и довольно общей проблеме. Пока что мы знакомы только с тем, как эта концепция реализована в IPv4, и реализация эта предполагает, что у каждого узла ровно один активный сетевой интерфейс [§3 RFC 3927]. Это позволяет объединить все узлы многоадресным каналом и обойтись одним префиксом, 169.254.0.0/16, без дальнейшего его дробления. Есть ли у нас основания для того, чтобы расширить эту схему на случай N каналов, где N > 1?

Для затравки мы можем представить себе простейший сценарий: в центре сети находится сервер, подключенный к нескольким каналам, а рабочие станции обращаются к нему по этим каналам. Примером послужит гипотетическая сеть НИИЧАВО21 А. и Б. Стругацкие. "Понедельник начинается в субботу": Сказка для научных работников младшего возраста — М.: Детская литература, 1965. — 224 с, ил. , показанная на рис. 1.2

Гипотетическая сеть НИИЧАВО

Рис. 1.2. Гипотетическая сеть НИИЧАВО
Если любая рабочая станция в такой сети обращается только к своим соседям (neighbor) по каналу, включая сервер, то для работы сети достаточно внутриканальных адресов. Каждый канал может отвечать, скажем, независимому отделу организации; тогда подсети отделов будут изолированы друг от друга, и маршрутизация пакетов IP между ними не потребуется.

Пока мы работаем в рамках IPv4, осуществить эту схему на практике мы не сможем, потому что нам пришлось бы назначить каждому сетевому интерфейсу сервера адрес из одной и той же подсети, 169.254.0.0/16, а сетевой уровень IPv4 такой конфигурации не поддерживает по причине ее неоднозначности. А именно сетевой стек IPv4 не смог бы определить, через какой интерфейс надо передавать исходящие пакеты, адресованные 169.254.x.y.

Если же мы выйдем за пределы IPv4 и рассмотрим задачу на чисто логическом уровне, то внутриканальные адреса разных каналов вполне могут быть независимы, поскольку область действия каждого из них ограничена его каналом. Техническая сложность здесь заключается в том, что узлу, подключенному к нескольким каналам, надо научиться отличать адрес А на канале К1 от адреса А на канале К2, как показано на рис. 1.3. То есть указатель на канал должен стать частью внутриканального адреса. Если это произойдет, то один и тот же префикс подсети можно будет назначить разным интерфейсам узла, и это не приведет к неоднозначности.

Разрешение неоднозначности адреса А указанием канала

Рис. 1.3. Разрешение неоднозначности адреса А указанием канала
Подобное решение давно применяют географы: городам можно давать одинаковые имена, если они стоят на разных реках. Чтобы не возникло путаницы, к собственному имени города добавляют название реки. Например, так появились Франкфурт-на-Майне и Франкфурт-на-Одере, Комсомольск-на-Амуре и Комсомольск-на-Днепре.

К сожалению, подобного механизма вообще не было в IPv4 — об этом подробно говорится в [§3 RFC 3927], — так что стек IPv4 не различал внутриканальные адреса или префиксы подсетей на разных каналах, если их двоичное значение совпадало. Хотя менять что-либо в поведении IPv4 уже поздно, нам ничто не мешает освободить IPv6 от этого ограничения.

Однако мы пойдем дальше по пути обобщения и не станем ограничивать эту интересную идею одними только каналами. Скажем так: пускай у каждого адреса IPv6 будет определенная область действия, или просто область (scope) [§4 RFC 4007]. Например, у внутриканального адреса это канал, у внутрисайтового — сайт, а у глобального — целая планета или даже вселенная (в зависимости от высоты наших звездных амбиций). Единственное исключение — это неопределенный адрес ::, ввиду его особого статуса: область действия адреса :: в общем случае не определена.

Если вам нужно освежить память насчет типов адресов IPv6, повторите §2.3.

Вернемся пока что к внутриканальным адресам и снова рассмотрим наш пример — сервер в центре организации (рис. 1.2). Допустим, всем его интерфейсам назначен один и тот же численный адрес FE80::1/64, область действия которого — канал.22 В §2.3 мы зарезервировали FE80::/10 для внутриканальных адресов, помните? Но, по нашему замыслу, адрес FE80::1 в отделе линейного счастья (канал К1) и адрес FE80::1 в отделе смысла жизни (канал К2) — суть разные адреса, несмотря на одинаковое численное значение и равновеликую область действия. Чтобы зафиксировать это различие, мы скажем, что канал К1 — это зона действия (scope zone), или просто зона, адреса "FE80::1 на К1". То же самое можно сказать о любом адресе из подсети "FE80::/64 на К1" — у всех у них зона совпадает. В то же время, у адресов "FE80::1 на К2" и, например, "FE80::C0DE на К2" будет другая зона, а именно канал К2.

Чем зона отличается от области? Область — это характеристика величины, размера: один канал, один сайт, одна вселенная. А зона — это конкретная территория, где актуален данный адрес IPv6: канал К1 в Отделе линейного счастья НИИЧАВО или облако Wi-Fi у меня дома; академическая сеть НИИЧАВО или корпоративная сеть компании Yoyodyne; наконец, наша Вселенная.

Адепты объектно-ориентированного программирования без труда заметят такую параллель: область — это класс, а зона — это объект.

Особенность такого подхода в том, что область адреса IPv6 можно определить по его двоичному префиксу (FE80::/10,— канал, FEC0::/10сайт, и т.д.), тогда как его зона зависит от конфигурации конкретной сети. Информация о зоне не содержится в численном значении адреса, а значит, ее надо хранить и сообщать дополнительно, например, как мы делали это выше, снабжая внутриканальный адрес уточнением: "на таком-то канале".

Означает ли это, что имя зоны становится неотъемлемой частью адреса IPv6? Придется ли поместить такие имена в заголовок IPv6 наряду с численными адресами источника и назначения? Чтобы ответить на этот вопрос, нам надо принять и понять простой факт: адресация между разными зонами одной области23 Или, говоря проще, одинаковой величины. невозможна, потому что адреса в их объединении не уникальны. Иными словами, если в заголовке пакета указан адрес источника или назначения, принадлежащий данной зоне, то пакет не должен покидать пределов этой зоны, потому что иначе адрес утратит свой смысл. То, что мы сейчас обнаружили — это фундаментальное свойство зонной архитектуры IPv6. Мы станем называть его "принцип изоляции зон".

Вообще-то, нам с самого начала было очевидно, что в нашем примере сети НИИЧАВО обмен трафиком между разными ЛВС невозможен, поскольку в них применяются только внутриканальные адреса. Сейчас же мы обобщили этот вывод на любую область.

Благодаря этому свойству узел-получатель всегда знает, из какой зоны пришел пакет. Например, если сервер НИИЧАВО получит из канала К2 пакет, созданный узлом FE80::DADA и адресованный FE80::F00D, то сервер немедленно отнесет адреса источника и назначения к зоне К2: они станут не просто FE80::DADA и FE80::F00D, а "FE80::DADA на канале К2" и "FE80::F00D на канале К2". Никакой дополнительной информации в заголовке самого пакета при этом не потребуется.

Неоднозначность может возникнуть при отправке пакета и состоит она в выборе выходного интерфейса, потому что посредством интерфейсов узел подключен к каналам, а через них и к зонам большей величины. Здесь возможны два случая:

  1. данный узел — транзитный на пути данного пакета;
  2. данный узел — создатель пакета.

В первом из них пакет был принят из какого-то интерфейса, а значит, узел уже отнес адреса источника и назначения в нем к определенным зонам, как мы только что говорили. Следовательно, на момент передачи пакета узел точно знает зону его назначения и может правильно выбрать выходной интерфейс. Скажем, если адрес назначения внутриканальный, то пакет может только вернуться в тот же канал, откуда он пришел — через тот же самый интерфейс или другой подключенный к тому же каналу.

И только во втором случае сведения о зоне назначения пакета заранее недоступны. Здесь нет другого входа, как явным образом указать зону назначения. Например, если администратор сети НИИЧАВО захочет проверить с помощью ping доступность хоста FE80::Baa1 в недавно подключенном отделе научного атеизма (новый канал К4 — на схеме сети отсутствует), то ему придется указать в командной строке не только численный адрес, но и зону. Нам предстоит сконструировать стандартный механизм, который позволит это сделать.

Выше мы рассмотрели все основные случаи, когда узел должен определить зону адреса: прием, транзит и создание пакета. В каждом из них узел располагал необходимыми сведениями локально и мог обойтись без внешней информации, явно сообщаемой другими узлами. На этом основании мы можем, наконец, сделать долгожданный вывод: указывать идентификаторы зон в заголовке IPv6 не нужно — достаточно численных адресов источника и назначения.

Грубо говоря, включение имен зон в состав заголовка IPv6 означало бы просто отказ от зонной архитектуры и расширение адреса IPv6 еще несколькими битами.

Выходит, что идентификация зон — это частное дело отдельно взятого узла, и нет нужды заботиться о ее согласовании между узлами. Например, если бы в сети НИИЧАВО было два сервера, то один из них мог бы обозначать подключенные к нему каналы древнекитайскими иероглифами, а другой — древнегерманскими рунами, несмотря на то что у них есть общие каналы, как изображено на рис. 1.4. Главное, чтобы каждый узел сам не запутался в собственных обозначениях или, выражаясь строже, чтобы идентификатор зоны оставался уникальным в пределах узла.

Идентификаторы зон могут быть обозначены даже рунами или иероглифами

Рис. 1.4. Идентификаторы зон могут быть обозначены даже рунами или иероглифами

Пусть читатель найдет эти иероглифы и руны в Unicode.

На первый взгляд, мы сами себе противоречим. Ведь мы сказали в §2.2, что в текстовой записи адреса IPv6 допустимы только самые основные символы, а теперь говорим о каких-то рунах и иероглифах. Дело здесь в том, что идентификатор зоны, взятый на локальном узле, никогда не придется вводить в настройки другого узла, потому что там он не будет иметь никакого смысла. Именно поэтому локальный узел волен выбрать для идентификации зон любую знаковую систему, с которой он сам способен работать.

Как именно узел будет вести учет подключенных зон, мы оставим на усмотрение реализации. Тем не менее, можно предложить типовую модель этого механизма, чтобы не обсуждать воздушные замки. Итак, для того чтобы достоверно отличить разные зоны друг от друга, узлу достаточно:

а) знать область (величину) каждой из них: канал, сайт, …, вселенная;

б) пронумеровать зоны одной области (одинаковой величины).

Сочетание области и номера зоны мы обозначим как индекс зоны (zone index). Наши обозначения каналов в примере: "канал К1", "канал К2", "канал К3", — были ни чем иным как разновидностью таких индексов.

Теперь мы достаточно оснащены понятиями и терминами, чтобы двинуться дальше. Нашим первым важным решением было не ограничивать области IPv6 одним только каналом. Однако пока что наше слово расходится с делом: все наши примеры были основаны исключительно на каналах, а об областях большей величины мы практически не сказали ни слова. На самом деле, нам повезло, потому что, заранее не подумав, мы могли наговорить чепухи. Дело в том, что при переходе к областям большей величины возникают нетривиальные вопросы, на которые мы должны сперва ответить. Посыл здесь, на первый взгляд, прост: область большей величины содержит в себе одну или несколько областей меньшей величины. Например, сайт состоит из одного или больше каналов. Однако более строгий анализ вызывает, по меньшей мере, вот какие два вопроса:

  • может ли область меньшей величины быть разделена между областями большей величины24 Тот же вопрос можно поставить так: могут ли зоны перекрываться? ;
  • могут ли адрес источника и адрес назначения пакета IPv6 принадлежать разным зонам?
Хотя мы еще не работали над заголовком IPv6, уже сейчас достаточно ясно, что в нем будут адреса источника и назначения пакета.

Для ответа на первый вопрос рассмотрим гипотетический канал К, который принадлежит одновременно двум сайтам, С1 и С2. Это значит, что к каналу К могут быть одновременно подключены два узла У1 и У2 с внутрисайтовым адресом, скажем, FEC0::C001. Отличаться эти адреса будут, конечно же, зоной: у одного это "сайт С1", а у другого — "сайт С2". Теперь представим себе, что третий узел, принадлежащий сайту С1, передает в канал К пакет, адресованный FEC0::C001. Согласно нашей рабочей модели, идентификатор зоны назначения в этом пакете не упоминается. В результате, хотя этот пакет предназначался узлу У1 по принципу изоляции зон, его примут оба узла, У1 и У2, потому что каждый из них решит так: "Этот пакет пришел из канала К, и значит, он относится к моему сайту". В такой схеме адрес назначения теряет однозначность. Как восстановить ее?

Для этого необходимо и достаточно, чтобы заголовок и входной интерфейс принятого пакета вместе однозначно определяли зоны адреса источника и адреса назначения [§7 и 8 RFC 4007]. Сам по себе численный адрес IPv6 из заголовка пакета указывает только на свою область, но не на зону. Значит, отображение области в зону надо провести на основе информации о входном интерфейсе. Чтобы это отображение оставалось однозначным и определенным для любой области, понадобится вот какое дополнительное условие: каждый интерфейс узла IPv6 находится ровно в одной зоне каждой области, независимо от назначенных ему адресов [§5 RFC 4007]. Предыдущий пример нарушал это требование, так как подключенные к каналу К интерфейсы узлов У1 и У2 находились одновременно в двух зонах области "сайт".

Да, сетевой интерфейс может находиться в зоне, даже не обладая ни одним адресом из этой зоны. Так, интерфейс, которому назначен только внутриканальный адрес, все равно находится в глобальной зоне и способен принимать и передавать глобальный трафик, например, если узел маршрутизирует транзитные пакеты.

Не ошиблись ли мы, сказав "ровно в одной зоне" вместо "не больше чем в одной зоне"? На самом деле, нет. Ведь иначе пострадала бы определенность соответствия: <численный адрес и входной интерфейс>\to <зона адреса>, — так как некоторым адресам во входящих пакетах не отвечала бы никакая зона.

Обратите внимание, что мы заранее не знаем всех возможных областей. Можно полагать, что их множество не только бесконечно, но даже обладает свойствами континуума. Почувствовать это поможет иллюстрация рис. 1.5, где зоны разных областей обозначены касающимися пунктирными окружностями: между любыми двумя из них мы можем провести еще одну. Выражаясь философски, зона существует на интерфейсе независимо от того, помыслил ли кто-нибудь о ней.

Интерфейс принадлежит зонам всех областей

Рис. 1.5. Интерфейс принадлежит зонам всех областей
Сергей Субботин
Сергей Субботин

"Теоретически канал с адресацией EUI 64 может соединить порядка 2^63 "

запись вида 2^63  не понятна и отнимает время на попытку ее осмыслить.

ее можно заменить например на записи вида  264  или 1,8 * 1019

 

Павел Афиногенов
Павел Афиногенов

Курс IPv6, в тексте имеются ссылки на параграфы. Разбиения курса на параграфы нет.