Temat A2. Podstawowe protokoły stosowane w przepływie informacji i w zarządzaniu siecią

przez | 19 sierpnia 2020

Wszystkie treści na stronie ir.migra.pl są chronione prawami autorskimi. Więcej informacji znajdziesz tutaj.

Uwaga: Zapoznaj się wcześniej z tematami A1 i A2 z podręcznika „Teraz bajty. Informatyka dla szkół ponadpodstawowych. Zakres podstawowy. Klasa II”. Wykonaj zawarte tam ćwiczenia i zadania.

Zapisy podstawy programowej realizowane w temacie:

III. Posługiwanie się komputerem, urządzeniami cyfrowymi i sieciami komputerowymi.

Zakres rozszerzony. Uczeń spełnia wymagania określone dla zakresu podstawowego, a ponadto:

3) opisuje warstwowy model sieci komputerowej oraz model sieci internet, opisuje podstawowe funkcje urządzeń i protokoły stosowane w przepływie informacji i w zarządzaniu siecią;

Spis treści

  1. Adres sieciowy
  2. Podsieci IPv4
  3. Protokół DHCP
  4. Protokół DNS
  5. Protokół TCP
  6. Określanie ustawień sieciowych komputera

1. Adres sieciowy

W powszechnym użyciu są dwie wersje protokołu IP: wersja 4 (oznaczana IPv4) i wersja 6 (IPv6). Podstawowa różnica między nimi sprowadza się do sposobu reprezentacji adresu sieciowego urządzeń włączonych do sieci.

W protokole IPv4 adres sieciowy jest liczbą 32-bitową, co pozwala na zapisanie 232 ≈ 4 miliardów adresów. Wobec zwiększania się ilości urządzeń pracujących w globalnej sieci komputerowej (Internecie) liczba ta jest niewystarczająca, by każdemu urządzeniu przypisać unikatowy adres (obecnie pula adresów IPv4 w zasadzie została już rozdysponowana).

W protokole IPv6 adres sieciowy jest liczbą 128-bitową, co pozwala na zapisanie 2128 ≈ 3,4 • 1038 adresów. Niestety, IPv6 nie jest kompatybilny z IPv4 i nie jest obsługiwany przez wiele urządzeń i systemów komputerowych włączonych do Internetu. W dalszej części tematu skoncentrujemy się na omówieniu najważniejszych cech protokołu IPv4.

Adres sieciowy IPv4 zapisujemy jako cztery liczby 8-bitowe (tzw. oktety), rozdzielone kropkami, np.:

2. Podsieci IPv4

Ponieważ Internet nie posiada określonej struktury – jest raczej zbiorem wielu sieci, dzielących się na coraz mniejsze części – ważną rolę w określaniu lokalizacji komputera w sieci pełni maska podsieci. Maska podsieci określa, które bity adresu sieciowego oznaczają adres sieci, a które – urządzenia sieciowego. Bity maski ustawione na 1 określają adres sieci, a bity ustawione na 0 – adres urządzenia sieciowego. Po wykonaniu operacji logicznej AND na wszystkich odpowiadających sobie parach bitów adresu sieciowego i maski podsieci otrzymujemy adres podsieci.

Przykład 1. Wyznaczanie adresu podsieci na podstawie adresu IP i maski podsieci

Dwa adresy każdej podsieci mają z góry określoną funkcję: najmniejszy możliwy adres określa adres podsieci, a największy możliwy – tzw. adres rozgłoszeniowy (ang. broadcast) – to adres transmisji do wszystkich hostów w podsieci.

Przykład 2. Wyznaczanie adresów hostów w podsieci

Dla danych z przykładu 1:
    adres sieci to 192.168.112.000
    broadcast to 192.168.112.255
    adresy hostów to 192.168.112.1-192.168.112.254.
Ponieważ w masce podsieci mogą wystąpić najpierw wyłącznie „1”, a potem wyłącznie „0”, maskę często opisuje się, podając liczbę „1” w masce.

Przykład 3. Skrócony sposób zapisu maski podsieci

Maska podsieci z przykładu 1. składa się z dwudziestu czterech cyfr 1.
Adres tej podsieci można więc zapisać jako 192.168.112.0/24.


Ważnym elementem każdej podsieci jest tzw. brama domyślna (ang. default gateway). Brama to wyróżnione urządzenie sieciowe, przez które przechodzi cała transmisja skierowana do urządzeń znajdujących się poza podsiecią. Adres bramy musi należeć do puli adresów hostów podsieci.

Przykład 4. Wyznaczanie adresu bramy dla podsieci

Dla sieci z przykładu 1. typowe adresy bramy to 192.168.112.1 albo 192.168.112.254.


Adresy IPv4 można podzielić na publiczne i prywatne. Adresy publiczne są dostępne (tzn. można do posługujących się nimi hostów przesyłać dane) dla wszystkich komputerów wchodzących w skład Internetu, natomiast adresy prywatne – tylko dla hostów wchodzących w skład danej podsieci.

W Internecie dostępne są trzy klasy adresów podsieci prywatnych:
10.0.0.0/8                  (224 adresów)
172.16.0.0/12           (220 adresów)
192.168.0.0/16         (216 adresów).

Aby był możliwy dostęp z Internetu do usług udostępnianych przez komputer (komputery) w sieci lokalnej, w routerze należy dokonać tzw. mapowania portów, przyporządkowującego numery portów adresu widocznego z zewnątrz adresom IP i portom z sieci lokalnej.

Uwaga: Projektując sieć lokalną, powinniśmy zawsze używać adresów IP należących do podanych wyżej podsieci.

Komunikacja pomiędzy hostami o adresach prywatnych a hostami o adresach publicznych (czyli Internetem) jest możliwa dzięki wykorzystaniu techniki translacji adresów (ang. NAT – Network Addres Translation). Obsługuje ją większość routerów.

3. Protokół DHCP

Samodzielne określanie adresów IP hostów przez użytkowników nie jest pożądane. Użytkownicy często nie mają odpowiedniej wiedzy, aby poprawnie ustalić adresy IP hosta i maskę podsieci; mogliby także przydzielać sobie adresy już wykorzystywane przez inne urządzenia sieciowe. W większych sieciach komputerowych do nadawania adresów IP wykorzystuje się protokół DHCP. Można dzięki niemu nadać hostom poprawne adresy IP oraz określić adresy bramy domyślnej i serwera DNS, co jest niezbędne do zapewnienia dostępu do zasobów sieci.

Aby skorzystać z tego protokołu, należy wybrać jedno urządzenie lub kilka urządzeń sieciowych do pełnienia funkcji serwera DHCP (zwykle serwer DHCP jest elementem oprogramowania popularnych urządzeń sieciowych, np. routerów i punktów dostępowych).

Konfigurując serwer DHCP, administrator określa, jakie adresy IP będą przydzielane hostom i na jak długi czas. Może również wymusić, by dane urządzenie zawsze otrzymywało ten sam adres IP, przypisując adres IP do adresu MAC urządzenia sieciowego.

4. Protokół DNS

Korzystanie z sieci (w tym Internetu) jest możliwe wyłącznie z wykorzystaniem adresów IP.

Ćwiczenie 1.
Wpisz w przeglądarce adres 74.125.26.103. Jaka strona wyświetliła się w przeglądarce?

Specjalny adres domenowy localhost odpowiada zawsze adresowi IP 127.0.0.1.

Posługiwanie się wyłącznie adresami IP nie stwarza problemu komputerom, jest jednak kłopotliwe dla ludzi, wymaga bowiem zapamiętywania długich sekwencji numerów IP. W celu ułatwienia korzystania z sieci na początku lat 80. XX wieku wprowadzono protokół DNS, umożliwiający tworzenie mnemonicznych, łatwych do zapamiętania nazw hostów, zwanych adresami domenowymi. Nazwy te są automatycznie zamieniane na adresy IP (i odwrotnie – na podstawie adresu IP można zwykle ustalić adres domenowy).

DNS charakteryzuje się zdecentralizowaną, rozproszoną i hierarchiczną strukturą. Odzwierciedleniem tej hierachicznej struktury jest struktura adresu domenowego, w której poszczególne człony oddzielone są od siebie kropkami, przy czym element stojący najwyżej w hierarchii znajduje się po prawej stronie adresu. Każdy człon odpowiada innemu elementowi hierarchii.

Przykład 5. Struktura adresu domenowego

Adres www.sejm.gov.pl można odczytać:
strona www (www) – Sejmu RP (sejm) – który jest organizacją państwową (.gov, z ang. government) – w Polsce (pl).

Po prawej stronie adresu znajduje się zawsze dwuliterowy kod kraju, w którym zarejestrowano domenę, albo jedna z domen najwyższego poziomu (z ang. TLD top-level Domain). Do roku 2000 istniało siedem TLD:

  • com – domeny komercyjne (np. firmy, przedsiębiorstwa),
  • org – domeny organizacji niekomercyjnych (np. organizacje społeczne, partie polityczne, stowarzyszenia),
  • gov – domeny jednostek administracji państwowej,
  • mil – domeny wojskowe,
  • edu – domeny jednostek edukacyjnych (np. szkoły, uniwersytety i inne instytucje oświatowe),
  • net – domeny sieci komputerowych (np. dostawców Internetu),
  • int – domeny organizacji międzynarodowych.

Po roku 2000 rozpoczęto proces dodawania nowych TLD. Przewiduje się możliwość tworzenia nowych TLD przez zainteresowane organizacje.

W Polsce nazewnictwem i rejestracją domen zajmuje się NASK (Naukowa i Akademicka Sieć Komputerowa).

Ćwiczenie 2. Sprawdzamy, jakie TLD funkcjonują w sieci

Korzystając z Internetu, sprawdź, jakie TLD funkcjonują obecnie w sieci.

Ćwiczenie 3. Sprawdzamy kody wybranych krajów

Sprawdź, jakim krajom odpowiadają następujące kody: ca, cn, cz, fm, ru, tv, ua, uk, sh.

Większość systemów operacyjnych umożliwia definiowanie własnych adresów domenowych dla określonych adresów IP. W systemach Windows należy w tym celu zmodyfikować zawartość pliku C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts.
Rys. 1. Przykładowa zawartość pliku hosts

Posiadanie własnej domeny wiąże się z koniecznością wniesienia stosownej opłaty ‒ od kilkunastu do kilkuset złotych rocznie.

Aby w pełni korzystać z funkcji DNS, trzeba posiadać własny serwer DNS. Darmowym programem tego rodzaju jest m.in. program BIND.

Aby ustalić adres IP hosta o podanym adresie domenowym, należy posłużyć się odpowiednim poleceniem systemu operacyjnego. W systemach Windows i Linux jest to polecenie nslookup adres-domenowy.

Rys. 2. Wynik działania polecenia nslookup www.migra.pl.

Uwaga: Dla uzyskania właściwych efektów adres-domenowy należy zakończyć dodatkową kropką.

5. Protokół TCP

Protokół TCP to protokół komunikacyjny, wykorzystywany do przesyłania danych pomiędzy procesami uruchomionymi na różnych hostach. Protokół TCP dba o poprawność przesyłania danych i ich integralność, dokonując m.in. retransmisji pakietów, które nie dotarły do hosta docelowego, i dbając o zachowanie właściwej kolejności pakietów docierających do hosta docelowego.

Jednym z ważniejszych pojęć związanych z protokołami warstwy transportu (czyli TCP i UDP) jest pojęcie portu. Port to liczba (z przedziału od 1 do 65535) używana do identyfikacji procesu odbierającego lub wysyłającego dane. Dzięki wprowadzeniu portów wiele procesów działających na jednym hoście może wysyłać dane (np. przeglądarka internetowa i klient poczty elektronicznej) lub odbierać dane (np. serwer WWW i serwer FTP). Często wykorzystywanym usługom przypisano standardowe numery portów (przykłady w tabeli 1.).

Tabela 1. Standardowe numery portów przypisane wybranym usługom
Rys. 3. Wynik działania polecenia netstat. Parametr /n (Windows) lub -n (Linux) powoduje wyświetlanie adresów IP zamiast adresów domenowych oraz numerów portów zamiast ich nazw

Aby zobaczyć listę połączeń TCP aktywnych w danym komputerze, należy posłużyć się odpowiednim poleceniem systemu operacyjnego. W systemach Windows i Linux jest to polecenie netstat.

6. Określanie ustawień sieciowych komputera

Aby określić ustawienia sieciowe danego komputera, należy posłużyć się odpowiednim poleceniem systemu operacyjnego. W systemach Windows jest to polecenie ipconfig, a w systemach Linux – ifconfig.

Rys. 4. Wynik działania polecenia ipconfig

Odpowiednie przełączniki pozwalają zmodyfikować efekty działania polecenia. Np. polecenie ipconfig /all wyświetli dodatkowo informacje na temat wszystkich kart sieciowych zainstalowanych w komputerze, w szczególności ich adresy MAC oraz informacje na temat serwerów DHCP i DNS.

Rys. 5. Wynik działania polecenia ipconfig z użyciem opcji /all

Zadania

  1. Sprawdź, jaki jest adres IP komputera, na którym pracujesz. Czy jest to adres prywatny, czy publiczny?
  2. Sprawdź, jaki jest adres IP serwera obsługującego stronę internetową twojej szkoły.
  3. Ustal, ile połączeń sieciowych jest aktywnych na komputerze, na którym pracujesz.
    Dla zainteresowanych
  4. Dodaj wpis w pliku hosts, tak aby adres www.wp.pl wskazywał na stronę internetową www.onet.pl, a adres www.onet.pl – na stronę internetową www.wp.pl.
    Wskazówka: Ustal adresy IP dla obu adresów domenowych, korzystając z polecenia nslookup.