В данной книге описана программа MySQL версии 3.23 — самый последний стабильный выпуск, доступный на момент написания книги. Сначала излагаются основы MySQL: запросы, модели баз данных, вопросы нормализации и организации многопользовательской работы, а также транзакции. Затем систематически анализируются все ключевые аспекты программы и демонстрируются эффективные методики взаимодействия с базами данных MySQL посредством языков С, Java, PHP, Perl, Python и др.
Данная книга дает профессионалам именно то, что они ищут: авторитетное, подробное, богатое примерами руководство по разработке приложений MySQL корпоративного уровня.

Второе издание книги профессора Дугласа Комера является введением и обзором TCP/IP. Существовала большая необходимость в статье или книге для тех, кто только начал разбираться в протоколах TCP/IP. Эта книга удовлетворяет эту нужду. Написание введения в TCP/IP для начинающих - очень трудная задача. Но обьединив обьяснение общих принципов взаимодействия компьютеров с конкретными примерами для связки протоколов TCP/IP, Дуглас Комер написал очень понятную книгу.
Хотя эта книга и написана специально о связке протоколов TCP/IP, она также является хорошей книгой для изучения протоколов взаимодействия компьютеров вообще. Принципы архитектуры, уровни, мультиплексирование, инкапсуляция, адресация и отображение адресов, маршрутизация и именование аналогичны для любой связки протоколов, хотя, конечно, и отличаются в деталях.
Эта книга является одним из классических академических куpсов по техническим пpинципам pаботы Интеpнета. В доступной фоpме здесь описываются основы всех пpотоколов, фоpматы их сообщений и логика их pаботы. Понимание pяда пpоблем сетевой безопасности невозможно без знания изложенных в ней сведений.

Семейство протоколов TCP/IP широко применяется во всем мире для объединения компьютеров в сеть Internet. Единая сеть Internet состоит из множества сетей различной физической природы, от локальных сетей типа Ethernet и Token Ring, до глобальных сетей типа NSFNET. Основное внимание в книге уделяется принципам организации межсетевого взаимодействия. Многие технические детали, исторические вопросы опущены. Более подробную информацию о протоколах TCP/IP можно найти в RFC (Requests For Comments) - специальных документах, выпускаемых Сетевым Информационным Центром (Network Information Center - NIC). Приложение 1 содержит путеводитель по RFC, а приложение 2 отражает положение дел в области стандартизации протоколов семейства TCP/IP на начало 1991 года.

В книге приводятся примеры, основанные на реализации TCP/IP в ОС UNIX. Однако основные положения применимы ко всем реализациям TCP/IP.

Надеюсь, что эта книга будет полезна тем, кто профессионально работает или собирается начать работать в среде TCP/IP: системным администраторам, системным программистам и менеджерам сети.

1. Протоколы обмена данными в ОС NetWare
2. Система понятий и управляющие блоки протоколов
3. Использование функций протоколов SPX и IPX
3. Общая последовательность взаимодействия по протоколу IPX
4. Программирование обмена данными...
и многое другое.

В книге подробно описана внутренняя структура операционной системы FreeBSD. В ней рассказывается об организации ядра FreeBSD и его службах, управлении процессами, потоками и памятью, сетевой и локальной файловых подсистемах и сетевых протоколах. Отражены вопросы межпроцессного взаимодействия и сетевой коммуникации. Рассматривается одна из последних версий FreeBSD - 5.2. Информация представлена в структурированном виде, поэтому книга может быть использована в качестве справочника.

Этот документ создан на основе компиляции нескольких документов, а также на основе перевода с английского страниц-учебников, которые в обилии можна встретить на многочисленных Web-узлах в Интернете, посвященных программированию на PHP и связи его с MySQL.
Данный труд не ставит целью заменить собой мануалы по PHP и MySQL. Дело в том, что большинство материалов, в том числе и руководства к данным программным продуктам пока распространяются на английском языке. Качественные пособия на русском языке встречаются редко.
Данный букварь просто поможет Вам сделать первые шаги в изучении PHP и способах взаимодействия его с БД MySQL. В этой книге Вы найдете ответы на свои основные вопросы.

В этой книге описан новый подход к созданию Web-приложений, известный как Ajax. Авторы рассматривают составные части Ajax: JavaScript, CSS, DOM и объект XMLHttpRequest. Кроме того, в книге нашли отражение вопросы управления кодом, взаимодействия клиента и сервера и применения архитектуры "модель-представление-контроллер" на разных уровнях приложения. Читатель также найдет сведения о защите и производительности - важных характеристиках, существенно влияющих на популярность любого продукта. Рассматриваемые вопросы иллюстрируются примерами практического использования Ajax. В приложениях содержится дополнительная информация об инструментальных средствах, о языке JavaScript и библиотеках. Материал книги изложен на высоком уровне и будет полезен специалистам высокой и средней квалификации.

В рамках Ajax объединено несколько дисциплин, поэтому читатели могут прийти к пониманию данной инфраструктуры различными путями.Часть предполагаемой аудитории - это профессиональные разработчики корпоративных систем, имеющие ученые степени в области компьютерных наук, за плечами которых годы продуктивной работы над большими программными продуктами. Их кругозор позволяет выйти за рамки уровня представления классического Web-приложения. Другую группу читателей составляют Web-дизайнеры, которые освоили "новую среду", изучив такие языки, как PHP, VisualBasic, JavaScript и ActionScript. Нельзя также забывать разработчиков приложений, перешедших от настольных систем к Web, и системных администраторов, которых в основном интересуют инструментальные средства управления на базе Web.
Все эти категории читателей объединяет неподдельный интерес к Ajax. При написании книги мы попытались в той или иной мере учесть интересы каждой из этих категорий. Ajax - это объединение различных технологийи, изучая данную инфраструктуру, вам неизбежно придется столкнуться с новыми для себя вопросами. Мы призываем вас расширить свой кругозор и повысить квалификацию. Затраченные усилия окупают себя, а результаты проявляются в различных областях нашей профессиональной деятельности.

Эта небольшая книга посвящена "сердцевине" языка C++ - основным идеям (построению объектов и налаживанию взаимодействия между ними), без которых невозможно овладеть этим языком программирования. Обучаясь на простых примерах, читатель постепенно знакомится с кругом идей объектно-ориентированного программирования и основными конструкциями языка C++.
Прочитав эту книгу, можно писать довольно сложные программы. Но всего важнее то, что знание основных идей и конструкций языка позволяет легко ориентироваться в мире C++ и других объектно-ориентированных языков, самостоятельно получать недостающие знания. Книга рассчитана на школьников средних и старших классов.

Данная статья предназначена для начинающих программистов, которые никогда не работали с потоками, и хотели бы узнать основы работы с ними. Желательно, чтоб читатель знал основы ООП и имел какой-нибудь опыт работы в Delphi.

Для начала давайте определимся, что под словом "поток" я подразумеваю именно Thread, который еще имеет название "нить". Нередко встречал на форумах мнения, что потоки не нужны вообще, любую программу можно написать так, что она будет замечательно работать и без них. Конечно, если не делать ничего серьёзней "Hello World" это так и есть, но если постепенно набирать опыт, рано или поздно любой начинающий программист упрётся в возможности "плоского" кода, возникнет необходимость распараллелить задачи. А некоторые задачи вообще нельзя реализовать без использования потоков, например работа с сокетами, COM-портом, длительное ожидание каких-либо событий, и т.д.

Всем известно, что Windows система многозадачная. Попросту говоря, это означает, что несколько программ могут работать одновременно под управлением ОС. Все мы открывали диспетчер задач и видели список процессов. Процесс - это экземпляр выполняемого приложения. На самом деле сам по себе он ничего не выполняет, он создаётся при запуске приложения, содержит в себе служебную информацию, через которую система с ним работает, так же ему выделяется необходимая память под код и данные. Для того, чтобы программа заработала, в нём создаётся поток. Любой процесс содержит в себе хотя бы один поток, и именно он отвечает за выполнение кода и получает на это процессорное время. Этим и достигается мнимая параллельность работы программ, или, как её еще называют, псевдопараллельность. Почему мнимая? Да потому, что реально процессор в каждый момент времени может выполнять только один участок кода. Windows раздаёт процессорное время всем потокам в системе по очереди, тем самым создаётся впечатление, что они работают одновременно. Реально работающие параллельно потоки могут быть только на машинах с двумя и более процессорами.

Для создания дополнительных потоков в Delphi существует базовый класс TThread, от него мы и будем наследоваться при реализации своих потоков. Для того, чтобы создать "скелет" нового класса, можно выбрать в меню File - New - Thread Object, Delphi создаст новый модуль с заготовкой этого класса. Я же для наглядности опишу его в модуле формы. Как видите, в этой заготовке добавлен один метод - Execute. Именно его нам и нужно переопределить, код внутри него и будет работать в отдельном потоке. И так, попробуем написать пример - запустим в потоке бесконечный цикл:

Код

TNewThread = class(TThread)
private
{ Private declarations }
protected
procedure Execute; override;
end;


var
Form1: TForm1;

implementation

{$R *.dfm}

{ TNewThread }

procedure TNewThread.Execute;
begin
while true do {ничего не делаем};
end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var
NewThread: TNewThread;
begin
NewThread:=TNewThread.Create(true);
NewThread.FreeOnTerminate:=true;
NewThread.Priority:=tpLower;
NewThread.Resume;
end;

Запустите пример на выполнение и нажмите кнопку. Вроде ничего не происходит - форма не зависла, реагирует на перемещения. На самом деле это не так - откройте диспетчер задач и вы увидите, что процессор загружен по-полной. Сейчас в процессе вашего приложения работает два потока - один был создан изначально, при запуске приложения. Второй, который так грузит процессор - мы создали по нажатию кнопки. Итак, давайте разберём, что же означает код в Button1Click:

Код

NewThread:=TNewThread.Create(true);

тут мы создали экземпляр класса TNewThread. Конструктор Create имеет всего один параметр - CreateSuspended типа boolean, который указывает, запустить новый поток сразу после создания (если false), или дождаться команды (если true).

Код

New.FreeOnTerminate := true;

свойство FreeOnTerminate определяет, что поток после выполнения автоматически завершится, объект будет уничтожен, и нам не придётся его уничтожать вручную. В нашем примере это не имеет значения, так как сам по себе он никогда не завершится, но понадобится в следующих примерах.

Код

NewThread.Priority:=tpLower;

Свойство Priority, если вы еще не догадались из названия, устанавливает приоритет потока. Да да, каждый поток в системе имеет свой приоритет. Если процессорного времени не хватает, система начинает распределять его согласно приоритетам потоков. Свойство Priority может принимать следующие значения:

tpTimeCritical - критический

tpHighest - очень высокий

tpHigher - высокий

tpNormal - средний

tpLower - низкий

tpLowest - очень низкий

tpIdle - поток работает во время простоя системы

Ставить высокие приоритеты потокам не стоит, если этого не требует задача, так как это сильно нагружает систему.

Код

NewThread.Resume;

Ну и собственно, запуск потока.

Думаю, теперь вам понятно, как создаются потоки. Заметьте, ничего сложного. Но не всё так просто. Казалось бы - пишем любой код внутри метода Execute и всё, а нет, потоки имеют одно неприятное свойство - они ничего не знают друг о друге. И что такого? - спросите вы. А вот что: допустим, вы пытаетесь из другого потока изменить свойство какого-нибудь компонента на форме. Как известно, VCL однопоточна, весь код внутри приложения выполняется последовательно. Допустим, в процессе работы изменились какие-то данные внутри классов VCL, система отбирает время у основного потока, передаёт по кругу остальным потокам и возвращает обратно, при этом выполнение кода продолжается с того места, где приостановилось. Если мы из своего потока что-то меняем, к примеру, на форме, задействуется много механизмов внутри VCL (напомню, выполнение основного потока пока "приостановлено"), соответственно за это время успеют измениться какие-либо данные. И тут вдруг время снова отдаётся основному потоку, он спокойно продолжает своё выполнение, но данные уже изменены! К чему это может привести - предугадать нельзя. Вы можете проверить это тысячу раз, и ничего не произойдёт, а на тысяча первый программа рухнет. И это относится не только к взаимодействию дополнительных потоков с главным, но и к взаимодействию потоков между собой. Писать такие ненадёжные программы конечно нельзя.
Синхронизации потоков
Если вы создали шаблон класса автоматически, то, наверное, заметили комментарий, который дружелюбная Delphi поместила в новый модуль. Он гласит: "Methods and properties of objects in visual components can only be used in a method called using Synchronize". Это значит, что обращение к визуальным компонентам возможно только путём вызова процедуры Synchronize. Давайте рассмотрим пример, но теперь наш поток не будет разогревать процессор впустую, а будет делать что-нибудь полезное, к примеру, прокручивать ProgressBar на форме. В качестве параметра в процедуру Synchronize передаётся метод нашего потока, но сам он передаётся без параметров. Параметры можно передать, добавив поля нужного типа в описание нашего класса. У нас будет одно поле - тот самый прогресс:

Код

TNewThread = class(TThread)
private
Progress: integer;
procedure SetProgress;
protected
procedure Execute; override;
end;
...

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
Progress:=i;
Synchronize(SetProgress);
end;
end;

procedure TNewThread.SetProgress;
begin
Form1.ProgressBar1.Position:=Progress;
end;

Вот теперь ProgressBar двигается, и это вполне безопасно. А безопасно вот почему: процедура Synchronize на время приостанавливает выполнение нашего потока, и передаёт управление главному потоку, т.е. SetProgress выполняется в главном потоке. Это нужно запомнить, потому что некоторые допускают ошибки, выполняя внутри Synchronize длительную работу, при этом, что очевидно, форма зависает на длительное время. Поэтому используйте Synchronize для вывода информации - то самое двигание прогресса, обновления заголовков компонентов и т.д.

Вы наверное заметили, что внутри цикла мы используем процедуру Sleep. В однопоточном приложении Sleep используется редко, а вот в потоках его использовать очень удобно. Пример - бесконечный цикл, пока не выполнится какое-нибудь условие. Если не вставить туда Sleep мы будем просто нагружать систему бесполезной работой.

Надеюсь, вы поняли как работает Synchronize. Но есть еще один довольно удобный способ передать информацию форме - посылка сообщения. Давайте рассмотрим и его. Для этого объявим константу:

Код

const
PROGRESS_POS = WM_USER+1;

В объявление класса формы добавим новый метод, а затем и его реализацию:

Код

TForm1 = class(TForm)
Button1: TButton;
ProgressBar1: TProgressBar;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
private
procedure SetProgressPos(var Msg: TMessage); message PROGRESS_POS;
public
{ Public declarations }
end;
...

procedure TForm1.SetProgressPos(var Msg: TMessage);
begin
ProgressBar1.Position:=Msg.LParam;
end;

Теперь мы немного изменим, можно сказать даже упростим, реализацию метода Execute нашего потока:

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
SendMessage(Form1.Handle,PROGRESS_POS,0,i);
end;
end;

Используя функцию SendMessage, мы посылаем окну приложения сообщение, один из параметров которого содержит нужный нам прогресс. Сообщение становится в очередь, и согласно этой очереди будет обработано главным потоком, где и выполнится метод SetProgressPos. Но тут есть один нюанс: SendMessage, как и в случае с Synchronize, приостановит выполнение нашего потока, пока основной поток не обработает сообщение. Если использовать PostMessage этого не произойдёт, наш поток отправит сообщение и продолжит свою работу, а уж когда оно там обработается - неважно. Какую из этих функций использовать - решать вам, всё зависит от задачи.

Вот, в принципе, мы и рассмотрели основные способы работы с компонентами VCL из потоков. А как быть, если в нашей программе не один новый поток, а несколько? И нужно организовать работу с одними и теми же данными? Тут нам на помощь приходят другие способы синхронизации. Один из них мы и рассмотрим. Для его реализации нужно добавить в проект модуль SyncObjs.
Критические секции
Работают они следующим образом: внутри критической секции может работать только один поток, другие ждут его завершения. Чтобы лучше понять, везде приводят сравнение с узкой трубой: представьте, с одной стороны "толпятся" потоки, но в трубу может "пролезть" только один, а когда он "пролезет" - начнёт движение второй, и так по порядку. Еще проще понять это на примере и тем же ProgressBar'ом. Итак, запустите один из примеров, приведённых ранее. Нажмите на кнопку, подождите несколько секунд, а затем нажмите еще раз. Что происходит? ProgressBar начал прыгать. Прыгает потому, что у нас работает не один поток, а два, и каждый из них передаёт разные значения прогресса. Теперь немного переделаем код, в событии onCreate формы создадим критическую секцию:

Код

var
Form1: TForm1;
CriticalSection: TCriticalSection;

...

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
CriticalSection:=TCriticalSection.Create;
end;

У TCriticalSection есть два нужных нам метода, Enter и Leave, соответственно вход и выход из неё. Поместим наш код в критическую секцию:

Код

procedure TNewThread.Execute;
var
i: integer;
begin
CriticalSection.Enter;
for i:=0 to 100 do
begin
sleep(50);
SendMessage(Form1.Handle,PROGRESS_POS,0,i);
end;
CriticalSection.Leave;
end;

Попробуйте запустить приложение и нажать несколько раз на кнопку, а потом посчитайте, сколько раз пройдёт прогресс. Понятно, в чем суть? Первый раз, нажимая на кнопку, мы создаём поток, он занимает критическую секцию и начинает работу. Нажимаем второй - создаётся второй поток, но критическая секция занята, и он ждёт, пока её не освободит первый. Третий, четвёртый - все пройдут только по-очереди.

Критические секции удобно использовать при обработке одних и тех же данных (списков, массивов) разными потоками. Поняв, как они работают, вы всегда найдёте им применение.

В этой небольшой статье рассмотрены не все способы синхронизации, есть еще события (TEvent), а так же объекты системы, такие как мьютексы (Mutex), семафоры (Semaphore), но они больше подходят для взаимодействия между приложениями. Остальное, что касается использования класса TThread, вы можете узнать самостоятельно, в help'е всё довольно подробно описано. Цель этой статьи - показать начинающим, что не всё так сложно и страшно, главное разобраться, что есть что. И побольше практики - самое главное опыт!

В этом статье обсуждаются особенности работы со скриптами JavaScript в PHP. В отличие от PHP, скрипты JavaScript выполняются на машине клиента, в то время как PHP серверный язык программирования. В отличие, от технологии Java или ASP.NET он не имеет в своём составе средств для работы на клиентской стороне. Поэтому для создания эффективных Web-приложений необходимо комбинировать PHP и JavaScript скрипты. Существует две возможности такого взаимодействия: передача переменных из JavaScript в PHP и динамическое формирование скриптов JavaScript средствами PHP.

Передача переменных из JavaScript в PHP

Одной из распространенной задачей является определение разрешение экрана и глубину цвета монитора посетителя страницы средствами JavaScript с последующей передачей этих данные в PHP-скрипт.

Это довольно часто встречающаяся задача, особенно при написании счетчиков посещений и создании "динамического дизайна".

Скрипт JavaScript, выполняющий необходимые действия, размещен файле index.html, содержимое которого приведено в нижеследующем листинге:

Файл index.html

Код

<Script Language="JavaScript">
var height=0;
var width=0;
colorDepth = screen.colorDepth;
if (self.screen)
{
width = screen.width
height = screen.height
}
else if (self.java)
{
var jToolKit = java.awt.Toolkit.getDefaultToolkit();
var scrsize = jToolKit.getScreenSize();
width = scrsize.width;
height = scrsize.height;
}
if (width > 0 && height > 0)
{
// Производим перенаправление на скрипт counter.php, передавая в
// переменной scrsize строку, содержащую значения width,
// height и colorDepth.
window.location.href = "http://localhost/view.php?
width=" + width +
"&height=" + height +
"&color=" + colorDepth;
} else exit();
</Script>

После выполнения этого кода происходит автоматический переход на страницу view.php, в котором происходит вывод разрешения экрана и глубины цветопередачи в окно браузера (см. листинг ниже).

Полученную информацию можно помещать в базу данных для набора статистики о наиболее распространенных разрешениях экранов, посетителей сайтов.

Файл view.php

PHP - Код

echo "Ширина : ".$_GET['width'];
  echo "Высота : ".$_GET['height'];
  echo "Цветовое <sup>разрешение</sup> : ".$_GET['color'];

Как видно, работа с данными из JavaScript, аналогична работе с данными, отправляющихся методом GET.

Конечно же вы попадали в такую ситуацию, когда приложение, разработанное вами ранее, могло быть снова использовано в рамках другого проекта. Вначале вы конечно же подумали, что это не создаст никаких проблем. Всего-то необходимо скопировать код из одного каталога в другой! Со временем вы осознали, что проекты могут различаться между собой различными параметрами, пусть даже самыми незначительными. Например, это может быть e-mail адрес на который отсылаются сообщения. В таком случае вам ничего не остается, как открыть множество файлов в редакторе и изменить их содержимое, вставляя нужный e-mail при помощи функции найти/заменить. Эта статья расскажет вам о том, как можно избавить себя от подобной работы, а так же порекомендует ряд дополнительных средств для создания и чтения конфигурационных файлов.

Повторное использование кода

Компьютер был изобретен для того, чтобы избавить человека от лишней работы. Развитие компьютерных технологий привело к тому, что человек стал стремиться все меньше времени проводить за компьютером. Допустим, вы программист. Не будь компьютера, вы бы остались без работы. Но в то же время вы стараетесь с помощью компьютера упростить свою ежедневную работы, с этой целью вы используете, например, функцию автозавершения кода в редакторе. Мы хотим подвести вас к той мысли, что код созданный вами, должен быть организован так, чтобы работы по его модификации были сведены к минимуму. Чаще всего это удается, когда вы создаете код, автоматизирующий рутинные операции, такие как создание и прорисовка формы, а так же отправка e-mail. Однако не стоит забывать, что функции для выполнения рутинных операций никогда не бывают на 100% идентичными в различных приложениях. Один формуляр не похож на другой, а сообщения электронной почты предназначены разным адресатам. Однако логика на уровне приложения остается прежней, функции различаются между собой только некоторыми параметрами. Таким образом, вы должны ясно представлять свою цель – разработать код, параметры которого можно было бы определять извне.

Модульная организация

Для решения этой задачи, планируя структуру приложения, вы должны позаботиться о модульности. То есть вам необходимо поместить часто используемые функции или классы в отдельный файл, который будет подключаться через require_once. В этом случае файлы приложения не будут наполнены избыточным кодом. Допустим, вы часто осуществляете запись в лог-файл. В таком случае было бы неплохо код, выполняющий эту операцию, заключить в рамки класса или функции. Будет еще лучше, если вы воспользуетесь уже готовым классом, взятым из какой-нибудь библиотеки исходных кодов, например PEAR.

Параметры процедурального кода

После того, как вы проанализировали код, выделили повторяющиеся фрагменты, распределили их по классам и функциям, необходимо подумать о выделении необходимых параметров, значения которых будут устанавливаться извне. Если речь идет о процедуральном коде, самым простым решением является использование глобальных переменных, которые необходимо определить в отдельном файле. Это позволит в дальнейшем без проблем изменять их значения.

Листинг 1 демонстрирует функцию, которая занимается отправкой e-mail. В ее теле содержится только одна php-функция - mail(). Таким образом, мы избавляемся от необходимости каждый раз указывать получателя при отправке сообщения. Следующая переменная, которую мы определяем, обозначает префикс, предшествующий теме сообщения. Конфигурационный файл, подключаемый через require_once, мог бы выглядеть следующим образом.

Listing 1

PHP - Код

$to = 'webmaster@localhost';
  $prefix = '[Testinstallation] ';

PHP - Код

function sendMail( $subject, $body )
  {
    global $to, $prefix;
    $subject = $prefix . $subject;
    return mail( $to, $subject, $body );
  }
  require_once 'config1.php';
  sendMail( 'Test', 'Это тестовое сообщение.' );

Есть способ лучше

Даже если рассмотренный выше способ и является действенным, однако это не самое лучшее решение. По мере того как код вашего приложения будет усложняться, вырастет и число опций, тогда могут возникнуть следующие проблемы:

Глобальные переменные, которые мы используем, могут породить конфликты в пространстве имен.

В том случае, если конфигурационные файлы редактируются не программистом, а дилетантом, в системе могут возникнуть синтаксические ошибки, например из-за незакрытых кавычек.

Для того, чтобы получить доступ к различным переменным, необходимо обращаться к массиву $_GLOBALS.

Вместо php-модулей существуют другие форматы, которые могут быть легко поняты и изменены дилетантами, а так же php-скриптами. Мы имеем в виду два формата: этого широко используемые операционной системой Windows ini-файлы, а так же формат XML.

PHP уже содержит функцию parse_ini_file(), которая без проблем читает ini-файлы. Такой файл имеет очень простую структуру. Каждой опции может быть присвоено только одно значение, а в качестве оператора присваивания используется знак равенства. Конфигурационный файл из предыдущего примера выглядел бы следующим образом в ini-формате.

PHP - Код

to = "webmaster@localhost"
prefix = "[Testinstallation] "

После считывания ini-файла, имя которого передается в качестве параметра функции parse_ini_file(), мы получаем ассоциативный массив, имеющий вид:

PHP - Код

Array
(
  [to] => webmaster@localhost
  [prefix] => [Testinstallation]
)

В листинге 2 находится функция отправки почты, основанная на ini-файлах:

Listing 2

PHP - Код

function sendMail( $subject, $body )
  {
    $config = parse_ini_file( 'config1.ini' );
    $to = $config['mail_to'];
    $prefix = $config['mail_prefix'];
    $subject = $prefix . $subject;
    return mail( $to, $subject, $body );
  }
  sendMail( 'Test', 'Это тестовое письмо.' );

Если вы уже прочитали документацию по функции parse_ini_file(), вы кончено же заметили, что она может принимать и второй параметр. Он необходим, если вы хотите разделить ini-файл на несколько разделов или секций. Предположим, вам необходимо сохранить несколько настроек электронной почты. Тогда ini-файл будет выглядеть следующим образом:

PHP - Код

[errors]
to = "webmaster@localhost"
prefix = "[Testinstallation] "

[contact]
to = "kunde@test.de"
prefix = "[Contact]

"

Если вы при вызове parse_ini_file() передаете true в качестве второго параметра, в этом случае php будет искать в файле секции, а затем вернет многомерный массив, в котором каждой секции (errors и contact) будет соответствовать определенный набор значений:

PHP - Код

Array
(
  [errors] => Array
  (
    [to] => webmaster@localhost
    [prefix] => [Testinstallation]
  )
  [contact] => Array
  (
    [to] => kunde@test.de
    [prefix] => [Testinstallation]
  )
)

Особые значения в ini-файлах

При использовании ini-файлов вы должны иметь в виду, что некоторые особые значения могут быть представлены строками. Допустим, вы определяете значение опции как true или yes (без кавычек), в таком случае они автоматически конвертируются в число 1, а false или no – в пустую строку. К сожалению, при этом не генерируется никакой ошибки. Поэтому не пытайтесь использовать no для сокращенного обозначения Норвегии.

Listing 3

PHP - Код

$config = parse_ini_file( 'config2.ini', true );
  echo '<pre>';
  print_r( $config );
  echo '</pre>';

Безопасность

Вы должны понимать то, что если конфигурационный файл используется для хранения важных данных, например паролей, необходимо позаботиться о том, чтобы содержимое такого файла не попало в web-браузер. Простейший выход из положения заключается в том, чтобы хранить конфигурационные файлы вне корневой директории сайта, например здесь: /etc/myApp/config

Если этого сделать нельзя, в таком случае можно изменить расширение файла. Для конфигурационного файла в формате модуля php необходимо всегда выбирать расширение .php. В этом случае сервер проанализирует php-файл, а пользователь увидит пустую страницу. С ini-файлами такое не пройдет, однако сервер Apache предоставляет возможность защитить данные. Просто поместите в каталог, где хранятся ini файл с именем .htaccess В него нужно поместить следующие строки:

Код

<Files *.ini>
Order deny,allow
Deny from all
</Files>

Теперь сервер перестанет выдавать файлы с расширением ini, а опции приложения будут скрыты от пользователей.
Другие средства

Кончено же вы не являетесь единственным разработчиком, который сталкивается с проблемой обеспечения гибкости настроек веб-приложения. Поэтому некоторые программисты уже разработали библиотеки классов, которые переводят работу с конфигурационными файлами на абстрактный уровень, а так же упрощают запись и чтение различных форматов конфигурационных файлов.
PEAR::Config

Одним из классов, который может пригодится при чтении и записи конфигурационных файлов является PEAR::Config [3]. Как и все классы PEAR, PEAR::Config инсталлируется при помощи PEAR-Installer по команде

Код

pear install Config

Этот класс является многоформатным, поскольку работает с конфигурационными файлами в форматах XMIL, ini, Apach-Style (гибрид XML и ini), а также php-массивами. Достоинством данного класса является то, что API для взаимодействия со всеми форматами одинаков. Т.е. логика работы с конфигурационными файлами в формате XML ничем не отличается от логики работы с ini-файлами. Вследствие этого необходимо, чтобы все форматы имели одинаковую структуру. Конфигурационные файлы, с которыми работает PEAR::Config, состоят, как и ini-файлы из секций.

Изменим снова наш пример. Сначала мы создаем объект Config, а затем вызываем его метод parseConfig(). Поскольку метод позволяет считывать различные форматы файлов, при вызове его необходимо передавать параметр, уточняющий формат. Для конфигурационных файлов в формате ini в качестве такого параметра используется строка iniFile. После считывания файла, мы не получаем опции в виде массива, вместо этого создается объект-контейнер, который дает доступ ко всем настройкам. Хотя во многих случаях бывает желательно получить опции в форме массива. Для этого используется метод toArray(). Листинг 4 демонстрирует считывание ini-файла:

Listing 4

PHP - Код


  require_once 'Config.php';

  $config = new Config();
  $root =& $config->parseConfig('config2.ini', 'IniFile');

  $settings = $root->toArray();

  echo "<pre>";
  print_r( $settings );
  echo "</pre>";

С первого взгляда это может показаться несколько запутанным. Однако преимущество данного подхода заключается в том, что один и тот же метод используется для чтения всех форматов файлов, поддерживаемых PEAR::Config. Измененные опции могут быть также сохранены в любом формате:

PHP - Код

$root->writeDatasrc( 'config2.conf', 'Apache' );

Листинг 5 содержит код, где серия опций помещается в массив, который затем сохраняется в формате XML. Если вы хотите побольше узнать о PEAR::Config необходимую информацию вы сможете найти в документации по PEAR[5] или в DevShed-Tutorial [6].

Listing 5

PHP - Код

require_once 'Config.php';

  $settings = array(
    'errors' => array(
      'email' => 'webmaster@localhost',
      'prefix' => '[ERRORS]',
    )
  );

  $config = new Config();
  $root =& $config->parseConfig($settings, 'PHPArray');
  $root->writeDatasrc( 'config2.xml', 'XML' );

patConfiguration

Альтернативным классом для работы с конфигурационными файлами является patConfiguration[7], однако он предназначен исключительно для работы с файлами в формате XML. После скачивания архива, его необходимо распаковать. Сам класс находится в директории include. patConfiguration предварительно определяет Tag-Set, который затем наполняется данными. К тому же этот класс предоставляет возможность указать тип опции: целое число, число с плавающей точкой, булевское значение. Типичный конфигурационный файл, созданный patConfiguration, имеет следующую структуру:

Код

<configuration>
<path name="fehler">
<configValue name="email" type="string">webmaster@localhost</configValue>
<configValue name="priority" type="float">100</configValue>
</path>
</configuration>

После создания объекта класса, может быть вызван метод parseConfigFile(). Доступ к опциям осуществляется через getConfigValue(). В качестве параметра этот метод может принимать путь к нужной опции. Вернемся к нашему примеру. Допустим, мы хотим получить e-mail адрес, на который высылается сообщение об ошибке. В этом случае используется путь errors.email. Если путь не указан, тогда все параметры передаются в массив. Листинг 6 демонстрирует код, который можно использовать для считывания файлов.
patConfiguration 2.0.0

В данный момент многоформатная версия patConfiguration находится в стадии разработки. Возможно, при публикации статьи эта версия уже станет доступной. Впрочем, самую новую версию для разработчиков вы можете скачать с сайта snaps.php-tools.net/downloaden.

В этом примере вы уже заметили, что внутри тега указывается тип значения. Названия типов идентичны тем, что используются в php-функции settype(). Если тип не указан, тогда значение интерпретируется как строка. Для часто используемых опций можно определить отдельный тег.

Код

<configuration>
<define tag="priority" type="float"/>
<define tag="email" type="string"/>
<path name="fehler">
<email>webmaster@localhost</email>
<priority>100</priority>
</path>
</configuration>

Наряду с функцией getConfigValue, существует функция setConfigValue(), с помощью которой можно изменить значение опции. Затем конфигурационный файл может быть заново записан с помощью writeConfigFile() (см листинг 7).

patConfiguration предлагает также серию дополнительных возможностей. Например, наряду с тегами, существует возможность определять атрибуты и пространства имен (Namespace), а к тегу можно привязать внешний файл, таким образом, опции будут распределены по нескольким файлам. Кроме этого patConfiguration включает систему кэширования, благодаря которой пропадает необходимость в многократном считывании конфигурационного файла.

Дополнительную информацию вы сможете найти на PHP Application Tools-Homepage и в patConfiguration-Tutorial на DevShed [8].

Listing 7

PHP - Код

require_once 'include/patConfiguration.php';

  $config = new patConfiguration(
     array(
       "configDir" =>"./",
       "errorHandling" =>"nice_die"
     )
  );
  $config->parseConfigFile( 'config6.xml' );
  $config->setConfigValue( 'errors.email', 'errors@localhost' );
  $config->writeConfigFile( 'config6_new.xml', 'xml', array( 'mode' => 'pretty' ) );

Заключение

Забота о гибкости настроек приложения может сберечь много времени, особенно если его компоненты предполагается использовать в других проектах. Вы потратите еще меньше времени, если доверите работу с конфигурационными файлами одному из готовых классов. Выбор между PEAR::Config и patConfiguration зависит от задачи. Преимуществом PEAR::Config является поддержка различных форматов конфигурационных файлов, в то время как patConfiguration прекрасно работает с XML, так же предоставляет ряд дополнительных возможностей. Однако с появлением версии 2.0.0 этот пакет будет иметь одинаковый API для считывания ini и wddx файлов. PHP-массив поддерживаются уже в текущей версии.

Можно сказать, что современная корпорация буквально "пропитана" данными. Они повсюду и, более того, очень часто одни и те же данные могут находиться в нескольких местах. Корпорация должна иметь возможность идентифицировать источник, происхождение, семантику и пути доступа к данным. Метаданные или, как их обычно называют, "данные о данных", являются ключом для получения этой информации. Но, как это ни удивительно, у большинства корпораций нет отчетливой стратегии относительно метаданных. Различные подразделения организации используют разные наборы инструментов для поддержки своих данных.

---

Каждому такому набору соответствуют определенные метаданные. Поэтому картина, типичная для многих корпораций, - это так называемые "острова метаданных", т.е. некоторые объемы информации, которые невозможно связать друг с другом. Для решения этой проблемы некоторые организации начинают крупные проекты по интеграции метаданных, тратя на это значительные средства и время. Но, к сожалению, в большинстве проектов отсутствует структурный подход, поэтому временные и финансовые затраты не окупаются.

В предлагаемой статье обсуждаются подходы к управлению метаданными, в том числе то, какие метаданные необходимо собирать, как их можно моделировать, как создать требуемое архитектурное решение и как обеспечить простоту поддержки метаданных в долгосрочной перспективе. Большинство этих подходов уже существуют в той или иной форме в различных организациях. В данной статье сделана попытка собрать и обобщить имеющийся опыт.

Классификация метаданных

На самом высоком уровне метаданные могут быть разделены на две категории:

* общие метаданные;
* уникальные (специфические) метаданные.

Элементы общих метаданных должны иметь совместные (непротиворечивые) определения и семантику в масштабах всей корпорации. Например, определение понятия "клиент" должно быть единым для всей компании.

Метаданные могут быть классифицированы и по другим параметрам:

* метаданные бизнеса;
* технические метаданные;
* метаданные процессов.

Метаданные бизнеса включают определения объектов, относящихся к корпоративным пользователям, логическим картам данных и словарям Хранилищ данных. Технические метаданные включают данные о физических объектах: названия таблиц и столбцов, ограничения и правила физического преобразования между различными зонами. В метаданных процессов отражается статистическая информация о различных процессах: статистика загруженности, информация о календарном планировании и обработка исключений.
Создание решения для управления метаданными

Для создания успешного решения по управлению корпоративными метаданными автор рекомендует следовать определенной последовательности шагов:

1. собрать все требования, предъявляемые к метаданным;
2. выбрать соответствующую модель метаданных;
3. определить общие подходы к архитектуре;
4. внедрить выбранное решение и осуществлять его поддержку.

Сбор требований, предъявляемых к метаданным

Определение требований, предъявляемых к метаданным, может оказаться непростой задачей. Ключевые стороны, которым могут быть нужны метаданные, разнообразны и пространственно разобщены. Это могут быть как конечные пользователи или аналитики, так и приложения или наборы инструментов. Процесс сбора стандартных требований не должен слишком расплываться. Автор предлагает следующий подход, учитывающий специфическую природу метаданных:

* определение ключевых сторон для каждого элемента метаданных;
* отнесение каждого элемента метаданных к определенной категории: метаданным бизнеса, техническим или метаданным процессов;
* отнесение каждого элемента метаданных к категории общих или уникальных на основе их использования в тех или иных процессах.

Следующий шаг - идентификация источника элемента метаданных. Обычно они называются "официальными метаданными" или "метаданными записи"1. Метаданные записи указывают на официальную версию определенного элемента для какого-либо события, в котором может быть несколько источников одних и тех же данных. Для того чтобы назвать определенный элемент метаданных официальным, важно понимать различные процессы, которые могут привести к созданию этого элемента. Эта информация помогает определить официальный источник метаданных. Например, компания розничной торговли создает корпоративное Хранилище данных, при этом элементы, содержащие информацию о клиентах, появляются в нескольких местах, таких как Хранилище данных о потребителях, система управления отношениями с клиентами (Customer Relationship Management, сокр. CRM) и система сбыта. При этом важно проводить анализ надежности и полноты каждого источника и оценивать, какие именно определения могут использоваться в качестве официальной версии. В данном случае уже может существовать Хранилище данных о потребителях, определяющее соответствующее измерение, поэтому можно будет считать словарь данных этого Хранилища официальными метаданными записей. После того как этот процесс будет закончен для всех элементов метаданных, можно будет сказать, что организация требований к метаданным завершена.

Выбор метамодели

Следующий шаг после формализации требований к метаданным - создание модели. Моделирование метаданных важно, поскольку оно может стать элементом, который используется во всей корпорации. Существует несколько способов выбора модели метаданных:

* создание специальной модели данных для работы с метаданными;
* использование имеющихся стандартных моделей;
* оснащение доступного репозитория метаданных инструментами, позволяющими использовать его как источник интеграции.

Для создания специальной модели метаданных важно иметь корректные определения элементов, их атрибутов и связей с другими элементами. Такая модель может быть объектно-ориентированной или моделью типа объект-отношение. Что касается стандартных моделей, то тут существует два варианта: модель открытой информации (Open Information Model, сокр. OIM) и общая метамодель Хранилища данных (Common Warehouse Meta-Model, сокр. CWM). CWM описывает обмен метаданными между Хранилищами данных, средствами Business Intelligence и управления знаниями и портальными технологиями. Согласно компании Meta Data Coalition, OIM - это набор спецификаций метаданных для облегчения их совместного и многократного использования в области разработки приложений и Хранилищ данных. OIM описывается с помощью универсального языка моделирования (Unified Modeling Language, сокр. UML) и организуется по предметным областям, которые могут быть легко использованы и при необходимости расширены. Эта модель данных основана на отраслевых стандартах, таких как UML, XML и SQL.

Выбор подходящей метамодели является непростой задачей. Хотя специальные модели бывают гораздо более гибкими, создание надежной модели на корпоративном уровне и ее долгосрочная поддержка могут оказаться довольно обременительными. Для решения такой задачи нужен хорошо продуманный план. С другой стороны, стандартные модели довольно широкие: они охватывают большинство требований, предъявляемых на корпоративном уровне. Но настройка таких моделей под специфические нужды корпорации может оказаться проблематичной. Для тех корпораций, где существуют наборы инструментов и связанные с ними метаданные, хорошим решением будет использование метамоделей от любого поставщика. При этом, безусловно, понадобятся существенные интеграционные усилия. С другой стороны, если корпорация только начинает работать с метаданными и у нее нет несовместимых наборов инструментов, то хорошим решением может быть создание собственной специальной метамодели.

После завершения моделирования метаданных важно определить репозиторий для хранения данных. Это может быть реляционное или объектно-ориентированное Хранилище.

[pagebreak]

Определение архитектуры высокого уровня

Для внедрения решений по работе с метаданными существует целый ряд архитектурных возможностей. Одно из решений - централизованный репозиторий, где хранятся все метаданные.

Основные элементы метаданных, которые будут храниться в таком центральном репозитории, - это метаданные приложений, систем управления базами данных, бизнеса и метаданные, связанные с различными процессами. Создание и модификация элементов метаданных должны осуществляться с помощью общего интерфейса. Для такого решения можно разработать специальную метамодель или использовать одну из стандартных. Данная архитектура имеет несколько преимуществ:

* сравнительно простая поддержка метаданных;
* упрощенные процедуры взаимодействия между компонентами;
* простые процедуры подготовки отчетности.

Некоторые корпорации пытаются создавать очень небольшие решения для работы с метаданными. Это означает, что каждое подразделение организации конструирует свое собственное решение.

Для облегчения обмена метаданными в качестве основы для их передачи используется XML. Каждое приложение, система управления базами данных или инструмент вступает в контакт с репозиторием с помощью XML. Парсер репозитория преобразует формат XML в формат метамодели и обновляет содержимое репозитория.

Наконец, третье архитектурное решение известно под названием распределенной архитектуры. Это тот случай, когда корпорация уже потратила значительное количество ресурсов на создание локального решения для работы с метаданными, а интеграция в масштабах всей корпорации оказывается слишком дорогостоящей. В результате локальное решение продолжает существовать, а в тех случаях, когда это оправдано и выгодно, происходит совместное пользование метаданными из нескольких источников.

Внедрение и поддержка решения для работы с метаданными

После завершения разработки архитектуры и выбора метамоделей можно приступать к внедрению решения. При этом надо иметь в виду следующее:

1. природу репозитория метаданных (реляционная база данных, система файлов, объектно-ориентированная база данных или репозиторий XML);
2. вопросы безопасности репозитория метаданных (кто управляет репозиторием; кто имеет право читать информацию репозитория или обновлять ее);
3. механизмы создания, чтения и добавления компонентов метаданных;
4. инфраструктуру отчетности для метаданных.

После разработки плана и обеспечения соответствующих инструментальных средств можно приступать к внедрению решения для работы с метаданными.

Но собственно внедрение еще не обеспечивает решения всех проблем. Важно обеспечить достаточно продолжительное функционирование созданной системы и ее соответствующее обслуживание. Одно из основных требований при этом - правильное распределение ролей и ответственности в корпорации.

После распределения ролей и ответственности необходимо создать процесс, определяющий жизненный цикл метаданных. Этот цикл задает следующие параметры: кто создает метаданные, кто использует их компоненты и кто отвечает за поддержку этих компонентов. Один из главных критериев долгосрочного успеха решения для работы с метаданными - это его расширяемость. Архитектура должна позволять легко добавлять новые требования к метаданным. Для этого необходим специальный процесс, обеспечивающий добавление новой информации о метаданных. При этом необходимо получить ответы на следующие важные вопросы:

* нужно ли хранить новые метаданные в общем репозитории (если таковой имеется);
* каковы методы доступа к элементам этих метаданных (только чтение или чтение и запись);
* являются ли эти метаданные уникальными или будут использоваться несколькими приложениями.

На основе ответов на эти вопросы принимаются соответствующие решения о хранении компонентов новых метаданных.

Пример решения для работы с метаданными

В качестве примера автор приводит розничную компанию, имеющую несколько Хранилищ данных для обеспечения различных видов бизнес-отчетности. Компания имеет Хранилище для составления отчетов по каналам поставок, Хранилище для CRM, Хранилище для данных о продажах и отдельное Хранилище для финансовой информации. Компания хочет создать единое корпоративное Хранилище данных с помощью консолидации информации в масштабах всей организации. Это хранилище будет центральным репозиторием для всех корпоративных данных, а отдельные подразделения будут создавать себе витрины данных на его основе. В процессе реализации этого проекта пришло понимание того, что также необходимо выработать стратегию консолидации метаданных.

Для этого можно использовать подход, описанный выше, который включает четыре основных действия. Первое действие - определение требований к метаданным. Этот процесс включает идентификацию заинтересованных сторон и классификацию метаданных. Поскольку это проект консолидации Хранилища данных, то типы метаданных будут достаточно простыми. Основные элементы - это некоторые корпоративные измерения, которые должны быть определены, и корпоративные факты. Оба этих элемента связаны с одними и теми же метаданными бизнеса. Следующий набор метаданных - это список таблиц и граф, использующих данные измерения и факты, т.е. это технические метаданные. Наконец, для документирования процессов ETL (extraction, transformation, loading - извлечение, преобразование и загрузка) и создания витрин данных необходима информация о тех шагах, из которых они состоят, т.е. это метаданные о процессах.

Для этих метаданных заинтересованными сторонами являются те, кто занимаются моделированием данных, а также разработчики ETL, витрин данных и отчетов. Помимо этого, такие метаданные нужны для работы с инструментами ETL и отчетности. Для консолидации метаданных требуются все элементы метаданных, их классификация, а также информация о том, кто и какие именно данные использует.

Следующий шаг - моделирование решения для работы с метаданными. В организации было принято решение создать свою метамодель, которая бы учитывала требования к модели данных, процессу ETL, витринам данных и инструментам отчетности.

После создания метамодели необходимо определить общую архитектуру. Было решено создать единый репозиторий для метаданных и определить процесс, который обеспечит его наполнение из всех систем. Например, после определения измерений и фактов метаданные экспортируются из инструментов моделирования данных и сохраняются в репозитории. Информация о процессах ETL создается вручную и также сохраняется в репозитории. Репозиторий инструментов отчетности наполняется с помощью заранее определенной технологии. Для выполнения требований отчетности, предъявляемых к метаданным, была создана система отчетности на основе интернета, которая создает запросы к репозиторию для получения информации.

После создания такого решения консолидация метаданных может считаться практически законченной. Следующая проблема - обеспечение долговременной работы данного решения. Например, как должен обрабатываться новый элемент или измерение, созданные в модели данных? Как вносится информация о новом процессе ETL или новом отчете? Все это определяется процессом поддержки метаданных. Для моделей данных периодически используется процесс синхронизации репозиториев инструментов и метаданных. Для ETL и отчетности существуют аналогичные процессы.

Заключение

Важность метаданных для корпораций уже общепризнанна. При работе с метаданными очень важно предварительно выработать соответствующую стратегию. Также важно понимать, что метаданные не являются универсальным средством для управления данными. Это мощное средство, которое может существенно улучшить качество анализа данных в корпорации, тем самым способствуя росту эффективности ее работы. При этом важно не распыляться в поисках абсолютно совершенного решения, а создавать решение, наиболее оптимальное для конкретного бизнеса.

GPRS (General Packet Radio Service) - это новая перспективная технология, стандартизация которой началась в 1993 году в European Telecommunication Standards Institute (http://www.etsi.org/), позволяющая работать в сети Internet, используя обычный мобильный телефон. С помощью GPRS, пользователи могут работать со своей электронной почтой, с обычными Web-серверами (а не со специальными WAP-версиями) и т.д. Основное достоинство GPRS-сетей состоит в том, что пользователь оплачивает только объем передаваемой/получаемой информации, а не время нахождения в сети.

---

До разработки технологии GPRS (http://www.gsmworld.com/technology/gprs/index.shtml), абонент оплачивал все время соединения независимо от того, использовал он установленный канал передачи данных. Иными словами, ресурсы сети задействованы только во время непосредственной передачи данных от телефона. Во время пауз (например, просмотр полученной электронной почты) ресурсы сети предоставляются в распоряжение других абонентов. Кроме того, технология GPRS является промежуточным этапом при переходе от сетей 2 поколения (GSM) к 3-му (UMTS). В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с - это почти в 12 раз быстрее работы передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 Кбит/с). Однако на данный момент скорости не так высоки - обычно 30-40 Кбит/с. В настоящее время три крупнейших сотовых сети России (МТС, БиЛайн, Мегафон) предлагают своим абонентам услуги GPRS. Потенциальное число абонентов технологии GPRS в России - 17,8 миллионов человек, именно такое количество абонентов сотовой связи насчитывалось в России к концу 2002 года. Реальное же число желающих воспользоваться преимуществами этой технологии пока не так велико. В частности, к началу декабря 2002 года в БиЛайне, пионере GPRS в России, насчитывалось всего 25000 абонентов.

Архитектура GPRS

Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то технология работы GPRS выглядит следующим образом. Архитектура GPRS расширяет стандартные компоненты GSM новыми или обновленными элементами. В целом, таких элементов всего 4, из которых только 2 не были известны в технологии GSM.

Мобильная станция

MS (mobile station) - это мобильная станция, в качестве которой может выступать переносной или карманный компьютер, мобильный телефон или иное устройство, поддерживающее технологию GPRS. Функционально данный элемент состоит из 2-х компонентов, которые могут быть выполнены как в виде единого устройства (например, мобильный телефон Sony Ericsson T68i), так и в виде самостоятельных устройств:

терминальное оборудование (terminal equipment, TE), например, переносной компьютер;

мобильный терминал (mobile terminal, MT), например, модем.

В зависимости от типа оборудования и возможностей сети данная станция может работать в одном из 3-х режимов работы:

Класс A - позволяет мобильной станции в одно и то же время передавать как данные, так и голос, т.е. одновременно работать в GSM- и GPRS-сетях.

Класс B - позволяет мобильной станции передавать и данные и голос, но в разные моменты времени, т.е. не одновременно.

Класс C - позволяет мобильной станции работать только в режиме GPRS.

При подключении к сети GPRS, мобильная станция (а точнее элемент TE) получает IP-адрес, который не меняется до момента отключения мобильного терминала (MT); больше того, мобильная станция может даже и не "подозревать" о том, что она является мобильной. Мобильная станция устанавливает соединение с узлом обслуживания абонентов GPRS, описываемым далее.

Базовая станция

BSS (base station system) - это базовая станция, которая принимает радиосигнал от мобильной станции и, в зависимости от того, что передается (голос или данные), транслирует трафик:

на центр коммутации (mobile switching center, MSC), являющийся стандартным элементом сети GSM, или на узел SGSN, отвечающий за обработку входящих/исходящих данных GPRS.

Узел обслуживания абонентов GPRS

Обслуживающий узел (serving GPRS support node, SGSN) является основным компонентом GPRS-сети. Он транслирует IP-пакеты, посылаемые/получаемые мобильной станцией. По своей сути, это такой же центр коммутации, как и MSC в GSM, но в отличие от последнего, он коммутирует пакеты, а не каналы. Как правило, такой узел построен на базе ОС Unix и имеет свой IP-адрес. С точки зрения безопасности, на SGSN возложены функции:

Проверки разрешений абонентов на пользование запрашиваемых услуг (аутентификация). Механизм аутентификации GPRS совпадает с аналогичным механизмом в GSM.

Мониторинг активных абонентов.

Регистрация новых абонентов.

Шифрование данных. Алгоритм шифрования в технологии GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) отличаются от алгоритмов шифрования в GSM (A5/1, A5/2, A5/3), но разработаны на их основе.

Узел маршрутизации GPRS

Узел маршрутизации (gateway GPRS support node, GGSN), также является важнейшим элементом технологии GPRS и отвечает за прием/передачу данных из внешних сетей, например, Internet или GPRS-сети другого оператора связи. С точки зрения внешней сети GGSN - это обычный маршрутизатор (как и SGSN, построенный на базе Unix), который принимает данные для всех подписчиков услуг GPRS. Помимо маршрутизации, GGSN отвечает за выдачу IP-адресов и тарификацию услуг.

Другие элементы GPRS-сети

Home Location Register (HLR) - это реестр собственных абонентов сети, которая хранит информацию о каждом человеке, оплатившем услуги оператора GPRS именно данной сети. В частности, HLR хранит информацию о дополнительных услугах, параметрах аутентификации, IP-адресе и т.д. Обмен данной информацией происходит между HLR и SGSN.

Visitor Location Register (VLR) - это реестр перемещений, которая хранит информацию о каждой мобильной станции, находящейся в данный момент в зоне действия SGSN. В VLR хранится та же информация об абоненте, что и в HLR, но только до тех пор, пока абонент не покинет географическую зону, обслуживаемую этим реестром перемещений.

Equipment Identity Register (EIR) - это реестр идентификационных данных оборудования, который содержит информацию, позволяющую блокировать вызовы от украденных, мошеннических или иных неавторизованных устройств.

Механизмы безопасности GPRS

Если посмотреть внимание на рис.1, то можно выделить следующие фрагменты GPRS-сети, на безопасность которых необходимо обратить соответствующее внимание:

безопасность мобильной станции

безопасность соединения между мобильной станцией и узлом обслуживания SGSN

безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

безопасность данных в процессе их передачи между различными операторами GPRS-услуг

безопасность данных в процессе их передачи в сети открытого доступа, например, Internet.

Безопасность мобильной станции

Наибольший интерес вызывает безопасность мобильного телефона, который в терминах GPRS является мобильной станцией. Его безопасность складывается из двух составляющих:

SIM-карта

сам телефон

SIM-карта (Subscriber Identity Module) - это модуль идентификации абонента. В SIM-карте содержится информация о сервисах, предоставляемых абоненту, независимая от типа используемого мобильного оборудования. Эта карта может вставляться в любой другой GSM терминал, при этом абонент получает возможность использовать этот терминал для получения всех сервисов системы, на которые он подписан. С точки зрения безопасности SIM-карта отвечает за идентификацию абонента и аутентификацию мобильного телефона в GPRS-сети. Она содержит идентификатор IMSI, индивидуальный ключ аутентификации абонента длиной 128 бит Ki, алгоритм генерации ключей шифрования A8 и алгоритм аутентификации A3 и разумеется PIN-код для доступа к функциям карты. Алгоритм A5 наряду с IMEI включен в состав программного обеспечения телефона и обеспечивает его защиту. Каждый абонент в GPRS-сети имеет уникальный международный идентификатор мобильного абонента (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), хранимый в SIM-карте. IMSI состоит из 3 элементов:

трехразрядный код страны (для России - 250)

двухразрядный код сети (для МТС - 01, для Билайн - 99, для СМАРТС - 07 и т.д.)

десятиразрядный код абонента (Mobile Subscriber Identity Number, MSIN).

[pagebreak]

Алгоритм A8 отвечает за генерацию ключей шифрования, который, используя случайное число, передаваемое на мобильный терминал в момент соединения с сетью, и ключ Ki генерит 64-битный ключ шифрования трафика. Так как индивидуальный ключ Ki имеется не только у абонента, но и хранится в реестрах HLR и VLR, то и абонент и оборудование сети создают одинаковый ключ шифрования, который и используется для защиты передаваемых данных.

Алгоритм A3, отвечающий за аутентификацию абонента, похож на алгоритм A8 и также использует случайное число, получаемое в момент подключения к сети и индивидуальный ключ абонента. Для доступа к функциям SIM-карты необходимо использовать специальный персональный код (другими словами, пароль) PIN (Personal Identification Number), после 3-х неправильных попыток ввода которого, SIM-карта блокируется.

Безопасность самого телефона, как уже было сказано выше, обеспечивается двумя механизмами:

алгоритмом шифрования A5, который обеспечивает защиту данных, циркулируемых между мобильной станцией и узлом SGSN.

Уникальным 14-тиразрядным международным идентификатором аппаратуры мобильной связи (International Mobile Equipment Identity, IMEI), который однозначно идентифицирует телефон. Узнать этот номер очень просто - достаточно набрать на телефоне комбинацию *#06#. Если высвеченное число не совпадает с тем, что указано на задней крышке телефона, то вероятнее всего вы пользуетесь взломанным аппаратом. Именно эти номера хранятся в реестре EIR. Данный реестр ведет три типа списков IMEI:

"белый" список, содержащий идентификаторы всех разрешенных аппаратов.

"серый" список, содержащий идентификаторы всех незапрещенных аппаратов, но используемых для различных целей, например, тестирования и т.п.

"черный" список, содержащий идентификаторы всех запрещенных аппаратов. Как заявил в одном из интервью вице-президент МТС (http://www.mts.ru/press/speech9.html) Михаил Сусов "Сейчас между операторами (в России - А.Л.) проводятся переговоры о создании единого "черного списка" краденых телефонов".

Надо понимать, что идентификаторы IMEI и IMSI - независимы между собой. Более того - они решают различные задачи: IMEI идентифицирует мобильный терминал, а IMSI - абонента.

Безопасность соединения мобильной станции с узлом SGSN

В процессе подключения мобильной станции, описываемом далее, между ней и узлом SGSN происходит выбор версии используемого в дальнейшем алгоритма шифрования GPRS-A5. В 3-м квартале 2002 года началось внедрение третьей версии этого алгоритма (A5/3), которая может использоваться не только в GSM-, но и в GPRS-, HSCSD- и EDGE-сетях. Данный алгоритм разработан на базе алгоритма "Казуми" (Kasumi), в свою очередь разработанного на базе алгоритма MISTY компании Мицубиси. Как утверждается в пресс-релизе Ассоциации GSM (http://www.gsmworld.com/news/press_2002/press_15.shtml), A5/3 обеспечивает на сегодняшний день практически 100-процентную защиту передаваемых данных. Однако не стоить безоглядно верить этому утверждению. Аналогичные заявления делались и для предыдущих версий алгоритма A5, история которого начинается с 1987 года, однако они были успешно взломаны.

В сетях GPRS используются алгоритмы семейства A5 - GEA1 и GEA2, а после разработки A5/3 - начинается внедрение созданного на его базе алгоритма GEA3.

Безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

Все данные между узлами поддержки (SGSN и GGSN) передаются с помощью специального протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol), который инкапсулирует в себя любые пользовательские протоколы, например, HTTP, Telnet, FTP и т.д. По умолчанию GTP-трафик не шифруется. Кроме того, опорная сеть строится на базе частных IP-адресов, описанных в RFC 1918 (http://www.ietf.org/rfc/rfc1918.txt), что обеспечивает невозможность прямого доступа к сетевому оборудованию из внешних сетей.

Безопасность в процессе взаимодействия с различными операторами GPRS-услуг

Безопасность возлагается на устройства, называемые пограничными шлюзами (border gateway, BG), которые очень похожи на обычные межсетевые экраны, защищающие корпоративные сети от посягательств злоумышленников. В частности, этот шлюз защищает оператора от атак, связанных с подменой адреса (IP Spoofing).

Настройка такого шлюза включает в себя создание правил, разрешающих входящий/исходящий пользовательский трафик, данные биллинговой системы, аутентификацию роуминговых абонентов и т.п. Дополнительно на пограничный шлюз может быть установлено программное обеспечение, организующее VPN между различными GPRS-операторами.

Помимо встроенных в пограничный шлюз защитных механизмов, существует возможность использования продуктов третьих фирм. Первым таким решением стал межсетевой экран Firewall-1 GX компании CheckPoint Software (http://www.checkpoint.com/products/solutions/firewall-1gx.html), который, будучи установлен на пограничном шлюзе или узле GGSN повышает защищенность сети GPRS-оператора от возможных несанкционированных действий.

Безопасность в процессе взаимодействия с Internet

Основные механизмы безопасности реализованы на узле GGSN, в состав которого входит межсетевой экран, который определяет тип входящего и исходящего GPRS-трафика. Задача межсетевого экрана, входящего в состав GGSN, защитить мобильную станцию от атак внешних (из Internet) хакеров. Защита от атак с других мобильных станций возлагается на узел SGSN. Для предотвращения доступа к сетевому оборудованию опорной сети от внешних злоумышленников используется трансляция адресов (network address translation). Все остальные механизмы защиты могут быть взяты из классической практики обеспечения информационной безопасности Internet-сетей и устройств, например, аутентификация при помощи серверов RADIUS или защита трафика с помощью IPSec.

Процедура подключения мобильной станции

Упрощенно процесс подключения абонента, желающего воспользоваться услугами GPRS, выглядит следующим образом: Мобильная станция посылает запрос (Attach Request) на получение доступа к сети, который содержит ряд параметров, в т.ч. и IMSI.

Узел SGSN, получив такой запрос, проверяет наличие аутентифицирующей данного абонента информации в своей базе. Если такая информация отсутствует, то SGSN посылает запрос в реестр HLR, который возвращает т.н. аутентификационный триплет, содержащий:

Случайное число, используемое в алгоритмах A3 и A8 для выработки ключа шифрования и аутентификации абонента.

32-хразрядный ключ аутентификации абонента, который вырабатывается на основе индивидуального ключа, хранящегося как на мобильной станции, так и в реестре HLR.

Ключ шифрования данных, получаемый также на базе индивидуального ключа абонента.

Полученное случайное число передается на мобильную станцию, которая на его основе вырабатывает ключ шифрования и ключ аутентификации. Т.к. индивидуальные ключи, хранящиеся в реестре HLR и на мобильной станции совпадают, то и ключи шифрования и аутентификации также должны совпадать, что и является фактом правомочности запроса данным абонентом оплаченных GPRS-услуг.

После идентификации абонента осуществляется идентификация оборудования, которое посылает на SGSN идентификатор IMEI. Узел SGSN в свою очередь проводит проверку данного оборудования по реестру EIR.

После аутентификации абонента и оборудования происходит процедура определения местоположения абонента (с использованием реестров HLR и VLR), после чего происходит завершение процедуры подключения мобильной станции к сети GPRS. В том случае, если мобильная станция не смогла пройти аутентификацию, то SGSN посылает на нее сообщение Attach Reject.

Заключение

В заключение хочу добавить, что, при создании технологии GPRS (как и при создании многих современных сетевых технологий) вопросам безопасности внимания уделялось недостаточно. Многие аспекты не описаны и отданы на откуп операторам, которые далеко не всегда уделяет безопасности первостепенное внимание, что приводит к печальным последствиям. Специалистами найдено уже немало недостатков технологии GPRS, но это уже тема другой статьи

Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

---

В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.

Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.

Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.

Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.

Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.

Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.

Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.

Дистанционно-векторный протокол RIP

Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.

В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.

Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.

При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).

Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.

При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.

При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.

Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.

Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.

Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet

Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.

Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.

Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.

Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.

Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.

При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.

Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.

В протоколе EGP определены три основные функции:

* установление соседских отношений,
* подтверждение достижимости соседа,
* обновление маршрутной информации.

Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.

Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.

После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.

Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.

Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.

Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.

[pagebreak]

Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.

Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).

Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.

Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.

Протокол состояния связей OSPF

Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.

Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.

Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.

Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.

Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.

Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.

Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.

В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.

Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.

Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.

Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.

В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:

* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.

Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.

Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.

Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.

Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.

Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.

Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.

Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.

Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).

Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.

Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.

В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.

Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.

В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).

HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.

Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.

Пример маршрутизации по алгоритму OSPF

Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.

Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.

На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.

Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.

[pagebreak]

С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.

Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.

Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.

Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.

После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.

Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.

Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик

В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):

(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)

В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):

(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,

где 20 - размер заголовка IP-пакета,

24 - заголовок пакета OSPF,

20 - размер заголовка сообщения HELLO,

4 - данные на каждого соседа.

Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):

(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с

(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с

Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.

Использование других протоколов маршрутизации

Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.

Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.

В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).

В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.

Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.

Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.

Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.

Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.

Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.

В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.

В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.

Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.

Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.

Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.

Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.

Типы адресов: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).

---

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

* Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.
* IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

* Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

Три основных класса IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

* Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.
* Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.
* Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.
* Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
* Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.
Класс | Наименьший адрес | Наибольший адрес
A _________01.0.0 ___________126.0.0.0
B _________128.0.0.0_________191.255.0.0
C _________192.0.1.0._________223.255.255.0
D _________224.0.0.0__________239.255.255.255
E _________240.0.0.0 _________247.255.255.255

Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

Отображение физических адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера это изменение должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet'у).

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола ARP зависит от типа сети.

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов.

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса - 4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола RARP.

Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети X.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети.

При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.

[pagebreak]

Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS

DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен - в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет - то он посылает запрос DNS-серверу другого домена, который может сам обработать запрос, либо передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet. Клиент опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов, для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

* com - коммерческие организации (например, microsoft.com);
* edu - образовательные (например, mit.edu);
* gov - правительственные организации (например, nsf.gov);
* org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);
* net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню.

Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP

Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии "инициализация", посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние "выбор" и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние "запрос" и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние "связь", находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.

Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.