2 Το πρωτόκολλο Διαδικτύου (Internet Protocol-IP)

Το πρωτόκολλο IP είναι μη προσανατολισμένο προς σύνδεση. Κάθε πακέτο του αποτελεί μια διαφορετική οντότητα.

Το IP δεν ενδιαφέρεται για το αν ένα πακέτο θα φτάσει στον προορισμό του ή αν τα πακέτα θα φτάσουν στη σωστή σειρά ή αν έχουν χαθεί στην πορεία. Οι έλεγχοι αυτοί γίνονται από πρωτόκολλα  υψηλότερου επιπέδου, όπως το TCP.

Το πρωτόκολλο ΙΡ είναι ένα πρωτόκολλο βέλτιστης προσπάθειας (best effort service). Η έκδοση που χρησιμοποιείται τώρα είναι το ΙΡ v4.

2.1 Το πακέτο IP (ΙΡ packet or datagram)

Ένα πακέτο IP αποτελείται από την IP επικεφαλίδα και τα ΙΡ δεδομένα και μπορεί να είναι το πολύ 64 Kbytes. Η επικεφαλίδα μπορεί να είναι το πολύ 20 bytes ενώ τα υπόλοιπα χωρίζονται στην επικεφαλίδα TCP (20 bytes) και στα δεδομένα.

Το πακέτο IP αποτελείται από τα παρακάτω πεδία:

• Έκδοση (version)- δείχνει την έκδοση του IP που χρησιμοποιείται
• Μήκος της επικεφαλίδας του ΙΡ (IP Header Length-IHL)- δείχνει το μήκος της επικεφαλίδας του πακέτου σε λέξεις των 32-bit.
• Τύπος Υπηρεσίας (Type-of-Service-TOS)- δείχνει το πως ένα πρωτόκολλο υψηλότερου επιπέδου θέλει να διαχειριστεί το τρέχον πακέτο, και ορίζει στα πακέτα το επίπεδο σπουδαιότητας.
• Συνολικό Μήκος (Total Length)- δείχνει το μήκος ολόκληρου του πακέτου σε bytes.
• Αναγνώριση (Identification)- περιέχει έναν ακέραιο που προσδιορίζει το τρέχον πακέτο. Το πεδίο αυτό χρησιμοποιείται για να μπορούν να συνδυαστούν τα κομμάτια των πακέτων.
• Σημαίες (Flags)- αποτελείται από ένα πεδίο 3 bit, από τα οποία τα δύο ελέγχουν τον τεμαχισμό του πακέτου. Το ένα bit καθορίζει αν το πακέτο μπορεί να τεμαχιστεί ενώ το άλλο αν το πακέτο είναι το τελευταίο από μια σειρά τεμαχισμένων πακέτων. Το τρίτο δεν χρησιμοποιείται.
• Σημείο εκκίνησης τεμαχίου (Fragment Offset)-δείχνει τη θέση των δεδομένων του κάθε τεμαχίου (fragment) σε σχέση με την αρχή των δεδομένων στο αρχικό πακέτου. Αυτό επιτρέπει στο IP προορισμού να συναρμολογήσει σωστά το αρχικό πακέτο.
• Χρόνος Ζωής (Time-to-Live-TTL)- διατηρεί έναν μετρητή ο οποίος σταδιακά μειώνεται ως το μηδέν. Στο σημείο αυτό το πακέτο απορρίπτεται. Αυτό αποτρέπει την διαρκή κυκλοφορία πακέτων στο δίκτυο.
• Πρωτόκολλο (Protocol)- δείχνει το πρωτόκολλο υψηλότερου επιπέδου το οποίο θα παραλάβει το πακέτο αφού ολοκληρωθεί η λειτουργία ΙΡ. Μπορεί να είναι το TCP, ICMP, UDP, IGMP, ή κάποιο πρωτόκολλο του επιπέδου εφαρμογών.
• Έλεγχος της Επικεφαλίδας (Header Checksum)- βεβαιώνει την ακεραιότητα της επικεφαλίδας ΙΡ.
• Διεύθυνση Αποστολέα (Source Address)- δείχνει τον κόμβο αποστολής.
• Διεύθυνση παραλήπτη (Destination Address) – δείχνει τον κόμβο προορισμού.
• Επιλογές (Options)- επιτρέπει την υποστήριξη επιλογών από το ΙΡ, όπως η ασφάλεια.
• Δεδομένα (Data)- περιέχει πληροφορίες ανώτερων επιπέδων.

2.2 Η διευθυνσιοδότητη ΙΡ (IP addressing)

Κάθε υπολογιστής που βρίσκεται στο διαδίκτυο πρέπει να έχει μια μοναδική διεύθυνση, η οποία ονομάζεται διεύθυνση IP. Το μήκος μια διεύθυνσης IP είναι 32 bits Μια τυπική IP διεύθυνση είναι της μορφής: 216.27.61.137 και λέμε ότι είναι σε δεκαδική μορφή με τελείες (dotted decimal format). Οι υπολογιστές όμως επικοινωνούν μεταξύ τους με δυαδική μορφή. Η ίδια διεύθυνση σε δυαδική μορφή θα είναι: 11011000.00011011.00111101.10001001.

Οι τέσσερις δυαδικοί αριθμοί ονομάζονται οκτάδες (octets) διότι αποτελούνται από οκτώ δυαδικά ψηφία. Αν προσθέσουμε όλες τις θέσεις παίρνουμε 32 bits για αυτό και λέμε ότι το μήκος μιας διεύθυνσης IP  είναι 32 bit.

Επειδή σε κάθε θέση μπορώ να έχω είτε 1 είτε 0, οι δυνατοί συνδυασμοί για κάθε οκτάδα είναι 2⁸=256. Άρα η κάθε οκτάδα μπορεί να έχει τιμή από 0 ως 255. Για 4 οκτάδες έχουμε 2³² δυνατές τιμές δηλαδή περίπου 4,3 δισεκατομύρια διευθύνσεις.

Η διεύθυνση 0.0.0.0 κρατιέται για το προεπιλεγμένο δίκτυο και η 255.255.255.255 για broadcasts.

Οι οκτάδες χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν Τάξεις (Classes) για τις ΙΡ διευθύνσεις που μπορούν να δοθούν σε μία επιχείρηση ανάλογα με το μέγεθος και τις ανάγκες της.

Οι οκτάδες χωρίζονται σε δύο τμήματα: net και host. Το τμήμα net περιλαμβάνει πάντα την πρώτη οκτάδα. Χρησιμοποιείται για την ταυτότητα του δικτύου στο οποίο ανήκει ένας υπολογιστής. Το Host δείχνει την ταυτότητα του ίδιου του υπολογιστή στο δίκτυο. Το τμήμα Host περιλαμβάνει πάντα την τελευταία οκτάδα.

Υπάρχουν 5 τάξεις ΙΡ και κάποιες επιπλέον ειδικές διευθύνσεις.

• Προεπιλεγμένο δίκτυο (default network): Η διεύθυνση του είναι 0.0.0.0 και χρησιμοποιείται για το προεπιλεγμένο δίκτυο (default network).
• Τάξη Α(Class A): Χρησιμοποιείται από μεγάλα δίκτυα. Στην τάξη αυτή ανήκουν οι διευθύνσεις με την πρώτη οκτάδα από 1-126. Οι υπόλοιπες οκτάδες χρησιμοποιούνται για την ταυτότητα τον επιμέρους hosts. Σε αυτή την τάξη ανήκουν παραπάνω από τις μισές διαθέσιμες διευθύνσεις IP. Στα δίκτυα αυτά το πρώτο δυαδικό ψηφίο της πρώτης οκτάδας της IP διεύθυνσης είναι πάντα 0.
• Διεύθυνση Βρόχου (Loopback): Η ΙΡ διεύθυνση 127.0.0.0 χρησιμοποιείται από τον host για να στέλνει μήνυμα πίσω στον εαυτό του. Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο προβλημάτων και έλεγχο του δικτύου.
• Τάξη Β(Class B): Χρησιμοποιείται από μεσαίου μέγεθος δίκτυα. Η πρώτη οκτάδα στις διευθύνσεις αυτής της τάξης είναι από 128-191. Επίσης στις διευθύνσεις αυτές η δεύτερη οκτάδα περιλαμβάνεται στη ταυτότητα του δικτύου (net identifier). Οι άλλες δύο οκτάδες χρησιμοποιούνται για την ταυτότητα του κάθε host. Σε αυτή την ομάδα ανήκουν περίπου το ένα τέταρτο των διαθέσιμων διευθύνσεων. Το πρώτο bit της πρώτης οκτάδας είναι 1 και το δεύτερο 0.
• Τάξη C(Class C): Οι διευθύνσεις αυτές χρησιμοποιούνται από μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις με την πρώτη οκτάδα να είναι από 192-223. Εδώ στο Net identifier περιλαμβάνεται η δεύτερη και η τρίτη οκτάδα, ενώ η τελευταία οκτάδα χρησιμοποιείται για την ταυτότητα του host.
• Τάξη D(Class D): Χρησιμοποιείται για multicasting. Τα τρία πρώτα bits είναι 1 και το τέταρτο 0 ενώ τα επόμενα 28 bits χρησιμοποιούνται για να δείξουν την ομάδα των υπολογιστών για τους οποίους προορίζεται το multicast.
• Τάξη E(Class E): Η τάξη αυτή χρησιμοποιείται για πειραματικούς σκοπούς και είναι ίδια με την προηγούμενη.
• Διεύθυνση Εκπομπής (Broadcast): Τα μηνύματα που προορίζονται για όλους τους υπολογιστές που είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο στέλνονται ως broadcasts και χρησιμοποιούν πάντα την διεύθυνση IΡ 255.255.255.255.

2.3 Διευθυνσιοδότηση με Υποδίκτυα (Subnet Addressing)

Το πρόβλημα που υπάρχει με το διαμοιρασμό των διευθύνσεων ΙΡ είναι ότι ένας μεγάλος οργανισμός που έχει για παράδειγμα ένα δίκτυο Class B μπορεί να έχει μέχρι 64000 hosts οι οποίοι θα είναι πρακτικά αδύνατο να ελεγχθούν από τον διαχειριστή δικτύου. Επίσης, μπορεί να έχει πολλά τοπικά δίκτυα συνδεδεμένα μεταξύ τους με αποτέλεσμα να απαιτούνται παρά πολλές διαφορετικές διευθύνσεις ΙΡ.

Για την επίλυση του παραπάνω προβλήματος δημιουργήθηκε το subnet addressing.

Η ιδέα για τη διευθυνσιοδότηση με υποδίκτυα (subnet addressing ή subnetting) προϋποθέτει την προσθήκη ενός επιπέδου μεταξύ net id και host id το οποίο και ονομάζεται subnet. Το subnet αγνοεί το δίκτυο που βρίσκεται εκτός του οργανισμού. Δηλαδή ένας εξωτερικός host βλέπει μόνο την αρχική δομή της διεύθυνσης με δύο επίπεδα, ενώ στο εσωτερικό ο network administrator μπορεί να επιλέγει οποιονδήποτε συνδυασμό μήκους για τα πεδία subnet id και host id.

Για να γίνει κατανοητή η διευθυνσιοδότηση με υποδίκτυα, ας σκεφτούμε για παράδειγμα ένα site το οποίο έχει για παράδειγμα μια Class B IP διεύθυνση άλλα βρίσκεται σε παραπάνω από ένα φυσικά δίκτυα. Μόνο οι τοπικές πύλες γνωρίζουν ότι υπάρχουν πολλαπλά φυσικά δίκτυα και τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να δρομολογηθεί η κυκλοφορία για αυτά. Οι πύλες αυτές σε άλλα συστήματα δρομολογούν την κίνηση σαν να υπάρχει μόνο ένα φυσικό δίκτυο.

Ένα παράδειγμα διευθυνσιοδότησης αυτού του τύπου φαίνεται παρακάτω.

Στο παραπάνω σχήμα το site που βλέπουμε χρησιμοποιεί μια διεύθυνση Class B (128.10.0.0) για δύο δίκτυα. Εκτός από την πύλη G οι υπόλοιπες πύλες δρομολογούν σαν να υπάρχει μόνο ένα φυσικό δίκτυο. Όταν ένα πακέτο φτάσει στην πύλη G, πρέπει να σταλεί από το κατάλληλο φυσικό δίκτυο στον προορισμό του. Για να γίνει αποτελεσματική επιλογή του δικτύου, το τοπικό site χρησιμοποιεί το τρίτο ψηφίο της διεύθυνσης για να ξεχωρίσει τα δύο δίκτυα. Οι διευθύνσεις 128.10.1.Χ αντιστοιχούν στο δίκτυο 1 και οι 128.10.2.Χ αντιστοιχούν στο δίκτυο 2.