IPv4 adresování

Každé zařízení v síti TCP/IP potřebuje IP adresu, masku sítě, a chce-li komunikovat mimo svou síť, i výchozí bránu. Tato stránka vysvětluje, jak je IPv4 adresa složena, co určuje maska, jak se počítá adresa sítě, broadcast a počet počítačů, jaké adresy jsou vyhrazené a privátní a jak se adresa zařízení přiděluje. Na ni navazuje CIDR, podsíťování a VLSM.

Vlastní adresu zjistíte ve Windows příkazem ipconfig (podrobně ipconfig /all), v Linuxu ip addr. Výpis ukáže IPv4 adresu, masku podsítě, výchozí bránu a u /all i MAC adresu, DNS servery a údaje o DHCP.

IPv4 adresa

• IPv4 adresa má 32 bitů. Zapisuje se jako čtyři oktety (bajty) v desítkové soustavě oddělené tečkami, např. 192.168.25.1. Každý oktet má hodnotu 0–255.
• Celkem existuje 232 = 4 294 967 296 adres. Kvůli rozdělení do sítí a vyhrazeným rozsahům je reálně využitelných mnohem méně – a adresy dávno nestačí, viz CIDR, NAT a IPv6.
• Adresa se dělí na dvě části: adresu sítě (Network ID, NetID) a adresu zařízení v této síti (Host ID). Všechna zařízení v jedné síti mají stejnou síťovou část.

Převod oktetu do dvojkové soustavy

Každý bit oktetu má váhu podle své pozice:

Číslo rozložíme na součet vah: 192 = 128 + 64 → 11000000; 168 = 128 + 32 + 8 → 10101000; 25 = 16 + 8 + 1 → 00011001; 1 → 00000001. Adresa 192.168.25.1 je tedy binárně

11000000.10101000.00011001.00000001

Maska sítě

Maska (subnet mask) je 32bitové číslo, které má zleva souvislou řadu jedniček a pak samé nuly. Jedničky označují bity, které v IP adrese patří síti, nuly bity, které určují zařízení. Router a počítač podle masky poznají, do které sítě adresa patří.

• Zapisuje se desítkově (255.255.255.0) nebo jako prefix – počet jedniček za lomítkem (/24). Zápis 192.168.25.1/24 tedy znamená adresu 192.168.25.1 s maskou 255.255.255.0.
• Protože jedničky musí jít souvisle zleva, může mít oktet masky jen tyto hodnoty:

IP:     11000000.10101000.00011001.00000001
maska:  11111111.11111111.11111111.00000000
        |------ část sítě -------| zařízení

Třídy IP adres

Původně (od roku 1981) se adresy dělily do tříd a maska byla daná třídou podle prvních bitů adresy. Tomuto způsobu se říká třídní adresování (classful).

• Síť 127 chybí ve třídě A záměrně – celý rozsah 127.0.0.0/8 je vyhrazen pro loopback (127.0.0.1, localhost). Síť 0 znamená „tato síť“.
• Příklady: třída A – síť 1.0.0.0, broadcast 1.255.255.255; třída B – síť 128.0.0.0, broadcast 128.0.255.255; třída C – síť 192.0.0.0, broadcast 192.0.0.255.
• Nevýhodou tříd je plýtvání: firma, která potřebovala 300 adres, dostala celou třídu B s 65 534 adresami, protože třída C s 254 adresami nestačila. Proto se od roku 1993 používá beztřídní adresování (classless, CIDR), kde maska může mít libovolnou délku a nezávisí na prvním oktetu.

Adresa sítě, broadcast a počet zařízení

Pro každou síť platí:

• adresa sítě (NetID) – část zařízení obsahuje samé nuly; označuje síť jako celek, žádné zařízení ji nedostane,
• broadcastová adresa – část zařízení obsahuje samé jedničky; paket na tuto adresu dostanou všechna zařízení v síti, ani tu žádné zařízení nedostane,
• adresy zařízení (hostů) – všechny adresy mezi nimi; první bývá obvykle přidělena routeru (výchozí bráně).

Má-li část zařízení n bitů (n = 32 − prefix), je v síti

2n−2

použitelných adres – dvě odečítáme za adresu sítě a broadcast.

Postup výpočtu

1. Zapíšeme IP adresu a masku.
2. Oktet, ve kterém maska není 255 ani 0 (u masky na celé oktety stačí opsat), převedeme do dvojkové soustavy.
3. Bity adresy nad jedničkami masky opíšeme beze změny – to je část sítě (odpovídá logickému součinu AND adresy a masky).
4. NetID: část zařízení doplníme nulami až do posledního bitu.
5. Broadcast: část zařízení doplníme jedničkami až do posledního bitu.
6. Výsledek převedeme po oktetech zpět do desítkové soustavy.
7. První host = NetID + 1, poslední host = broadcast − 1, počet hostů 2n−2.

Řešený příklad 1 – maska na celé oktety (/24)

Adresa 192.168.25.1, maska 255.255.255.0.

IP:   11000000.10101000.00011001.00000001
M:    11111111.11111111.11111111.00000000
N:    11000000.10101000.00011001.00000000   192.168.25.0
B:    11000000.10101000.00011001.11111111   192.168.25.255

• NetID: 192.168.25.0, broadcast: 192.168.25.255
• hosté: 192.168.25.1 – 192.168.25.254
• počet hostů: 28−2=254

Řešený příklad 2 – maska /26

Adresa 192.168.25.1, maska 255.255.255.192. Prvních 24 bitů masky jsou jedničky, rozhoduje jen čtvrtý oktet: 192 = 11000000, síti tedy patří ještě 2 bity a na zařízení zbývá 6 bitů.

IP (4. oktet):  00|000001      1
M  (4. oktet):  11|000000    192
N  (4. oktet):  00|000000      0   → 192.168.25.0
B  (4. oktet):  00|111111     63   → 192.168.25.63

• NetID: 192.168.25.0, broadcast: 192.168.25.63
• hosté: 192.168.25.1 – 192.168.25.62
• počet hostů: 26−2=62

Řešený příklad 3 – maska /20

Adresa 172.16.45.200/20. Maska má 20 jedniček: 255.255.240.0 (třetí oktet 240 = 11110000). Rozhoduje třetí oktet: 45 = 00101101.

IP (3. oktet):  0010|1101     45
M  (3. oktet):  1111|0000    240
N  (3. oktet):  0010|0000     32   → 172.16.32.0
B  (3. oktet):  0010|1111     47   → 172.16.47.255

Ve čtvrtém oktetu je u NetID 0 a u broadcastu 255 (celý patří zařízení).

• NetID: 172.16.32.0, broadcast: 172.16.47.255
• hosté: 172.16.32.1 – 172.16.47.254
• na zařízení zbývá 32 − 20 = 12 bitů, počet hostů: 212−2=4094

Rychlý způsob – velikost bloku

V oktetu, kde maska není 255 ani 0, je velikost bloku = 256 − hodnota masky. Sítě začínají na násobcích bloku.

• /26: maska 192, blok 256 − 192 = 64 → sítě .0, .64, .128, .192. Adresa .1 leží v síti .0–.63.
• /20: maska 240 ve 3. oktetu, blok 16 → sítě 172.16.0.0, .16.0, .32.0, .48.0 … Oktet 45 leží mezi 32 a 47.

Řešený příklad 4 – jsou dvě adresy ve stejné síti?

Počítač A má 10.1.1.10/27, počítač B 10.1.1.40/27. Maska /27 = 255.255.255.224, blok 256 − 224 = 32: sítě 10.1.1.0–31, 10.1.1.32–63 … A leží v síti 10.1.1.0, B v síti 10.1.1.32. Počítače jsou v různých sítích a mohou spolu komunikovat jen přes router.

Právě takto se rozhoduje každý počítač: cílovou adresu „vyAND-uje“ se svou maskou. Vyjde-li jeho vlastní síť, pošle paket přímo (MAC adresu zjistí přes ARP), jinak ho pošle výchozí bráně.

Druhy vysílání

• Unicast – vysílání pro jedno konkrétní zařízení, např. 192.168.1.1.
• Broadcast – vysílání pro všechna zařízení v dané lokální síti. Směrovaný broadcast míří na broadcastovou adresu konkrétní sítě (např. 192.168.1.255 v síti 192.168.1.0/24 – platí jen s touto maskou), omezený broadcast 255.255.255.255 vždy jen do vlastní sítě; routery broadcasty nepropouštějí.
• Multicast – vysílání pro skupinu zařízení (směrovače, odběratelé videa), adresy třídy D 224.0.0.0 – 239.255.255.255. Např. 224.0.0.5 jsou všechny routery OSPF, 224.0.0.9 routery RIPv2.

Vyhrazené adresy

Veřejné a privátní adresy

• Veřejné adresy jsou unikátní v celém Internetu a jsou z něj viditelné; přiděluje je IANA přes regionální registry (pro Evropu RIPE NCC) poskytovatelům a ti zákazníkům.
• Privátní adresy (RFC 1918) jsou skupina adres, které se ve veřejné síti nepoužívají, ale jen v privátních sítích, které jsou od Internetu odděleny. Může je bez povolení použít kdokoli a v různých firmách se opakují. Počítače v privátní síti se schovávají za hraničním směrovačem a jejich adresa se v Internetu nevyskytuje – do Internetu je za veřejnou adresu přeloží NAT. Privátní adresy výrazně zpomalily vyčerpání IPv4.

Pozor: rozsah 172.16.0.0/12 končí adresou 172.31.255.255 – adresa 172.32.0.1 už je veřejná.

Statické a dynamické přidělování adres

Zařízení potřebuje k připojení do sítě čtyři údaje: IP adresu, masku, výchozí bránu a adresu DNS serveru.

• Výchozí brána (default gateway) je IP adresa rozhraní routeru v naší síti. Počítač na ni posílá vše, co nepatří do jeho vlastní sítě. Musí ležet ve stejné síti jako počítač.
• Statická adresa se nastaví ručně v každém zařízení (Windows: Nastavení sítě → Vlastnosti IPv4, Linux: konfigurace síťového rozhraní). Používá se pro servery, routery, tiskárny a kamery, jejichž adresa se nesmí měnit. Nevýhody: pracnost a riziko chyby nebo konfliktu dvou stejných adres. Poskytovatel Internetu přiděluje statickou veřejnou adresu obvykle za příplatek.
• Dynamická adresa se přidělí automaticky protokolem DHCP na určitou dobu (dny až měsíce u poskytovatelů, hodiny v lokální síti) – průběh DORA popisuje stránka protokoly TCP/IP. Vhodná pro běžné klienty, notebooky a telefony. Správce může DHCP serveru nastavit rezervaci – konkrétní MAC adrese se vždy přidělí stejná adresa.

Užitečné příkazy Windows: ipconfig /all (výpis nastavení), ipconfig /release a ipconfig /renew (vrácení a nové vyžádání adresy z DHCP), ping 127.0.0.1 (test TCP/IP v počítači), ping na výchozí bránu (test lokální sítě).

Otázky k opakování

1. Kolik bitů má IPv4 adresa a kolik adres tedy existuje? 32 bitů, 232 = 4 294 967 296 adres
2. Co určuje maska a jak se zapisuje prefixem? které bity adresy patří síti (jedničky) a které zařízení (nuly); počtem jedniček za lomítkem, např. /24
3. Kolik zařízení může být v síti třídy B a proč odečítáme 2? 216−2 = 65 534; adresa sítě a broadcastová adresa se zařízením přidělit nedají
4. Určete NetID, broadcast a rozsah hostů pro 192.168.10.77/26. blok 64: NetID 192.168.10.64, broadcast 192.168.10.127, hosté .65–.126 (62)
5. Určete NetID a broadcast pro 10.20.130.5/18. maska 255.255.192.0, blok 64 ve 3. oktetu: NetID 10.20.128.0, broadcast 10.20.191.255, hostů 214−2 = 16 382
6. Jsou adresy 172.16.5.10/23 a 172.16.4.200/23 ve stejné síti? ano – blok 2 ve 3. oktetu, obě leží v síti 172.16.4.0/23 (172.16.4.0–172.16.5.255)
7. Vyjmenujte rozsahy privátních adres. 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 (do 172.31.255.255), 192.168.0.0/16
8. Co znamená, že má počítač adresu 169.254.x.x? nezískal adresu od DHCP serveru a přidělil si sám adresu APIPA
9. K čemu je adresa 127.0.0.1 a proč chybí síť 127 ve třídě A? loopback pro test TCP/IP v počítači; celý rozsah 127.0.0.0/8 je pro loopback vyhrazen
10. Které čtyři údaje potřebuje počítač pro připojení k Internetu a kdy volíme statickou adresu? IP adresu, masku, výchozí bránu a DNS server; statickou pro servery, routery a tiskárny