30. Групова адресація: призначення та основні принципи.

Введение

В главе 1 мы упомянули, что существуют три типа IP адресов: персональный (unicast), широковещательный (broadcast) и групповой (multicast) . В этой главе мы обсудим широковещательные и групповые адреса более подробно.

Широковещательные и групповые запросы применимы только к UDP, подобные типы запросов позволяют приложению послать одно сообщение нескольким получателям. TCP - протокол, ориентированный на соединение, с его помощью устанавливается соединение между двумя хостами (по указанному IP адресу) с использованием одного процесса на каждом хосте (который идентифицируется по номеру порта).

Представьте себе несколько хостов в Ethernet сети. Каждый Ethernet фрейм содержит Ethernet адрес источника и назначения (48 бит). И обычно каждый фрейм предназначается одному получателю. Адрес назначения, указывающий на один интерфейс, - называется персональным (unicast). Остальные хосты, присутствующие на кабеле, не участвуют в общении между двумя хостами (если не учитывать то, что все хосты находятся все-таки на одном кабеле).

Однако иногда возникает необходимость послать фрейм всем хостам, находящимся на кабеле, - это называется широковещательной рассылкой (broadcast). Мы видели это, когда рассматривали ARP и RARP. Групповая адресация логически находится между персональной и широковещательной: фрейм должен быть доставлен определенному количеству хостов, которые принадлежат к группе.

Для того чтобы понять принцип широковещательной и групповой адресации, необходимо отметить, что на каждом хосте происходит фильтрация, каждый раз когда фрейм проходит по кабелю. На рисунке 12.1 показано как это происходит.

Во-первых, сетевая плата просматривает каждый фрейм, который передается по кабелю, и определяет, необходимо ли принять этот фрейм и доставить его в драйвер устройства. Обычно сетевая плата принимает только те фреймы, адрес назначения которых совпадает с аппаратным адресом интерфейса или с широковещательным адресом. В дополнение, большинство интерфейсов могут находиться в смешанном режиме, когда она принимает копию каждого фрейма. Этот режим используется, например, программой tcpdump.

Рисунок 12.1 Фильтрация, которая осуществляется стеком протоколов, когда принимается фрейм.

В настоящее время большинство интерфейсов могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы принимать фреймы, IP адрес которых является групповым адресом или групповым адресом какой-либо подгруппы. В групповом адресе Ethernet младший бит старшего байта установлен в единицу. В шестнадцатиричном представлении этот бит выглядит следующим образом: 01:00:00:00:00:00. (Мы можем считать, что широковещательный адрес Ethernet ff:ff:ff:ff:ff:ff это особый случай группового адреса Ethernet.)

Когда сетевая плата получает фрейм, она передает его в драйвер устройства. (Сетевая плата может отбросить фрейм только в том случае, если не сошлась контрольная сумма Ethernet.) Дополнительная фильтрация осуществляется драйвером устройства. Во-первых, тип фрейма должен принадлежать соответствующему протоколу (IP, ARP и так далее). Во-вторых, может быть осуществлена дополнительная групповая фильтрация, чтобы проверить, принадлежит ли хост к адресуемой группе.

Затем драйвер устройства передает фрейм следующему уровню, например, IP, если фрейм является IP датаграммой. IP также осуществляет фильтрацию, основанную на проверке IP адресов источника и назначения, и, в свою очередь, передает датаграмму следующему уровню (например TCP или UDP, если все в порядке).

Каждый раз когда UDP получает датаграмму от IP, он осуществляет фильтрацию, основанную на номере порта назначения, а иногда и на номере порта источника. Если указанный порт не обслуживается в текущий момент каким-либо процессом, датаграмма отбрасывается, и генерируется ICMP сообщение о недоступности порта. (TCP осуществляет подобную фильтрацию, основанную на своих номерах портов.) Если в UDP датаграмме обнаружена ошибка контрольной суммы, UDP молча ее отбрасывает.

Проблема широковещательных запросов заключается в том, что хосты, которые совсем не заинтересованы в получении этих запросов, должны их обрабатывать. Представьте себе приложение, которое должно обрабатывать широковещательные запросы UDP. Если на кабеле находится 50 хостов, но только из них 20 участвуют в работе этого приложения, в каждый момент времени один из 20 посылает широковещательный запрос UDP, при этом остальные 30 хостов должны обработать этот запрос, который проходит весь путь по стеку протоколов до UDP уровня, прежде чем датаграмма будет отброшена. UDP датаграмма отбрасывается этими 30-ю хостами, потому что порта назначения не обслуживается каким-либо процессом.

Основная задача групповых запросов - уменьшить загрузку хостов, не учавствующих в работе определенного приложения. Хост может принадлежать к одной или нескольким группам. Если это возможно, сетевая плата сообщает, к какой группе принадлежит хост, после чего сетевой платой принимаются только фреймы определенной группы.

Широковещательные запросы

На рисунке 3.9 показаны четыре различные формы широковещательных адресов IP. Сейчас мы опишем их более подробно.

Ограниченный широковещательный запрос

Ограниченный широковещательный адрес (limited broadcast address) - это адрес 255.255.255.255. Он может быть использован в качестве адреса назначения для IP датаграмм в процессе конфигурации хоста, когда хост может не знать собственной маски подсети и даже своего IP адреса.

Датаграмма, направляющаяся на ограниченный широковещательный адрес, никогда (ни при каких условиях) не будет перенаправлена маршрутизатором. Она может существовать только на локальном кабеле.

Но тут возникает вопрос, на который практически невозможно дать ответ: если хост имеет несколько интерфейсов и процесс посылает датаграмму с ограниченным широковещательным адресом, должна ли датаграмма быть отправлена на каждый подсоединенный интерфейс, который поддерживает широковещательную адресацию? Если нет, то приложение, которое хочет разослать широковещательный запрос на все интерфейсы, должно само определить все интерфейсы хоста, которые поддерживают широковещательную адресацию, и послать копию на каждый интерфейс.

Большинство BSD систем воспринимают 255.255.255.255 как адрес широковещательного адреса первого интерфейса, который был сконфигурирован, и не позволяют послать датаграмму на все подключенные интерфейсы, поддерживающие широковещательную адресацию. И действительно, два приложения, которые посылают UDP датаграммы на каждый интерфейс, это routed (глава 10, раздел "Демоны маршрутизации в Unix") и rwhod (сервер BSD клиента rwho). Оба этих приложения проходят через похожую процедуру запуска, чтобы определить все интерфейсы хоста и те, которые поддерживают широковещательную адресацию. Широковещательный адрес сети, соответствующий этому интерфейсу затем используется как адрес назначения для датаграмм, которые посылаются в этот интерфейс.

 Требования к хостам Host Requirements RFC не определяют, должен ли хост, имеющий несколько интерфейсов, посылать ограниченный broadcast на все свои интерфейсы.

 Широковещательный запрос в сеть

В широковещательном адресе сети (net-directed broadcast) идентификатор хоста устанавливается во все единичные биты. Широковещательный адрес для сети класса А, имеет вид netid.255.255.255, где netid это идентификатор сети класса А.

Маршрутизаторы должны перенаправлять широковещательные запросы, направляемые в сеть, однако должна присутствовать опция, позволяющая отключить это перенаправление.

Широковещательный запрос в подсеть

Широковещательный адрес подсети (subnet-directed broadcast address) имеет идентификатор хоста, установленный в единицы, однако определенный идентификатор подсети. Для того, чтобы классифицировать адрес как широковещательный адрес подсети, необходимо знать маску подсети. Например, если маршрутизатор получил датаграмму, с адресом назначения 128.1.2.255, можно считать, что это широковещательный запрос, направленный в подсеть, если сеть класса В 128.1 имеет маску подсети 255.255.255.0, однако это не широковещательный запрос, если маска подсети 255.255.254.0 (0xfffffe00).

Широковещательный запрос, направленный во все подсети

Широковещательный адрес всех подсетей (all-subnets-directed broadcast address), также требует знания маски подсети в сети назначения. Только в этом случае можно определить различие между широковещательным адресом всех подсетей и широковещательным адресом сети. И идентификатор подсети, и идентификатор хоста, в данном случае, устанавливаются в единицы. Например, если маска подсети назначения 255.255.255.0, то IP адрес 128.1.255.255 это широковещательный запрос, направленный во все подсети. Однако, если сеть не разбита на подсети, это широковещательный запрос, направляемый в сеть.

В настоящее время такой тип широковещательных запросов считается устаревшим [Almquist 1993]. В настоящее время используются групповые запросы, а не широковещательные запросы, направленные во все подсети

Рассылка групповых сообщений

Рассылка групповых сообщений IP предоставляет приложениям два сервиса.

1. Доставка к нескольким пунктам назначения. Существует множество приложений, которые доставляют информацию нескольким адресатам, например, диалоговые конференции, распространение почты или новостей. Если групповая адресация не используется, эти типы сервисов вынуждены использовать TCP (при этом осуществляется доставка отдельной копии на каждый пункт назначения). Даже при существовании групповой формы сообщений, некоторые приложения все-таки используют TCP из-за его надежности.
2. Запрос от клиента к серверу. Например, бездисковая рабочая станция старается определить положение сервера загрузки. В настоящее время это осуществляется с использованием широковещательных запросов (как мы увидим в случае с BOOTP в главе 16), однако решение с использованием групповых запросов может уменьшить загруженность хостов, которые не предоставляют этот сервис.

В этом разделе мы рассмотрим групповые адреса, а в следующей главе рассмотрим протоколы, которые используют групповую адресацию хостов и маршрутизаторов (IGMP).