Уважаемые читатели, рад приветствовать вас в моей второй статье, посвященной инструментам и технологиям, играющим ключевую роль в сфере сетевого администрирования. Сегодня мы обратим наше внимание на Cisco Packet Tracer – мощный симулятор сетевого оборудования, ставший незаменимым помощником для специалистов, проектирующих, настраивающих и обслуживающих компьютерные сети.

В рамках данной статьи мы углубимся в тонкости работы с основополагающими сетевыми протоколами: TCP/IP, DHCP и DNS, используя возможности виртуальной среды Packet Tracer. Этот симулятор предоставляет уникальную возможность экспериментировать с различными конфигурациями, моделировать сетевые сценарии и оттачивать практические навыки без риска для функционирования реальных сетевых инфраструктур.
Стек протоколов TCP/IP, являющийся краеугольным камнем современного Интернета, обеспечивает надежную передачу данных между устройствами. Мы рассмотрим механизмы адресации, маршрутизации и управления сетевым трафиком, реализованные в TCP/IP. Далее, мы обратимся к протоколу динамической конфигурации хостов DHCP, который автоматизирует процесс назначения сетевых параметров и существенно упрощает администрирование сети. И, наконец, мы разберем принципы работы системы доменных имен DNS, обеспечивающей преобразование доменных имен в IP-адреса, что делает взаимодействие с сетевыми ресурсами более удобным и интуитивно понятным.
Итак, приступим к детальному изучению этих важнейших сетевых протоколов в среде Cisco Packet Tracer.

Разбор что за протоколы? TCP/IP, DHCP и DNS

Современный цифровой мир немыслим без сложной сети взаимосвязанных устройств, обменивающихся данными. Этот обмен регулируется набором правил, известных как сетевые протоколы. Среди них ключевую роль играют TCP/IP, DHCP и DNS, формирующие фундамент интернет-коммуникаций. Данное эссе исследует принципы работы и архитектуру этих протоколов, а также прослеживает их историческое развитие.

Протокол TCP/IP

TCP/IP, или набор интернет-протоколов, является фундаментом современного интернета, обеспечивая надежную и эффективную передачу данных между устройствами по всему миру. Его история, принципы работы и архитектура тесно связаны с развитием сетевых технологий и потребностями в универсальном стандарте коммуникации.

История TCP/IP начинается в 1970-х годах с проекта ARPANET, предшественника интернета. В рамках этого проекта была разработана модель TCP/IP, которая впоследствии стала стандартом де-факто для сетевого взаимодействия. Ключевыми фигурами в разработке TCP/IP были Винтон Серф и Роберт Кан. Их работа заложила основу для создания глобальной сети, способной объединить разнородные компьютерные системы.

Архитектура TCP/IP представляет собой многоуровневую модель, где каждый уровень выполняет определенные функции. Модель обычно представляется в виде четырех уровней:

• Уровень приложений (Application Layer): Этот уровень отвечает за взаимодействие приложений с сетью. Здесь работают протоколы, такие как HTTP, FTP, SMTP, DNS, предоставляющие интерфейс для доступа к сетевым ресурсам.

• Транспортный уровень (Transport Layer): На этом уровне обеспечивается надежная и упорядоченная доставка данных между приложениями. Ключевыми протоколами являются TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). TCP предоставляет надежное соединение с контролем потока и исправлением ошибок, UDP – более быстрый, но менее надежный протокол без гарантированной доставки.

• Сетевой уровень (Network Layer): Этот уровень отвечает за маршрутизацию пакетов данных между сетями. Основным протоколом является IP (Internet Protocol), который присваивает каждому устройству уникальный IP-адрес и определяет путь передачи данных.

• Уровень доступа к сети (Network Access Layer/Link Layer): Этот уровень отвечает за физическую передачу данных по конкретной сети, такой как Ethernet или Wi-Fi. Он взаимодействует с сетевым оборудованием и обеспечивает доступ к физической среде передачи данных.

Принцип работы TCP/IP основан на разделении данных на пакеты, которые затем передаются по сети независимо друг от друга. Каждый пакет содержит информацию об адресе отправителя и получателя, а также контрольные суммы для проверки целостности данных. На сетевом уровне IP-протокол определяет маршрут каждого пакета, а на транспортном уровне TCP или UDP обеспечивают доставку данных приложениям.

TCP устанавливает соединение между отправителем и получателем перед передачей данных, обеспечивая надежную доставку и контроль потока. UDP, напротив, не устанавливает соединение и просто отправляет пакеты данных, не гарантируя их доставку.

С момента своего создания TCP/IP претерпел значительные изменения и улучшения. Были разработаны новые протоколы и расширения, повышающие безопасность, производительность и функциональность. IPv6, новая версия IP-протокола, предоставляет значительно большее адресное пространство и улучшенные возможности маршрутизации.

Протокол DHCP

Протокол динамической конфигурации хостов (DHCP) стал неотъемлемой частью современных сетей, избавив администраторов от трудоемкой ручной настройки сетевых параметров каждого устройства. Его история, принципы работы и архитектура тесно связаны с эволюцией сетевых технологий и потребностями в автоматизации. Зарождение DHCP можно отследить в начале 1990-х годов, когда стало очевидно, что ручной способ назначения IP-адресов, масок подсети, шлюзов и DNS-серверов не масштабируется для растущих сетей. Предшественником DHCP стал протокол BOOTP, разработанный для бездисковых рабочих станций. BOOTP позволял устройствам получать IP-адрес и информацию о загрузочном сервере, но не обладал гибкостью и автоматизмом DHCP.
В 1993 году появился RFC 1541, описывающий протокол DHCP. Ключевым отличием DHCP от BOOTP стала возможность динамического распределения IP-адресов. Вместо статического привязывания адреса к MAC-адресу устройства, DHCP позволяет выделять адреса из пула на определенный срок (lease time). По истечении срока аренды устройство должно запросить продление, что обеспечивает эффективное использование адресного пространства, особенно в сетях с мобильными устройствами.
Архитектура DHCP основана на модели клиент-сервер. DHCP-сервер хранит пул доступных IP-адресов и другую информацию о конфигурации сети. DHCP-клиент, при подключении к сети, отправляет широковещательный запрос DHCPDISCOVER. Серверы, получившие этот запрос, предлагают клиенту IP-адрес и другие параметры в сообщении DHCPOFFER. Клиент выбирает одно из предложений и отправляет запрос DHCPREQUEST на подтверждение. Сервер, предложение которого было принято, отправляет клиенту подтверждение DHCPACK, после чего клиент может использовать полученные сетевые настройки.

Процесс взаимодействия клиента и сервера можно представить в виде четырех основных этапов, известных как DORA: Discover, Offer, Request, Acknowledge. Этот механизм обеспечивает автоматическое получение необходимых сетевых параметров, упрощая подключение устройств к сети и снижая вероятность ошибок конфигурации.
С течением времени DHCP претерпел ряд изменений и улучшений. Появилась поддержка IPv6, механизмы ретрансляции для работы в крупных сетях, опции для передачи дополнительных параметров конфигурации. Современные реализации DHCP предлагают расширенные возможности управления, мониторинга и безопасности.

Протокол DNS

Система доменных имен (DNS) – краеугольный камень современного интернета, обеспечивающий преобразование понятных человеку доменных имен (например, google.com) в числовые IP-адреса, необходимые для маршрутизации сетевого трафика. История DNS, принципы ее работы и архитектура отражают эволюцию от простой идеи к сложной распределенной системе, обслуживающей миллиарды запросов ежедневно.

В зародышевом состоянии интернета, когда количество хостов было невелико, IP-адреса назначались вручную и хранились в файле hosts. Этот подход быстро стал неэффективным с ростом сети. В 1983 году Пол Мокапетрис предложил решение – DNS, описанное в RFC 882 и 883. Это стало переломным моментом, позволившим автоматизировать процесс преобразования имен и создать основу для масштабируемости интернета.

Архитектура DNS построена на иерархической системе серверов. На вершине иерархии находятся корневые серверы, которые хранят информацию о серверах верхнего уровня доменов (TLD), таких как .com, .org, .net. Серверы TLD, в свою очередь, содержат информацию о серверах авторитетных за домены второго уровня (например, google.com). Авторитетные серверы хранят записи DNS для конкретного домена, включая IP-адреса, почтовые серверы и другую информацию.
Когда пользователь вводит доменное имя в браузере, его компьютер отправляет запрос к рекурсивному DNS-серверу, предоставляемому, как правило, интернет-провайдером. Рекурсивный сервер выполняет всю работу по поиску IP-адреса, обращаясь к различным DNS-серверам в иерархии. Сначала он запрашивает корневой сервер, затем сервер TLD, и наконец, авторитетный сервер для запрашиваемого домена. Полученный IP-адрес кэшируется рекурсивным сервером для ускорения обработки последующих запросов.

Принцип работы DNS основан на использовании различных типов записей DNS. Наиболее распространенной является запись A, которая сопоставляет доменное имя с IPv4-адресом. AAAA-запись используется для IPv6-адресов. Другие типы записей включают MX (mail exchange) для указания почтовых серверов, CNAME (canonical name) для создания алиасов доменов и NS (name server) для указания авторитетных серверов.

С развитием интернета DNS столкнулся с новыми вызовами, такими как повышение безопасности и производительности. Для защиты от DNS-спуфинга и других атак были разработаны механизмы DNSSEC (DNS Security Extensions), обеспечивающие аутентификацию DNS-записей. Технологии anycast и CDN (Content Delivery Network) используются для повышения производительности и снижения задержек при доступе к ресурсам.

Практическое применение знания в Cisco Packet Tracer

После анализа протоколов переходим к практической реализации. Первым этапом является установка программного обеспечения Cisco Packet Tracer. Вслед за этим развертываем базовую сетевую топологию, состоящую из двух персональных компьютеров.

После развертывания двух персональных компьютеров переходим к практическому рассмотрению функционирования протокола TCP/IP.

Обратившись к рабочему столу ПК-1, переходим на вкладку Desktop, наблюдаем множество элементов интерфейса.

Необходимо открыть окно настройки параметров протокола и подключения - IP Configuration. В данном окне производится конфигурирование IP-адреса персонального компьютера. На данном этапе зададим статический IP-адрес 192.168.0.1

Аналогичным образом настроим IP-адрес второго персонального компьютера, увеличив последний октет на единицу для предотвращения конфликта адресов. Таким образом, второй ПК получит IP-адрес 192.168.0.2.

Для проверки работоспособности протокола соединим два персональных компьютера кабелем через соответствующие сетевые порты. Далее, используя командную строку (Command Prompt), выполним команду ping для проверки доступности второго ПК с первого.

Для изучения последующих протоколов вводим в топологию два сервера: DNS и DHCP. Приступим к рассмотрению протокола DHCP.

Активируем функциональность DHCP, установив соответствующий флажок в конфиге.

Может показаться, что после проведенных настроек сервер DHCP готов к работе. Однако для его запуска требуется выполнить ряд дополнительных действий. Первым шагом является подключение консольного кабеля к коммутатору и настройка VLAN 10.

enable // Активация привилегированного режима
conf t // Входим в глобальную конфигурацию
vlan 10 // Создаем VLAN 10
name Data // Назначаем имя VLAN (не обязательно)
interface fa0/1 // Выбираем порты
switchport mode access // Устанавливаем режим доступа
switchport access vlan 10 // Назначаем порты VLAN 10

Данные команды обеспечат необходимую конфигурацию для VLAN 10.

На данном этапе посредством терминала выполним необходимую конфигурацию маршрутизатора для взаимодействия с DHCP-сервером.

Для выполнения данной задачи необходимо ввести представленные команды в терминале в режиме глобальной конфигурации, соблюдая указанную последовательность.

ip dhcp pool VLAN10  // Создаем пул DHCP для VLAN 10 (пример)
network 192.168.10.0 255.255.255.0 // Указываем сеть и маску
default-router 192.168.10.1 // Шлюз по умолчанию
dns-server 8.8.8.8 // DNS-сервер

После выполнения указанных действий необходимо вернуться в раздел services, выбрать DHCP и ввести соответствующие параметры, руководствуясь представленным изображением.

После запуска симуляции ожидаемый результат представлен ниже.

Переходим к настройке DNS-сервера, которая характеризуется относительной простотой.

Приступаем к конфигурированию, задавая IP-адрес и DNS-сервер, используя предоставленные значения.

Для настройки DNS-сервера необходимо перейти в раздел services, добавить доменное имя example.com и указать IP-адрес, заданный ранее при конфигурации.

Выполняем аналогичные действия для ПК-2.

Открываем настройки ПК-2 и конфигурируем DNS-сервер, указав адрес ранее настроенного DNS-сервера.

Далее, для проверки работоспособности, выполняем команду ping в терминале, указав доменное имя.

Итог

После анализа протоколов переходим к практической реализации. Первым этапом является установка программного обеспечения Cisco Packet Tracer. Вслед за этим развертываем базовую сетевую топологию, состоящую из двух персональных компьютеров.

В данной статье был рассмотрен процесс работы с сетевыми протоколами TCP/IP, DHCP и DNS в среде Cisco Packet Tracer. Практическим путем были продемонстрированы методы настройки базовой сетевой топологии, статической адресации с использованием протокола TCP/IP, а также динамического распределения IP-адресов и разрешения доменных имен с помощью протоколов DHCP и DNS соответственно. Материал статьи позволяет получить начальные навыки конфигурирования данных протоколов и понять принципы их функционирования в сети. Использование симулятора Cisco Packet Tracer обеспечивает наглядность и позволяет отрабатывать практические навыки без необходимости использования реального оборудования. Полученные знания служат основой для дальнейшего изучения сетевых технологий и построения более сложных сетевых инфраструктур.

Все спасибо за внимание!