Protokół IP (Internet Protocol) występuje w pakiecie TCP/IP, jest to bezpołączeniowy protokół, który to wysyła dane w formie datagramów. Bezpołączeniowość tego protokołu mówi nam o tym iż protokół IP bada czy datagramy dotarły poprawnie do adresata. Do głównych zadań tego protokołu należą:

• wyznaczenie struktury datagramu,
• wyznaczenie schematu adresacji,
• zarządzanie ruchem datagramów w sieci,
• fragmentacja i defragmentacja datagramów.

Protokół ten stworzony został do stosowania w sieciach, w których stosowana jest komunikacja za pomocą pakietów zwanych datagramami. Jest on podstawową jed­nostką jaka jest przesyłana w sieci poprzez warstwę Internat, jest adresowany do wielu węzłów albo do pojedynczych węzłów. Datagramy w sieci są przesyłane po­przez routery, które to stanowią węzły sieci, wyznaczają one dla danego datagramu trasę od węzła nadawczego do docelowego. Datagramy mają różne zdefiniowane maksymalne długości w zależności od sieci, przez którą są przesyłane. Z tego po­wodu datagram może zostać podzielony na mniejsze części (datagramy), proces ten nazywamy fragmentacją datagramów. Format otrzymanego w ten sposób no­wego datagramu jest taki sam jak dowolnego datagramu niepodzielonego. Wystę­puje oczywiście wiele innych powodów fragmentacji datagramów między innymi występuje ona gdy przesyłamy datagramy poprzez sieć rozległą, która to sieć do­puszcza do przesyłania także innych protokołów oraz pakietów o innej długości (np. sieć X.25). Proces defragmentacji wysłanego datagramu z powstałych części odbywa się w komputerze odbiorcy.

Sam datagram budową przypomina ramkę fizycznej sieci podzielony jest bo­wiem na nagłówek i dane, różnica występuje polu nagłówka który w przypadku ramki sieci zawiera adres fizyczny natomiast w przypadku datagramu zawiera adres IP (który to został opisany na stronie 34). Pola datagramu są podobnie jak w przypadku ramek sieciowych poszczególnych standardów ściśle określone, for­mat pakietu IPv4 przedstawia Rysunek 2.2.

Każde z pól pełni określoną funkcję:

• wersja – pole to zajmuje 4 bity, zawarty w nim jest numer wersji protokołu IP użytego do stworzenia datagramu. Informacja ta jest konieczna ponieważ urządzenia sieciowe mogą stosować różne wersje tegoż protokołu;
• długość nagłówka – podobnie jak wersja zajmuje 4 bity, informuje o długości nagłówka wyrażaną w słowach 32-bitowych. Minimalna, a zarazem typowa długość nagłówka wynosi 5;
• typ obsługi – jest to pole 8-bitowe, decyduje w jaki sposób datagram powinien zostać obsłużony. Pole to składa się z pięciu podpól:

– pierwszeństwo – zajmuje trzy bity, w nim zawarta jest informacja o ważności danego datagramu, od 000 (normalny stopień) do 111 (sterowanie siecią),

O – zajmuje 1 bit, zawierające informację o opóźnieniu w sieci. Przy czym wartość „0” mówi o normalnej transmisji, natomiast wartość „1” o ma­łym opóźnieniu,

S – zajmuje 1 bit, informuje o przepustowości. Gdzie „0” oznacza przepusto­wość normalną, natomiast „1” dużą,

P – zajmuje 1 bit, informuje nas o poziomie niezawodności. Wartość „0” to normalna niezawodność, natomiast wartość „1” w tym bicie mówi nam o dużej niezawodność,

– ostatnie dwa bity nie są używane, zawsze mają wartość „0”. Są przezna­czone dla nowych zastosowań;

•   długość całkowita – jest to pole 16-bitowe, które definiuje długość datagramu IP mierzoną w bajtach. Ponieważ jest to pole 16 bitowe maksymalna długość datagramu wynosi 65535 (czyli 216 — 1);

•   identyfikacja – podobnie jak poprzednie jest to pole 16-bitowe, stosowany jest w celu jednoznacznego oznaczenia wszystkich fragmentów datagramu pierwotnego;

•   znacznik – pole to zajmuje 3 bity: pierwszy – zawsze jest to zero, drugi – mówi nam czy możemy (1) czy też nie możemy (0) dokonać fragmenta- cji datagramu, trzeci – służy do zidentyfikowania ostatniego fragmentu (0) w przeciwnym razie (1) wystąpi kolejny fragment;

•   przesunięcie fragmentu – jest to pole 13-bitowe, informuje ono, którą częścią datagramu jest dany fragment;

•   czas życia (TTL) – pole to zajmuje 8 bitów, określa jak długo datagram może przebywać w sieci, wartość ta jest wyrażana w sekundach. Zazwyczaj mieści się w przedziale od 15 do 30 sekund. Protokół TCP/IP wymaga aby wartość ta zmniejszyła się o 1 przy każdym przejściu przez router. Zapobiega to krążeniu datagramu w sieci w nieskończoność, ponieważ gdy pole to osiągnie wartość zero router odrzuci datagram;

•   protokół – jest to pole 8-bitowe, które zawiera numer określający protokół warstwy transportowej, do którego dane zawarte w datagramie mają być przesłane. Cała lista protokołów tej warstwy zawiera około 50 pozycji, do najczęściej stosowanych należą: ICMP oznaczony numerem 1 i TCP ozna­czony numerem 6. Numery innych protokołów dostępne są w dokumentach RFC;

•   suma kontrolna nagłówka – podobnie jak pole długości całkowitej zajmuje ono 16 bitów, służy ono jedynie do sprawdzenia czy nagłówek został popraw­nie dostarczony. Pole to zawiera jedynkowe uzupełnienie sumy kolejnych 16- bitowych słów nagłówka (w przypadku TCP oraz UDP suma kontrolna jest liczona dla całego pakietu). Obliczona wartość jest porównywana z wartością tam zapisaną, jeśli jest to ta sama liczba nagłówek został poprawnie przesłany, jeśli zaś liczby te są różne w przekazie nastąpiło przekłamanie;

•   adres IP nadawcy – jest polem 32-bitowym, które to pole zawiera adres IP nadawcy;

•   adres IP odbiorcy – podobnie jak adres IP nadawcy jest to pole 32-bitowe, które zawiera adres IP odbiorcy;

•   opcje IP – pole to ma zmienną długość, będącą wielokrotnością 8 bitów. Nie zawsze pole to występuje w nagłówku. Składa się z pięciu podpól: pod­pola kopiuj („1” oznacza kopiuj do każdego fragmentu, a „0” kopiuj tylko do pierwszego), podpola klasa opcji (znaczenie tego pola jest przedstawione w Tabeli 2.1) oraz podpola numer opcji (znaczenie tego pola jest przedsta­wione w Tabeli 2.2);

Tabela 2.1. Klasy opcji oraz ich znaczenie

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [27]

•   uzupełnieni – podobnie jak pole opcji IP zazwyczaj nie występuje w nagłów­ku. Jest stosowane w celu dopełnienia poprzedniego pola do wielokrotności 32 bitów;

•   dane – pole to ma zmienną długość, która to jest równą długości danych transmitowanych w sieci [6, 15, 16, 27].

Tabela 2.2. Numery opcji oraz ich znaczenie

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [27]

Z powodu małej puli adresowej a także błędów występujących w IPv4, rozpo­częto prace nad nowym protokołem. W wyniku tych prac powstał protokół IPv6 przedstawia to Rysunek 2.3.

Rysunek 2.3. Format datagramu IPv6

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [15]

Nagłówek powstałego protokołu różni się od poprzedniej wersji :

•    pole Typ obsługi zostało zastąpione Klasą ruchu i jest używane do różnico­wania prostszych usług;

•    pole Długość nagłówka zostało całkowicie usunięte, dzięki czemu możemy między innymi znacząco zmniejszyć długość pakietu. Pojawiło się za to pole Etykieta Przepływu, które stosowane jest do implementacji QoS;

•    dodatkowo wprowadzono pole Długość datagramu bez nagłówka, gdzie war­tość zerowa mówi nam o tym, iż długość została określona przy pomocy

Jumbo Poyload. Pozwala to nam na tworzenie datagramów, których długość mieści się w przedziale od 65’536 do 4’294’967’295 bajtów, nazywanych Jumbogramami;

•   pole które zawierało informacje o fragmentacji zmodyfikowano i przeniesiono do dodatkowego nagłówka;

•   zamiast pola Protokół pojawiło się pole Następny nagłówek, w którym to kon­kretny wpis informuje o charakterze dodatkowego nagłówka, który umiejsco­wiony jest pomiędzy adresem odbiorcy, a danymi. Jeśli dodatkowy nagłówek nie jest wprowadzany, wówczas długość pojedynczego nagłówka IPv6 wy­nosi 40 bajtów (8 pól). w przypadku bezpieczeństwa szczególnie ważne są nagłówki: ESP (ang. Encapsulating Security Payload) – numer 50 i AH (ang. Authentication Header) – numer 51;

• pole TTL zastąpiono polem Liczba przeskoków (przejść przez router) [15].

Adres IPv4

Adres IPv4 jest to 32-bitowa liczba całkowita, która to informuje nas o sieci do jakiej został podłączony komputer oraz określa adres tego komputera. Ze względu na ilość bitów jaka jest przeznaczona na adres sieci i komputera adresy IPv4 dzielimy na 5 klas, a mianowicie na:
klasa A – w klasie tej pierwszy bit zawsze jest bitem zerowym, kolejne 7 to bity adresu sieci. Pozostałe 24 bity tworzą adres komputera podłączonego do tej sieci. W klasie tej mamy 27 = 128 adresów sieci, które to mogą mieć po 65536 adresów komputerów;

Rysunek 2.4. Klasa A

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [27]

klasa B – w klasie tej pierwsze dwa bit to zawsze „10”, kolejne 14 to bity adresu sieci. Pozostałe 16 bitów tworzy adres komputera podłączonego do tej sieci. W klasie tej mamy 214 adresów sieci oraz 216 = 65536 adresów komputerów;

Rysunek 2.5. Klasa B

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [27]

klasa C -w klasie tej pierwsze trzy bit to zawsze „110”, kolejne 21 to bity adresu sieci. Pozostałe 8 bitów tworzy adres komputera podłączonego do tej sieci. W klasie tej mamy 221 adresów sieci oraz 28 = 256 adresów komputerów;

klasa D – w klasie tej pierwsze cztery bit to zawsze „1110”, pozostałe 28 bitów sta­nowi adres grupowy. Klasa ta jest stosowana wtedy gdy mamy do czynienia z jednoczesną transmisją danych do dużej ilości urządzeń w sieci;

klasa E – w klasie tej pierwsze pięć bitów to zawsze „11110”, pozostałe bity zarezerwowane są do przyszłych rozwiązań.

Adresy IPv4 podawane są w postaci czterech cyfr dziesiętnych, które oddzielo­ne są kropkami. Adresy przyporządkowane poszczególnym klasą adresów IPv4 przedstawia Tabela 2.3.

Tabela 2.3. Zakres adresów IPv4 w poszczególnych klasach

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [27]

Mimo że każda klasa ma przyporządkowane adres, to nie wszystkie mogą być użyte do oznaczania sieci czy też komputerów w niej występujących. Część adresów IPv4 z całej puli adresowej ma z góry ustalone zastosowanie, są to:

• od 10.0.0.0 do 10.255.255.255 – adresy prywatne,
•  od 172.16.0.0 do 172.31.255.255 – adresy prywatne,
• od 192.168.0.0 do 192.168.255.255 – adresy prywatne.

Pozostałe adresy, które nie zostały zawarte w żadnej z klas także mają określone zastosowanie i tak:

• cała pula 127.X.X.X – jest przeznaczona na adresy diagnostyczne, przy czym 127.0.0.1 jest adresem pętli zwrotnej,
• 0.0.0.0 – oznacza „ścieżkę domyślną”,
• w każdej klasie adresów zarezerwowane są adresy: wyzerowane i wyjedynkowane (adres wyzerowany jest stosowany przez IP w tablicach rutowania, natomiast adres wyjedynkowany jest to adres rozgłoszeniowym dla danej podsieci) [6, 15, 16, 27].

Adres IPv6

Adres IPv6 zwiększył swój rozmiar z 32-bitowego ciągu, na ciąg 128-bitowy. Spowodowało to wzrost puli możliwych do przydzielenia adresów z 232 & 4,3×109 w IPv4 do 2128~ 3,4×1038 w IPv6. Adres ten ma postać 8 bloków, z których każdy jest 16-bitowym ciągiem, oddzielonych od siebie dwukropkiem, np.:

x:x:x:x:x:x:x:x, gdzie x = yyyy yyyy yyyy yyyy

Każdy ciąg yyyy jest prezentowany w formie szesnastkowej, np.:

0111 : FACB :1001 AC16 : 0000 : 0000 : 0012 : EECD

Grupa czterech zer zastępowana jest jednym, natomiast zera stojące po lewej stronie innej grupy zostaje pominięte, dzięki temu otrzymujemy:

111 : FACB :1001 AC16 : 0 : 0 : 12 : EECD

Zera które są oddzielone jednym dwukropkiem możemy zastąpić dwukropkiem, jednak taki podwójny dwukropek w zapisie może wystąpić tylko jeden raz:

111 : FACB :1001 AC16 :: 12 : EECD

Podobnie jak w IPv4 w IPv6 pewne adresy mają z góry przypisane przeznaczenie i tak:

• ::/128 – jest to adres zerowy, który używany jest tylko w oprogramowaniu;
• ::1/128 – jest to adres lokalnego hosta;
• ::/96 – adresy kompatybilne z adresem IPv4 hosta który korzysta z IPv6 i IPv4;
• ::ffff/96 – adresy kompatybilne z adresem IPv4 hosta który korzysta tylko z IPv4;
• fe80::/10 – adres typu link-local, który jest używany wewnątrz sieci, w czasie autokonfiguracji;
• ff00::/8 – adres rozgłoszeniowy [15].