В книге представлены подробные сведения о методах повышения производительности компьютеров при помощи параметров BIOS (тонкая настройка, оптимизация, разгон). Рассмотрены способы диагностики и устранения неисправностей, а также основные правила, соблюдая которые, можно избежать большинства аппаратно-программных проблем. В книгу включено приложение, содержащее краткий обзор основных комплектующих современного компьютера. Все приведённые советы и рекомендации основаны на богатом практическом опыте автора.
BIOS Setup 1.1
BIOS Inside -- Статьи -- SDRAM - ИТОГИ- совместимость с различными чипсетами.
Редактируем BIOS (Award Modular v.4.51)
Секреты BIOS
Строение БИОС
BIOS Setup 1.1
Полный сборник описаний опций BIOS Setup'а, собранный из разных источников. Сборник оформлен в виде одного CHM-файла, что обеспечивает компактность хранения и встроенный поиск по тексту.
BIOS Inside
SDRAM - ИТОГИ: совместимость с различными чипсетами.
Редактируем BIOS
1. BootBlock
2. Основная часть.
Правка BootBlock-а.
Секреты BIOS
ЧАСТЬ I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ BIOS
Глава 1. Назначение и устройство BIOS
Глава 2. Процессы, происходящие при включении компьютера
Глава 3. Программа установки параметров BIOS
ЧАСТЬ И. ОПИСАНИЕ ПАРАМЕТРОВ BIOS
Глава 4. Базовые установки
Глоссарий
Существует несколько различных способов по увеличению производительности компьютера. Можно, например, "разогнать" центральный процессор или видеокарту. А можно построить систему на базе RAID-массива.
Что нужно для построения RAID-массива? Прежде всего, RAID-контроллер и, как минимум, два жестких диска (в зависимости от уровня — например, для массива RAID 5 требуется не менее трех HDD).
До недавнего времени RAID-технологии были прерогативой серверного сегмента рынка. Но ситуация начала потихоньку меняться после того как производители стали интегрировать RAID-контроллеры на несерверные материнские платы. А ведь и правда — почему бы не использовать то, что достается практически даром.
И вот пользователь уже практически созрел, уже почти решился на то, чтобы установить-таки на своем родном ПК этот манящий "шаровой" RAID. И тут же натыкается на проблему выбора. При малых затратах, то есть при использовании двух жестких дисков, нужно выбирать между производительностью и надежностью хранения информации — использовать RAID 0 или RAID 1. А если пользователь хочет получить и скорость и надежность, придется раскошеливаться на четыре накопителя. Мало кто согласится на такие расходы для домашней системы, да и не каждый корпус сможет разместить четыре винчестера.
Эту проблему попыталась решить компания Intel в своих чипсетах нового поколения — i915 и i925. В южный мост ICH6R встроена уникальная технология Intel Matrix Storage Technology, которая позволяет на базе двух жестких дисков построить два разных RAID-массива ("нулевого" и "первого" уровней).
Впрочем, не будем слишком углубляться в технологии. Начнем лучше с азов — проведем небольшой ликбез по RAID.
Что такое RAID?
Сразу стоит заметить, что RAID это не средство от насекомых (как кто-то мог подумать), которое "убивает тараканов насмерть". На самом деле эта аббревиатура расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков. Изначально RAID расшифровывался как Redundant Array of Inexpensive Disks — избыточный массив недорогих дисков. Под недорогими подразумевались диски, предназначенные для использования в ПК,— в противовес дорогим дискам для мэйнфреймов. Но так как в RAID-массивах стали использовать SCSI-винчестеры, которые были существенно дороже применяемых в большинстве компьютеров дисков IDE, слово "недорогой" было заменено на "независимый".
Принцип функционирования RAID-системы заключается в следующем: из набора дисковых накопителей создается массив, который управляется специальным контроллером и определяется компьютером как единый логический диск большой емкости. За счет параллельного выполнения операций ввода-вывода обеспечивается высокое быстродействие системы, а повышенная надежность хранения информации достигается дублированием данных или вычислением контрольных сумм. Следует отметить, что применение RAID-массивов защищает от потерь данных только в случае физического отказа жестких дисков.
Наверняка почти все читатели в той или иной степени знакомы с таким понятием как разгон, однако не все четко представляют себе как правильно и безболезненно разогнать свою видеокарту, и не знают некоторых тонкостей, встречающихся при разгоне. Этот материал предназначен как раз для новичков в разгоне, собравшихся разогнать свою видеокарту. Сейчас мы постараемся достаточно четко и понятно рассказать о многих проблемах, встречающихся при разгоне, способах их решения, и, конечно же, поделимся некоторыми полезными советами по разгону видеокарт.
Что такое разгон видеокарт?
Под разгоном видеокарт подразумевается увеличение рабочих частот видеокарты. Но также разгоном можно назвать и другие способы внештатного увеличения производительности, будь то разблокировка дополнительных конвейеров на Radeon 9500/9800SE, или включение HyperZ на Radeon LE.
Имеет ли это практический смысл?
Несомненно. Разгон видеокарты является, без преувеличения, самым эффективным средством увеличения производительности компьютера в играх и других 3D-приложениях, за исключением лишь тех случаев, когда производительность сдерживает скорость платформы (читай, связки процессор+память).
Опасно ли это?
Нет. Шанс сгорания видеокарты при разгоне гораздо меньше чем допустим процессора. Да и вообще видеокарта не может сгореть от самого разгона, зато может от перегрева, хотя в большинстве случаев, при перегреве графического процессора машина попросту зависнет.
С другой стороны, работа на внештатных частотах, равно как форсированная работа любого другого компонента компьютера значительно сокращает срок службы карты. И эта особенность могла бы быть весьма серьезным сдерживающим фактором, если бы не одно «но» - срок службы видеокарты составляет куда более восьми лет, и даже при разгоне он уж меньше, чем лет пять не будет. А если посмотреть на существующую гонку технологии, в игровых компах карты более лет двух не держатся, так что если Вы не планируете оставлять видеокарту лет эдак на шесть, Вы можете совершенно спокойно её разогнать.
Вопросы гарантии
Главным побочным эффектом является то, что теоретически Вы полностью теряете гарантию на приобретенную видеокарту. Но не следует расстраиваться, потому как даже если карточка выйдет из строя, то доказать, что это произошло из-за разгона очень и очень проблематично :)))
Младшие и старшие модели
Ни для кого не секрет, что новые модели видеокарт выпускают так называемыми «линейками». Происходит это следующим образом – выходит какой-либо чип, затем на его основе выпускают сразу несколько видеокарт с разными частотами, а в некоторых случаях и на разных дизайнах с разной шириной шины памяти.
Однако, в любом случае, младшая модель, имеющая значительно меньшие частоты, чем старшая будет построена на том же самом чипе, а следовательно, установленной на младшей модели чип в большинстве случаев сможет заработать на частоте старшего, а то и выше.
Но и здесь всё не так гладко, как хотелось бы это видеть нам. Дело в том, что при производстве видеокарт, чипы проходят предварительное тестирование, и часть чипов, которая не смогла пройти тесты на максимальных частотах, установленных для старшей модели, отправляется на производство младших. Но если учитывать тот факт, что современная технология производства достаточно тонка, подобный «брак» ныне встречается не так часто.
Что же до памяти, то тут всё немного хуже – младшие модели оснащается более медленными чем старшие чипами, и разогнать память на младшей модели до частот старшей удается далеко не всегда.
В целом же, если посмотреть на процентные показатели среднестатистического разгона младших моделей в сравнении со старшими, первые имеют значительное преимущество за счет изначального запаса по частотам. Старшие же модели работают практически на пределе, и выжать из них дополнительные мегагерцы будет сложнее.
Какой прирост можно получить при разгоне видеокарты?
Здесь все зависит от условий тестирования, ну и естественно от степени увеличения частот. Хуже всего с этим у noname-карт, произведенных китайскими умельцами и у флагманских моделей линеек (например, GeForce4 Ti4600 или RADEON 9700 PRO). В первом случае карты слабо разгоняются из-за некачественных компонентов, коими оснащают свои продукты китайские умельцы, во втором же случае, платы и без того работают почти на предельных частотах, как мы уже сказали в предыдущем абзаце.
Как правило, при разгоне таких карт можно достичь лишь 15-20% прироста частот. Со средними и младшими моделями в линейках ситуация обстоит получше, потенциал для повышения частот побольше и разгоном таких карт можно улучшить производительность на 20-40%.
Самый хороший вариант - всевозможные оверклокерские сэмплы. На них прирост может составить 35-50%, а порой и больше.
Теперь несколько слов о картах с пониженной структурой организации памяти. Бытует мнение, что на таких картах бессмысленно разгонять чип, однако лично я совершенно с этим не согласен. Дело в том, что пользователи таких карт, как правило, играют в режимах типа 800x600 или 1024x768, и низкая пропуская способность памяти в таких режимах несильно ограничивает производительность, а вот на графический процессор нагрузка, наоборот больше.
Что такое синхронные и асинхронные частоты?
Частоты чипа и памяти видеокарты могут быть синхронными, то есть одинаковыми, или же асинхронными, иначе говоря, различными. Но в чем разница?
При работе видеокарты и обмене данными между графическим процессором (чипом) и памятью видеокарты, происходит синхронизация сигналов. В случае, если чип и память работают на одинаковых частотах, сигналы проходят одновременно и не уходит дополнительного времени на их синхронизацию, если же частоты различны, перед обменом данных, видеокарта должна синхронизовать сигналы, на что, разумеется, уходит немного времени.
Из этого, недолго думая, можно сделать простое умозаключение о том, что на синхронных частотах видеокарта будет работать немного быстрее, нежели на асинхронных. Но есть один момент…
Синхронные частоты выгодно ставить лишь в том случае, если возможные асинхронные частоты не слишком сильно отличаются. Например, у нас есть возможность поставить максимальные частоты 450/460 и больше частоты выставить нельзя. В таком случае, намного эффективнее будет пожертвовать десятью мегагерцами памяти ради синхронности поставить 450/450 – в таком случае видеокарта почти наверняка будет быстрее. Однако если же у нас есть возможность поставить частоты, например 475/450 или 450/480, такие варианты будут предпочтительнее синхронных 450/450 за счет значительно больших результирующих частот.
Что такое технологический процесс чипа и время доступа памяти, как они влияют на разгон?
Любой оверклокер обязательно должен знать, что такое технологический процесс чипа и время доступа памяти. Знание этих двух определений значительно поморгает в примерном определении максимальных частот разгоняемой видеокарты.
Но что же это такое? При изготовлении любого чипа играет весьма важную роль размер элементов микросхемы, ведь степень интеграции может быть разной, в один чип можно «набить» два миллиона транзисторов, в другой – сто два. И когда физический размер кристалла микросхемы ограничен, играет очень большую роль размер элементов микросхемы и расстояние между элементами в кристалле. Этот размер и называют технологическим процессом, и чем он меньше, тем большее количество элементов поместить в чип, тем меньшие токи требуют элементы для питания, тем меньше энергии выделяет чип, и, наконец, на тем больших частотах он может работать.
В настоящий момент подавляющее большинство чипов выпускают по технологическому процессу 0,13 и 0,15 микрон, а на стадии активного освоения находится и 0,11 микрон.
Что же касается памяти, то здесь крайне важную роль играет время доступа. Любые чипы памяти имеют заявленное производителем время, в течение которого происходит считывание инфы из ячейки памяти, и чем это время меньше, тем соответственно, быстрее работает память, и тем больше ее рабочие частоты. Зависимость примерной рабочей частоты о т времени доступа памяти предельно проста, и ее можно описать следующими формулами:
Частота памяти DDR = (1000/время доступа) X 2
Частота памяти SDR = 1000/время доступа
Следующий вопрос заключается в том, как можно узнать время доступа памяти. Как правило, время доступа скрыто в конце первой строчки маркировки. Например, на микросхемах памяти Samsung в конце первой строчки можно найти надпись типа TC-33 или TC40. Это означает, что память имеет время доступа 3,3 и 4 наносекунд соответственно, хотя в некоторых случаях, время обозначается не цифрой, а специальной маркировкой, например чипы памяти Samsung со временем доступа 2,8 нс. обозначаются как GC2A.
Не забывайте также, что точную информацию о чипе памяти можно получить на сайте производителя, либо просто воспользовавшись поиском по строчке с маркировкой памяти в том же Google.
Использование функции file_get_contents() наиболее предпочтительно в случае необходимости получить содержимое файла целиком, поскольку для улучшения производительности функция использует алгоритм 'memory mapping' (если поддерживается операционной системой).
file_get_contents
Функция доступна с PHP 4 >= 4.3.0
file_get_contents -- Получает содержимое файла в виде одной строки
Данная функция идентична функции file() с той только разницей, что содержимое файла возвращается в строке. Замечание: Эта функция безопасна для обработки данных в двоичной форме.
Подсказка: Для этой функции вы можете использовать URL в качестве имени файла, если была включена опция "fopen wrappers". Смотрите более подробную информацию об определении имени файла в описании функции fopen(), а также список поддерживаемых протоколов URL в Прил. J. Замечание: Поддержка контекста была добавлена в PHP 5.0.0.
Пример выборки html контента с помощью PHP и file_get_contents
В данной статье рассмотрены принципы, помогающие компилятору Delphi генерировать более оптимальный с точки зрения скорости код. Если Вы не хотите вникать в подробности, в конце статьи есть «свод правил», которые рекомендуется соблюдать при написании программ.
Компилятор Delphi относится к разряду оптимизирующих. Но насколько качественно проводится оптимизация? Как «помочь» компилятору создать более быстрый код? Давайте разберемся с этим на экспериментах.
Оптимизация константных выражений
Пример 1:
С точки зрения оптимизации код можно упростить еще на этапе компиляции до
Но написанный выше листинг преобразуется в
С одной стороны компилятор не «сообразил», что значение переменной «a» можно преобразовать в константу и сложить с другой константой (которая, заметим, подставлена именно как константа) на этапе компиляции, с другой стороны был применен весьма хитрый трюк с LEA (об этом ниже). Тем не менее, код
в любом случае быстрее и короче.
Пример 2:
Скомпилированный код будет выглядеть
А ведь значение, присвоенной переменной «а» являлось константой и наш пример можно было бы переписать как:
Пример 3:
После компиляции получаем:
Т.е. компилятор преобразовал код так, как он был написан, а ведь можно было бы просто записать:
Оптимизация алгебраических выражений
Пример 4:
После компиляции эти переменные будут удалены, причем с предупреждением
Пример 5:
Код скомпилируется как есть! Таким образом мы обманули компилятор псевдо использованием переменных. Delphi не исправляет нашей «кривости», поэтому эта задача ложится исключительно на плечи программиста.
Пример 6:
Данный код можно оптимизировать до
И этого Delphi за нас не сделает.
Пример 7:
В данном примере первую строчку можно безболезненно удалить, что Delphi делать умеет.
Пример 8:
В данном случае можно избавится от одной операции умножения, присвоив значение выражения a*b временной переменной. Анализ ассемблерного листинга показывает, что компилятор именно так и поступает. Тем не менее, поменяв второе подвыражение на ((b*a)>0), компилятор принимает выражения за разные и генерирует умножение для обоих случаев, не смотря на то, что результат одинаков.
Оптимизация арифметических операций
Сложение и вычитание
Применение инструкции LEA вместо ADD позволяет производить сумму 3х операндов (двух переменных и одной константы) за один такт. Трюк заключается в том представление ближних указателей эквивалентно их фактическому значению, поэтому результат, возвращенный LEA равен сумме ее операндов. При возможности Delphi производит такую замену.
Деление
Операция деления требует гораздо больше тактов процессора, нежели умножение, поэтому замена деления на умножение может значительно ускорить работу. Существуют формулы, позволяющие выполнять такое преобразование. Тем не менее, Delphi не использует такую оптимизацию. Деление на степень двойки можно заменять сдвигом вправо на n бит, но даже в этом случае получаем следующий код:
Здесь учитывается особенность самой операции div – округление в большую сторону. Поэтому, если можно пренебрегать округлением, используйте c:=a shr 1 вместо с:=a div 2.
Умножение
Умножение на степень двойки можно заменять сдвигами битов. Delphi заменяет умножение сдвигами при умножении на 4,8,16 итд. При умножении на 2 производится суммированием переменной с собой.
Умножать на 3,5,6,7,8,10 и т. д. можно и без операции умножения – расписав выражение по формуле (a shl n)+a, где n – показатель степени двойки. Например, при умножении на 3 n=1. Delphi при возможности прибегает к этому трюку. Заметим, операнд LEA умеет умножать регистр на 2,4,8, что также при возможности используется компилятором. Например, умножение на 3 преобразуется в инструкцию
Оптимизация case of
Анализ скомпилированного кода показывает, что Delphi проводит утрамбовку дерева. Т.е. значения case сортируются и выбор нужного элемента производится при помощи двоичного поиска.
В случае, если элементы case of выстраиваются в арифметической прогрессии, компилятор формирует таблицу переходов. Т.е. создается массив указателей с индексами элементов, поэтому выбор нужно элемента выполняется за одну итерацию независимо от количества элементов.
Оптимизация циклов
Разворачивание циклов – не производится. Разворачивание циклов весьма спорный момент в оптимизации, поэтому принять грамотное решение может только человек. Delphi не производит разворачивания ни больших, ни маленьких циклов.
Слияние циклов – не производится. Если два цикла, следующие друг за другом имеют одинаковые границы итерационной переменной, разумно оба цикла объединить в один.
Вынесение инвариантного кода за пределы цикла – не выносится. Наиболее распространенный недочет – условие цикла записывается как:
Delphi будет при каждой итерации вызывать метод count, вычитать из результата 1 и потом уже сверять. Настоятельно рекомендуется переписывать подобный код как
Весь код VCL написан с нарушением этого правила. Очевидно, что проще подобного рода оптимизацию встроить в компилятор, нежели переписывать VCL :)
Замена циклов с предусловием на циклы с постусловием – производится. Циклы с постусловием имеют главное преимущество над другими видами циклов (с предусловием и с условием в середине) – они содержат всего одно ветвление. Delphi производит такую замену.
Замена инкремента на декремент – не производится. Более того, даже декрементный цикл компилируется в неоптимальный код, т.к. не используется флаг ZF. Вместо этого происходит сравнивание значения регистра с 0.
Удаление ветвлений – не производится.
Вывод:
1. Не используйте переменные для временного хранения констант или обязательно объявляйте «магические» числа как const, либо подставляйте в код непосредственные значения
2. Неиспользуемыми объявлениями и присвоениями можно безболезненно пренебрегать – Delphi умеет их вычищать.
3. Внимательно следите за использованием переменных, в частности лишним присвоениям их значений друг другу. Такого рода оптимизации Delphi делать не умеет.
4. Используйте свернутые математические выражения. (например, (3*a - a) /2 упрощается до a). Delphi не умеет упрощать математические выражения. (Да и что говорить, даже MathCAD не всегда грамотно умеет делать такие преобразования).
5. Не используйте конструкции типа a:=10*sin(45*pi/180); Delphi не вычислит эту константу на этапе компиляции, напротив, будет послушно вызывать sin и pi по ходу выполнения программы! В случае, если угол является переменной, по крайней мере pi можно заменить константой 3,1415...
6. Delphi прекрасно справляется с выражениями, полностью составленных из констант – они вычисляются на этапе компиляции.
7. Внимательно следите за условиями и их границами. Компилятор Delphi не умеет обнаруживать заведомо ложных условий. Также он не умеет удалять заведомо лишние условия. Например, (a>0) and (a<15616) and (a<>0)
8. Если в условии несколько раз проверяется одно и тоже выражение, следите, чтобы оно было выражено во всех конструкциях одинаково. В противном случае скомпилированный код будет не оптимален. Например, if ((a*b)>0) and ((a*b)<1024) then... При перестановке во втором случае b*a смысл выражения не изменится, но код будет иметь уже на одну операцию умножения, а две. Можно временно присвоить проверяемое выражение временной переменной, а затем уже проверять полученное значение.
9. Сообщение «Combining signed and unsigned types – widened both operands» сообщает не только о потенциальной ошибке – также вследствие преобразования мы теряем производительность. Например, z – объявлена как ineteger. условие if z>$abcd6123 then z:= $abcd6123; несмотря на его правильность вызовет данное предупреждение. Сгенерированный код будет, выполнять преобразования величин до 64-х бит, и дальнейшее уже сравнение 64-х битных операндов. Если изменить тип z на cardinal, мы избавимся от предупреждения и получим 3 строки кода, вместо 8 !
10. Delphi умеет оптимизировать сложение, умножение и частично деление. При делении на степень двойки, если не важно округление до большего, рекомендуется пользоваться shr 1 вместо div 2.
11. В case of при возможности используйте элементы, расположенные в арифметической прогрессии. Тем не менее, даже при невыполнении данного условия мы получим качественный код после утрамбовки дерева.
12. Выносите инвариантный код за тело цикла. Наиболее частая ошибка – for i:=1 to length(str) do... Дело в том, что при каждой итерации будет вызываться функция length, что пагубно скажется на производительности. Рекомендуется длину строки заранее присвоить переменной. Также не включайте в тело цикла код, заведомо не зависящий от изменения итерационной переменной.
Сравнивая Delphi с компиляторами Visual C++, WATCOM, Borland C++ (тестирование данных компиляторов приведено в [1]) приходим к выводу, что Delphi по своим оптимизирующим свойствам аналогичен Borland C++ (а кто сомневался? ;) ). Учитывая, что Borland C++ по итогам сравнения оказался последним, делаем несложный вывод. Весьма печален и тот факт, что большинство кода VCL написано с точки зрения «красоты» кода, а не его оптимальности с точки зрения скорости. Например, не соблюдается правило 12.
Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.
В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.
Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.
Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:
* Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать.
* Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.
Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:
* Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
* Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа. В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).
Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.
Управление обменом в сети с топологией звезда
Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.
Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.
Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.
Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
Управление обменом в сети с топологией шина
При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).
Централизованное управление в сети с топологией шина
Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина
Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии активная звезда, а только управляет обменом.
Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.
Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.
Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.
Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.
Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.
* При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий. Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
[pagebreak]
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. Поэтому повторные коллизии маловероятны.
Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.
Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.
Недостаток всех случайных методов состоит еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.
При любом случайном методе управления обменом, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.
Пусть L – полная длина сети, V – скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1 и ждали освобождения сети.
После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.
Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети или PDV (Path Delay Value). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.
Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.
Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Рис. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).
Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.
Управление обменом в сети с топологией кольцо
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.
В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.
Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), те, которые используют маркер (эстафету) – небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.
Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
По кольцу непрерывно ходит специальный управляющий пакет минимальной длины, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов:
1. Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
2. Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
3. Если какой-то абонент (в данном случае это абонент 2) распознает пакет как адресованный ему, то он его принимает, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
4. Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.
Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующему по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.
В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр обычно все-таки присутствует. Один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента, а также из-за подключения и отключения абонентов). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена). Существуют специальные средства для повышения надежности и восстановления центра контроля маркера.
Основное преимущество маркерного метода перед CSMA/CD состоит в гарантированной величине времени доступа. Его максимальная величина, как и при централизованном методе, составит (N-1)• tпк, где N – полное число абонентов в сети, tпк – время прохождения пакета по кольцу. Вообще, маркерный метод управления обменом при большой интенсивности обмена в сети (загруженность более 30—40%) гораздо эффективнее случайных методов. Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может даже приближаться к 100%.
Метод маркерного доступа используется не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (в частности, сеть Arcnet-BUS), а также в пассивной звезде (к примеру, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо (рис. 4.16). При этом совмещаются достоинства физической топологии шина и маркерного метода управления.
Применение маркерного метода управления в шине
Рис. 4.16. Применение маркерного метода управления в шине
Каждый абонент (узел) локальной сети должен иметь свой уникальный адрес (идентификатор или MAC-адрес), для того чтобы ему можно было адресовать пакеты. Существуют две основные системы присвоения адресов абонентам сети (точнее, сетевым адаптерам этих абонентов).
Первая система сводится к тому, что при установке сети каждому абоненту пользователь присваивает индивидуальный адрес по порядку, к примеру, от 0 до 30 или от 0 до 254. Присваивание адресов производится программно или с помощью переключателей на плате адаптера. При этом требуемое количество разрядов адреса определяется из неравенства:
2n > Nmax
где n – количество разрядов адреса, а Nmax – максимально возможное количество абонентов в сети. Например, восемь разрядов адреса достаточно для сети из 255 абонентов. Один адрес (обычно 1111....11) отводится для широковещательной передачи, то есть он используется для пакетов, адресованных всем абонентам одновременно.
Именно такой подход применен в известной сети Arcnet. Достоинства данного подхода – малый объем служебной информации в пакете, а также простота аппаратуры адаптера, распознающей адрес пакета. Недостаток – трудоемкость задания адресов и возможность ошибки (например, двум абонентам сети может быть присвоен один и тот же адрес). Контроль уникальности сетевых адресов всех абонентов возлагается на администратора сети.
Второй подход к адресации был разработан международной организацией IEEE, занимающейся стандартизацией сетей. Именно он используется в большинстве сетей и рекомендован для новых разработок. Идея этого подхода состоит в том, чтобы присваивать уникальный сетевой адрес каждому адаптеру сети еще на этапе его изготовления. Если количество возможных адресов будет достаточно большим, то можно быть уверенным, что в любой сети по всему миру никогда не будет абонентов с одинаковыми адресами. Поэтому был выбран 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 триллионам различных адресов. Понятно, что столько сетевых адаптеров никогда не будет выпущено.
С тем чтобы распределить возможные диапазоны адресов между многочисленными изготовителями сетевых адаптеров, была предложена следующая структура адреса (рис. 4.7):
* Младшие 24 разряда кода адреса называются OUA (Organizationally Unique Address) – организационно уникальный адрес. Именно их присваивает каждый из зарегистрированных производителей сетевых адаптеров. Всего возможно свыше 16 миллионов комбинаций, то есть каждый изготовитель может выпустить 16 миллионов сетевых адаптеров.
* Следующие 22 разряда кода называются OUI (Organizationally Unique Identifier) – организационно уникальный идентификатор. IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров. Это позволяет исключить совпадения адресов адаптеров от разных производителей. Всего возможно свыше 4 миллионов разных OUI, это означает, что теоретически может быть зарегистрировано 4 миллиона производителей. Вместе OUA и OUI называются UAA (Universally Administered Address) – универсально управляемый адрес или IEEE-адрес.
* Два старших разряда адреса управляющие, они определяют тип адреса, способ интерпретации остальных 46 разрядов. Старший бит I/G (Individual/Group) указывает на тип адреса. Если он установлен в 0, то индивидуальный, если в 1, то групповой (многопунктовый или функциональный). Пакеты с групповым адресом получат все имеющие этот групповой адрес сетевые адаптеры. Причем групповой адрес определяется 46 младшими разрядами. Второй управляющий бит U/L (Universal/Local) называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес данному сетевому адаптеру. Обычно он установлен в 0. Установка бита U/L в 1 означает, что адрес задан не производителем сетевого адаптера, а организацией, использующей данную сеть. Это случается довольно редко.
Структура 48-битного стандартного MAC-адреса
Рис. 4.7. Структура 48-битного стандартного MAC-адреса
Для широковещательной передачи (то есть передачи всем абонентам сети одновременно) применяется специально выделенный сетевой адрес, все 48 битов которого установлены в единицу. Его принимают все абоненты сети независимо от их индивидуальных и групповых адресов.
Данной системы адресов придерживаются такие популярные сети, как Ethernet, Fast Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Ее недостатки – высокая сложность аппаратуры сетевых адаптеров, а также большая доля служебной информации в передаваемом пакете (адреса источника и приемника вместе требуют уже 96 битов пакета или 12 байт).
Во многих сетевых адаптерах предусмотрен так называемый циркулярный режим. В этом режиме адаптер принимает все пакеты, приходящие к нему, независимо от значения поля адреса приемника. Такой режим используется, например, для проведения диагностики сети, измерения ее производительности, контроля ошибок передачи. При этом один компьютер принимает и контролирует все пакеты, проходящие по сети, но сам ничего не передает. В данном режиме работают сетевые адаптеры мостов и коммутаторы, которые должны обрабатывать перед ретрансляцией все пакеты, приходящие к ним.
Прародителем сети интернет была сеть ARPANET. Первоначально её разработка финансировалась Управлением перспективного планирования (Advanced Research Projects Agency, или ARPA). Проект стартовал осенью 1968 года и уже в сентябре 1969 года в опытную эксплуатацию был запущен первый участок сети ARPANET.
Сеть ARPANET долгое время являлась тестовым полигоном для исследования сетей с коммутацией пакетов. Однако кроме исследовательских, ARPANET служила и чисто практическим целям. Ученые нескольких университетов, а также сотрудники некоторых военных и государственных исследовательских институтов регулярно её использовали для обмена файлами и сообщениями электронной почты, а так же для работы на удалённых компьютерах. В 1975 году управление сетью было выведено из под контроля ARPA и поручено управлению связи Министерства обороны США. Для военных данная сеть представляла большой интерес, так как позволяла сохранять её работоспособность даже при уничтожении её части, например, при ядерном ударе.
В 1983 году Министерство обороны разделило ARPANET на две связанные сети. При этом за сетью ARPANET были сохранены её исследовательские функции, а для военных целей была сформирована новая сеть, которую назвали MILNET. Физически сеть ARPANET состояла приблизительно из 50 миникомпьютеров типа С30 и С300, выпущенных фирмой BBN Corporation. Они назывались узлами коммутации пакетов и были разбросаны по территории материковой части США и Западной Европы. Сеть MILNET состояла приблизительно из 160 узлов, причём 34 из них были расположены в Европе, а 18 в Тихом Океане и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Сами узлы коммутации пакетов нельзя было использовать для решения вычислительных задач общего плана.
Понимая, что в ближайшем будущем очень важным моментом в научных исследованиях будет процесс обмена данными, Национальный научный фонд (NFS) в 1987 году основал отделение сетевых и коммуникацинных исследований и инфраструктуры. В его задачи входило обеспеченье современными сетевыми коммуникационными средствами учёных и инженеров США. И хотя отделение фонда NFS финансировало основные исследовательские программы в области сетевых коммуникаций, сферой его основных интересов было расширение Internet.
Сеть NSFNET строилась в несколько этапов и быстро преобретала популярность не только в научно-исследовательских кругах, но и в коммерческой среде. К 1991 году фонд NFS и другие государственные учреждения США поняли, что масштабы Internet вышли далеко за отведённые её на этапе разработки рамки университетской и научной сети. К Internet стало подключаться множество организаций, разбросанных по всему Земному шару. Трафик в магистральном канале NSFNET вырос почти до миллиарда пакетов в день, и его пропускной способности 1.5 Мбит/с на отдельных участках стало уже не хватать. Поэтому правительство США начало проводить политику приватизации и коммерческого использования Internet. Фонд NFS принял решение предать магистральную сеть на попечение закрытой акционерной компании и оплачивать доступ к ней для государственных научных и исследовательских организаций.
Семейство TCP/IP
Познакомившись с историей, давайте подробнее рассмотрим, что собой представляют протоколы TCP/IP. TCP/IP - это семейство сетевых протоколов, ориентированных на совместную работу. В состав семейства входит несколько компонентов:
IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - обеспечивает транспортировку пакетов данных с одного компьютера на другой;
ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений в сети Internet) - отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках, вспомогательные маршрутизирующие запросы и подтверждения о получении сообщений;
ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов) - выполняет трансляцию IP-адресов в аппаратные MAC-адреса;
UDP (User Datagram Protocol - протокол передачи дейтаграмм пользователя) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - обеспечивают доставку данных конкретным приложениям на указанном компьютере. Протокол UDP реализует передачу отдельных сообщений без подтверждения доставки, тогда как TCP гарантирует надёжный полнодуплексный канал связи между процессами на двух разных компьютерах с возможностью управления потоком и контроля ошибок.
Протокол представляет собой набор правил, использующихся для при обмене данными между двумя компьютерами. В нём оговариваются формат блоков сообщений, описывается реакция компьютера на получение определённого типа сообщения и указываются способы обработки ошибок и других необычных ситуаций. И что самое важное, благодаря протоколам, мы можем описать процесс обмена данными между компьютерами, не привязываясь к какой-то определённой комьютерной платформе или сетевому оборудованию конкретного производителя.
Сокрытие низкоуровневых особенностей процесса передачи данных способствует повышению производительности труда разработчиков. Во-первых, поскольку программистам приходится иметь дело с протоколами, относящимися к достаточно высокому уровню абстракции, им не нужно держать в голове (и даже изучать!) технические подробности испольуемого аппаратного обеспечения. Во-вторых, поскольку программы разрабатываются на основе модели, относящейся к высокому уровню абстракции, который не зависит от конкретной архитектуры компьютера или типа сетевого оборудования, в них не нужно вносить никаких изменений при переходе на другой тип оборудования или изменений конфигурации сети.
Замечание Говорить о том, что ARP входит в состав семейства протоколов TCP/IP не совсем корректно. Однако это неотъемлемая часть стека протоколов в сетях Ethernet. Для того чтобы отправить данные по сети, IP-адрес хоста должен быть преобразован в физический адрес машины получателя (уникальный адрес сетевой платы). Протокол ARP как раз и предназначен для такой цели.
Самым фундаментальным протоколом Интернета является протокол IP (от англ. Internet Protocol), обеспечивающий передачу данных между двумя удаленными компьютерами. Протокол IP является достаточно простым, и обеспечивает адресацию в сети. В ранних сетях адреса в сети были уникальные целые цифры, сейчас сеть построена по иерархическому принципу.
Стек протоколов TCP/IP имеет четыре основных уровня, поэтому часто говорят, что TCP/IP — это четырехуровневый стек протоколов. Внизу стека расположен интерфейсный уровень, посредством которого происходит связь с аппаратурой. За ним следует уровень IP, поверх которого построены транспортные протоколы TCP и UDP. На вершине стека находится уровень приложений, таких как ftp, telnet и т. д. Как мы уже говорили, IP — это простой протокол, не требующий установления соединения. При отсылке пакета данных, IP, как и все протоколы без соединения, послав пакет, тут же "забывает" о нем. При приеме пакетов с верхних уровней стека, этот протокол обертывает их в IP-пакет и передает необходимому аппаратному обеспечению для отправки в сеть. Однако именно в такой простоте и заключается основное достоинство протокола IP. Дело в том, что поскольку IP является простым протоколом, он никак не связан со структурой физической среды, по которым передаются данные. Для протокола IP главное, что эта физическая среда в принципе способна к передаче пакетов. Поэтому IP работает как в локальных, так и в глобальных сетях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме передачи данных, как в обычных линиях связи, так и беспроводных и т. д. А поскольку протокол IP является фундаментом четырехуровнего сте-ка протоколов, то все семейство протоколов TCP/IP также может функционировать в любой сети с любым режимом передачи пакетов.
На сетевом уровне в семействе протоколов TCP/IP предусмотрено два обширных класса служб, которые используются во всех приложениях.
Служба доставки пакетов, не требующая установки соединения.
Надёжная потоковая транспортная служба.
Различие между службами, требующими установления надёжного соединения и службами, не требующими этого, является одним из самых основных вопросов сетевого программирования. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что когда мы говорим об установлении соединения, то имеется в виду не соединение между компьютерами посредством физического носителя, а о способе передачи данных по этому носителю. Основное различие состоит в том, что службы, в которых устанавливается надёжное соединение, сохраняют информацию о состоянии и таким образом отслеживают информацию о передаваемых пакетах. В службах же, не требующих надёжного соединения, пакеты передаются независимо друг от друга.
Данные передаются по сети в форме пакетов, имеющих максимальный размер, определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого (сообщения). Заголовок включает сведения о том, откуда прибыл пакет и куда он направляется. Заголовок, кроме того, может содержать контрольную сумму, информацию, характерную для конкретного протокола, и другие инструкции, касающиеся обработки пакета. Полезное содержимое – это данные, подлежащие пересылке.
Имя базового блока передачи данных зависит от уровня протокола. На канальном уровне это кадр или фрейм, в протоколе IP – пакет, а в протоколе TCP – сегмент. Когда пакет передаётся вниз по стеку протоколов, готовясь к отправке, каждый протокол добавляет в него свой собственный заголовок. Законченный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета, генерируемого следующим протоколом.
Определение
Пакеты, которые посылаются протоколом, не требующим соединения, называются дейтаграммами.
Каждая дейтаграмма является уникальной в том смысле, что никак не зависит от других. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, диалог между клиентом и сервером предельно прост: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом каждый новый запрос — это новая транзакция, т. е. инициируемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения ненадежны в том смысле, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.
Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют информацию о состоянии, что позволяет обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Когда говорится о сохранении состояния, имеется ввиду то, что между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течении определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.
Работа протокола с установлением соединения включает в себя три основные фазы:
установление соединения;
обмен данными;
разрыв соединения.
Передача всех данных при работе с таким протоколом, в отличие от протокола без установления соединения, происходит за одну транзакцию, т. е. в фазе обмена данными не происходит обмена адресами между отправителем и получателем, поскольку эта информация передается на этапе установки соединения. Возвращаясь к телефонной аналогии, можно сказать, что нам в этом случае нет необходимости для того, чтобы сказать собеседнику очередное слово, вновь набирать его номер и устанавливать соединение. Заметим, что приводимая аналогия имеет одну неточность. Дело в том, что при телефонном разговоре все же устанавливается физическое соединение. Когда же мы говорим о соединении с точки зрения протоколов, то это соединение, скорее, умозрительное. К примеру, если вдруг при телефонном разговоре, неожиданно сломается телефонный аппарат вашего собеседника, вы тут же узнаете об этом, поскольку разговор незамедлительно прервется. А вот если происходит обмен данными между двумя хостами и один из них вдруг аварийно остановится, то для его "хоста-собеседника" соединение по прежнему будет существовать, поскольку для него не произошло ничего такого, что сделало бы недействительной хранящуюся у него информацию о состоянии.
В этом смысле работу с протоколом, требующим установления логического соединения можно сравнить с телефонным разговором. Когда мы звоним по телефону, мы сначала набираем номер (установление соединения), затем разговариваем (обмен данными) и по окончании разговора вешаем трубки (разрыв соединения).
Протокол без установления соединения обычно сравниваю с почтовой открыткой. Каждая открытка представляет собой самостоятельную единицу (пакет информации или дейтаграмму), которая обрабатывается в почтовом отделении независимо от других открыток. При этом на почте не отслеживается состояние переписки между двумя респондентами и, как правило, нет никакой гарантии, что ваша открытка попадет к адресату. Если на открытке указан неправильный адрес, она никогда не дойдет до получателя, и не возвратиться обратно к отправителю. А если вы захотите отправить вашему собеседнику новую порцию информации, то это уже будет другая транзакция, поскольку нужно будет писать новую открытку, указывать на ней адрес и т. д.
Как видим, у протоколов без установления соединения существует много недостатков и может возникнуть вопрос о надобности таких протоколов. Однако, использование проколов без установления логического соединения все-таки оправдано. Как правило, при помощи таких протоколов организуется связь одного хоста со многими другими, в то время как при использовании протоколов с установлением соединения связь организуется между парой хостов (по одному соединению на каждую пару). Важный момент заключается в том, что протоколы без установления логического соединения являются фундаментом, на котором строятся более сложные протоколы. К примеру, протокол TCP построен на базе протокола IP.
Протоколы транспортного уровня
Протоколами транспортного уровня в четырехуровневом стеке протоколов являются протоколы TCP и UDP.
Давайте рассмотрим, каким образом функционирует протокол TCP. Дело в том, что поскольку TCP-пакеты, иначе называемые сегментами, посылаются при помощи протокола IP, у TCP нет никакой информации о состоянии этих пакетов. Поэтому для того, чтобы хранить информацию о состоянии, TCP к базовому протоколу IP добавляет три параметра.
Во-первых, добавляется сегмент контрольной суммы содержащихся в пакете данных, что позволяет убедиться в том, что в принципе все данные дошли до получателя и не повредились во время транспортировки.
Во-вторых, к каждому передаваемому байту приписывается порядковый номер, что необходимо для определения того, совпадает ли порядок прибытия данных с порядком их отправки. И даже в том случае, если данные пришли не в том порядке, в котором были отправлены, наличие порядковых номеров позволит получателю правильно составить из этих данных исходное сообщение.
В-третьих, базовый протокол IP дополняется также механизмами подтверждения получения данных и повторной отправки, на тот случай, если данные не были доставлены.
Если с первыми двумя параметрами все более-менее понятно, то механизм подтверждения/повторной отправки достаточно сложен и его мы рассмотрим подробнее в другой раз.
Какие жесткие диски лучше установить на компьютере с windows 2000/XP: ata (иначе ide) или scsi? Спор о сравнительных достоинствах и недостатках дисков ata и scsi – один из самых давних в отрасли. В одной из статей я уже сравнивал технические характеристики различных вариантов этих технологий и рассказывал, как их использовать в системах на базе windows nt.
За последнее время появились новые реализации интерфейсов ata и scsi. Сфера scsi расширилась и теперь охватывает ultra2 scsi, волоконно-оптический канал, ultra160 scsi и новейший стандарт – ultra320 scsi. Максимальная пропускная способность этих устройств составляет 80, 100, 160 и 320 Мбайт/с, соответственно. Однако высокая скорость всегда была достоинством scsi, поэтому более важным событием стало сокращение ценового разрыва между технологией scsi и ее конкурентами.
ATA догоняет
Последние стандарты ata 66 (или ultra dma/66, или udma/66) и ata 100 (или ultra dma/100, или udma/100) обеспечивают быструю передачу данных в пакетном и непрерывном режимах (66 и 100 Мбайт/с, соответственно). Планка производительности ata поднимется еще выше с появлением в 2002 г. стандарта se-rialata (первые устройства будут обеспечивать скорость передачи данных 150 Мбайт/с, а в дальнейшем – до 300 и даже 600 Мбайт/с). Таким образом, ata уже годится не только для пользовательских систем и корпоративных настольных компьютеров начального уровня, но и для машин, к дисковой подсистеме которых предъявляются повышенные требования.
Реально на офисных однодисковых системах обычно не удается достигнуть максимального быстродействия. Системные ограничения (например, возможности микросхем ata, архитектура системной шины, физические ограничения диска) часто снижают скорость пересылки данных. Тем не менее, в основном из-за дороговизны scsi (которая объясняется высокой стоимостью контроллера и диска), ata преобладает везде, кроме настольных рабочих станций самого высокого уровня. Однако, чтобы добиться максимальной производительности дисков ata на компьютерах win-dows 2000, недостаточно просто установить новые накопители и подключить кабели.
Стараясь идти в ногу с технологией ata, разработчики microsoft дополнили windows 2000 новыми возможностями и уделяют ata больше внимания при подготовке различных пакетов исправления и программных заплаток. Чтобы эффективно использовать устройства ata на компьютерах windows 2000, требуется иметь базовые знания об интерфейсе ata, необходимых аппаратных средствах и программном обеспечении (например, пакетах исправления и заплатках windows 2000, встроенных драйверах и драйверах независимых поставщиков).
Аппаратные средства
Во-первых, в системе должен быть установлен контроллер, который поддерживает скоростные режимы ata. Самые распространенные стандарты современных дисков – ata/33 (ultra dma/33 или udma/33), ata/66 и ata/100. Практически все контроллеры ata обратно совместимы с дисками прежних стандартов. Например, контроллер ata/100 обычно совместим с дисками ata/33 и даже старыми стандартами ide и eide.
В большинстве систем контроллер реализован в микросхемах ata на системной плате (львиная доля рынка микросхем ata принадлежит компании intel, но есть и другие поставщики, такие, как viahardware.com). Однако в некоторых случаях контроллер может быть размещен на плате расширения pci, например в raid-контроллере ata.
От набора микросхем (важнейшего компонента системной конфигурации ata) и его драйверов зависят функциональные возможности дисков и других устройств, подключенных к контроллеру. Поэтому в первую очередь необходимо тщательно изучить набор микросхем на системной или вспомогательной плате и определить его возможности. Эту информацию можно получить у поставщика ком-пьютера, с системной платы или платы контроллера.
Если микросхемы ata расположены на системной плате, необходимо убедиться, что bios системы поддерживает нужные режимы ata. По всей вероятности, конкретный режим ata реализован в наборе микросхем, но он может отсутствовать в редакции bios, регулярно обновляемой поставщиками ПК и системных микросхем. В этом случае новую версию bios можно получить на web-сайте изготовителя системной платы или компьютера.
Затем следует убедиться, что аппаратные средства обеспечивают нужный режим ata и настроены на оптимальную производительность. Во-первых, все жесткие диски должны поддерживать необходимые режимы ata (например, ata/66, ata/100). Во-вторых, важно распределить диски по отдельным каналам, так как по умолчанию канал ata работает со скоростью самого медленного диска. Если диски ata/33 и ata/100 установлены в одном канале, то скорость передачи данных будет определяться быстродействием ata/33. Поэтому следует разместить медленные устройства ata (например, устройства cd-rom, cd-r, cd-rw, zip, старые жесткие диски) на одном канале, а скоростные жесткие диски – на другом.
Кроме того, необходимо верно выбрать кабели. В спецификациях ata/33, ata/66 и ata/100 указывается, что устройства следует подключать через специальный 80-жильный ленточный кабель, а не 40-жильные кабели, применявшиеся в прежних дисках ata. Дополнительные жилы кабеля нужны для заземления и увеличивают соотношение сигнал/шум при передаче данных. И наконец, накопители следует подключать к 80-жильному кабелю иначе, чем к прежним 40-жильным кабелям. Главное устройство (drive 0) необходимо разместить на конце 80-жильного кабеля, а вторичный накопитель (drive 1) нужно подключить к среднему разъему. Синий разъем на одном конце предназначен для системной платы или платы контроллера, серый разъем в середине – для вторичного устройства, а черный разъем на другом конце – для главного устройства.
Развитие сети Internet обострило и в очередной раз выявило проблемы, возникающие при безопасном подключении к Internet корпоративной сети. Связано это в первую очередь с тем, что сеть Internet разрабатывалась как открытая, предназначенная для всех, система. Вопросам безопасности при проектировании стека протоколов TCP/IP, являющихся основой Internet, уделялось очень мало внимания.
Для устранения проблем, связанных с безопасностью было разработано много различных решений, самым известным и распространенным из которых является применение межсетевых экранов (firewall). Их использование - это первый шаг, который должна сделать любая организация, подключающая свою корпоративную сеть к Internet. Первый, но далеко не последний. Одним межсетевым экраном для построения надежного и защищенного соединения с Internet не обойтись. Необходимо реализовать целый ряд технических и организационных мер, чтобы обеспечить приемлемый уровень защищенности корпоративных ресурсов от несанкционированного доступа.
Межсетевые экраны реализуют механизмы контроля доступа из внешней сети к внутренней путем фильтрации всего входящего и исходящего трафика, пропуская только авторизованные данные. Все межсетевые экраны функционируют на основе информации, получаемой от различных уровней эталонной модели ISO/OSI, и чем выше уровень OSI, на основе которого построен межсетевой экран, тем выше уровень защиты, им обеспечиваемый. Существует три основных типа межсетевых экранов - пакетный фильтр (packet filtering), шлюз на сеансовом уровне (circuit-level gateway) и шлюз на прикладном уровне (application-level gateway). Очень немногие существующие межсетевые экраны могут быть однозначно отнесены к одному из названных типов. Как правило, МСЭ совмещает в себе функции двух или трех типов. Кроме того, недавно появилась новая технология построения межсетевых экранов, объединяющая в себе положительные свойства всех трех вышеназванных типов. Эта технология была названа Stateful Inspection. И в настоящий момент практически все предлагаемые на рынке межсетевые экраны анонсируются, как относящиеся к этой категории (Stateful Inspection Firewall).
На российском рынке средств защиты информации сейчас сложилась такая ситуация, что многие поставщики межсетевых экранов (МСЭ), предлагая свой продукт, утверждают, что он один решит все проблемы заказчика, обеспечив надежную защиту всех ресурсов корпоративной сети. Однако, это не так. И не потому что предлагаемый межсетевой экран не обеспечивает необходимых защитных механизмов (правильный выбор межсетевого экрана - это тема отдельной статьи), а потому что самой технологии присущи определенные недостатки.
В данной статье я не буду говорить о достоинствах названных типов межсетевых экранов (этому посвящено немало публикаций), а основное внимание уделю недостаткам, присущим всей технологии в целом.
Отсутствие защиты от авторизованных пользователей
Наиболее очевидный недостаток межсетевых экранов - невозможность защиты от пользователей, знающих идентификатор и пароль для доступа в защищаемый сегмент корпоративной сети. Межсетевой экран может ограничить доступ посторонних лиц к ресурсам, но он не может запретить авторизованному пользователю скопировать ценную информацию или изменить какие-либо параметры финансовых документов, к которым этот пользователь имеет доступ. А по статистике не менее 70% всех угроз безопасности исходит со стороны сотрудников организации. Поэтому, даже если межсетевой экран защитит от внешних нарушителей, то останутся нарушители внутренние, неподвластные МСЭ.
Для устранения этого недостатка нужны новые подходы и технологии. Например, использование систем обнаружения атак (intrusion detection systems). Данные средства, ярким примером которых является система RealSecure, обнаруживают и блокируют несанкционированную деятельность в сети независимо от того, кто ее реализует - авторизованный пользователь (в т.ч. и администратор) или злоумышленник. Такие средства могут работать как самостоятельно, так и совместно с межсетевым экраном. Например, система RealSecure обладает возможностью автоматической реконфигурации межсетевого экрана CheckPoint Firewall-1 путем изменения правил, запрещая тем самым доступ к ресурсам корпоративной сети с атакуемого узла.
Отсутствие защиты новых сетевых сервисов
Вторым недостатком межсетевых экранов можно назвать невозможность защиты новых сетевых сервисов. Как правило, МСЭ разграничивают доступ по широко распространенным протоколам, таким как HTTP, Telnet, SMTP, FTP и ряд других. Реализуется это при помощи при помощи механизма "посредников" (proxy), обеспечивающих контроль трафика, передаваемого по этим протоколам или при помощи указанных сервисов. И хотя число таких "посредников" достаточно велико (например, для МСЭ CyberGuard Firewall их реализовано более двухсот), они существуют не для всех новых протоколов и сервисов. И хотя эта проблема не столь остра (многие пользователи используют не более десятка протоколов и сервисов), иногда она создает определенные неудобства.
Многие производители межсетевых экранов пытаются решить указанную проблему, но удается это далеко не всем. Некоторые производители создают proxy для новых протоколов и сервисов, но всегда существует временной интервал от нескольких дней до нескольких месяцев между появлением протокола и соответствующего ему proxy. Другие разработчики межсетевых экранов предлагают средства для написания своих proxy (например, компания CyberGuard Corporation поставляет вместе со своим МСЭ подсистему ProxyWriter позволяющую создавать proxy для специфичных или новых протоколов и сервисов). В этом случае необходима высокая квалификация и время для написания эффективного proxy, учитывающего специфику нового сервиса и протокола. Аналогичная возможность существует и у межсетевого экрана CheckPoint Firewall-1, который включает в себя мощный язык INSPECT, позволяющий описывать различные правила фильтрации трафика.
Ограничение функциональности сетевых сервисов
Некоторые корпоративные сети используют топологию, которая трудно "уживается" с межсетевым экраном, или используют некоторые сервисы (например, NFS) таким образом, что применение МСЭ требует существенной перестройки всей сетевой инфраструктуры. В такой ситуации относительные затраты на приобретение и настройку межсетевого экрана могут быть сравнимы с ущербом, связанным с отсутствием МСЭ.
Решить данную проблему можно только путем правильного проектирования топологии сети на начальном этапе создания корпоративной информационной системы. Это позволит не только снизить последующие материальные затраты на приобретение средств защиты информации, но и эффективно встроить межсетевые экраны в существующую технологию обработки информации.
Если сеть уже спроектирована и функционирует, то, возможно, стоит подумать о применении вместо межсетевого экрана какого-либо другого решения, например, системы обнаружения атак.
Потенциальная опасность обхода межсетевого экрана
Межсетевые экраны не могут защитить ресурсы корпоративной сети в случае неконтролируемого использования в ней модемов. Доступ в сеть через модем по протоколам SLIP или PPP в обход межсетевого экрана делает сеть практически незащищенной. Достаточно распространена ситуация, когда сотрудники какой-либо организации, находясь дома, при помощи программ удаленного доступа типа pcAnywhere или по протоколу Telnet обращаются к данным или программам на своем рабочем компьютере или через него получают доступ в Internet. Говорить о безопасности в такой ситуации просто не приходится, даже в случае эффективной настройки межсетевого экрана.
Для решения этой задачи необходимо строго контролировать все имеющиеся в корпоративной сети модемы и программное обеспечение удаленного доступа. Для этих целей возможно применение как организационных, так и технических мер. Например, использование систем разграничения доступа, в т.ч. и к COM-портам (например, Secret Net) или систем анализа защищенности (например, Internet Scanner и System Scanner). Правильно разработанная политика безопасности обеспечит дополнительный уровень защиты корпоративной сети, установит ответственность за нарушение правил работы в Internet и т.п. Кроме того, должным образом сформированная политика безопасности позволит снизить вероятность несанкционированного использования модемов и иных устройств и программ для осуществления удаленного доступа.
Потенциально опасные возможности
Новые возможности, которые появились недавно, и которые облегчают жизнь пользователям Internet, разрабатывались практически без учета требований безопасности. Например, WWW, Java, ActiveX и другие сервисы, ориентированные на работу с данными. Они являются потенциально опасными, так как могут содержать в себе враждебные инструкции, нарушающие установленную политику безопасности. И если операции по протоколу HTTP могут достаточно эффективно контролироваться межсетевым экраном, то защиты от "мобильного" кода Java и ActiveX практически нет. Доступ такого кода в защищаемую сеть либо полностью разрешается, либо полностью запрещается. И, несмотря на заявления разработчиков межсетевых экранов о контроле апплетов Java, сценариев JavaScript и т.п., на самом деле враждебный код может попасть в защищаемую зону даже в случае полного их блокирования в настройках межсетевого экрана.
Защита от таких полезных, но потенциально опасных возможностей должна решаться в каждом конкретном случае по-своему. Можно проанализировать необходимость использования новой возможности и совсем отказаться от нее; а можно использовать специализированные защитные средства, например, систему SurfinShield компании Finjan или SafeGate компании Security-7 Software, обеспечивающие безопасность сети от враждебного "мобильного" кода.
Вирусы и атаки
Практически ни один межсетевой экран не имеет встроенных механизмов защиты от вирусов и, в общем случае, от атак. Как правило, эта возможность реализуется путем присоединения к МСЭ дополнительных модулей или программ третьих разработчиков (например, система антивирусной защиты ViruSafe для МСЭ CyberGuard Firewall или система обнаружения атак RealSecure для МСЭ CheckPoint Firewall-1). Использование нестандартных архиваторов или форматов передаваемых данных, а также шифрование трафика, сводит всю антивирусную защиту "на нет". Как можно защититься от вирусов или атак, если они проходят через межсетевой экран в зашифрованном виде и расшифровываются только на оконечных устройствах клиентов?
В таком случае лучше перестраховаться и запретить прохождение через межсетевой экран данных в неизвестном формате. Для контроля содержимого зашифрованных данных в настоящий момент ничего предложить нельзя. В этом случае остается надеяться, что защита от вирусов и атак осуществляется на оконечных устройствах. Например, при помощи системных агентов системы RealSecure.
Снижение производительности
Несмотря на то, что подсоединение к сетям общего пользования или выход из корпоративной сети осуществляется по низкоскоростным каналам (как правило, при помощи dialup-доступа на скорости до 56 Кбит или использование выделенных линий до 256 Кбит), встречаются варианты подключения по каналам с пропускной способностью в несколько сотен мегабит и выше (ATM, T1, E3 и т.п.). В таких случаях межсетевые экраны являются самым узким местом сети, снижая ее пропускную способность. В некоторых случаях приходится анализировать не только заголовок (как это делают пакетные фильтры), но и содержание каждого пакета ("proxy"), а это существенно снижает производительность межсетевого экрана. Для сетей с напряженным трафиком использование межсетевых экранов становится нецелесообразным.
В таких случаях на первое место надо ставить обнаружение атак и реагирование на них, а блокировать трафик необходимо только в случае возникновения непосредственной угрозы. Тем более что некоторые средства обнаружения атак (например, RealSecure) содержат возможность автоматической реконфигурации межсетевых экранов.
Компромисс между типами межсетевых экранов - более высокая гибкость в пакетных фильтрах против большей степени защищенности и отличной управляемости в шлюзах прикладного уровня. Хотя на первый взгляд кажется, что пакетные фильтры должны быть быстрее, потому что они проще и обрабатывают только заголовки пакетов, не затрагивая их содержимое, это не всегда является истиной. Многие межсетевые экраны, построенные на основе прикладного шлюза, показывают более высокие скоростные характеристики, чем маршрутизаторы, и представляют собой лучший выбор для управления доступом при Ethernet-скоростях (10 Мбит/сек).
Отсутствие контроля своей конфигурации
Даже если все описанные выше проблемы решены, остается опасность, что межсетевой экран неправильно сконфигурирован. Приходится сталкиваться с ситуацией, когда приобретается межсетевой экран, первоначальная конфигурация которого осуществляется специалистами поставщика и тем самым, как правило, обеспечивается высокий уровень защищенности корпоративных ресурсов. Однако, с течением времени, ситуация меняется, - сотрудники хотят получить доступ к новым ресурсам Internet, работать с новым сервисами (RealAudio, VDOLive и т.п.) и т.п. Таким образом, постепенно защита, реализуемая межсетевым экраном, становится дырявой как решето, и огромное число правил, добавленных администратором, сводятся к одному: "разрешено все и всем".
В этом случае помогут средства анализа защищенности. Средства анализа защищенности могут тестировать межсетевой экран как на сетевом уровне (например, подверженность атакам типа "отказ в обслуживании"), так и на уровне операционной системы (например, права доступа к конфигурационным файлам межсетевого экрана). Кроме того, при сканировании возможна реализация атак типа "подбор пароля", позволяющие обнаружить "слабые" пароли или пароли, установленные производителем по умолчанию. К средствам, проводящим такие проверки, можно отнести, например, систему Internet Scanner американской компании Internet Security Systems (ISS).
Заключение
Ознакомившись с описанными проблемами, многие могут сделать вывод, что межсетевые экраны не могут обеспечить защиту корпоративной сети от несанкционированного вмешательства. Это не так. Межсетевые экраны являются необходимым, но явно недостаточным средством обеспечения информационной безопасности. Они обеспечивают лишь первую линию обороны. Не стоит покупать межсетевой экран только потому, что он признан лучшим по результатам независимых испытаний. При выборе и приобретении межсетевых экранов необходимо тщательно все продумать и проанализировать. В некоторых случаях достаточно установить простейший пакетный фильтр, свободно распространяемый в сети Internet или поставляемый вместе с операционной системой, например squid. В других случаях межсетевой экран необходим, но применять его надо совместно с другими средствами обеспечения информационной безопасности.
Очевидно, что администрирование работы сетевых служб подразумевает выполнение некоторых дополнительных процедур, направленных на обеспечение корректной работы всей системы. Вовсе не обязательно, чтобы эти функции выполнял один человек. Во многих организациях работа распределяется между несколькими администраторами. В любом случае необходим хотя бы один человек, который понимал бы все поставленные задачи и обеспечивал их выполнение другими людьми.
1. Введение
Идея создания сетей для передачи данных на большие и не очень большие расcтояния витала в воздухе с той самой поры, как человек впервые задумался над созданием телекоммуникационных устройств. В разное время и в различных ситуациях в качестве «устройств передачи информации» использовались почтовые голуби, бутылки с сообщениями «SOS» и наконец, люди — гонцы и нарочные.
Конечно, с тех пор прошло немало лет. В наши дни для того, чтобы передать от одного человека к другому приглашение на субботний футбольный матч, множество компьютеров обмениваются электронными сообщениями, используя для передачи информации массу проводов, оптических кабелей, микроволновых передатчиков и прочего.
Компьютерные сети сегодня представляют собой форму сотрудничества людей и компьютеров, обеспечивающего ускорение доставки и обработки информации.
Сеть обеспечивает обмен информацией и ее совместное использование (разделение). Компьютерные сети делятся на локальные (ЛВС, Local Area Network, LAN), представляющие собой группу близко расположенных, связанных между собой компьютеров, и распределенные (глобальные, Wide Area Networks, WAN)
Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации.
Очевидно, что администрирование работы сетевых служб подразумевает выполнение некоторых дополнительных процедур, направленных на обеспечение корректной работы всей системы. Вовсе не обязательно, чтобы эти функции выполнял один человек. Во многих организациях работа распределяется между несколькими администраторами. В любом случае необходим хотя бы один человек, который понимал бы все поставленные задачи и обеспечивал их выполнение другими людьми.
Основные задачи системного администратора
2.1. Подключение и удаление аппаратных средств
Любая компьютерная сеть состоит из трех основных компонентов:
1. Активное оборудование (концентраторы, коммутаторы, сетевые адаптеры и др.).
2. Коммуникационные каналы (кабели, разъемы).
3. Сетевая операционная система.
Естественно, все эти компоненты должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети требуется их правильно инсталлировать и установить рабочие параметры.
В случае приобретения новых аппаратных средств или подключения уже имеющихся аппаратных средств к другой машине систему нужно сконфигурировать таким образом, чтобы она распознала и использовала эти средства. Изменение конфигурации может быть как простой задачей (например, подключение принтера), так и более сложной (подключение нового диска).
Для того чтобы принять правильное решение о модернизации системы, как системному администратору необходимо проанализировать производительность системы. Конечными узлами сети являются компьютеры, и от их производительности и надежности во многом зависят характеристики всей сети в целом. Именно компьютеры являются теми устройствами в сети, которые реализуют протоколы всех уровней, начиная от физического и канального (сетевой адаптер и драйвер) и заканчивая прикладным уровнем (приложения и сетевые службы операционной системы). Следовательно, оптимизация компьютера включает две достаточно независимые задачи:
* Во-первых, выбор таких параметров конфигурации программного и аппаратного обеспечения, которые обеспечивали бы оптимальные показатели производительности и надежности этого компьютера как отдельного элемента сети. Такими параметрами являются, например, тип используемого сетевого адаптера, размер файлового кэша, влияющий на скорость доступа к данным на сервере, производительность дисков и дискового контроллера, быстродействие центрального процессора и т.п.
* Во-вторых, выбор таких параметров протоколов, установленных в данном компьютере, которые гарантировали бы эффективную и надежную работу коммуникационных средств сети. Поскольку компьютеры порождают большую часть кадров и пакетов, циркулирующих в сети, то многие важные параметры протоколов формируются программным обеспечением компьютеров, например начальное значение поля TTL (Time-to-Live) протокола IP, размер окна неподтвержденных пакетов, размеры используемых кадров.
Тем не менее выполнение вычислительной задачи может потребовать участия в работе нескольких устройств. Каждое устройство использует определенные ресурсы для выполнения своей части работы. Плохая производительность обычно является следствием того, что одно из устройств требует намного больше ресурсов, чем остальные. Чтобы исправить положение, вы должны выявить устройство, которое расходует максимальную часть времени при выполнении задачи. Такое устройство называется узким местом (bottleneck). Например, если на выполнение задачи требуется 3 секунды и 1 секунда тратится на выполнение программы процессором, а 2 секунды — на чтение данных с диска, то диск является узким местом.
Определение узкого места — критический этап в процессе улучшения производительности. Замена процессора в предыдущем примере на другой, в два раза более быстродействующий процессор, уменьшит общее время выполнения задачи только до 2,5 секунд, но принципиально исправить ситуацию не сможет, поскольку узкое место устранено не будет. Если же мы приобретем диск и контроллер диска, которые будут в два раза быстрее прежних, то общее время уменьшится до 2 секунд.
Если вы всерьез недовольны быстродействием системы, исправить положение можно следующими способами:
* обеспечив систему достаточным ресурсом памяти. Объем памяти — один из основных факторов, влияющих на производительность;
* устранив некоторые проблемы, созданные как пользователями (одновременный запуск слишком большого количества заданий, неэффективные методы программирования, выполнение заданий с избыточным приоритетом, а также объемных заданий в часы пик), так и самой системой (квоты, учет времени центрального процессора);
* организовав жесткие диски и файловые системы так, чтобы сбалансировать нагрузку на них и таким образом максимально повысить пропускную способность средств ввода-вывода;
* осуществляя текущий контроль сети, чтобы избежать ее перегрузки и добиться низкого коэффициента ошибок. Сети UNIX/Linux можно контролировать с помощью программы netstat. Если речь идет об сетевых операционных системах семейства Windows, то вам поможет утилита PerformanceMonitor.
* откорректировав методику компоновки файловых систем в расчете на отдельные диски;
* выявив ситуации, когда система совершенно не соответствует предъявляемым к ней требованиям.
Эти меры перечислены в порядке убывания эффективности.
2.2. Резервное копирование
Процедура резервного копирования довольно утомительна и отнимает много времени, но выполнять ее необходимо. Ее можно автоматизировать, но системный администратор обязан убедиться в том, что резервное копирование выполнено правильно и в соответствии с графиком. Практически любая сетевая операционная система содержит механизмы для создания резервных копий или зеркального ведения дисков. Например, в UNIX-системах самое распространенное средство создания резервных копий и восстановления данных — команды dump и restore. В большинстве случаев информация, хранящаяся в компьютерах, стоит дороже самих компьютеров. Кроме того, ее гораздо труднее восстановить.
Существуют сотни весьма изобретательных способов потерять информацию. Ошибки в программном обеспечении зачастую портят файлы данных. Пользователи случайно удаляют то, над чем работали всю жизнь. Хакеры и раздраженные служащие стирают данные целыми дисками. Проблемы c аппаратными средствами и стихийные бедствия выводят их строя целые машинные залы. Поэтому ни одну систему нельзя эксплуатировать без резервных копий.
При правильном подходе создание резервных копий данных позволяет администратору восстанавливать файловую систему (или любую ее часть) в том состоянии, в котором она находилась на момент последнего снятия резервных копий. Резервное копирование должно производиться тщательно и строго по графику.
[pagebreak]
Поскольку многие виды неисправностей способны одновременно выводить из строя сразу несколько аппаратных средств, резервные копии следует записывать на съемные носители, CD-диски, ZIP-дискеты и т.д. Например, копирование содержимого одного диска на другой, конечно, лучше, чем ничего, но оно обеспечивает весьма незначительный уровень защиты от отказа контроллера.
2.3. Инсталляция новых программных средств
После приобретения нового программного обеспечения его нужно инсталлировать и протестировать. Если программы работают нормально, необходимо сообщить пользователям об их наличии и местонахождении.
Как правило, самой ответственной и самой сложной задачей системного администратора являются инсталляция и конфигурирование операционной системы. От правильности ваших действий зависит, будете ли вы играть в Quake и просматривать любимые сайты или вам придется бегать между пользователями системы и заниматься рутинной работой.
Во многих современных операционных системах разработчики идут по пути исключения многих непродуктивных параметров системы, с помощью которых администраторы способны влиять на производительность ОС. Вместо этого в операционную систему встраиваются адаптивные алгоритмы, которые определяют рациональные параметры системы во время ее работы. С помощью этих алгоритмов ОС может динамически оптимизировать свои параметры в отношении многих известных сетевых проблем, автоматически перераспределяя свои ресурсы и не привлекая к решению администратора.
Существуют различные критерии оптимизации производительности операционной системы. К числу наиболее распространенных критериев относятся:
* Наибольшая скорость выполнения определенного процесса.
* Максимальное число задач, выполняемых процессором за единицу времени. Эта характеристика также называется пропускной способностью компьютера. Она определяет качество разделения ресурсов между несколькими одновременно выполняемыми процессами.
* Освобождение максимального количества оперативной памяти для самых приоритетных процессов, например процесса, выполняющего функции файлового сервера, или же для увеличения размера файлового кэша.
* Освобождение наибольшего количества дисковой памяти.
Обычно при оптимизации производительности ОС администратор начинает этот процесс при заданном наборе ресурсов. В общем случае одновременно улучшить все критерии производительности невозможно. Например, если целью является увеличение доступной оперативной памяти, то администратор может увеличить размер страничного файла, но это приведет к уменьшению доступного дискового пространства.
После инсталляции и оптимальной настройки операционной системы начинается практически бесконечный процесс установки программного обеспечения. И здесь на первый план выходят проблемы совместимости различных программ, а если вы устанавливаете серверное программное обеспечение, — то еще и о безопасности.
Если вы начинающий системный администратор — устанавливайте на свой сервер более простые программы — в них меньше ошибок. В UNIX — избавьтесь от sendmail, поставьте другой SMTP-демон, внимательно анализируйте исходный код всех устанавливаемых на сервер программ, особенно если имя производителя вам ничего не говорит. В Windows NT не стоит использовать монстры типа Microsoft Exchange Server, и желательно избегать установки на сервер всевозможных freeware-программок.
2.4. Мониторинг системы
Существует великое множество обязательных для исполнения ежедневных операций. Например, проверка правильности функционирования электронной почты и телеконференций, просмотр регистрационных файлов на предмет наличия ранних признаков неисправностей, контроль за подключением локальных сетей и за наличием системных ресурсов.
Все многообразие средств, применяемых для мониторинга и анализа вычислительных сетей, можно разделить на несколько крупных классов:
Системы управления сетью (NetworkManagementSystems) — централизованные программные системы, которые собирают данные о состоянии узлов и коммуникационных устройств сети, а также данные о трафике, циркулирующем в сети. Эти системы не только осуществляют мониторинг и анализ сети, но и выполняют в автоматическом или полуавтоматическом режиме действия по управлению сетью — включение и отключение портов устройств, изменение параметров мостов адресных таблиц мостов, коммутаторов и маршрутизаторов и т.п. Примерами систем управления могут служить популярные системы HPOpenView, SunNetManager, IBMNetView.
Средства управления системой (SystemManagement). Средства управления системой часто выполняют функции, аналогичные функциям систем управления, но по отношению к другим объектам. В первом случае объектами управления являются программное и аппаратное обеспечение компьютеров сети, а во втором — коммуникационное оборудование. Вместе с тем некоторые функции этих двух видов систем управления могут дублироваться, например средства управления системой могут выполнять простейший анализ сетевого трафика.
Встроенные системы диагностики и управления (Embeddedsystems). Эти системы выполняются в виде программно-аппаратных модулей, устанавливаемых в коммуникационное оборудование, а также в виде программных модулей, встроенных в операционные системы. Они выполняют функции диагностики и управления единственным устройством, и в этом их основное отличие от централизованных систем управления. Примером средств этого класса может служить модуль управления концентратором Distrebuted 5000, реализующий функции автосегментации портов при обнаружении неисправностей, приписывания портов внутренним сегментам концентратора, и ряд других. Как правило, встроенные модули управления «по совместительству» выполняют роль SNMP-агентов, поставляющих данные о состоянии устройства для систем управления.
Анализаторы протоколов (Protocolanalyzers). Представляют собой программные или аппаратно-программные системы, которые ограничиваются, в отличие от систем управления, лишь функциями мониторинга и анализа трафика в сетях. Хороший анализатор протоколов может захватывать и декодировать пакеты большого количества протоколов, применяемых в сетях, — обычно несколько десятков. Анализаторы протоколов позволяют установить некоторые логические условия для захвата отдельных пакетов и выполняют полное декодирование захваченных пакетов, то есть показывают в удобной для специалиста форме вложенность друг в друга пакетов протоколов разных уровней с расшифровкой содержания отдельных полей каждого пакета.
Оборудование для диагностики и сертификации кабельных систем. Условно это оборудование можно поделить на четыре основные группы: сетевые мониторы, приборы для сертификации кабельных систем, кабельные сканеры и тестеры (мультиметры).
Экспертные системы. Этот вид систем аккумулирует человеческие знания о выявлении причин аномальной работы сетей и возможных способах приведения сети в работоспособное состояние. Экспертные системы часто реализуются в виде отдельных подсистем различных средств мониторинга и анализа сетей: систем управления сетями, анализаторов протоколов, сетевых анализаторов. Простейшим вариантом экспертной системы является контекстно-зависимая help-система. Более сложные экспертные системы представляют собой так называемые базы знаний, обладающие элементами искусственного интеллекта. Примером такой системы является экспертная система, встроенная в систему управления Spectrum компании Cabletron.
Многофункциональные устройства анализа и диагностики. В последние годы в связи с повсеместным распространением локальных сетей возникла необходимость разработки недорогих портативных приборов, совмещающих функции нескольких устройств: анализаторов протоколов, кабельных сканеров и даже ряд возможностей ПО сетевого управления.
Однако в отдельной сети Ethernet формальные процедуры управления сетью внедрять, как правило, не стоит. Достаточно провести тщательное тестирование сети после инсталляции и время от времени проверять уровень нагрузки. Сломается — почините.
Если у вас задействованы глобальная сеть или сложные ЛВС, рассмотрите вопрос приобретения выделенных станций управления сетью со специальным программным обеспечением.
2.5. Поиск неисправностей
Операционные системы и аппаратные средства, на которых они работают, время от времени выходят из строя. Задача администратора — диагностировать сбои в системе и в случае необходимости вызвать специалистов. Как правило, найти неисправность бывает намного сложнее, чем устранить ее.
Если вы обнаружили, что какой-то из узлов сети работает некорректно или вовсе отказывается работать, вам стоит обратить внимание на светодиодные индикаторы при включенном концентраторе и компьютерах, соединенных кабелями. Если они не горят, то очень вероятно, что причина заключается в следующем:
* Адаптеры некорректно сконфигурированы. Чаще всего при инсталляции сети проблем не возникает до тех пор, пока не будут подключены кабели, а иногда и до попытки получить доступ к сетевым ресурсам. Обычно источником проблемы является конфликт IRQ (два устройства используют одно прерывание). Такие ситуации не всегда легко обнаружить программными средствами, поэтому внимательно проверьте установки прерываний для всех устройств компьютера (звуковые платы, параллельные и последовательные порты, приводы CD-ROM, другие сетевые адаптеры и т.п). Иногда в определении доступного прерывания может помочь программа конфигурирования и/или диагностики адаптера. В некоторых случаях проблемы возникают при использовании на современных компьютерах с шиной PCI для сетевого адаптера IRQ 15, даже если это прерывание не используется.
* Адаптер не отвечает на запросы. Если после включения компьютера программа диагностики не может обнаружить адаптер или детектирует сбой при внутреннем тесте, попробуйте заменить адаптер или обратитесь к его производителям.
* Если проверка адаптеров и кабелей доказала их работоспособность, причиной возникновения проблем могут быть некорректные параметры драйвера сетевого адаптера. Проверьте корректность параметров и сам драйвер (он должен быть предназначен для используемого вами адаптера). Дополнительную информацию можно найти в описании адаптера.
* Концентраторы редко являются источником проблем, однако одной из наиболее распространенных проблем такого рода является отсутствие питания. Иногда неисправный сетевой адаптер может нарушить работу порта в концентраторе. Для проверки адаптера пользуйтесь диагностическими программами из комплекта адаптера.
[pagebreak]
2.6. Ведение локальной документации
Настраивая конфигурацию под конкретные требования, вы вскоре обнаружите, что она значительно отличается от той, что описана в документации (базовой конфигурации). Скорее всего, вы не вечно будете занимать место системного администратора и рано или поздно на ваше место придет другой человек. Известно, что бывших супругов и бывших системных администраторов редко вспоминают добрым словом. Но, чтобы уменьшить количество «камней в ваш огород» и, что важнее, оградить себя от звонков и вопросов с места бывшей работы, системный администратор должен документировать все инсталлируемые программные средства, не входящие в стандартный пакет поставки, документировать разводку кабелей, вести записи по обслуживанию всех аппаратных средств, регистрировать состояние резервных копий и документировать правила работы с системой.
Также следует учитывать, что система учета, ядро, различные утилиты — все эти программы выдают данные, которые регистрируются и в конце концов попадают на ваши диски. Эти данные тоже являются локальной документацией, характеризующей работу конкретной системы. Однако срок полезной службы большинства данных ограничен, поэтому их нужно обобщать, упаковывать и наконец, выбрасывать.
Процедура ведения файлов регистрации в любой операционной системе представляет собой набор процедур, которые повторяются через определенное время в одном и том же порядке. Следовательно, ее необходимо автоматизировать.
В UNIX-системах для этой цели используется процесс cron. А программа syslog может удачно применяется в качестве полной системы регистрации. Она отличается высокой гибкостью и позволяет сортировать сообщения системы по источникам и степени важности, а затем направлять их в разные пункты назначения: в файлы регистрации, на терминалы пользователей и даже на другие машины. Одной из самых ценных особенностей этой системы является ее способность централизовать регистрацию для сети.
Администраторы Windows NT могут для тех же целей использовать утилиту PerformanceMonitor, разработанную для фиксации активности компьютера в реальном масштабе времени. С ее помощью можно определить большую часть узких мест, снижающих производительность. Эта утилита включена в Windows NT Server и Windows NT Workstation.
PerformanceMonitor основан на ряде счетчиков, которые фиксируют такие характеристики, как число процессов, ожидающих завершения операции с диском, число сетевых пакетов, передаваемых в единицу времени, процент использования процессора и другие. PerformanceMonitor генерирует полезную информацию посредством следующих действий:
* наблюдения за производительностью в реальном времени и в исторической перспективе;
* определения тенденций во времени;
* определения узких мест;
* отслеживания последствий изменения конфигурации системы;
* наблюдения за локальным или удаленными компьютерами;
* предупреждения администратора о событиях, связанных с превышением некоторыми характеристиками заданных порогов.
2.7 Контроль защиты
Основной особенностью любой сетевой системы является то, что ее компоненты распределены в пространстве, а связь между ними осуществляется физически — при помощи сетевых соединений (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.д.) и программно — при помощи механизма сообщений. К сетевым системам наряду с обычными (локальными) атаками, осуществляемыми в пределах одной операционной системы, применим специфический вид атак, обусловленный распределенностью ресурсов и информации в пространстве, — так называемые сетевые (или удаленные) атаки. Они характеризуются тем, что, во-первых, злоумышленник может находиться за тысячи километров от атакуемого объекта, а во-вторых, нападению может подвергнуться не конкретный компьютер, а информация, передающаяся по сетевым соединениям.
Системный администратор должен реализовывать стратегию защиты и периодически проверять, не нарушена ли защита системы.
Естественно, абсолютная защита сети невозможна, однако задача каждого администратора — сделать все возможное для максимального ее улучшения. При построении системы защиты разумно придерживаться следующих принципов:
* Актуальность. Защищаться следует от реальных атак, а не от фантастических или же архаичных.
* Разумность затрат. Поскольку 100% защиты вы все равно не обеспечите, необходимо найти тот рубеж, за которым дальнейшие траты на повышение безопасности превысят стоимость той информации, которую может украсть злоумышленник.
Конечно же, действия, которые вы должны предпринять для защиты своего сервера очень зависят от того, какую операционную систему вы используете. Однако есть ряд простых правил, которые пригодятся любому системному администратору.
* Внимательно прочитайте руководство по администрированию системы, вы наверняка найдете там полезные советы, которыми захотите воспользоваться.
* Запустите программу автоматизированного контроля вашего хоста — типа Internet Scanner. Система Internet Scanner может быть запущена на одной из платформ (Windows NT, Windows 2000, HP/UX, AIX, Linux, Sun OS, Solaris). Используется она для анализа защищенности систем.
* Загляните на серверы CERT (http://www.cert.org/) или CIAC (http://ciac.llnl.gov/) и внимательно прочитайте относящиеся к вашей ОС бюллетени за последнее время. Установите все рекомендуемые заплатки и сконфигурируйте систему, как полагается.
* Правильно настройте (или установите) межсетевой экран. Поставьте монитор всех входящих соединений (например, tcp_wrapper).
* Запустите последний взломщик паролей. Здесь у вас большое преимущество перед хакерами — у вас уже есть файл с хэшированными паролями.
* Проверьте настройки основных Интернет-служб (http, ftp). Максимально используйте анонимный доступ, чтобы предотвратить передачу паролей по сети в открытом виде. При необходимости разграничения доступа используйте стойкие протоколы типа SSL.
* У всех остальных сетевых служб также по возможности используйте аутентификацию, не включающую передачу пароля открытым текстом.
* Выбросьте некоторые малоиспользуемые службы. Особенно это касается администраторов UNIX-серверов: давно не используемый, но существующий на вашем сервере сервис типа finger, talk, rpc может стать той самой «дырой» в системе безопасности, через которую сможет проникнуть (или уже проник) хакер.
* Поставьте proxy-сервер для дополнительной аутентификации извне, а также для скрытия адресов и топологии внутренней подсети.
* Поставьте защищенную версию UNIX или другой операционной системы.
2.8. Подключение и удаление пользователей. Оказание им помощи
Создание бюджетов для новых пользователей и удаление бюджетов тех пользователей, которые уже не работают, — обязанность системного администратора. Процесс включения и удаления пользователей можно автоматизировать, но некоторые решения, от которых зависит включение нового пользователя, должен принимать администратор.
Очень часто сотрудники предприятия оказываются самым слабым звеном в системе его безопасности, поэтому системному администратору следует уделять больше внимания работе с пользователями системы. Иначе простой листочек бумаги с паролем, лежащий на рабочем месте забывчивой сотрудницы, сделает бесполезной выверенную настройку вашего межсетевого экрана.
Для усиления безопасности компьютерных систем компании разумными могут считаться следующие шаги:
* Привлечение внимания людей к вопросам безопасности.
* Осознание сотрудниками всей серьезности проблемы и принятие в организации политики безопасности.
* Изучение и внедрение необходимых методов и действий для повышения защиты информационного обеспечения.
Если вы работаете в крупной (более 100 человек) организации, то для определения уровня ее защищенности можно провести тест на проникновение. Этот метод позволяет выявить недостатки безопасности с точки зрения постороннего человека. Он позволяет протестировать схему действий, которая раскрывает и предотвращает внутренние и внешние попытки проникновения и сообщает о них.
Тест должен разрешить два основных вопроса:
* Все ли пункты политики безопасности достигают своих целей и используются так, как было задумано.
* Существует ли что-либо, не отраженное в политике безопасности, что может быть использовано для достижения злоумышленником своих целей.
Все попытки должны контролироваться обеими сторонами — как взломщиком, так и «клиентом». Это поможет протестировать систему гораздо более эффективно. Необходимо также свести к минимуму количество людей, знающих о проведении эксперимента.
Требуется создать и разработать различные варианты политики безопасности, определить правила корректного использования телефонов компьютеров и другой техники. Необходимо учитывать и неосведомленность в области безопасности, поскольку любые средства технического контроля могут быть использованы ненадлежащим образом. В итоге тестирование системы безопасности должно обеспечить вам защиту от проникновения.
3. Почему давят на системного администратора
Сети имеют тенденцию разрастаться, следовательно, вы будете вынуждены тратить все больше и больше времени на выполнение функций администратора. Вскоре окажется, что вы — единственный человек в своей организации, который знает, как решить целый ряд важнейших проблем.
Поскольку круг обязанностей системного администратора четко ограничить нельзя, от вас, скорее всего, потребуют, чтобы вы были не только штатным администратором, но и штатным инженером, писателем, а также секретарем.
Вместо этого мы предлагаем вам следующее: ведите работу на должном уровне, параллельно регистрируя время, затрачиваемое на системное администрирование. Собирайте доказательства, которые могут вам пригодиться, когда вы попросите руководство взять в штат еще одного администратора или освободить вас от «лишних» обязанностей.
С другой стороны, вы можете обнаружить, что системное администрирование вам нравится. В этом случае проблем с поиском работы у вас не будет.
Многие начинающие создатели своих собственных страничек и маленьких сайтов часто заблуждаются, думая, что как только они создадут и разместят свои творения на веб-сервере, к ним тут же ринутся волны посетителей, желающих прочитать об авторе и что-то скачать с сайта. Это далеко не так.
Обычные обитатели Интернета с большим интересом заглянут не к вам, а на какой-нибудь информационный портал. И действительно, нам куда больше хочется узнать что-либо о наших кумирах, нежели о каких-то обычных людях.
Правда, сейчас многие люди приобретают известность именно в виртуальном мире. Например, популярные авторы различных электронных изданий или рассылок, владельцы широко известных сайтов различной тематики. Многие компьютерные авторитеты приобрели значимость в сетевом мире благодаря своим публикациям на сайтах или активной переписке в различных форумах. Вы, конечно же, можете повторить такой путь, но, увы, для этого надо много работать и многому научиться, и здесь я вам никак не смогу помочь своим советом, так как дело это требует оригинального творческого подхода и не терпит повторений.
В процессе разработки сайта важно понимать, что вы создаёте своё собственное произведение. Не ровняйтесь ни на кого. Можно лишь почерпнуть идеи относительно дизайна, концепции, но содержание ваших страниц должно быть плодом вашего собственного умственного труда. Вы не должны публиковать на своём сайте чужие мысли, пусть они находятся у других. Вам нужно писать всё самостоятельно, ведь это важно не только для посетителей, но и для вас, так как именно практикуясь передавать другим информацию от себя, вы приобретаете столь ценный опыт. И не важно насколько хорошо у вас будет получаться, со временем вы научитесь и будете работать более профессионально. Для начала ознакомьтесь со схожими по тематике работами других людей. Вы можете многое для себя открыть. Узнав что-либо новое, не спешите всё это выдать посетителям, вначале сами всё осмыслите и разберитесь в новой информации, ведь вам могут задать вопросы, на которые будет стыдно не ответить.
Если вам вдруг понравятся некоторые материалы, и вы захотите выложить это добро на своём сайте, то заранее следует спросить об этом автора. Это поможет вам избежать в дальнейшем многих проблем. Например, у меня был такой случай, когда один ушлый паренёк из родного города Владивостока просто-напросто украл мою статью. Дело-то нехитрое. Просто убрал из работы все мои ссылки и сам назвался автором. Таким образом он обманом попытался наполнить свой сайт чужой информацией за что и был наказан. Не скажу, что я сделал, но статья быстро исчезла с сайта злоумышленника, а сам он был явно напуган. Не допускайте этого. Всегда и везде старайтесь соблюдать авторские права, тем более что, спросив у человека разрешение на использование его материалов, вы тем самым можете приобрести в его лице хорошего друга и единомышленника.
Важную роль перед раскруткой сайта играет степень его информационной ценности. Вся информация должна быть специальным образом распределена по тематическим подразделам. Не следует сразу на главной странице давать ссылки на все ваши странички. Лучше распределить всё содержание так, чтобы вашим посетителям было удобно смотреть интересующие его страницы без существенных затрат времени на поиск нужной ему информации. Не создавайте пустых разделов. Если вам нечего пока выложить, лучше не запутывайте читателей. Всё это плохо скажется на отношении к вам. Характерным признаком непрофессионализма является наличие страничек с коронной надписью "Under Construction". А рядом ещё могут поставить какую-нибудь анимированную картинку, взятую из заурядной графической библиотеки. Зачем создавать такие странички? Сайт должен содержать полезную информацию, чем полезнее она будет, тем легче будет впоследствии перейти к его раскрутке и дальнейшему расширению.
На стадии создания сайта также полезно знать, что постепенное наполнение информацией намного эффективнее нерегулярных обновлений в плане удержания аудитории. Постоянное добавление новых полезных и бесполезных :) материалов очень полезно. Особенно полезно это в начальной стадии развития сайта. Допустим, к вам на сайт пришёл посетитель. Куда он двинется вначале? Правильно! Смотреть ваши новости. Именно на стадии ознакомления с новостями сайта посетитель обычно делает вывод о том, насколько актуальна информация, предложенная ему на данном сервере.
Увидев, что вчера на вашем сайте появились свежие странички или другие интересные штучки, посетитель первым делом направится туда чтобы оценить вашу работу. Если вы достаточно часто обновляете свой веб-сайт, то могу вам с уверенностью сказать, что у вас будет формироваться постоянное ядро аудитории, состоящее из повторных посетителей. Люди будут регулярно посещать ваш сайт просто чтобы проверить не появилось ли на нём что-то новенькое. Такие посетители для вас самые ценные, берегите их. При обновлении сайта обязательно давайте знать об этом вашим читателям.
Продвижение сайта в интернете - дело нелёгкое. Всю работу по раскрутке можно разделить на несколько этапов. Разумеется, все эти этапы взаимосвязаны и могут укладываться в одни и те же временные рамки. Я бы выделил три основных этапа: первоначальное привлечение посетителей, удержание аудитории и дальнейшее продвижение.
Самый важный этап в развитии любого сайта заключается в первоначальном привлечении на него посетителей. На данном этапе вы заявляете на весь мир, что ваш сайт появился и содержит массу полезной информации. Вся работа заключается в регистрации сайта в различных поисковых системах и каталогах. Трудно заранее предсказать, откуда приток будущих посетителей будет больше. Тут всё зависит от тематики сайта и от организации того или иного каталога или поисковой машины. На своём примере скажу, что основная масса новых людей приходит на мой сайт с Yandex (http://yandex.ru/) и с Google (http://google.com/).
Данный факт распространяется не только на этот сайт , так как общий объём страниц огромен и весьма разнообразен по своему содержанию. Поисковые машины с лёгкостью выводят такие сайты на первых страницах результатов поиска. Но, увы, такая перспектива светит только сайтам, где содержится действительно полезная информация. Но что делать, например, если ваш сайт предлагает посетителям галерею ваших графических работ? Ну не фиксируют современные поисковики графические файлы. Обидно. В таких случаях советую под каждым изображением давать краткое описание. Это позволит посетителям находить ваши работы даже при помощи поисковых машин.
Другое дело - каталоги. Тут можно разгуляться вволю. Каталоги отличаются от поисковых машин тем, что информация о ресурсах вводится вручную в отличие от автоматических роботов поисковых машин. Поисковые машины легко обмануть, людей трудно. Обычно каталоги ресурсов обслуживаются людьми. Регистрируясь, вы заполняете предложенные поля, где соблюдая правила даёте информацию о своём сайте (Название, описание, ключевые слова для поиска, адрес, имя автора и так далее). Далее за работу берутся модераторы каталога.
Модератор - человек занимающийся регистрацией сайтов, следящий за актуальностью информации и работоспособностью ссылок. Также модераторы осуществляют роль цензоров. Именно они решают быть или не быть вашему сайту в каталоге. Поэтому никогда не передавайте им ложную информацию! Кстати, многие каталоги имеют свои собственные требования к регистрируемым ресурсам. Некоторые не берут сайты, располагающиеся на бесплатных серверах или содержащие информацию эротического характера. Но таких строгих каталогов немного, и вы с лёгкостью сможете зарегистрироваться в огромном количестве их менее требовательных коллег. Это правда не относится к каталогу сайтов РМП "ProtoPlex", куда попасть вообще сложно.
Прописаться в огромном количестве каталогов и поисковых машин нам помогают специальные программы и онлайновые службы. Есть такие сайты, которые абсолютно бесплатно предоставят вам возможность быстрой регистрации. Обычно всё происходит довольно быстро, на это может уйти менее часа при хорошей производительности. Все инструкции по использованию таких служб можно найти непосредственно на их серверах. Различные компьютерные программы-регистраторы также удобны при регистрации. Принцип их действия весьма прост и незатейлив. В основном всё сводится к копированию данных из буфера обмена в поля форм веб-сайтов. Примером такой программы может стать Allsubmitter.
Привлекая посетителей на сайт, можно воспользоваться услугами многочисленных виртуальных досок объявлений или попросту форумов. При этом информацию о вашем ресурсе важно подать грамотно, иначе результат будет обратным. Не публикуйте ваше объявление многократно, это может вызвать раздражение со стороны других обитателей сети. Засорение форумов, чатов, гостевых книг однообразной информацией называется на сетевом жаргоне "флудом". Не занимайтесь этим. Даже заманив посетителей таким образом, вы не добьетесь от них внимания и тем более заинтересованности в вашей информации. Более правильным подходом будет размещение объявлений в нескольких форумах, нежели размещение нескольких одинаковых объявлений в одном.
СПАМ - метод привлечения аудитории за счёт массовой непрошеной рассылки почтовых сообщений рекламного характера. Я категорически против этого. Это лёгкий путь. Эффективность данного метода резко падает, несмотря на всю изобретательность спаммеров. Очень грубый метод, который может привести к плачевным результатам. Можно лишиться почтового ящика, нажить врагов и даже выслушать грубые слова от своего провайдера. В последнем случае вы можете лишиться и провайдера.
Все вышеперечисленные методы увеличения аудитории являются самыми простыми и к тому же бесплатными. На халяву обычно слетается очень много желающих, вы можете утонуть в их потоке. Поэтому можно использовать более продвинутые способы. Я не буду говорить о платном размещении вашей рекламы на других сайтах. Это довольно дорогое и абсолютно ненужное удовольствие для начинающих. Стоит рассказать о методах, использованных в своё время мной.
Размещение своих авторских статей на других сайтах предусматривает размещение ссылки на сайт при указании авторских прав. Вы можете этим воспользоваться и предлагать свои материалы различным информационным сайтам, электронным издательствам и так далее. На практике можно увидеть хороший приток посетителей с таких ссылок. И это не требует от вас каких-либо действий в дальнейшем. Размещая свои собственные материалы у других, вы тем самым приобретаете известность, на вас легко могут выйти другие и попросить разрешение на публикацию ваших материалов. Это в свою очередь ускорит процесс раскрутки сайта.
Также можно открыть рассылку новостей вашего сайта посредством электронной почты. При этом приток посетителей можно получить от самих служб рассылок. Наиболее популярны сейчас Служба рассылок Городского Кота (http://subscribe.ru/), Контент (http://content.ru/) и MailList (http://maillist.ru/). Первая - самая старая и самая вредная. Новичкам тут трудно. Причин этого множество. Начиная с того, что информацию о вашей рассылке будет трудно найти в общем каталоге для новичков, и заканчивая требованиями администрации к качеству и содержанию рассылок.
Самым оптимальным вариантом я считаю Контент.Ру. Их политика весьма лояльна к новичкам и непрофессионалам. Служба очень удобна и, что самое главное, очень грамотно относится к привлечению подписчиков к новым рассылкам. Всё это и многое другое позволяют новичкам иметь более трёхсот подписчиков уже в первые дни существования рассылки. Но одно дело создать рассылку, другое дело её вести. Я не говорю, что это достаточно сложно и к чему-то вас обязывает. Я вам это утверждаю.
Для программистов существуют специальные каталоги программного обеспечения. Размещая на таких сайтах ссылки на свои программы, вы приобретаете не только аудиторию, но и фанатов. Различные сайты, посвящённые компьютерной графике и анимации имеют обширные галереи работ со ссылками на авторов. Поэты могут публиковать свои произведения на литературных сайтах и так далее.
Таким образом, существует очень много разных методов первоначальной раскрутки сайтов. Секрет успеха заключается в правильном использовании этих методов и, конечно-же, в постоянном совершенствовании вашего веб-узла. Ведь вы же хотите, чтобы ваш сайт был самым интересным и популярным?
Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако, сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.
Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие.
* Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.
* Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, frame relay и ATM, уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.
* Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.
* Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека TCP/IP.
Сообщество Internet уже несколько лет работает над разработкой новой спецификации для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.
Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF. Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6, а все остальные предложения группируются под названием IP Next Generation, IPng.
В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. К ним относятся дейтаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом.
* Использование более длинных адресов. Новый размер адреса - наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса.
* Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата.
* Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4.
* Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.
Адресация в IPv6
Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:
* Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
* Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
* Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.
Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.
Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.
Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.
Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.
Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.
Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.
Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.
В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.
Сегменты TCP
Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом.
В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.
Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.
Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.
Порты и установление TCP-соединений
В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами.
Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.
Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.
Установление соединения выполняется в следующей последовательности:
* При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).
* После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.
* Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.
* Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.
* Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.
Концепция квитирования
В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.
Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.
Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна".
Метод с простоями требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). В этом случае производительность обмена данными существенно снижается - хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода квитанции. Снижение производительности для этого метода коррекции особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях.
Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова.
Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола.
Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения.
[pagebreak]
Реализация скользящего окна в протоколе TCP
В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP.
Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции.
В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.
Выбор тайм-аута
Выбор времени ожидания (тайм-аута) очередной квитанции является важной задачей, результат решения которой влияет на производительность протокола TCP.
Тайм-аут не должен быть слишком коротким, чтобы по возможности исключить избыточные повторные передачи, которые снижают полезную пропускную способность системы. Но он не должен быть и слишком большим, чтобы избежать длительных простоев, связанных с ожиданием несуществующей или "заблудившейся" квитанции.
При выборе величины тайм-аута должны учитываться скорость и надежность физических линий связи, их протяженность и многие другие подобные факторы. В протоколе TCP тайм-аут определяется с помощью достаточно сложного адаптивного алгоритма, идея которого состоит в следующем. При каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме (время оборота).
Получаемые значения времен оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. Это делается с тем, чтобы усилить влияние последних замеров. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент. Практика показывает, что значение этого коэффициента должно превышать 2. В сетях с большим разбросом времени оборота при выборе тайм-аута учитывается и дисперсия этой величины.
Реакция на перегрузку сети
Варьируя величину окна, можно повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то возникают очереди в промежуточных узлах-маршрутизаторах и в конечных узлах-компьютерах.
При переполнении приемного буфера конечного узла "перегруженный" протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. Однако даже после этого приложение может послать сообщение на отказавшийся от приема порт. Для этого, сообщение должно сопровождаться пометкой "срочно" (бит URG в запросе установлен в 1). В такой ситуации порт обязан принять сегмент, даже если для этого придется вытеснить из буфера уже находящиеся там данные.
После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна.
Другим проявлением перегрузки сети является переполнение буферов в маршрутизаторах. В таких случаях они могут централизовано изменить размер окна, посылая управляющие сообщения некоторым конечным узлам, что позволяет им дифференцировано управлять интенсивностью потока данных в разных частях сети.
Формат сообщений TCP
Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:
* Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;
* Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;
* Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;
* Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;
* Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;
* Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;
* Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:
* URG - срочное сообщение;
* ACK - квитанция на принятый сегмент;
* PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
* RST - запрос на восстановление соединения;
* SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
* FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.
* Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;
* Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;
* Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;
* Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;
* Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.
Поиск
