Прежде всего, микроконтроллер это процессор со всеми его "атрибутами", плюс встроенная, энергонезависимая память (программ и данных), что позволяет отказаться от внешней памяти программ и поместить программу в его энергонезависимую память.
Это позволяет создавать очень простые (в схемотехническом отношении) и компактные устройства, выполняющие, тем не менее, достаточно сложные функции. Иногда даже диву даешься: эта маленькая "штучка" заменяет целую "груду старого железа"
Любой микроконтроллер, по своим возможностям, конечно же, уступает процессору компьютера, но тем не менее, существует весьма обширный класс устройств, которые преимущественно реализуются именно на микроконтроллерах. И в самом деле, компьютер в карман не положишь и от батареек его не запитаешь. Поэтому, во многих случаях, микроконтроллерам просто нет альтернативы. "Сердцем" микроконтроллера является арифметико - логическое устройство (АЛУ).
Проще всего его представить в виде банального калькулятора, кнопками которого управляет программа, написанная на языке ассемблер (то есть, программист). Если вдуматься, то ничего особо сложного, в механизме управления такого рода калькулятором, нет. И в самом деле, если нужно, например, сложить числа А и В, то в тексте программы сначала задаются константы А и В, а затем дается команда "сложить". Программисту вовсе не обязательно знать, что происходит с нулями и единицами (разве только только для общего развития), ведь калькулятор он на то и калькулятор, чтобы избавить пользователя от "возни" с машинными кодами и прочими "неудобоваримостями".
Когда Вы работаете с компьютером, Вам и не нужно детально знать, что происходит в дебрях операционной системы.
Если Вы туда "полезете", то "с ума сойдете", а микроконтроллер, по своей сути, есть тот же самый компьютер, но только простой. Программисту только нужно детально знать, каким именно образом "приказать железяке" сделать то, что необходимо для достижения задуманного. Микроконтроллер можно представить себе как некий универсальный "набор" многофункциональных модулей (блоков), "рычаги управления" которыми находятся в руках программиста. Этих "рычагов" достаточно большое количество, и естественно, их нужно освоить и точно знать, что именно произойдет, если "дернуть" (дать команду на языке ассемблер) за тот или иной "рычаг". Вот здесь-то уже нужно знать, как "отче наше", каждую деталь и не жалеть на это "узнавание" времени. Только таким образом пустую "болванку" (незапрограммированый ПИК) можно "заставить"
выполнять какие-то "осмысленные" действия, результат большей части которых можно проверить в симуляторе MPLAB (об этом - позднее), даже не записывая программу в ПИК.
Итак, необходим переход к "модульному" мышлению. Любой микроконтроллер можно уподобить детскому конструктору, в состав которого входит множество всяких предметов, манипулируя с которыми, можно получить тот или иной конечный "продукт". Давайте с ними разберемся и "разложим все по полочкам". В качестве примера я буду использовать один из самых распространенных PIC контроллеров PIC16F84A. Он является как бы "проматерью" более сложных ПИКов, содержит минимальный "набор" модулей и как нельзя лучше подходит для первичного "въезда в м/контроллеры".
Энергонезависимая память.
Начнем с энергонезависимой памяти (память программ и память данных).
Информация, заложенная в энергонезависимую память, сохраняется при выключении питания, и поэтому именно в нее записывается программа.
То "место" энергонезависимой памяти, куда записывается программа, называется памятью программ. Объем памяти программ может быть различен. Для PIC16F84A, он составляет 1024 слова. Это означает, что он предназначен для работы с программами, объем которых не превышает 111024 слов.
Слово памяти программ не равно одному байту (8 бит), а больше его (14 бит). Отдельная команда, которую ПИК будет в дальнейшем выполнять, занимает одно слово в памяти программ. В зависимости от названия этой команды в ассемблере, слово принимает то или иное числовое значение в машинном коде. После записи в ПИК "прошивки" программы, слова памяти программ (машинные коды) как бы "превращаются" в команды, которые располагаются, в памяти программ, в том же порядке, в котором они следуют в исходном тексте программы, написанном на языке ассемблер, и в том же порядке им присваиваются адреса, при обращении к которым, та или иная команда "извлекается" из памяти программ для ее выполнения. Последовательность же их выполнения определяется логикой программы. Это означает то, что выполнение команд может происходить не в порядке последовательного возрастания их адресов, с шагом в одну позицию (так называемый инкремент), а "скачком". Дело в том, что только уж самые простейшие программы, в пределах одного их полного цикла, обходятся без этих "скачков", называемых переходами, и выполняются строго последовательно. В остальных же случаях, так называемая (мной) "рабочая точка программы" "мечется по тексту программы как угорелая" (как раз благодаря этим самым переходам).
Термин "рабочая точка программы" - моя "самодеятельность". В свое время, я был очень сильно удивлен отсутствием чего-то подобного в информации, связанной с объяснением работы программ. Казалось бы, чего проще, по аналогии, например, с рабочей точкой транзистора, сделать более комфортным "въезд в механику" работы программ? Так нет же, как будто специально, придумываются такие "головокружительные заменители", причем, в различных случаях, разные, что запутаться в этом очень просто. Итак, рабочую точку программы можно представить себе в виде некоего "шарика от пинг-понга", который "скачет" по командам текста программы в соответствии с алгоритмом (логикой) исполнения программы. На какую команду "шарик скакнул", та команда и исполняется. После этого он "перескакивает" на другую команду, она исполняется, и т.д. Эти "скачки" происходят непрерывно и в течение всего времени включения питания устройства (исполнения программы).
Любая более-менее сложная программа разбивается на части, которые выполняют отдельные функции (своего рода программки в программе) и которые называются подпрограммами. Атрибут любой подпрограммы - функциональная законченность производимых в ней действий.
По сути своей, эта "выдумка" введена в программирование для удобства реализации принципа "разделяй и властвуй": "врага" ведь гораздо легче "разгромить по частям, чем в общей массе". Да и порядка больше.
Безусловные переходы (переходы без условия) между подпрограммами (если они последовательно не переходят одна в другую), осуществляются при помощи команд безусловных переходов, в которых обязательно указывается адрес команды в памяти программ (косвенно - в виде названия подпрограммы или метки), на которую нужно перейти. Существуют также переходы с условием (условные переходы), то есть, с задействованием так называемого стека. Более подробно о переходах я расскажу позднее. Адреса команд определяются счетчиком команд (он называется PC). То есть, каждому состоянию счетчика команд соответствует одна из команд программы. Если команда простая, то счетчик просто инкрементируется (последовательно выполняется следующая команда), а если команда сложная (например, команда перехода или возврата), то счетчик команд изменяет свое состояние "скачком", активируя соответствующую команду.
Примечание: инкремент - увеличение на единицу величины числа, с которым производится эта операция, а декремент - уменьшение на единицу (так называемые комплиментарные операции). В простейшем случае, то есть в случае отсутствия в программе переходов, счетчик команд PC, начиная с команды "старта" (нулевой адрес), многократно инкрементируется, 12 последовательно активизируя все команды в памяти программ. Это означает, что в большинстве случаев, за каждый так называемый машинный цикл (такт работы программы: для ПИКов он равен четырем периодам тактового генератора) работы ПИКа, происходит исполнение одной команды. Есть и команды исполнение которых происходит за 2 машинных цикла (м.ц.), но их меньше. Команд, которые исполняются за 3 м.ц. и более нет. Таким вот образом, на большинстве участков программы (я их называю "линейными участками"), последовательно и перебираются адреса в памяти программ (команды последовательно исполняются).
В более сложных программах, с большим количеством условных и безусловных переходов, работу счетчика команд PC можно охарактеризовать фразой "Фигаро здесь, Фигаро там". 1 машинный цикл (м.ц.) равен 4-м периодам тактового генератора ПИКа. Следовательно, при использовании кварца на 4 Мгц., 1 м.ц.=1 мкс. Выполнение программы, в рабочем режиме (кроме работы в режиме пониженного энергопотребления SLEEP), никогда не останавливается, то есть, за каждый машинный цикл (или за 2, если команда исполняется за 2 м.ц.) должно выполняться какое-либо действие (команда). Тактовый генератор, формирующий машинные циклы, работает постоянно. Если его работу прервать, то исполнение программы прекратится.
Может сложиться ложное представление о том, что работу программы можно на какое-то время остановить, используя одну или несколько команд – "пустышек", не производящих полезных действий (есть такая команда NOP). Это представление не верно, так как в этом случае, речь идет только о задержке выполнения следующих команд, а не об остановке исполнения программы. Программа исполняется и в этом случае, так как "пустышка" есть та же самая команда программы, только не производящая никаких действий (короткая задержка). Если же нужно задержать выполнение каких-либо последующих команд на относительно длительное время, то применяются специальные, циклические подпрограммы задержек, о которых я расскажу позднее. Даже тогда, когда программа "зависает" ("глюк"), она исполняется, просто только не так, как нужно. Остановить (в буквальном смысле этого слова) исполнение программы можно только прекратив работу тактового генератора. Это происходит при переходе в режим пониженного энергопотребления (SLEEP), который используется в работе достаточно специфических устройств. Например, пультов дистанционного управления (и т.д.).
Отсюда следует вывод: программы, не использующие режим SLEEP (а таких - большинство), для обеспечения непрерывного выполнения команд программы, обязательно должны быть циклическими, то есть, иметь так называемый полный цикл программы, причем, многократно повторяющийся в течение всего времени включения питания. Проще говоря, рабочая точка программы должна непрерывно (не останавливаясь) "мотать кольца" полного цикла программы (непрерывно переходить с одного "кольца" на другое).
Общие выводы:
1. Команды программы "лежат" в памяти программ в порядке расположения команд в тексте программы.
2. Адреса этих команд находятся в счетчике команд PC и каждому адресу соответствует одна из команд программы.
3. Команда активируется (исполняется), если в счетчике команд находится ее адрес.
4. Активация команд происходит либо последовательно (на "линейном" участке программы), либо с переходом ("скачком") на другую команду (при выполнении команд переходов), с которой может начинаться как подпрограмма (переход на исполнение подпрограммы), так и группа команд, выделенная меткой (переход на исполнение группы команд, которой не присвоен "статус" подпрограммы).
5. Выполнение команд программы никогда не останавливается (за исключением режима SLEEP), и поэтому программа должна быть циклической.
Кроме памяти программ, PIC16F84A имеет энергонезависимую память данных (EEPROM память данных). Она предназначена для сохранения данных, имеющих место быть на момент выключения питания устройства, в целях их использования в дальнейшем (после следующего включения питания). Так же, как и память программ, память данных состоит из ячеек, в которых "лежат" слова. Слово памяти данных равно одному байту (8 бит). В PIC16F84A, объем памяти данных составляет 64 байта. Байты, хранящиеся в памяти данных, предназначены для их считывания в стандартные 8-битные регистры, речь о которых пойдет далее. Данные из этих регистров могут быть записаны в EEPROM память данных, то есть, может быть организован обмен данными между памятью данных и регистрами. Например, именно EEPROM память данных я использовал в своем частотомере для сохранения последних, перед выключением питания, настроек. Она же используется и для установки значений промежуточной частоты. Во многих программах, память данных вообще не используется, но это "вещь" исключительно полезная, и далее я расскажу о ней подробнее.
Анимированное кино существует и развивается уже сто лет. Оно стало считаться одним из видов искусства. Год от года неуклонно возрастет число анимационных проектов. Такие картины, как Final Fantasy, Shrek, Little Stuart, The Incredibles, Finding Nemo претендуют на престижную премию Оскара. Возможно наступит момент, когда актеров заменят их трехмерные двойники.
Трехмерные сцены становятся все реалистичными, а их себестоимость снижается. Без трехмерных декораций не обходится ни один современный экшн.
Как создается трехмерная анимация.
Анимированное кино существует и развивается уже сто лет. Оно стало считаться одним из видов искусства. Год от года неуклонно возрастет число анимационных проектов. Такие картины, как Final Fantasy, Shrek, Little Stuart, The Incredibles, Finding Nemo претендуют на престижную премию Оскара. Возможно наступит момент, когда актеров заменят их трехмерные двойники.
Трехмерные сцены становятся все реалистичными, а их себестоимость снижается. Без трехмерных декораций не обходится ни один современный экшн.
Трехмерная анимация постепенно вытесняет классическую двухмерную мультипликацию. Многие мультяшные герои или "уходят на пенсию" (с ними просто больше не делают новых мультфильмов), или обретают новую жизнь в 3D. Например, мультфильм с моряком Папаем, сделанный при помощи 3D-редактора Softimage|XSI.
В 2004-ом году известная анимационная студия Blur Studio представила первый анимационный трехмерный проект про Микки Мауса и других диснеевских героев.
Три мультфильма общей продолжительностью 40 минут стали самым крупным проектом за девятилетнюю историю Blur Studio.
Работа над проектом велась совместно 3D-аниматорами Blur и художниками Disney Studios, которые в свое время рисовали Дональда, Плуто и прочих персонажей. Для того чтобы максимально сохранить особенности движения и внешнего вида персонажей при переносе их в трехмерный мир, ведущий аниматор студии Disney Андреас Дежа (Andreas Deja) все время давал советы коллегам-3D-художникам. Результатом остались довольны все, и в Blur и в Studio надеются, что проект не будет последним.
Метод ключевых кадров.
Современная техника анимации кардинально отличается от анимационных фильмов выпускавшихся двадцать, пятьдесят лет назад.
А до появления трехмерной графики существовала так называемая кукольная анимация. Делалась она так: снимался один кадр с мультипликационным героем, затем, например, руку персонажа передвигали на очень небольшое расстояние и опять снимали один кадр. Вся работа состояла в том, чтобы снять на пленку все положения руки мультяшного героя. Что же касается рисованной анимации, каждый кадр рисовался вручную.
В компьютерной анимации все гораздо проще. Аниматор задает в программе только два положения руки - верхнее и нижнее, а все промежуточные положения просчитываются компьютером. Кадры, которые фиксируют начальное и конечное положение тела, называютсяключевыми.
Используя метод ключевых кадров, можно "оживить" практически любые параметры анимационной сцены. Продолжительность анимации зависит от количества промежуточных кадров между ключевыми.
Если математически отобразить зависимость анимированного параметра (или ключа анимации, как его еще называют) от времени, каждый ключевой кадр будет характеризоваться двумя кривыми, которые определяют функциональные зависимости анимированного параметра на промежутке между текущим ключевым кадром и предыдущим, а также настоящим ключевым кадром и следующим. Во многих редакторах для работы с трехмерной графиков подобной графической зависимостью можно управлять, определяя характер анимации.
Преимущество метода ключевых кадров перед классической техникой создания анимации очевидно: аниматор тратит на создание проекта гораздо меньше времени. Большая часть рутинной работы, которая ранее выполнялась вручную, сегодня переложена на компьютер.
Проблемы при создании анимации методом ключевых кадров.
Несмотря на универсальность и простоту техники ключевых кадров, существуют случаи, когда использование этого метода не позволяет добиться желаемого результата. Это касается тех сцен, в которых необходимо отобразить эффекты, подчиняющиеся законам физики.
В реальной жизни все, что нас окружает, постоянно изменяется - шторы слабо двигаются, по озеру бежит мелкая рябь и так далее. Аниматору очень трудно воссоздать такую картину методом ключевых кадров.
Если сцена содержит большое количество анимированных объектов, установить для каждого из них свой набор ключевых кадров очень сложно. Поскольку подбор параметров значений анимированных параметров в каждом из ключевых кадров производится методом проб и ошибок, на подгонку такой сцены уйдет очень много времени.
Кроме этого, при помощи ключевых кадров 3D-аниматору бывает очень сложно воссоздать реалистичную анимацию некоторых объектов: жидкости, материи, огня, волос, разбивающихся предметов. Алгоритм решения этих проблем настолько сложен, что его разработкой занимаются целые институты.
Каждая программа для создания динамики в трехмерных сценах по-своему уникальна, имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому при выборе программного обеспечения руководитель анимационного проекта обычно учитывает задачи, которые планируется выполнить на данном этапе.
Помимо проблем, связанных с моделированием физических процессов, существует еще одна трудность, связанная с анимированием большого количества объектов в сцене. Создать простую, на первый взгляд, сцену с горящим бенгальским огнем при помощи ключевых кадров невозможно. Вручную задать траекторию движения для каждой из огромного количества разлетающихся искр - задача практически невыполнимая. В этом случае в трехмерной анимации используются так называемые источники частиц. Их особенность в том, что они позволяют одновременно управлять большим количеством объектов. Значимость частиц в трехмерной графике столь велика, что некоторые 3D-редакторы имеют сложные системы управления источниками частиц, которые позволяют тонко настроить анимационные эффекты с учетом изменения скорости движения частиц, размера, цвета, формы, изменения положения в пространстве и т.д.
Персонажная анимация.
Создание персонажной анимации - это один из важнейших этапов создания трехмерного проекта.
Любую анимацию можно условно разделить на два типа: реалистичная и нереалистичная. Персонажная анимация может быть как реалистичной, так и нереалистичной, однако, зрителем она лучше воспринимается, если напоминает движения, совершаемые реальными существами. Даже если персонаж анимации - это вымышленное существо, плод воображения художника, лучше, чтобы его движения были правдоподобны. В противном случае персонаж будет выглядеть безжизненным манекеном.
Характер движения любого существа определяется анатомическим строением его скелета. Поэтому при создании трехмерной анимации сначала создается модель скелета существа, на который позже "одевается" оболочка.
"Одевание" оболочки - это тоже достаточно трудоемкий процесс, ведь нужно "привязать" кости к соответствующим частям тела таким образом, чтобы при изменении положения скелета оболочка деформировалась реалистично.
Создавать анимацию скелета будущего персонажа можно двумя способами: вручную, с помощью ключевых кадров, и используя систему захвата движения Motion Capture. Последний способ получил широкое распространение и используется практически по всех коммерческих анимационных проектах, так как имеет ряд преимуществ перед методом ключевых кадров.
Технология Motion Capture использовалась, например, в анимационном фильме - <Полярный экспресс> (The Polar Express). В этом фильме известный актер Том Хенкс, играл сразу несколько ролей: маленького мальчика, проводника поезда, бродягу и Санта Клауса. При этом, во многих анимационных сценах актер играл сам с собой. Конечно же, все герои мультфильма были трехмерными, но Том Хенкс управлял их действиями, жестами и даже мимикой. Актер одевал специальное одеяние с датчиками, напоминающее гидрокостюм, совершал действия перед специальным устройством, а компьютер получал информацию об изменении положения отметок на костюме и моделировал, таким образом, движения трехмерного персонажа. Подобные датчики были установлены и на лице актера, что позволило переносить на анимационных героев его мимику.
Понятно, что анимация персонажей, созданная с использованием технологии Motion Capture, более реалистична, чем полученная методом ключевых кадров.
Мимика персонажа.
Для создания мимики трехмерного персонажа, кроме метода Motion Capture, используется также метод морфинга. Все современные 3D-редакторы обычно имеют средства для создания морфинга.
Добиться высокой реалистичности при имитации мимики методом Motion Capture не всегда удается. Чтобы она была правдоподобной, необходимо имитировать движения огромного количества мускулов, а ведь на каждый мускул датчик повесить невозможно.
Поэтому для имитации мимики используется метод морфинга. Он заключается в том, что на основе модели, которая будет анимирована, создается определенное количество клонированных объектов. Затем каждый из этих объектов редактируется вручную - форма лица изменяется таким образом, чтобы на нем присутствовала та или иная гримаса. При создании мимики очень важно, чтобы лицо персонажа при анимации не выглядело однообразным. Для этого необходимо использовать модели-заготовки с самыми разными гримасами. Пусть на одной заготовке персонаж будет моргать, на другой - щуриться, на третьей - надувать щеки и т.д.
На основе этих моделей при помощи метода морфинга создается анимация. При этом, просчитывается, как изменяется лицо персонажа при переходе от выражения лица одной модели до гримасы, созданной на второй модели и т.д. Таким образом, каждая из моделей служит ключом анимации, в результате использования морфинга форма объекта изменяется, и создается мимика персонажа.
3D-аниматор, который профессионально занимается "оживлением" персонажей, должен быть не только художником, но и знатоком анатомии. Знания о строении тела и работе мускулов помогают создать реалистичные движения и выражения лица.
Если же персонаж не только ходит и кривляется, но еще и говорит, 3D-аниматор обязан превратиться еще и в лингвиста. Каждый звук, который произносит человек, сопровождается определенными движениями его губ, языка, челюсти. Для того чтобы перенести эти движения на трехмерную анимацию, нужно уметь разбивать речь на фонемы и создавать соответствующие их произношению движения на лице персонажа.
Виртуальные камеры.
Многие трехмерные анимационные эффекты создаются с помощью виртуальных камер. Эти вспомогательные объекты предназначены для того, чтобы изменять положение точки съемки в виртуальном пространстве.
Виртуальные камеры обладают всеми основными параметрами, которые присущи настоящим камерам. Так, например, для виртуальной камеры можно указать фокусное расстояние, установить свой тип линз и т.д.
Виртуальная камера, в отличие от настоящей, - это лишь вспомогательный объект, которого вы никогда не увидите на трехмерной анимации.
Трехмерная анимация заметно упрощает реализацию многих спецэффектов. Так, например, хорошо всем известный "эффект Матрицы", когда, камера медленно объезжает вокруг человека, замершего в прыжке, гораздо проще создать при помощи виртуальной камеры. Для реализации этого эффекта в фильме "Матрица" использовалось большое количество камер, расположенных вокруг объекта съемки. Все они зафиксировали положение человека в один и тот же момент времени. Из этих кадров была создана анимация, имитирующая "облет" вокруг объекта.
В трехмерной анимации законы физики не действуют, поэтому для создания такого эффекта достаточно зафиксировать в прыжке трехмерную модель человека и задать плавное движение виртуальной камеры вокруг него.
В реальном мире при съемке фото или видеокамерой быстро движущиеся объекты остаются на полученном изображении смазанными. Причем, размытие изображения в конкретном кадре указывает на направление движения заснятого объекта. Присутствие этого эффекта в трехмерной анимации делает ее более реалистичной.
Эффект смазанного движения (Motion Blur) позволяет создать в трехмерных анимированных сценах смазанный шлейф от быстродвижущихся объектов, и отобразить их такими, какими они выглядят при реальных съемках. Возможность использования эффекта смазанного движения имеется практически во всех модулях просчета изображения, которые используются в 3D-графике.
Сегодня 3D-анимация находится на ранней стадии своего развития но за ней большое будущее. Потребуется еще немало времени, пока в 3D будут созданы анимационные шедевры, которые можно будет сравнить с лучшими образцами классической анимации.
А пока все с удовольствием смотрят мультфильмы, выпущенные много лет назад. Такой например как мультфильм "Бемби", созданный студией Диснея шестьдесят три года назад и отреставрированный при помощи современных средств видеообработки.
Хочется надеяться, что такую же популярность, нерушимую временем, смогут снискать и трехмерные анимационные проекты будущего.
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.
Событие - это какое-либо действие, осуществляемое пользователем либо браузером. Например, когда мы щелкаем (кликаем) на ссылке - осуществляется событие, его перехватывает специальный обработчик и перенаправляет нас на нужную страницу; при наведении курсора (указателя мыши) на ссылку в строке состояния (обычно находится в нижней части окна браузера) отображается адрес, так как обработчик "наведения курсора на объект (в данном случае на ссылку)" помещает туда этот адрес и так далее...
а). onmouseout и onmouseover
Для начала наведем курсор на кнопку "Сброс" или "Отправить" и обратим внимание на строку состояния. Вы должны увидеть там надпись с объяснением значения кнопки. Теперь отведите курсор и строка состояния очистится.
Содержимое строки состояния хранится в переменной window.status. Переменная это некоторый объект (можно представить себе ящик), значение которого (содержимое которого) можно изменять. Изменение значения осуществляется операцией присваивания (=), а выглядит она следующим образом:
имя_переменной = "значение"; (какие использовать кавычки: одинарные или двойные значения не имеет)
Поэтому для того, чтобы изменить надпись в строке состояния, нам нужно присвоить переменной window.status нужное нам значение (подсказку к кнопке), а когда курсор будет убран - присвоить пустую строку("").
Вся задача сводится к тому, чтобы определить когда пользователь наводит курсор на кнопку, а когда убирает его. Для этого нужно "сказать" обработчикам этих событий выполнить нужное нам действие. Обработчик события "наведение курсора" - onmouseover, а "отведение курсора" - onmouseout.
Очень многие тэги имеют атрибуты, начинающиеся с on (onclick, onmouseout, onfocus и т. д.). Значение этих атрибутов и есть, задача которую необходимо выполнить соответствующему обработчику. То есть для обработчика onmouseout есть атрибут onmouseout, для onmouseover - onmouseover. И в итоге мы получаем следующее определение кнопок:
Как Вы видите, атрибут onmouseover имеет в качестве значения JavaScript-код: window.status='Щелкните для отправки данных', как только курсор достигает кнопки, обработчик события mouseover - onmouseover, смотрит, что хранится в атрибуте onmouseover и выполняет необходимое действие(присвоение значения переменной window.status). Аналогично действует и обработчик события onmouseout: как только курсор уводиться от кнопки (то есть выполняется событие mouseout), то обработчик события - onmouseout выполняет код, содержащийся в атрибуте onmouseout.
То же самое и со второй кнопкой.
б). <a href="Java Scriptfunction()">Function</a>
Теперь щелкните на ссылке и откроется окошко с подсказкой. Но заметьте, что окно небольших размеров и у него нет панели инструментов - такого силами html не сделаешь! В данном примере мы имеем окно размером 300x200, без панелей инструментов, содержащее документ help.html.
Для того чтобы создать такое окошко существует следующий JavaScript-код:
где:
1. helpWindow - это имя переменной (как window.status, только в данном случае имя выбирается произвольно). Эта переменная нужна для последующей работы с окном (например, закрыть его нестандартным способом - с помощью JavaScript-сценария).
- Зачем? Не проще ли указывать просто имя открывающейся страницы, например help.html?
- А если у нас две копии одной и той же страницы? Или две страницы с одинаковым именем(например, в разных папках)? Вот для того, чтобы не перепутать страницы и свободно работать именно с тем окном с которым предполагаешь и сделанно, так чтобы "окно" присваивалось переменной, так как имя переменной можно выбрать любое.
2. window.open(что-то) - это функция. Функции выполняют определенную задачу, в данном случае window.open() открывает новое окно.
3. help.html - это страница, которую нужно открыть.
4. "" - В кавычках должно быть имя окна, но оно нам не пригодится, поэтому там нулевая строка. В следующих кавычках указываются "параметры открываемого окна": оно не должно содержать панели инструментов (toolbar=0) и должно быть шириной 300 пикселей, а высотой - 200 (width=300,height=200, соответственно).
Теперь все, что нужно это по событию "щелчка" выполнить этот код, однако есть два "но". Во-первых строка очень длинная, чтобы присвоить ее какому-либо атрибуту - будет некрасиво смотреться, да и вызывать неудобства при чтении кода страницы. Во-вторых, первоначальное предназначение ссылки - это переход на другую страницу, но нам переходить никуда не нужно, нам нужно выполнить вместо этого JavaScript-код.
Первое решается написанием функции. Как я уже говорил функция выполняет некоторую задача, причем для использования функции достаточно указать ее имя. Можно не только использовать предопределенные(функции, которые имеется в языке и без нас), но и писать их самому. Обычно функции определяются(пишутся) в разделе HEAD документа, в котором используются:
"function" значит, что дальше будет написана наша функция; help() - это имя функции (оно будет указываться вместо тела функции (между { и })).
Вторая проблема решается тоже довольно просто. Адрес страницы указывается в атрибуте href, а нам надо выполнить JavaScript код вместо перехода по ссылке:
"Java Script" означает, что дальше должен идти JavaScript-код, и что он должен выполняться вместо стандартного перехода по ссылке. В данном случае наш JavaScript-код - это созданная нами функция help().
в). onclick
Нам не остается ничего более, как закрыть окно со справкой. Для этого воспользуемся кнопкой "Закрыть". Но нас интересует то, как работает эта кнопка, а имеет она следующий вид:
Дабы закрыть окно мы сделали щелчок(Click) на кнопке "Закрыть", а щелчок это нажатие и отпускание кнопки мыши, причем и то и другое должно быть произведено на одном и том же элементе (например, на кнопке). Кликая, на кнопке мы активируем обработчик события onClick, который выполняет для нас JavaScript-код, прописанный в атрибуте onclick нашей кнопки. Помните мы открывали окно? Мы писали window.open(), а здесь тоже самое только window.close(). window - это текущее окно, а close() - закрыть.
Это одно из наиболее частоупотребляемых событий.
г). onfocus и onblur
Ну что ж будем ближе подбираться к вводу требуемой от нас информации.
Как я уже говорил: элемент получает фокус когда на нем происходит нажатие кнопки мыши, или на него осуществляется переход посредством клавиши табуляции (Tab), а теряет, когда фокус получает другой элемент. Наше поле для ввода получит фокус тогда, когда пользователь решиться ввести информацию. При этом было бы удобно, чтобы текст с подсказкой ("Введите Ваше имя") автоматически выделялся и посетитель мог его удалить одним нажатием на del, а не удалять по одному символу, или выделять текст вручную. Удобство пользователя свято. Итак, для этого мы воспользуемся событием focus. Для выделения текста используется метод select(). То есть атрибутом к полю надо прописать: onfocus="this.select();", this обозначает, что выделение должно происходить именно в этом текстовом поле (а можно прописать путь и к другому, но это не целесообразно).
А теперь попробуйте ничего не изменяя (или все удалив) убрать фокус (например, щелкнув в любом месте окна, или нажав Tab). Это событие blur, я прописал в нем выполнение функции: onblur="check();". Сама же функция имеет следующий вид (в разделе head страницы с формой между <script> и </script>):
document.forms[0].name.value - это то, что введено в текстовое поле. document - это текущий документ, forms[0] - первая форма на нашей страницы (отсчет с нуля), name = имя поля (задается атрибутом name (<input name="name">)), а value это и есть нужное нам значение (то, что введенно в текстовое поле, к которому м ы и написали путь). Введенное в поле мы присваиваем переменной val (var значит, что дальше идет имя переменной), чтобы в дальнейшем каждый раз не писать весь путь целиком.
Следующее это оператор if(если). Он выглядит следующим образом:
Мы сравниваем содержание переменной val с пустой строкой ('') и с начальной строкой ('Введите Ваше имя'). Обратите внимание, что сравнение не как в математике(с одним =), а сравниваются двума ==. || - или. Функция alert выводит окно с ошибкой (то, что в скобках - это текст ошибки). То есть:
И на всякий случай приведу целиком строку с кодом поля input:
д). onreset и onsubmit
Допустим, что пользователь заполнил форму неправильно, и он хочет очистить все поля формы одновременно: для этого он воспользуется стандартной кнопкой reset. Но что если пользователь щелкнет на ней по случайности (рука дрогнет, или в суете спутает с кнопкой submit), а форма была огромная, и он долго мучился ее заполнять..., ему будет грустно, и еще он будет долго материться. Поэтому хорошо бы у него дополнительно спросить: действительно ли он хочет очистить форму.
Вообще событие reset обрабатывается до очистки формы. А чтобы отменить очистку вообще, нам просто напросто надо вернуть обработчику события значение false, то есть прописать в соответствующем атрибуте: "return false;", а чтобы продолжить очистку: "return true;". А теперь вспомним функцию, которая выдает вопрос пользователю на подтверждение чего-либо, эта функция: "confirm('Вопрос?');". При нажатии "Ok", эта функция заменяется на true, а при нажатии "Cancel" на false. То есть все что от нас требуется, это прописать в теге <form> атрибут: onreset="return confirm('Вы действительно хотите сбросить форму?');". Тогда при нажатии "Ok" там на самом деле будет "return true;", и форма будет очищена, а если "Cancel", то "return false;" и очистка формы будет отменена.
Подобным образом действует событие submit, которое возникает при попытке отправить форму. Поскольку в нашем случае форму отправлять никуда не надо, то у меня просто написано: onsubmit="return false;". И сколько бы Вы не щелкали ничего не изменится (разве что Вы JavaScript отключите).
Обычно же обработчик onsubmit используется для верификации формы (то есть проверки на заполнение всех необходимых полей, правильность их заполнения, скажем, проверка по определенному шаблону и т. п.), для этого создается функция, которая выполняет все действия. Функция должна содержать операторы "return true" и "return false", которые позволяют, заменить функцию на true или false, соответственно, в зависимости от результатов проверки (если успешно, то true, если нет false). Но верификация данных это обширная тема, которая не может быть рассмотрена здесь. Один из примеров базовой верификации я привел, когда объяснял событие blur - подобную функцию можно использовать и здесь. Тогда <form> будет содержать атрибут: onsubmit="return function();".
Но не забывайте, что нельзя ограничиваться одной лишь проверкой языком JavaScript, ибо его поддержка может быть отключена у посетителя, и тогда все Ваши труды по защите...
е). onmousedown и onmouseup
Еще одна пара событий не нашла достойного места на странице, но я ее реализовал в виде кнопки "Button". Причем это не обычная html-кнопка, она реализована в виде двух картинок. Исходная кнопка хранится в файле с именем npressed.jpg, а нажатая - pressed.jpg. Чтобы достичь эффекта нажатия кнопки нам необходимо, чтобы при при щелчке на ней(this) значение атрибута src (путь к картинке) тега <img> менялось на pressed.jpg, а при отпускании обратно на npressed.jpg. Нажатие кнопки обрабатывает onmousedown, а отпускание - onmouseup, то есть здесь все просто:
ж). onload, onunload и onabort
Обработчик события onload активируется, когда начинает загружаться графическая часть страницы (все тексты, графика и т.п.). onload является атрибутом тега <body>. Если честно я не вижу сколько бы реального применения этому событию, зато я нашел, что можно сделать с onunload. onunload это тоже атрибут тега <body>. Событие unload происходит когда мы пытаемся покинуть данную страницу (переходим по ссылке на другую, закрываем окно браузера, обновляем страницу и т. д.). Откройте еще раз окошко справки. Допустим, что пользователь прочитал справку, и хочет отправить форму, или уйдет с нашего сайта, но при этом он забыл закрыть это маленькое окошко с подсказкой, мы на выходе закроем его сами. А для этого тег <body> (у начального документа) у нас будет выглядеть следующим образом:
Вы должны бы помнить, что helpWindow это имя нашего окна (ведь именно этой переменной мы присваивали его открытие: helpWindow = window.open("help.html", "", "toolbar=0,width=300,height=200")), а метод close() закрывает это окно. Некоторые нехорошие люди используют это событие, чтобы когда посетители уходили с его страницы, появлялись какие-либо окна, так называемые pop-up.
onabort - атрибут тега <img>. Когда пользователь отменяет загрузку изображения происходит событие abort. Но отмена загрузки изображения может не входить в наши плане. И в качестве предупреждения у нас может быть написано нечто похожее на
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Есть некоторые события о которых я здесь нарочно не упомянул, потому что не нашел им достойного применения, но Вам они возможно пригодятся, поэтому я уделю им немного внимания.
onchange - обработчик события, который активируется, когда Вы изменяете содержимое текстового элемента или текстовой области (<TEXTAREA>) (например, когда Вы вводите или удаляете очередную букву какого-либо текстового поля).
onselect - обработчик события выбора текста. То есть это событие происходит, когда пользователь пытается выделить текст в текстовом элементе или текстовой области.
onerror - обработчик события error, которое возникает при ошибке загрузки документа или изображения (то есть onerror это атрибут тегов <body> и <img>). Оно возникает при синтаксической ошибке JavaScript-кода (но Вы ведь не будете специально делать в нем ошибки), либо ошибкой времени выполнения (например, если Ваш скрипт выполняет какие-либо вычисления и у Вас по ошибке получится так, что некое число будет делиться на ноль, а это недопустимо - это и есть одна из ошибок времени выполнения).
Так же не забывайте, что я привел лишь по одному примеру из десятков возможных на каждое событие. Здесь главное Ваша фантазия и навыки. Например, события mouseout, mouseover, mouseup, mousedown часто используются для создания выпадающих меню и других визуальных эффектов, но это весьма трудный материал, который требует более глубоких знаний, причем не одного JavaScript.
В этой статье будет рассмотрен скрипт, который создает анимацию в виде падающего снега. Анимация воспроизводится в заданной области web-страницы. Анимационный эффект, создаваемый данным скриптом выглядит весьма привлекательно, поэтому скрипт вполне может быть использован для создания анимированных логотипов, или блоков новогодних объявлений и поздравлений на сайте.
Область web-страницы, в которой производится анимация, задается элементом DIV с идентификатором ID_ANIMATE. Принцип работы скрипта заключается в вертикальном перемещении (с небольшими стохастическими перемещениями по горизонтали) элементов IMG, представляющих изображение снежинки в пределах этого элемента (элемент DIV с идентификатором ID_ANIMATE является элементом-контейнером для элементов IMG).
Элемент-контейнер DIV с идентификатором ID_ANIMATE определяется при помощи HTML-разметки в документе, в котором содержится скрипт. В этот элемент может быть помещено произвольное гипертекстовое содержимое, которое будет располагаться "на фоне" падающих снежинок, либо на фоне которого будут падать снежинки (это зависит от значения позиционного уровня этого содержимого). Код фрагмента HTML-разметки, определяющей элемент-контейнер DIV и его содержимое в демо-примере, приложенном к статье (см. демо-пример), приведен далее:
Параметры элемента-контейнера DIV (его размеры, схема позиционирования, значение свойства переполнения, цвет фона, параметры границы), а также перемещаемых в нем элементов IMG (схема позиционирования, размер, значение позиционного уровня), определяются правилами внедренной в документ таблицы слилей CSS:
Как можно видеть из листинга, элементам IMG, являющимся потомками элемента DIV с идентификатором ID_ANIMATE, назначается значение позиционного уровня 1. Поэтому, если вы хотите, чтобы "снежинки" двигались "под" остальным содержимым этого элемента, содержимому следует задать значение позиционного уровня больше 1 (как это сделано в демо-примере). Обратите также внимание на то, что элементам IMG назначена схема абсолютного позиционирования.
Теперь рассмотрим непосредственно работу скрипта. Полный листинг кода скрипта приведен далее.
Как можно видеть из листинга, в начале скрипта производится инициализация нескольких переменных. В переменную oAnimate заносится ссылка на DOM-объект элемента DIV с идентификатором ID_ANIMATE. Переменные nWidth и nHeight инициализируются значениями значения ширины и высоты этого элемента. Переменная nFSize должна содержать значение высоты (в пикселях) элементов изображений-снежинок (оно должно быть таким же, как задано в таблице стилей). Переменная strFlakeURL содержит URI ресурса изображения снежинки. Значение переменной nCount определяет общее количество движущихся изображений. Массив aoFlakes предназначен для хранения ссылок на DOM-объекты элементов изображений-снежинок.
Создание элементов изображений, добавление их в дерево документа, ссылок на DOM-объекты этих элементов в массив aoFlakes производится в процессе инициализации скрипта (см. окончание листинга кода скрипта). Значению свойства src DOM-объектов элементов изображений при этом присваивается значение переменной strFlakeURL. Для установки параметров движения каждого созданного элемента, вызывается функция ResetFlake. Для позиционирования соответствующего элемента IMG относительно элемента-контейнера DIV - UpdateFlakePos.
Функция ResetFlake устанавливает значения свойствам m_nX, m_nY и m_nSpeed DOM-объекта элемента, ссылка на который содержится в элементе массива aoFlakes с индексом, равным значению первого параметра ResetFlake. Свойство m_nX объекта хранит текущую координату по оси X, а свойство m_nY - по оси Y соответствующего элемента относительно контейнера. Свойство m_nSpeed определяет "скорость" движения элемента (величину его вертикального смещения на каждом шаге анимации). Функция ResetFlake устанавливает случайные значения свойствам m_nX и m_nSpeed. Свойству m_nY случайное значение устанавливается только в том случае, если параметр bRandY функции вычисляется в true (в этом случае элемент изображения снежинки будет иметь случайную позицию по вертикали). Иначе свойству m_nY устанавливаетя значение -nFSize (при этом изображение будет позиционироваться так, что оно будет полностью скрыто за верхней границей элемента-контейнера). При создании элементов изображений в процессе инициализации скрипта, ResetFlake вызывается со значением параметра bRandY, равным true.
Функция UpdateFlakePos принимает в качестве единственного параметра значение индекса в массиве aoFlakes и производит позиционирование элемента, ссылка на DOM-объект которого содержится в элементе массива aoFlakes с данным индексом в соответствии со значениями его свойств m_nX и m_nY.
Перемещение всех изображений-снежинок осуществляется функцией OnTimer, которая является обработчиком событий таймера, запускаемого в процессе инициализации скрипта.
Как можно видеть из приведенного ранее листинга кода скрипта, в функции OnTimer производится перебор всех DOM-объектов элементов изображений снежинок. Значение свойства m_nY каждого из этих объектов наращивается на величину его свойства m_nSpeed. Значение свойства m_nX изменяется на случайную величину, которая находится в диапазоне [-1..1] (так достигается случайное горизонтальное движение "снежинок"). В случае, если элемент изображения вышел за нижнюю границу элемента-контейнера, вызывается функция ResetFlake, которая устанавливает случайные значения свойств m_nX и m_nSpeed соответствующего объекта, а значение его свойства m_nY устанавливаетт в -nFSize. Затем вызывается функция UpdateFlakePos для перемещения конкретного элемента IMG в нужную позицию.
Проблемы соединения волоконных световодов приобрели особую актуальность при разработке технологии их промышленного применения. Выбор способа сращивания зависит от условий применения волоконной оптики.
Очевидно, что значительные преимущества при использовании волоконно-оптических технологий в телекоммуникационной отрасли, связанные с улучшением целого ряда технико-экономических показателей (возрастанием скорости передачи информации, увеличением длины регенерационного участка, уменьшением массогабаритных характеристик кабелей, экономией цветных металлов и др.), предопределят в будущем широкое внедрение волоконной оптики при построении линий связи различных уровней. Однако необходимо было разработать методики сращивания волоконных световодов, обеспечивающие высокие качественные и вместе с тем достаточно технологичные и доступные показатели, чтобы сделать возможным применение этих световодов не только в стационарных, но и в полевых условиях.
Строительная длина волоконно-оптического кабеля на практике устанавливается, исходя из ряда факторов. Прокладка больших длин кабеля неудобна вследствие необходимости сматывания с барабана и манипуляций с кабелем как во время прокладки в полевых условиях (при пересечении других подземных коммуникаций), так и в городских условиях (при прокладке в кабельную канализацию). Прокладывая кабель с помощью кабелеукладочной техники, также возникают неудобства, связанные с манипуляциями большими длинами, если для погрузочно-разгрузочных работ приходится использовать специализированную технику. Особенно остро стоит проблема манипуляции строительными длинами с большой удельной массой при прокладке глубоководных морских кабелей и кабелей для прибрежной зоны. Из-за необходимости инсталляции кабелей максимально возможной длины для их транспортировки по суше используются спаренные железнодорожные платформы, на которых кабели выкладываются в форме "8", а не на кабельные барабаны. Таким образом кабель транспортируется по суше до погрузки на судно.
Для соединения оптических волокон разработаны два способа соединений: разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения оптических волокон осуществляются методом сварки, методом склеивания, а также с помощью механических соединителей. Для создания разъемных соединений оптических волокон используются оптические коннекторы.
Соединения оптических волокон с помощью сварки
Соединение оптических волокон с помощью сварки является сегодня наиболее распространенным методом получения неразъемных соединений. Благодаря в достаточной мере совершенной технологии этот метод позволяет получать качественные соединения с низкими показателями вносимых потерь (порядка 0,1-0,15 дБ), что обуславливает его применение на линиях связи, где этот показатель входит в приоритетные - магистральные, зоновые и другие - высокоскоростные ВОЛС.
Сваривание оптических волокон предусматривает оплавление концов волоконных световодов путем помещения их в поле мощного источника тепловой энергии, как, например, поле электрического разряда, пламя газовой горелки, зона мощного лазерного излучения.
Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Достоинством метода сварки с помощью лазера можно считать возможность получения чистых соединений из-за отсутствия в них сторонних примесей, и, как следствие, достаточно малых вносимых потерь (0,1 дБ и менее). Как правило, в качестве источника лазерного излучения высокой мощности (до 5 Вт) используются газовые лазеры на СО2.
К достоинствам метода сварки с помощью газовой горелки следует также отнести возможность получения соединений оптических волокон, отличающихся высокой прочностью мест сростков. В качестве источника пламени используют смесь пропана с кислородом или соединение кислорода, хлора и водорода. Этот метод распространен по большей части для сварки многомодовых оптических волокон.
Основным достоинством сварки в поле электрического разряда является быстрота и технологичность. Этот метод в настоящее время приобрел наибольшую популярность для сварки одномодовых световодов.
Аппараты для сварки оптических волокон можно классифицировать следующим образом: по способу юстировки свариваемых концов оптических волокон (в зависимости от геометрических размеров сердцевин или от потерь мощности светового сигнала, распространяющегося через место сварки); по способу проведения операций (ручные или автоматические); по типу устройства контроля (микроскоп, монитор на жидких кристаллах); по количеству оптических волокон, которые могут быть сварены одновременно (одно- и многоволоконные).
При сварке оптических волокон в поле электрического разряда можно выделить такие технологические этапы:
* подготовка торцевых поверхностей соединяемых оптических волокон;
* надевание защитной термоусаживаемой гильзы на одно из соединяемых волокон;
* установка подготовленных концов оптических волокон в направляющие системы сварочного аппарата;
* юстировка свариваемых оптических волокон;
* предварительное оплавление торцов оптических волокон (fire cleaning) с целью ликвидации микронеровностей, возникающих в
* процессе скалывания;
* непосредственное сваривание оптических волокон;
* предварительная оценка качества сварки;
* защита места сварки с помощью термоусаживаемой гильзы;
* окончательная оценка качества сварки с помощью рефлектометра.
Существует два способа юстировки. Первый базируется на выравнивании сердцевин свариваемых оптических волокон по их геометрическим размерам (Profile Alignment System PAS) с помощью боковой подсветки концов свариваемых волокон.
Второй способ основан на выравнивании сердцевин оптических волокон по принципу минимизации потерь тестового светового сигнала, распространяющегося через место сварки.
Что касается активной юстировки, то известно три метода.
Первый заключается в использовании оптического излучателя и приемника на противоположных концах оптических волокон, подлежащих сварке. Информация от приемника передается персоналу, производящему сварку.
Второй метод сводится к использованию оптического передатчика на дальнем конце и детектора в точке соединения. Тестовый оптический сигнал выводится из соединяемого оптического волокна на небольшом (примерно 0,5 м) расстоянии от места сварки на изгибе и детектируется приемником, оборудованным измерителем оптической мощности.
Третий метод реализует LID (Local Injection and Detection) - процедуру юстировки, ограниченную исключительно местом соединения. В основу этого метода положено введение тестового оптического сигнала в сердцевину одного из соединяемых оптических волокон и поиск его в сердцевине второго соединяемого волокна путем изгиба.
Метод LID является наиболее эффективным, поскольку, в отличие от метода PAS, качество сварного соединения в большей мере зависит от сварочного аппарата, а не от индивидуального мастерства персонала. В современных сварочных аппаратах для управления процессами юстировки и сварки используются микропроцессоры, с помощью которых возможна оптимизация процесса сварки для получения минимальных (менее 0,1 дБ) потерь в местах соединений оптических волокон.
В процессе оплавления оптические волокна подаются одновременно для предотвращения укорачивания одного из них в месте сварки. Операции оплавления и сваривания, как правило, выполняются автоматически. В современных автоматических сварочных аппаратах для снятия механического напряжения в точке соединения оптических волокон предусмотрен режим прогревания места стыка по окончании процесса сварки. Такой режим называется "режимом релаксации".
Цикл плавления (длительность подачи и сила тока как для предварительного оплавления, так и для сварки и релаксации) для оптических волокон различных производителей и типов различны.
Некоторые сварочные аппараты, кроме рассмотренных выше способов контроля качества места сварки, используют еще и тест на растяжение во избежание нарушения соединения во время манипуляций при выкладке сростков в кассету, а также в дальнейшем, в процессе эксплуатации. Соединенное оптическое волокно прочно закреплено в направляющих платформах (которые используются при юстировке). Под контролем микропроцессора по завершении этапа сварки эти направляющие платформы расходятся в противоположные стороны, образуя строго нормированное продольное усилие на растяжение, приложенное к месту стыка. Считается, что стык, прошедший такое тестирование, более надежен и выполнен более качественно. При невозможности получения стыка, способного пройти этот тест, но удовлетворяющего по параметрам передачи, эту опцию можно отключить.
Особо следует отметить сварку ленточных элементов (ленточных волоконно-оптических кабелей, отличающихся большим количеством оптических волокон). Эту операцию можно проводить, только применяя полностью автоматический сварочный аппарат, с помощью которого можно соединить до 12 оптических волокон приблизительно за 3 минуты, причем средний уровень потерь составит около 0,1-0,15 дБ. Однако для сваривания ленточных элементов необходим опытный, хорошо подготовленный персонал.
Во время сварки оптические волокна размещаются с соответствующим смещением от оси электродов, что обеспечивает равномерное нагревание. До начала процесса сваривания и по его завершении проверяется смещение оптических волокон, состояние торцевых поверхностей, а также деформация.
При сваривании ленточных элементов необходимо, кроме основных процессов, рассмотренных ранее, провести еще три технологические операции: устранить расхождения торцов соединяемых оптических волокон, плавление всех волокон выполнить одновременно с одинаковой температурой, в процессе предварительной оценки измерить уровень вносимых потерь рефлектометром. Если оказалось, что результаты не отвечают требованиям, процесс сварки повторяют.
Как показывает практика, предварительная оценка качества сварных соединений оптических волокон, базирующаяся на методе РАС, может содержать погрешность в диапазоне 5-1000%, поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения стоит делать после измерений рефлектометром.
По мере совершенствования качества сварочного оборудования и технологии сварки возрастают возможности получения сварных соединений оптических волокон высокого качества. Потери на сварных соединениях зависят от нескольких факторов: опыта персонала, геометрических погрешностей свариваемых оптических волокон, а также от материалов, из которых изготовлены волокна. Особенно часто проблемы возникают при сварке оптических волокон различных производителей. Дело в том, что оптические волокна различных производителей изготавливаются с использованием принципиально отличающихся друг от друга технологических процессов. В результате материал оптических волокон - кварцевое стекло - не является идентичным в волокнах различного происхождения, несмотря на то, что параметры оптических волокон, указанные в спецификациях фирм-производителей, отличаются незначительно.
Факторами, определяющими свойства стекла, являются технология изготовления и качество материалов. Многочисленные исследования показали, что тысячные доли процента примесей в кварцевом стекле оказывают большее влияние, чем добавки в десятки процентов тех же компонентов к многокомпонентным стеклам.
Для сварки наибольшее влияние имеют следующие характеристики: плотность, коэффициент теплового расширения, показатель преломления, вязкость и механические характеристики. Эти параметры определяют оптические потери в местах сращивания и должны приниматься во внимание при использовании оптических волокон, произведенных по различным технологиям, в пределах одного элементарного кабельного участка ВОЛС. Особое внимание следует уделять идентификации оптических волокон в кабеле по типу, производителю и технологии изготовления.
Более совершенные аппараты для сварки оптических волокон содержат программы, оптимизирующие процесс сварки для оптических волокон различных типов и различных производителей, однако на практике нередки ситуации, когда, используя стандартные программы, невозможно получить качественную сварку. В этих случаях необходимо самостоятельно корректировать параметры процесса (время и ток, подаваемый на электроды) для достижения оптимальных результатов.
[pagebreak]
Наиболее часто сварка оптических волокон различных производителей производится при оконцовке оптических волокон пигтейлами, а также при ремонтно-восстановительных работах, если эксплуатационный запас кабеля израсходован, и приобретение полностью идентичного кабеля невозможно (к примеру, по причине снятия с производства оптического волокна такого типа, который использовался первоначально) или экономически нецелесообразно.
В общем виде величина потерь в местах сварных соединений может быть представлена как суммарная величина: Dобщ = Dор + Dдм + Dую + Dнм + Dрпп, где: Dобщ - суммарная величина потерь в сварке; Dор - потери из-за осевого рассогласования модовых полей равного диаметра; Dдм - потери из-за разницы диаметров модовых полей; Dую - потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон; Dнм - потери, обусловленные не-круглостью модовых полей; Dрпп - потери из-за разницы показателей преломления.
Изучение параметров и характеристик различных одномодовых оптических волокон показывает, что разброс величины диаметра модового поля для l = 1310.1330 нм или l = 1500...1550 нм может составлять от 10,5 до 21,7% (9,2 0,5 мкм). Такое рассогласование приводит к появлению потерь от 0,05 дБ до 0,25 дБ (с положительным знаком, когда излучение проходит из волокна с большим диаметром в волокно с меньшим диаметром, и отрицательным - в противоположном направлении). Эти потери будут иметь место, даже если аппарат расположит соосно два волокна с разными диаметрами сердцевин, у которых эксцентриситет пренебрежительно мал. Обычно разброс величины модового поля оптического волокна не превышает 14%, таким образом, величина этой составляющей - не более 0,1 дБ.
Составляющая Dую практически не компенсируется современным сварочным оборудованием. Установлено, что углы между осями сердцевин 0,5°; 1°; 1,5°; 2° вызывают приращение потерь соответственно в 0,08; 0,34; 0,77 и 1,5 дБ. Таким образом, благодаря надлежащей подготовке торцов соединяемых оптических волокон при скалывании можно уменьшить потери - необходимо обеспечить наименьший (не более 0,5°) угол между плоскостями торцов оптических волокон. В этом случае величина потерь не превысит 0,08 дБ.
Составляющая Dнм учитывает влияние некруглости модового поля. По приблизительным оценкам она равна 0,05 дБ.
При соединении сваркой оптических волокон, имеющих неконцентричность модового поля, часто возникает нарушение юстировки сердцевин вследствие действия сил поверхностного натяжения. Это нарушение можно минимизировать следующими способами:
* сокращение времени плавления за счет неполного сваривания оптических волокон или же сокращение длины свободного конца оптического волокна в сварочном устройстве, чтобы концы оптических волокон в процессе сварки могли перемещаться на очень малое расстояние;
* использование компенсационных программ, таких как управление смещением сердцевины с помощью метода умышленного смещения осей.
Такой режим получил название RTC (Real Time Control). В этом режиме после юстировки сердцевин свариваемых оптических волокон и проведения процедуры предварительного оплавления происходит компенсация поперечного смещения сердцевин в сторону, противоположную производной расхождения.
Сварка оптических волокон осуществляется посредством чередования коротких импульсов тока высокой интенсивности с импульсами тока низкой интенсивности (релаксационными импульсами). При этом после сваривания в электрическом поле импульса высокой интенсивности в поле релаксационного импульса происходит перемещение оптических волокон под действием поверхностного натяжения. Количество чередующихся импульсов зависит от смещения сердцевин оптических волокон, которое постоянно контролируется сварочным аппаратом; как правило, количество импульсов не превышает 2-3.
Весьма существенное влияние на общую величину потерь, если свариваются оптические волокна с разными показателями преломления (N) сердцевины, может оказать составляющая Dрпп. Эта составляющая учитывает потери мощности оптического сигнала в результате несоблюдения условия полного внутреннего отражения на месте стыка двух оптических волокон, у которых показатели преломления сердцевин имеют различия. В этом случае часть оптического сигнала проникает через оболочку волокна и рассеивается. Ситуация усугубляется многократным отражением луча от границы "сердцевина/оболочка", каждое из которых (отражений) служит источником потери мощности. На практике нередки случаи, когда даже многократные повторные сварки не позволяют добиться малой величины потерь.
Наибольший вклад в суммарную величину потерь вносят потери от погрешности угловой юстировки осей оптических волокон и потери из-за разницы показателей преломления.
Международная электротехническая комиссия предлагает в качестве типичной характеристики сварного соединения оптических волокон, полученного в полевых условиях, величину вносимых потерь, равную 0,2 дБ (IEC 1073-1). При современном развитии технологии сварки оптических волокон этот показатель вполне достижим даже тем персоналом, который не обладает значительным опытом в этой области.
Соединение оптических волокон методом склеивания
Практически одновременно с методом сварки был разработан метод склеивания оптических волокон. Для получения клеевых соединений используют совмещение и фиксацию оптических волокон: в капилляре, в трубке с прямоугольным сечением, с помощью V-образной канавки и с помощью трех стержней в качестве направляющих. Оптические волокна соединяются поодиночке.
Технология получения таких соединений состоит из следующих этапов:
* подготовка оптических волокон к соединению (очистка, снятие буферных покрытий, скалывание);
* ввод оптического волокна в капилляр;
* наполнение иммерсионной жидкостью, гелем или клеем;
* регулирование соединения, юстировка оптических волокон;
* нанесение адгезивного вещества;
* цементирование адгезивного вещества с помощью ультрафиолетового излучения.
Клей, используемый для оптических волокон, должен иметь коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления волокон. Он должен обеспечивать фиксированное положение соединенных оптических волокон, защищать место сращивания от воздействий окружающей среды, гарантировать прочность сростка при воздействии нагрузок в осевом направлении. К достоинствам этого метода следует отнести оперативность и отсутствие деформации сердцевин соединяемых оптических волокон. Это способствует тому, что в области стыка - малые потери, обеспечиваются хорошие механические свойства и т.п. Однако ограниченный срок службы и нестабильность во времени, а также весьма высокая чувствительность к повышению температуры и воздействию влажности являются факторами, сдерживающими распространение этого метода получения неразъемных соединений. В настоящее время он уступил свои позиции методу соединения оптических волокон с помощью механических соединителей.
Механические соединители оптических волокон
Механические соединители оптических волокон разрабатывались как более дешевый и быстрый способ сращивания оптических волокон. Применение аппарата для сварки оптических волокон сопряжено с необходимостью соблюдения ряда условий: для работы используется помещение, параметры которого (температурный диапазон, влажность, давление, вибрации и проч.) соответствуют требованиям производителей сварочного оборудования; также необходима организация питания от сети переменного тока с достаточно жестко регламентированными параметрами. При стоимости комплекта оборудования для сварки оптических волокон, составляющей десятки тысяч долларов США, амортизационные отчисления, а также техническое обслуживание и ремонт являются довольно дорогостоящими.
Достаточно высокие требования предъявляются также к персоналу, производящему работы по сварке оптических волокон. Часто этими же лицами производится наладка и обслуживание аппаратов для сварки оптических волокон (очистка направляющих поверхностей и зажимов, замена электродов и проч.), для чего требуются специалисты с высоким уровнем квалификации.
Всех этих сложностей можно избежать, применяя механические соединители оптических волокон. Конструкция оптических соединителей относительно проста. Основными узлами являются направляющие для двух оптических волокон и устройство фиксации волокон. Внутреннее пространство заполняется тиксотропным гелем для защиты открытых участков оптических волокон от воздействия влаги. Одновременно гель обладает иммерсионными свойствами - его показатель преломления близок к показателю преломления сердцевины волокна.
Процедура монтажа оптических соединителей является частью процедуры монтажа промежуточного или оконечного устройства - кабельной муфты, бокса или стойки. Размеры и форма оптических соединителей позволяют устанавливать их в кассету муфты или бокса аналогично сросткам оптических волокон, полученных путем сварки.
Процедура монтажа включает в себя следующие технологические операции:
* разделка кабелей;
* очистка оптических волокон от гидрофобного геля (при его наличии);
* снятие буферных покрытий соединяемых оптических волокон на участках длиной, рекомендуемой производителями оптических соединителей конкретного типа;
* скалывание оптических волокон;
* проверка качества скола волокон;
* введение соединяемых волокон в отверстия с направляющими;
* позиционирование волокон в соединителе для достижения оптимальных параметров соединения;
* фиксация оптических волокон в соединителе;
* тестовые измерения соединения.
Особое место среди оптических механических соединителей занимает RMS (Rotary Mechanical Splice) как наиболее сложный среди аналогов. Процесс его монтажа наиболее трудоемок, однако он позволяет достичь наименьших потерь при соединении одномодовых волокон. В отличие от остальных соединителей, где величина потерь главным образом зависит от качества скола торцевых поверхностей оптических волокон, этот соединитель позволяет юстировать волокна простым вращением вокруг своей оси стеклянных втулок, удерживающих подготовленные оптические волокна, и добиваться наилучших результатов.
Следует отметить, что применение механических соединителей является наиболее быстрым способом соединения оптических волокон. При этом вносимое затухание практически не отличается от затухания, создаваемого сварным соединением. Достаточно устойчивое функционирование механических соединителей в процессе эксплуатации позволяет уже сегодня рекомендовать их для широкого внедрения на телекоммуникационных сетях с невысокими требованиями к качеству соединений, а также в случаях, когда использование аппарата для сварки оптических волокон технологически затруднено или вообще невозможно. В дальнейшем статистика технической эксплуатации, а также совершенствование материалов компонентов механических соединителей, вероятно, определит их более широкое применение для строительства телекоммуникационных волоконно-оптических линий различных уровней.
Обращает на себя внимание тот факт, что механические соединители оптических волокон условно допускают однократное использование, однако на практике встречаются ситуации их многократного применения. Производители гарантируют качество соединения оптических волокон при повторном монтаже соединителя не более 2-3 раз, однако при повторном наполнении внутреннего пространства иммерсионным гелем (в тех конструкциях, где это предусмотрено) такие соединители использовались многократно без ущерба для качества стыков. Некоторыми производителями механических соединителей разработаны механизмы фиксации, предусматривающие использование специального ключа для открытия фиксатора.
Сегодня использование механических соединителей наиболее удобно при проведении аварийного ремонта волоконно-оптическихлиний для технологической операции организации временной вставки.
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.
Модель безопасности Windows XP Professional основана на понятиях аутентификации и авторизации. При аутентификации проверяются идентификационные данные пользователя, а при авторизации - наличие у него прав доступа к ресурсам компьютера или сети. В Windows XP Professional также имеются технологии шифрования, которые защищают конфиденциальные данные на диске и в сетях: например, EFS (Encrypting File System), технология открытого ключа.
Аутентификация
Регистрируясь на компьютере для получения доступа к ресурсам локального компьютера или сети, пользователь должен ввести свое имя и пароль. В Windows XP Professional возможна единая регистрация для доступа ко всем сетевым ресурсам. Таким образом, пользователь может войти в систему с клиентского компьютера по единому паролю или смарт-карте и получить доступ к другим компьютерам домена без повторного ввода идентификационных данных. Главный протокол безопасности в доменах Windows 2000 - Kerberos версии 5. Для аутентификации на серверах под управлением Windows NT 4.0 и доступа к ресурсам доменов Windows NT клиенты Windows XP Professional используют протокол NTLM. Компьютеры с Windows XP Professional, не принадлежащие к домену, также применяют для аутентификации протокол NTLM. Используя Windows XP Professional в сети с активным каталогом (Active Directory), можно управлять безопасностью регистрации с помощью параметров политики групп, например, ограничивать доступ к компьютерам и принудительно завершать сеансы работы пользователей спустя заданное время. Можно применять предварительно сконфигурированные шаблоны безопасности, соответствующие требованиям к безопасности данной рабочей станции или сети. Шаблоны представляют собой файлы с предварительно сконфигурированными параметрами безопасности, которые можно применять на локальном компьютере или импортировать в групповые политики активного каталога. Эти шаблоны используются в неизменном виде или настраиваются для определенных нужд.
Авторизация
Авторизация позволяет контролировать доступ пользователей к ресурсам. Применение списков управления доступом (access control list, ACL) и прав доступа NTFS гарантирует, что пользователь получит доступ только к нужным ему ресурсам, например, к файлам, дискам (в том числе сетевым), принтерам и приложениям. С помощью групп безопасности, прав пользователей и прав доступа можно одновременно управлять безопасностью как на уровне ресурсов, так и на уровне файлов, папок и прав отдельных пользователей.
Группы безопасности
Группы безопасности упрощают управление доступом к ресурсам. Можно приписывать пользователей к группам безопасности, а затем предоставлять этим группам права доступа. Можно добавлять пользователей к группам безопасности и удалять их оттуда в соответствии с потребностями этих пользователей. Оснастка MMC Computer Management позволяет создавать учетные записи пользователей и помещать их в локальные группы безопасности. Можно предоставлять пользователям права доступа к файлам и папкам и определять действия, которые пользователи могут выполнять над ними. Можно разрешить и наследование прав доступа. При этом права доступа, определенные для каталога, применяются ко всем его подкаталогам и находящимся в них файлам. Среди групп безопасности, локальных для домена и компьютера, имеется ряд предварительно сконфигурированных групп, в которые можно включать пользователей.
Администраторы (Administrators) обладают полным контролем над локальным компьютером и правами на совершение любых действий. При установке Windows XP Professional для этой группы создается и назначается встроенная учетная запись Администратор (Administrator). Когда компьютер присоединяется к домену, по умолчанию к группе Администраторы добавляется группа Администраторы домена (Domain Administrators).
Опытные пользователи (Power Users) обладают правами на чтение и запись файлов не только в личных папках, но и за их пределами. Они могут устанавливать приложения и выполнять многие административные действия. У членов этой группы такой же уровень прав доступа, что и у групп Пользователи (Users) и Опытные пользователи (Power Users) в Windows NT 4.0.
Пользователи (Users) в отношении большей части системы имеют только право на чтение. У них есть право на чтение и запись только файлов их личных папок. Пользователи не могут читать данные других пользователей (если они не находятся в общей папке), устанавливать приложения, требующие модификации системных каталогов или реестра, и выполнять административные действия. Права пользователей в Windows XP Professional более ограниченны по сравнению с Windows NT 4.0.
Гости (Guests) могут регистрироваться по встроенной учетной записи Guest и выполнять ограниченный набор действий, в том числе выключать компьютер. Пользователи, не имеющие учетной записи на этом компьютере, или пользователи, чьи учетные записи отключены (но не удалены), могут зарегистрироваться на компьютере по учетной записи Guest. Можно устанавливать права доступа для этой учетной записи, которая по умолчанию входит во встроенную группу Guests. По умолчанию учетная запись Guest отключена. Можно сконфигурировать списки управления доступом (ACL) для групп ресурсов или групп безопасности и по мере необходимости добавлять/удалять из них пользователей или ресурсы, что облегчает управление правами доступа и их аудит. Это также позволяет реже изменять ACL. Можно предоставить пользователям права на доступ к файлам и папкам и указать действия, которые можно выполнять с ними. Можно также разрешить наследование прав доступа; при этом права доступа к некоторой папке применяются и к ее подкаталогам и находящимся в них файлам. При работе с Windows XP Professional в составе рабочей группы или в изолированном режиме вам предоставляются права администратора, и у вас есть все права по отношению ко всем функциям безопасности ОС. Если компьютер под управлением Windows XP Professional включен в сеть, параметры безопасности определяет сетевой администратор.
Политика групп
Параметры политики групп позволяют назначать ресурсам права доступа, а также предоставлять права доступа пользователям. Это нужно для того, чтобы требовать запуска определенных приложений только в заданном контексте безопасности (тем самым снижая риск воздействия на компьютер нежелательных приложений, например, вирусов) и конфигурировать различные права доступа для множества клиентских компьютеров. Можно сконфигурировать права доступа на эталонном компьютере, который будет использован как базовый образ для установки на другие рабочие станции, гарантируя, таким образом, стандартизованное управление безопасностью даже в отсутствие Active Directory. Функции аудита позволяют обнаруживать попытки отключить или обойти защиту ресурсов. Можно задействовать предварительно сконфигурированные шаблоны безопасности, соответствующие требованиям безопасности для данной рабочей станции или сети. Шаблоны безопасности - это файлы с предварительно установленными параметрами безопасности, которые применяют к локальному компьютеру или импортируют в групповые политики активного каталога (Active Directory). Шаблоны безопасности используются в неизменном виде или настраиваются в соответствии с определенными задачами.
Шифрование
EFS (Encrypting File System) позволяет зашифровать данные на жестком диске. Риск кражи портативных компьютеров особенно велик, а с помощью EFS можно усилить безопасность путем шифрования данных на жестких дисках портативных компьютеров компании. Эта предосторожность защищает информацию и идентификационные данные от несанкционированного доступа.
2. Корпоративная безопасность
Windows XP Professional поддерживает ряд функций защиты избранных файлов, приложений и других ресурсов. В их числе списки управления доступом (ACL), группы безопасности и групповая политика, а также средства конфигурирования и управления этими функциями. В совокупности они обеспечивают мощную, но гибкую инфраструктуру управления доступом в корпоративных сетях. Windows XP поддерживает тысячи относящихся к безопасности параметров конфигурации, которые можно применять и по отдельности. В Windows XP также есть предопределенные шаблоны безопасности, обычно используемые без изменений или как основа для особой настройки конфигурации безопасности. Эти шаблоны безопасности применяются при: создании ресурса, такого как общая папка или файл; при этом вы вправе воспользоваться заданными по умолчанию ACL или настроить их в соответствии со своими потребностями; распределении пользователей по стандартным группам безопасности, таким как Users, Power Users и Administrators, и принятии заданных по умолчанию параметров ACL; использовании предоставляемых ОС шаблонов групповой политики - Basic (основной), Compatible (совместимый), Secure (безопасный) или Highly Secure (высокобезопасный). Каждая из особенностей системы безопасности Windows XP - списки ACL, группы безопасности и групповая политика - имеет параметры по умолчанию, которые разрешается изменять в соответствии с требованиями организации. Предприятия также вправе применять соответствующие средства для реализации и настройки управления доступом. Многие из этих средств, такие как оснастки Microsoft Management Console, представляют собой компоненты Windows XP Professional, другие поставляются в составе комплекта ресурсов Windows XP Professional Resource Kit.
3. Управляемый доступ к сети
Windows XP содержит встроенную подсистему безопасности для предотвращения вторжений. Ее работа базируется на ограничении прав любого, кто пытается получить доступ к компьютеру из сети до привилегий гостевой учетной записи. Взломщикам или вообще не удастся получить доступ к компьютеру и перебором паролей получить дополнительные привилегии, или они получат только ограниченный гостевой доступ.
Управление сетевой проверкой подлинности
Все большее число систем под управлением Windows XP Professional подключается к Интернету напрямую, а не через домены. Поэтому продуманная система управления доступом (в том числе устойчивыми паролями и разрешениями, сопоставленными учетными записями) важна как никогда ранее. Для обеспечения безопасности следует избегать анонимных параметров управления доступом, обычно связанных с открытыми средами, подобными Интернету. Вот почему в Windows XP Professional по умолчанию все пользователи, вошедшие по сети, работают под учетной записью Guest. Это исключает для злоумышленника возможность войти в систему через Интернет под локальной учетной записью Администратор (Administrator), у которой нет пароля.
4. Упрощенное совместное использование ресурсов
Модель совместного использования и безопасности для локальных учетных записей позволяет выбрать модель безопасности на основе применения исключительно гостевой учетной записи (Guest) либо классическую (Classic) модель безопасности. В гостевой модели при любых попытках войти в систему локального компьютера через сеть применяется только гостевая учетная запись. В классической модели пользователи при доступе через сеть входят в систему локального компьютера под своими учетными записями. На компьютерах в составе домена эта политика не применяется, а по умолчанию используется гостевая учетная запись. Если гостевая учетная запись существует и ей назначен пустой пароль, сетевые пользователи смогут войти в систему и получить доступ к любому ресурсу, разрешенному для доступа учетной записи Guest. При включенной политике "force network logons using local accounts to authenticate as Guest" локальные учетные записи должны аутентифицироваться как учетная запись Guest при доступе через сеть. Эта политика служит для ограничения разрешений локальной учетной записи, обращающейся к системным ресурсам на другом сетевом компьютере. Кроме того, на компьютерах, поддерживающих модель упрощенной защиты общих ресурсов, диалоговое окно Security Properties заменено упрощенным диалоговым окном Shared Documents Properties.
5. Ограничение на учетные записи с пустыми паролями
Для безопасности пользователей, не защитивших свою учетную запись паролем, в Windows XP Professional такие учетные записи разрешено применять только для входа в систему компьютера с его консоли. По умолчанию учетные записи с пустыми паролями запрещено применять для входа в систему удаленно по сети и вообще для любых других действий по входу в систему, кроме как с физической консоли компьютера. Например, нельзя задействовать службу вторичного входа в систему (RunAs - запуск от имени) для запуска программ под учетной записью с пустым паролем локального пользователя. Назначение пароля локальной учетной записи устраняет указанное ограничение на вход через сеть, а также предоставляет ей доступ по сети к любым ресурсам, на которые у нее есть права. Если ваш компьютер не расположен в физически защищенном помещении, рекомендуется назначать пароли всем локальным учетным записям пользователей. Несоблюдение этого требования ведет к тому, что любой пользователь, получивший физический доступ к компьютеру, может войти в систему под учетной записью без пароля. Это особенно важно для переносных компьютеров, на которых следует предусмотреть устойчивые пароли для всех локальных учетных записей пользователей. Указанное ограничение не относится к доменным учетным записям, а также к локальной гостевой учетной записи. Если учетная запись Guest с пустым паролем существует, под ней можно войти в систему и обратиться к любому ресурсу, разрешенному ей для доступа. Если требуется отключить ограничение на вход через сеть без пароля, надо соответствующим образом настроить локальную политику безопасности (Local Security Policy).
Шифрованная файловая система
Дополнительные функции шифрованной файловой системы (Encrypting File System, EFS) существенно обогатили Windows XP Professional, обеспечив дополнительную гибкость для корпоративных пользователей при развертывании решений безопасности, основанных на шифровании файлов с данными. Любой злоумышленник, имеющий физический доступ к компьютеру, может загрузить на нем другую ОС, обойти защиту основной ОС и получить доступ к конфиденциальным данным. Шифрование конфиденциальных файлов средствами EFS обеспечивает дополнительную защиту. Данные зашифрованного файла останутся недоступными, даже если атакующий получит полный доступ к среде хранения данных компьютера. Только полномочные пользователи и назначенные агенты восстановления данных в состоянии расшифровывать файлы. Пользователи с другими учетными записями, обладающие разрешениями для файла - даже разрешением на передачу прав владения (Take Ownership), не в состоянии открыть его. Администратору доступ к содержимому файла также закрыт, если только он не назначен агентом восстановления данных. При попытке несанкционированного доступа к зашифрованному файлу система откажет в доступе.
Архитектура EFS
EFS базируется на технологии шифровании с открытым ключом и использует архитектуру CryptoAPI. Стандартная (по умолчанию) конфигурация EFS не требует никакого административного вмешательства: вы вправе выполнять шифрование файлов сразу же после установки системы. EFS автоматически создает пару ключей шифрования и сертификат пользователя, если они не были созданы ранее. В качестве алгоритма шифрования EFS использует DESX (Expanded Data Encryption Standard) или 3DES (Triple-DES). Поставщики услуг криптографии поддерживают два алгоритма: RSA Base и RSA Enhanced - для создания сертификатов EFS и для шифрования симметричных ключей шифрования. Если зашифровать папку, все файлы и подпапки в ней шифруются автоматически. Рекомендуется шифрование именно на уровне папок, чтобы в процессе работы не появлялись незашифрованные временные файлы.
[pagebreak]
EFS и NTFS
Шифрованная файловая система (EFS) защищает конфиденциальные данные в файлах на томах NTFS. EFS - основная технология шифрования и расшифровки файлов на томах NTFS. Открывать файл и работать с ним может только пользователь, его зашифровавший. Это чрезвычайно важно для пользователей переносных компьютеров: даже если взломщик получит доступ к потерянному или украденному компьютеру, он не сможет открыть зашифрованные файлы. В Windows XP шифрованная файловая система также поддерживает автономные файлы и папки (Offline Files and Folders). Зашифрованный файл останется недоступным для просмотра в исходном виде, даже если атакующий обойдет системную защиту, например, загрузив другую ОС. EFS обеспечивает устойчивое шифрование по стандартным алгоритмам и тесно интегрирована с NTFS. EFS в Windows XP Professional предоставляет новые возможности совместного использования зашифрованных файлов или отключения агентов восстановления данных, а также облегчает управление посредством групповой политики и служебных программ командной строки.
Как работает EFS
EFS позволяет сохранить конфиденциальность информации на компьютере в условиях, когда люди, имеющие физический доступ к компьютеру, могут преднамеренно или неумышленно скомпрометировать ее. EFS чрезвычайно удобна для обеспечения конфиденциальности данных на мобильных компьютерах или на компьютерах, на которых работают несколько пользователей, т. е. таких системах, которые могут подвергаться атакам, предусматривающим обход ограничений списков ACL. В совместно используемой системе атакующий обычно получает несанкционированный доступ, загружая другую ОС. Злоумышленник также может захватить компьютер, вынуть жесткий диск, поместить его на другой компьютер и получить доступ к файлам. Однако если у него нет ключа расшифровки, зашифрованный средствами EFS файл будет выглядеть как бессмысленный набор символов. Поскольку EFS тесно интегрирована с NTFS, шифрование и расшифровка выполняются незаметно ("прозрачно") для пользователя. При открытии файла EFS автоматически расшифровывает его по мере чтения данных с диска, а при записи - шифрует данные при записи на диск. Работая с зашифрованным файлом, вы можете даже не догадываться, что он зашифрован (при условии, что у вас есть соответствующие права). В стандартной конфигурации EFS позволяет зашифровать файл прямо из Проводника Windows без какого-либо вмешательства администратора. С точки зрения пользователя шифрование файла или папки - это просто назначение ему определенного атрибута.
Конфигурирование EFS
По умолчанию система поддерживает работу EFS. Разрешается шифровать файлы, для которых имеется разрешение на изменение. Поскольку в EFS для шифрования файлов применяется открытый ключ, нужно создать пару ключей открытый/закрытый и сертификат с открытым ключом шифрования. В EFS разрешены сертификаты, подписанные самим владельцем, поэтому вмешательство администратора для нормальной работы не требуется. Если применение EFS не соответствует требованиям организации или если есть файлы, которые нельзя шифровать, существует много способов отключить EFS или нужным образом конфигурировать ее. Для работы с EFS всем пользователям требуются сертификаты EFS. Если в организации нет инфраструктуры открытого ключа (Public Key Infrastructure, PKI), применяются подписанные самим владельцем сертификаты, которые автоматически создаются ОС. При наличии центров сертификации сертификаты EFS обычно выпускают именно они. Если вы используете EFS, обязательно предусмотрите план восстановления данных при сбое системы.
Что разрешается шифровать
На томах NTFS атрибут шифрования разрешается назначать отдельным файлам и папкам с файлами (или подпапками). Хотя папку с атрибутом шифрования и называют "зашифрованной", сама по себе она не шифруется, и для установки атрибута пары ключей не требуется. При установленном атрибуте шифрования папки EFS автоматически шифрует: все новые файлы, создаваемые в папке; все незашифрованные файлы, скопированные или перемещенные в папку; все вложенные файлы и подпапки (по особому требованию); автономные файлы.
Шифрование базы данных автономных файлов
В Windows XP можно шифровать базу данных автономных файлов для локальной защиты кэшируемых документов от воровства компьютера, а также обеспечения дополнительной безопасности локально кэшируемых данных. В Windows 2000 этой функции не было - она предусматривает шифрование кэшируемых файлов. Например, вы вправе активно использовать автономные файлы, при этом конфиденциальность данных обеспечивается автоматически. Как администратор отдела технической поддержки вы можете задействовать эту возможность, чтобы обезопасить все локально кэшируемые документы. Автономные файлы - превосходная защита от потери конфиденциальных данных при захвате мобильного компьютера. Указанная функция поддерживает шифрование и расшифровку всей автономной базы данных. Для конфигурирования порядка шифрования автономных файлов нужны административные привилегии. Чтобы зашифровать автономные файлы, откройте папку Мой компьютер (My Computer) и в меню Сервис (Tools) выберите команду Свойства папки (Folder Options), в открывшемся окне свойств на вкладке Автономные файлы (Offline Files) установите флажок Шифровать автономные файлы для защиты данных (Encrypt Offline Files To Secure Data) .
Удаленные операции EFS на общих файлах и Web-папках
Можно шифровать и расшифровывать файлы, расположенные в Web-папках Web Distributed Authoring and Versioning (распределенная система хранения файлов с доступом через Web), или WebDAV. У Web-папок много преимуществ по сравнению с общими файлами, и Microsoft рекомендует максимально широко применять их для удаленного хранения шифрованных файлов. Web-папки требуют меньше внимания от администраторов и безопаснее, чем общие файлы. Web-папки также обеспечивают безопасное хранение и доставку шифрованных файлов через Интернет средствами стандартного протокола HTTP. Чтобы использовать общие файлы для удаленных операций EFS, требуется доменная среда Windows 2000 или более поздних версия Windows, так как при шифровании и расшифровке пользовательских файлов EFS работает от имени пользователя посредством протокола делегирования полномочий в Kerberos. Основное отличие удаленных операций EFS с общими файлами и файлами в Web-папках - то, в каком месте эти операции выполняются. Если файлы хранятся в общих файлах, все операции EFS выполняются на компьютере, где расположен файл. Так, если вы подключились к общему сетевому файлу и пытаетесь открыть ранее зашифрованный файл, он расшифровывается на компьютере, где хранится, а затем передается открытым текстом по сети на ваш компьютер. При хранении файла на Web-папках все операции EFS выполняются на локальном компьютере. Скажем, при подключении к Web-папке и попытке открыть зашифрованный файл последний пересылается по сети в зашифрованном виде на локальный компьютер и уже там расшифровывается системой EFS. Входящий и исходящий трафик Web-папок - это необработанные данные, которые, даже перехваченные атакующим, остаются зашифрованными и совершенно для него бесполезны. Такое различие в выполнении операций EFS объясняет, почему общие файлы требуют больших усилий со стороны администраторов, чем Web-папки. EFS с Web-папками устраняет необходимость в специализированном ПО для безопасного совместного использования зашифрованных файлов пользователями и организациями. Файл может храниться в свободном доступе на файловых серверах в интрасети или в Интернете и при этом оставаться надежно защищенным средствами EFS.
6. Службы сертификации
Службы сертификации - это компонент базовой ОС, позволяющий ей выполнять функции центра сертификации (certification authority, CA), или ЦС, в том числе выпускать цифровые сертификаты и управлять ими. Windows XP Professional поддерживает многоуровневые иерархии ЦС и сети ЦС с перекрестными доверительными отношениями, а также изолированные и интерактивные ЦС.
Хранилища сертификатов с открытыми ключами
Windows XP Professional хранит сертификаты с открытыми ключами в личном (Personal) хранилище сертификатов. Они хранятся открытым текстом, так как это общедоступная информация. Сертификаты имеют цифровую подпись ЦС для предотвращения изменения. Сертификаты пользователя расположены в папке Documents and Settings<имя_пользователя>ApplicationDataMicrosoft SystemCertificatesMyCertificates профиля пользователя. Эти сертификаты записываются в локальном реестре при каждом входе в систему компьютера. Для перемещаемых профилей сертификаты обычно хранятся в определенном месте (не на компьютере) и "следуют" за пользователем при его входе в систему любого компьютера в домене.
Хранение закрытых ключей
Поставщики услуг криптографии (cryptographic service provider, CSP) - как Base CSP, так и Enhanced CSP, хранят закрытые ключи в профиле пользователя в папке %SystemRoot%Documents and Settings<имя_пользователя> Application DataMicrosoftCryptoRSA. В перемещаемых профилях пользователей закрытый ключ располагается в папке RSA на контроллере домена и загружается на компьютер только на время его работы. Поскольку закрытые ключи надо защищать, все файлы в папке RSA автоматически шифруются случайным симметричным ключом - основным ключом пользователя (user's master key). Ключ длиной в 64 символа создается надежным генератором случайных чисел. На базе основного ключа создаются ключи 3DES, используемые для шифрования закрытых ключей. Основной ключ автоматически генерируется и периодически возобновляется. При хранении на диске основной ключ защищается по алгоритму Triple DES с применением ключа, созданного на основе вашего пароля. Основной ключ применяется для автоматического шифрования всех файлов в папке RSA по мере их создания.
Автоматический запрос сертификата пользователя
В Windows 2000 имелась функция автоматического запроса сертификата пользователя. Автоматический запрос сертификата компьютера и контроллера домена поддерживается и групповой политикой Microsoft Active Directory. Автоматический запрос сертификата компьютера чрезвычайно полезен для упрощения подключений по IPSec или L2TP/IPSec VPN к серверам с Windows XP со службой Routing и Remote Access и другим серверам. Эта функция снижает совокупную стоимость владения и упрощает управление жизненным циклом сертификатов для пользователей и администраторов. Автоматический запрос сертификата смарт-карты и ЦС с самоподписанными сертификатами обеспечивают дополнительную защиту пользователям предприятий, где требуется усиленная безопасность.
Запросы в ожидании и обновление сертификатов
Автоматический запрос сертификата пользователя в Windows XP Professional обеспечивает также запросы в ожидании и обновление сертификатов. После запроса сертификата вручную или автоматически на сервере сертификации Windows .NET Server CA ожидается разрешение администратора на выпуск сертификата или завершение процесса верификации. После одобрения и выпуска сертификата механизм автоматического запроса автоматически установит сертификат. В процессе обновления сертификатов пользователя с истекшим сроком действия также применяется механизм автоматического запроса. Сертификаты автоматически обновляются от имени пользователя, причем процедура определяется параметрами шаблонов сертификатов в Active Directory. По умолчанию сертификаты и ключи защищены. Для дополнительной защиты вы вправе применить дополнительные меры безопасности, в том числе выполнять экспорт закрытых ключей и хранить их в защищенном месте.
7. Управление реквизитами
Управление реквизитами в Windows XP состоит из трех компонентов: интерфейс пользователя для ввода реквизитов, хранилище имен и паролей пользователя и связка ключей (keyring).
Интерфейс пользователя для ввода реквизитов
Приложение отображает интерфейс пользователя для ввода реквизитов, если компонент аутентификации возвратил ошибку проверки подлинности. (Это касается только приложений, в которых такой интерфейс реализован.) Вам предлагается ввести имя пользователя и пароль в соответствующем диалоговом окна или выбрать сертификат X.509 из хранилища My Store. Приложение также может предусматривать флажок Remember my password (Запомнить пароль), при установке которого реквизиты запоминаются. Сохранение реквизитов поддерживают только интегрированные с Windows XP компоненты проверки подлинности (например, Kerberos, NTLM, SSL). Для базовой проверки подлинности отображается интерфейс пользователя для ввода реквизитов, но возможности сохранения реквизитов нет.
Хранилище реквизитов пользователя
Реквизиты перемещаемых профилей хранятся в защищенном хранилище Stored User Names and Passwords (Сохраненные имя и пароль пользователя). Порядок доступа к реквизитам определяют параметры локальной защиты (Local Security Settings). Реквизиты хранятся на основе целевой информации, возвращенной ресурсом. Когда установлен флажок Remember my password в интерфейсе запроса реквизитов, реквизиты сохраняются в наиболее общей форме. Скажем, после обращения к определенному серверу в домене реквизиты сохраняются в форме *.domain.com. При сохранении разных реквизитов для разных серверов в этом домене указанная запись не перезаписывается, а создаются более конкретные записи о целевой информации. При обращении к ресурсу с применением интегрированного компонента проверки подлинности последний выберет среди сохраненных реквизитов пользователей наиболее близко соответствующие целевой информации, возвращенной ресурсом. Найдя нужные реквизиты, компонент ничего не будет спрашивать у пользователя. В случае неудачи поиска реквизитов приложению, которое пыталось обращаться к ресурсу, возвращается ошибка аутентификации. Приложение, обращающееся к ресурсу, не обязательно должно реализовывать интерфейс пользователя для ввода реквизитов. Если оно взаимодействует с интегрированным компонентом проверки подлинности, последний и выполняет поиск реквизитов. В действительности сохраненные реквизиты сможет получить только компонент проверки подлинности. Для Windows XP Professional в составе домена используется классический интерфейс пользователя для ввода реквизитов, а в Windows XP Home Edition и Windows XP Professional в рабочей группе - новый дружественный интерфейс пользователя.
Связка ключей
Связка ключей (keyring) позволяет вручную управлять сохраненными реквизитами. Для работы с ней служит элемент User Accounts Панели управления. В связке ключей отображается список сохраненных реквизитов. При выделении реквизита в поле описания в нижней части окна отображается его краткое описание. Можно добавлять новые реквизиты, редактировать и удалять существующие. При добавлении реквизитов система представит диалоговое окно, похожее на интерфейс пользователя для ввода реквизитов, и попросит указать целевую информацию. В целевой информации разрешается использовать символы подстановки в виде звездочки (*). Редактирование реквизитов позволяет самостоятельно изменить целевую информацию или сами реквизиты. Здесь можно изменить имя пользователя и пароль на сервере. Не разрешается применять интерфейс пользователя для ввода реквизитов и редактирования реквизитов, созданных конкретным приложением. Например, не удастся отредактировать реквизиты паспорта. Но вы вправе удалять любые реквизиты. Возможность сохранять реквизиты обычно определяется в групповой политике. Чтобы разработчики могли использовать механизм сохранения реквизитов, API запроса реквизитов и другие базовые API описаны в соответствующем комплекте Platform Software Development Kit (SDK).
8. Быстрое переключение пользователей
Быстрое переключение пользователей в Windows XP Professional доступно, только когда компьютер работает в составе рабочей группы или изолированно. Если компьютер присоединен к домену, параметры входа в систему компьютера определяются политикой, заданной администратором. На компьютерах с Windows XP Professional, которые не работают в составе домена, разрешается переключаться между сессиями разных пользователей без выхода из системы и закрытия приложений. Названные возможности обеспечивает технология поддержки и хранения пользовательских сессий, аналогичная той, что применяется в терминальной службе Microsoft Windows 2000 Terminal Services. Смена пользователя выполняется буквально в мгновение ока "горячими клавишами" я+L или через меню выключения компьютера. В результате не будет закрыто ни одно приложение, а значит, не нужно ломать голову над тем, сохранять ли файлы другого пользователя - вся рабочая обстановка будет сохранена такой, какая она есть. Очередному пользователю Windows выведет окно приглашения, которое, кстати, легко настроить и оформить картинками по своему вкусу.
Разумеется, на сохранение каждого рабочего сеанса потребуется столько оперативной памяти, сколько нужно для хранения приложений, выполняемых в сеансах, плюс еще дополнительно 2 Мбайт на каждый сеанс. Поэтому для надежной поддержки нескольких пользователей рекомендуется компьютер с объемом ОЗУ не менее 128 Мбайт. Приложения, сохраняемые в фоновых сессиях, продолжают работать - скажем, почтовая программа другого пользователя будет продолжать принимать почту! Если система настроена на переход в "спящий" режим (hibernation mode) после приостановки работы, то все сеансы будут сохранены на жестком диске и восстановятся после включения компьютера. Быстрое переключение пользователей разрешено для версий Windows XP Home Edition или Windows XP Professional на изолированном компьютере или компьютере в составе рабочей группы. При присоединении компьютера под управлением Windows XP Professional к домену эта функция отключается.
[pagebreak]
9. Личная конфиденциальность
Возможности обеспечения личной конфиденциальности в Windows XP Professional такие же, как и в Windows XP Home Edition. Они различаются при работе в домене или в составе рабочей группы и в изолированном режиме. В домене применяется назначенная администратором политика.
10. Доступ к Интернету - Internet Connection Firewall
Межсетевой экран Internet Connection Firewall в Windows XP Professional обеспечивает защиту настольных и переносных компьютеров при подключении к Интернету - особенно в случае постоянных подключений, таких как кабельные модемы и DSL.
Групповая политика в ICF
Характерная функция ICF в Windows XP Professional - зависящая от места групповая политика. Это удобно для мобильных пользователей, желающих обеспечить безопасность при работе на переносных компьютерах в местах общественного подключения к Интернету: в гостиницах, аэропортах и т. п. Когда компьютер с Windows XP Professional работает в составе домена, администратор домена обычно создает групповую политику, запрещающую поддержку ICF в корпоративной сети. Это облегчает работу как пользователя, так и администратора. Когда пользователь вернется домой или подключится к Интернету в общественном месте, межсетевой экран ICF снова заработает, так как указанная политика в той сети не действует.
Как работает межсетевой экран
Такую технологию, как фильтры пакетов на основании полной информации о пакете, межсетевой экран ICF использует совместно с компонентом ICS. Хотя ICF обычно и применяется только в изолированном режиме работы компьютера, его иногда используют для защиты общего адаптера и обеспечения безопасности домашней сети. По умолчанию фильтры пакетов межсетевого экрана ICF блокируют все незапрошенные пакеты из открытого сетевого интерфейса. Для этого ICF обращается к таблице трафика в Network Address Translation (NAT) и проверяет весь входящий трафик на соответствие своим правилам. Входные потоки данных пропускаются только при наличии соответствующей записи в таблице трафика NAT, созданной межсетевым экраном или другими средствами из внутренней защищенной сети. Иначе говоря, если источник сетевого сообщения находится вне защищенной сети, входящие данные отбрасываются. Межсетевой экран ICF в Windows XP Professional дает уверенность, что хакеры не смогут просканировать вашу систему или подключиться к ее ресурсам. Однако здесь имеется определенный компромисс: межсетевой экран затрудняет конфигурирование системы для работы в качестве сервера в Интернете. Межсетевой экран ICF в Windows XP Professional доступен, только когда компьютер включен в рабочую группу или в изолированную конфигурацию. В домене параметры ICF определяются политиками, назначенными администратором.
Параметры групповой политики, относящиеся к безопасности
С Windows XP поставляются шаблоны защиты, представляющие собой заранее сконфигурированные наборы политик безопасности, которые разрешается применять для обеспечения определенного уровня защиты пользовательских компьютеров. Шаблоны предусматривают несколько уровней защиты: низкий (low), средний (medium) и высокий (high). Существуют также определенные политики управления паролями: определение минимальной длины пароля; настройка интервала между обязательной сменой пароля; управление доступом к ресурсам и данным.
9. Политика ограничения используемых приложений
Эта политика предоставляет администраторам механизм определения и управления ПО, работающим в домене. Она позволяет ограничить круг приложений только разрешенным к выполнению ПО и запрещает р
Для многих вебмастеров SEO (search engine optimization, оптимизация для поисковой машины) - это не что иное, как просто набор трюков и методик, которые несомненно должны поднимать их сайт в рейтингах всех поисковиков. Такое отношение к SEO может и дает временные результаты, тем не менее, здесь содержится большой недостаток: правила постоянно меняются.
Алгоритмы поисковых машин постоянно меняются, как, например, антивирусное программное обеспечение. Ведь в мире постоянно появляются новые вирусы, поэтому они и должны постоянно совершенствовать и вносить коррективы в свои программы. Аналогично обстоит дело и с поисковиками: все в этом мире быстро меняется, а интернет-сфера еще быстрее.
Тем не менее, существует определенный набор правил, по которым поисковики ранжируют сайты, которых должен придерживаться каждый вебмастер в нелегком процессе поисковой оптимизации. Конечно, нет 100% гарантии, что все это работает сейчас или уже появились новые правила игры, но идея остается прежней. Меняются лишь детали, как говорится.
Но если мы не можем применить для оптимизации стандартный набор правил, то что же нам делать? Выход здесь в том, что не нужно всеми силами стараться разобраться в хитростях работы поисковой машины, а просто понять каким образом они работают. У этих самых хитростей есть своя логика работы, которую довольно просто вычислить, что и является их недостатком.
Так что же на самом деле необходимо?
Для достижения высоких позиций в рейтинге (да еще на долгое время) следует понимать, что поисковый робот - это в своем роде живое существо. Конечно, я при этом не имею ввиду, что у них есть мозги, пусть это останется для писателей-фантастов. Тем не менее их поведение и способы работы во многом похожи на работу этого самого мозга.
А теперь остановимся на рассмотрении некоторых функций их "мозга". В общем можно сказать, что им присуща такая специфика, как (если принять интернет за мир с множеством дорог) ходить различными путями, следуя указаниям установленных знаков и собирая всевозможную информация об этой дороге. Затем они направляют собранную информацию группе серверов, которые уже по своим специфическим алгоритмам определяют ее важность для внесения в свои базы.
По каким принципам работают эти алгоритмы? Для начала они создаются людьми, которые прекрасно разбираются в принципах работы интернета и информации, которая в нем содержится. А так как всемирная паутина постоянно изменяется, то эти самые люди и вносят необходимые коррективы в поисковые алгоритмы. По своей сути поисковую машину следует рассматривать, как существо, которое постоянно собирает информацию, сохраняет ее, а потом сортирует исходя из ее важности и с большим удовольствием отсеивает ненужную. Только вот как это она делает и исходя из каких принципов - толком не ясно.
Присмотримся поближе
Понимание того, что из себя представляет поисковая машина на самом деле, попытаемся выяснить в сравнении с анатомией человека. Пусть машина и не дышит, но она содержит много схожего, что необходимо ей для ее виртуальной жизни. А состоит она из следующего:
Легкие: Данный орган у поисковой машины, как и большинство жизненно важных органов, расположены внутри огромных data-центров (сервера, специально предназначенные для хранения информации). Как и организме человека, легкие мы не считаем очень важным органом, тем не менее понимаем, что без них не обойтись и нужно поддерживать их здоровыми.
Руки и ноги: Представим себе, что руки и ноги поисковой машины не что иное, как ссылки на ресурсы, которые она щедро выдает по запросу пользователя. С помощью этого органа мы можем найти все, что нам нужно и получить указатель в виде ссылки на необходимый ресурс. Также, как и тело человека изначально было создано для движения и исследования окружающего мира, аналогично и поисковые машины изначально запрограммированы исследовать всемирную паутину.
Глаза: Глазами поисковой машины являются так называемые пауки (еще их называют роботами или краулерами). Эти самые пауки постоянно просматривают интернет для поиска новых сайтов и следят за изменениями на уже проиндексированных. В данном случае пауки "ползают" по страничкам сайта по его внутренним ссылкам (как по путям), аналогично человеку, который на своем пути видит множество дорог для своего передвижения. К счастью для нас, поисковые роботы движутся по оптико-волоконным проводам, вот поэтому они могут путешествовать по интернету со скоростью света. Это-то и позволяет им посетить все интернет-странички, которые попадаются им на пути.
Мозг: Мозг поисковой машины выполняет те же функции, что и мозг человека: содержит целый набор функций для управления организмом своего хозяина. Также у мозга должен быть свой инстинкт, который должен знать о работе и постоянно контролировать все органы и системы. Вот поэтому поисковой машине никак не обойтись без этого самого мозга, который ей и помогает выжить в этом враждебном мире (пусть в чем-то и виртуальном).
Инстинкт: С помощью инстинкта поисковые машины имеют набор ключевых функций, таких как просматривание сайтов и фильтрация данных, которые нужно или не нужно индексировать. Они запрограммированы игнорировать некоторые типы файлов, не соответствующих определенным критериям. Как мне кажется, в инстинкте поисковой машины главное - это механизм или алгоритм, с помощью которого она индексирует сайты.
Знания: Поисковые машины прекрасно осведомлены о всех тонкостях индексации сайтов. Те знания, которыми они владеют, идут далеко впереди знаний всех пользователей, вебмастеров и оптимизаторов. Поисковая машина знает множество методов сортировки, представления данных, и, естественно, еще и имеет свой специфический набор хитростей и уловок.
Пока поисковый робот путешествует по интернету и индексирует веб-странички, параллельно он отсылает обратно в свой data-центр собранные им данные. Именно в этом центре данные обрабатываются согласно алгоритмов, а спам-фильтры отсеивают ненужное.
Подобно тому, как мы анализируем информацию из статьи в газете согласно своему видению мира, так и поисковики обрабатывает и ранжируют данные в строгом соответствии со своими законами и пониманием работы интернета.
Изучение: Так как поисковая машина ранжирует веб-странички согласно своему видению и пониманию законов функционирования интернета, а эти правила постоянно изменяются, то поисковые алгоритмы постоянно изменяются. Вот тут-то как раз и нужен механизм адаптации или самообучения поисковика.
В то же время, наряду в способностях просматривать странички, поисковые роботы должны уметь определять и наказывать попытки запрещенной раскрутки сайта. При этом благосклонно относится к честным вебмастерам и оптимизаторам.
Вот примеры тех областей, в которых поисковые машины так часто любят менять свои алгоритмы:
* Определения релевантности контента того сайта, на который она нашла ссылку;
* Способность обнаруживать информацию, которая содержится в новых типах данных, к примеру, базы данных, flash и т.п.
* Понимание нечестных методов раскрутки сайтов, таких как размещение "невидимого" текста, ссылок и т.п. Данные технологии рассматриваются поисковой машиной как спам, а пойманные на этом ресурсы попадают в так называемый "черный список";
* Изучение полученных данных, выявление недостатков в индексации, что приводит в действие механизм изменения алгоритма в сторону более эффективного определения релевантности сайта.
Способность к изучению и адаптации к окружающему интернет-пространству изначально закладывается при разработке алгоритмов работы поисковой машины. Ну и, само собой, остается актуальной до следующего обновления алгоритма.
От теории к практике
Все, о чем было сказано выше, касалось лишь аспектов работы поисковой машины. А вот как эти знания применить для раскрутки сайта? Все дело в том, что для правильного выбора стратегии раскрутки необходимо хорошо понимать, каким образом работает эта самая поисковая машина: собирает информацию, ранжирует сайты и т.д.
В свое время, когда одним из основных методов раскрутки было размещение большого количества ключевых слов на страницах сайта, многие вебмастера создавали целые сообщества из сайтов, дабы взаимным обменом ссылок достичь высоких позиций в рейтингах. А вот работает ли эта тактика сегодня? Работает, только результат скорее всего будет временным и краткосрочным.
Ведь поисковая машина, как и человек, хочет выжить в агрессивной окружающей среде. Поэтому, если результаты их работы будут плохими (а вот как раз нечестные методы раскрутки часто ведут к выдаче ненужной посетителю информации), то они медленно, но уверенно перестанут существовать. А ведь при постоянно растущей конкуренции эволюционировать крайне необходимо.
Для примера, пользователю значительно удобнее и проще найти сайт с множеством контента, который ему необходим. Как правило, на таких сайтах он часто обновляется, что позволяет сайту быть актуальным. Поэтому делайте выводы.
Немаловажным моментом остается и обмен ссылками. В данном вопросе намечается тенденция к снижению релевантности обратных ссылок, а обмен ссылками между сайтами разных тематик и вовсе малоэффективен. Но если же вы все же решите поставить обратные ссылки, то обязательно убедитесь, что они ведут на родственные по тематике сайты.
Данная стратегия хорошо работает как для привлечения посетителей, так и для повышения релевантности сайта. Ведь многие пользователи переходят из сайта на сайт по внутренним ссылкам. А если они еще и стоят на авторитетном и посещаемом ресурсе, то это только дополнительный плюс.
И напоследок...
Сам собою напрашивается вывод делать ставку на будущее. И отношение к поисковой машине как живому организму (пусть и в общих чертах) поможет выбрать правильную тактику. Вот когда она в очередной раз придет на ваш сайт, то "накормите" ее вкусным новым контентом, новыми разделами и она обязательно еще к вам вернется. А вот негостеприимных сайтов они не любят, как и быть обманутыми нечестными хозяевами. У роботов память отменная...
Все протоколы обмена маршрутной информацией стека TCP/IP относятся к классу адаптивных протоколов, которые в свою очередь делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:
* дистанционно-векторный алгоритм (Distance Vector Algorithms, DVA),
* алгоритм состояния связей (Link State Algorithms, LSA).
В алгоритмах дистанционно-векторного типа каждый маршрутизатор периодически и широковещательно рассылает по сети вектор расстояний от себя до всех известных ему сетей. Под расстоянием обычно понимается число промежуточных маршрутизаторов через которые пакет должен пройти прежде, чем попадет в соответствующую сеть. Может использоваться и другая метрика, учитывающая не только число перевалочных пунктов, но и время прохождения пакетов по связи между соседними маршрутизаторами.
Получив вектор от соседнего маршрутизатора, каждый маршрутизатор добавляет к нему информацию об известных ему других сетях, о которых он узнал непосредственно (если они подключены к его портам) или из аналогичных объявлений других маршрутизаторов, а затем снова рассылает новое значение вектора по сети. В конце-концов, каждый маршрутизатор узнает информацию об имеющихся в интерсети сетях и о расстоянии до них через соседние маршрутизаторы.
Дистанционно-векторные алгоритмы хорошо работают только в небольших сетях. В больших сетях они засоряют линии связи интенсивным широковещательным трафиком, к тому же изменения конфигурации могут отрабатываться по этому алгоритму не всегда корректно, так как маршрутизаторы не имеют точного представления о топологии связей в сети, а располагают только обобщенной информацией - вектором дистанций, к тому же полученной через посредников. Работа маршрутизатора в соответствии с дистанционно-векторным протоколом напоминает работу моста, так как точной топологической картины сети такой маршрутизатор не имеет.
Наиболее распространенным протоколом, основанным на дистанционно-векторном алгоритме, является протокол RIP.
Алгоритмы состояния связей обеспечивают каждый маршрутизатор информацией, достаточной для построения точного графа связей сети. Все маршрутизаторы работают на основании одинаковых графов, что делает процесс маршрутизации более устойчивым к изменениям конфигурации. Широковещательная рассылка используется здесь только при изменениях состояния связей, что происходит в надежных сетях не так часто.
Для того, чтобы понять, в каком состоянии находятся линии связи, подключенные к его портам, маршрутизатор периодически обменивается короткими пакетами со своими ближайшими соседями. Этот трафик также широковещательный, но он циркулирует только между соседями и поэтому не так засоряет сеть.
Протоколом, основанным на алгоритме состояния связей, в стеке TCP/IP является протокол OSPF.
Дистанционно-векторный протокол RIP
Протокол RIP (Routing Information Protocol) представляет собой один из старейших протоколов обмена маршрутной информацией, однако он до сих пор чрезвычайно распространен в вычислительных сетях. Помимо версии RIP для сетей TCP/IP, существует также версия RIP для сетей IPX/SPX компании Novell.
В этом протоколе все сети имеют номера (способ образования номера зависит от используемого в сети протокола сетевого уровня), а все маршрутизаторы - идентификаторы. Протокол RIP широко использует понятие "вектор расстояний". Вектор расстояний представляет собой набор пар чисел, являющихся номерами сетей и расстояниями до них в хопах.
Вектора расстояний итерационно распространяются маршрутизаторами по сети, и через несколько шагов каждый маршрутизатор имеет данные о достижимых для него сетях и о расстояниях до них. Если связь с какой-либо сетью обрывается, то маршрутизатор отмечает этот факт тем, что присваивает элементу вектора, соответствующему расстоянию до этой сети, максимально возможное значение, которое имеет специальный смысл - "связи нет". Таким значением в протоколе RIP является число 16.
При необходимости отправить пакет в сеть D маршрутизатор просматривает свою базу данных маршрутов и выбирает порт, имеющий наименьшее расстояния до сети назначения (в данном случае порт, связывающий его с маршрутизатором 3).
Для адаптации к изменению состояния связей и оборудования с каждой записью таблицы маршрутизации связан таймер. Если за время тайм-аута не придет новое сообщение, подтверждающее этот маршрут, то он удаляется из маршрутной таблицы.
При использовании протокола RIP работает эвристический алгоритм динамического программирования Беллмана-Форда, и решение, найденное с его помощью является не оптимальным, а близким к оптимальному. Преимуществом протокола RIP является его вычислительная простота, а недостатками - увеличение трафика при периодической рассылке широковещательных пакетов и неоптимальность найденного маршрута.
При обрыве связи с сетью 1 маршрутизатор М1 отмечает, что расстояние до этой сети приняло значение 16. Однако получив через некоторое время от маршрутизатора М2 маршрутное сообщение о том, что от него до сети 1 расстояние составляет 2 хопа, маршрутизатор М1 наращивает это расстояние на 1 и отмечает, что сеть 1 достижима через маршрутизатор 2. В результате пакет, предназначенный для сети 1, будет циркулировать между маршрутизаторами М1 и М2 до тех пор, пока не истечет время хранения записи о сети 1 в маршрутизаторе 2, и он не передаст эту информацию маршрутизатору М1.
Для исключения подобных ситуаций маршрутная информация об известной маршрутизатору сети не передается тому маршрутизатору, от которого она пришла.
Существуют и другие, более сложные случаи нестабильного поведения сетей, использующих протокол RIP, при изменениях в состоянии связей или маршрутизаторов сети.
Комбинирование различных протоколов обмена. Протоколы EGP и BGP сети Internet
Большинство протоколов маршрутизации, применяемых в современных сетях с коммутацией пакетов, ведут свое происхождение от сети Internet и ее предшественницы - сети ARPANET. Для того, чтобы понять их назначение и особенности, полезно сначала познакомится со структурой сети Internet, которая наложила отпечаток на терминологию и типы протоколов.
Internet изначально строилась как сеть, объединяющая большое количество существующих систем. С самого начала в ее структуре выделяли магистральную сеть (core backbone network), а сети, присоединенные к магистрали, рассматривались как автономные системы (autonomous systems). Магистральная сеть и каждая из автономных систем имели свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации. Далее маршрутизаторы будут называться шлюзами для следования традиционной терминологии Internet.
Шлюзы, которые используются для образования подсетей внутри автономной системы, называются внутренними шлюзами (interior gateways), а шлюзы, с помощью которых автономные системы присоединяются к магистрали сети, называются внешними шлюзами (exterior gateways). Непосредственно друг с другом автономные системы не соединяются. Соответственно, протоколы маршрутизации, используемые внутри автономных систем, называются протоколами внутренних шлюзов (interior gateway protocol, IGP), а протоколы, определяющие обмен маршрутной информацией между внешними шлюзами и шлюзами магистральной сети - протоколами внешних шлюзов (exterior gateway protocol, EGP). Внутри магистральной сети также может использоваться любой собственный внутренний протокол IGP.
Смысл разделения всей сети Internet на автономные системы в ее многоуровневом представлении, что необходимо для любой крупной системы, способной к расширению в больших масштабах. Внутренние шлюзы могут использовать для внутренней маршрутизации достаточно подробные графы связей между собой, чтобы выбрать наиболее рациональный маршрут. Однако, если информация такой степени детализации будет храниться во всех маршрутизаторах сети, то топологические базы данных так разрастутся, что потребуют наличия памяти гигантских размеров, а время принятия решений о маршрутизации непременно возрастет.
Поэтому детальная топологическая информация остается внутри автономной системы, а автономную систему как единое целое для остальной части Internet представляют внешние шлюзы, которые сообщают о внутреннем составе автономной системы минимально необходимые сведения - количество IP-сетей, их адреса и внутреннее расстояние до этих сетей от данного внешнего шлюза.
При инициализации внешний шлюз узнает уникальный идентификатор обслуживаемой им автономной системы, а также таблицу достижимости (reachability table), которая позволяет ему взаимодействовать с другими внешними шлюзами через магистральную сеть.
Затем внешний шлюз начинает взаимодействовать по протоколу EGP с другими внешними шлюзами и обмениваться с ними маршрутной информацией, состав которой описан выше. В результате, при отправке пакета из одной автономной системы в другую, внешний шлюз данной системы на основании маршрутной информации, полученной от всех внешних шлюзов, с которыми он общается по протоколу EGP, выбирает наиболее подходящий внешний шлюз и отправляет ему пакет.
Каждая функция работает на основе обмена сообщениями запрос-ответ.
Так как каждая автономная система работает под контролем своего административного штата, то перед началом обмена маршрутной информацией внешние шлюзы должны согласиться на такой обмен. Сначала один из шлюзов посылает запрос на установление соседских отношений (acquisition request) другому шлюзу. Если тот согласен на это, то он отвечает сообщением подтверждение установления соседских отношений (acquisition confirm), а если нет - то сообщением отказ от установления соседских отношений (acquisition refuse), которое содержит также причину отказа.
После установления соседских отношений шлюзы начинают периодически проверять состояние достижимости друг друга. Это делается либо с помощью специальных сообщений (привет (hello) и Я-услышал-тебя (I-heard-you)), либо встраиванием подтверждающей информации непосредственно в заголовок обычного маршрутного сообщения.
Обмен маршрутной информацией начинается с посылки одним из шлюзов другому сообщения запрос данных (poll request) о номерах сетей, обслуживаемых другим шлюзом и расстояниях до них от него. Ответом на это сообщение служит сообщение обновленная маршрутная информация (routing ). Если же запрос оказался некорректным, то в ответ на него отсылается сообщение об ошибке.
Все сообщения протокола EGP передаются в поле данных IP-пакетов. Сообщения EGP имеют заголовок фиксированного формата.
Поля Тип и Код совместно определяют тип сообщения, а поле Статус - информацию, зависящую от типа сообщения. Поле Номер автономной системы - это номер, назначенный той автономной системе, к которой присоединен данный внешний шлюз. Поле Номер последовательности служит для синхронизации процесса запросов и ответов.
[pagebreak]
Поле IP-адрес исходной сети в сообщениях запроса и обновления маршрутной информации обозначает сеть, соединяющую два внешних шлюза.
Сообщение об обновленной маршрутной информации содержит список адресов сетей, которые достижимы в данной автономной системе. Этот список упорядочен по внутренним шлюзам, которые подключены к исходной сети и через которые достижимы данные сети, а для каждого шлюза он упорядочен по расстоянию до каждой достижимой сети от исходной сети, а не от данного внутреннего шлюза. Для примера внешний шлюз R2 в своем сообщении указывает, что сеть 4 достижима с помощью шлюза R3 и расстояние ее равно 2, а сеть 2 достижима через шлюз R2 и ее расстояние равно 1 (а не 0, как если бы шлюз измерял ее расстояние от себя, как в протоколе RIP).
Протокол EGP имеет достаточно много ограничений, связанных с тем, что он рассматривает магистральную сеть как одну неделимую магистраль.
Развитием протокола EGP является протокол BGP (Border Gateway Protocol), имеющий много общего с EGP и используемый наряду с ним в магистрали сети Internet.
Протокол состояния связей OSPF
Протокол OSPF (Open Shortest Path Firs) является достаточно современной реализацией алгоритма состояния связей (он принят в 1991 году) и обладает многими особенностями, ориентированными на применение в больших гетерогенных сетях.
Протокол OSPF вычисляет маршруты в IP-сетях, сохраняя при этом другие протоколы обмена маршрутной информацией.
Непосредственно связанные (то есть достижимые без использования промежуточных маршрутизаторов) маршрутизаторы называются "соседями". Каждый маршрутизатор хранит информацию о том, в каком состоянии по его мнению находится сосед. Маршрутизатор полагается на соседние маршрутизаторы и передает им пакеты данных только в том случае, если он уверен, что они полностью работоспособны. Для выяснения состояния связей маршрутизаторы-соседи достаточно часто обмениваются короткими сообщениями HELLO.
Для распространения по сети данных о состоянии связей маршрутизаторы обмениваются сообщениями другого типа. Эти сообщения называются router links advertisement - объявление о связях маршрутизатора (точнее, о состоянии связей). OSPF-маршрутизаторы обмениваются не только своими, но и чужими объявлениями о связях, получая в конце-концов информацию о состоянии всех связей сети. Эта информация и образует граф связей сети, который, естественно, один и тот же для всех маршрутизаторов сети.
Кроме информации о соседях, маршрутизатор в своем объявлении перечисляет IP-подсети, с которыми он связан непосредственно, поэтому после получения информации о графе связей сети, вычисление маршрута до каждой сети производится непосредственно по этому графу по алгоритму Дэйкстры. Более точно, маршрутизатор вычисляет путь не до конкретной сети, а до маршрутизатора, к которому эта сеть подключена. Каждый маршрутизатор имеет уникальный идентификатор, который передается в объявлении о состояниях связей. Такой подход дает возможность не тратить IP-адреса на связи типа "точка-точка" между маршрутизаторами, к которым не подключены рабочие станции.
Маршрутизатор вычисляет оптимальный маршрут до каждой адресуемой сети, но запоминает только первый промежуточный маршрутизатор из каждого маршрута. Таким образом, результатом вычислений оптимальных маршрутов является список строк, в которых указывается номер сети и идентификатор маршрутизатора, которому нужно переслать пакет для этой сети. Указанный список маршрутов и является маршрутной таблицей, но вычислен он на основании полной информации о графе связей сети, а не частичной информации, как в протоколе RIP.
Описанный подход приводит к результату, который не может быть достигнут при использовании протокола RIP или других дистанционно-векторных алгоритмов. RIP предполагает, что все подсети определенной IP-сети имеют один и тот же размер, то есть, что все они могут потенциально иметь одинаковое число IP-узлов, адреса которых не перекрываются. Более того, классическая реализация RIP требует, чтобы выделенные линии "точка-точка" имели IP-адрес, что приводит к дополнительным затратам IP-адресов.
В OSPF такие требования отсутствуют: сети могут иметь различное число хостов и могут перекрываться. Под перекрытием понимается наличие нескольких маршрутов к одной и той же сети. В этом случае адрес сети в пришедшем пакете может совпасть с адресом сети, присвоенным нескольким портам.
Если адрес принадлежит нескольким подсетям в базе данных маршрутов, то продвигающий пакет маршрутизатор использует наиболее специфический маршрут, то есть адрес подсети, имеющей более длинную маску.
Например, если рабочая группа ответвляется от главной сети, то она имеет адрес главной сети наряду с более специфическим адресом, определяемым маской подсети. При выборе маршрута к хосту в подсети этой рабочей группы маршрутизатор найдет два пути, один для главной сети и один для рабочей группы. Так как последний более специфичен, то он и будет выбран. Этот механизм является обобщением понятия "маршрут по умолчанию", используемого во многих сетях.
Использование подсетей с различным количеством хостов является вполне естественным. Например, если в здании или кампусе на каждом этаже имеются локальные сети, и на некоторых этажах компьютеров больше, чем на других, то администратор может выбрать размеры подсетей, отражающие ожидаемые требования каждого этажа, а не соответствующие размеру наибольшей подсети.
В протоколе OSPF подсети делятся на три категории:
* "хост-сеть", представляющая собой подсеть из одного адреса,
* "тупиковая сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную только к одному маршрутизатору,
* "транзитная сеть", которая представляет собой подсеть, подключенную к более чем одному маршрутизатору.
Транзитная сеть является для протокола OSPF особым случаем. В транзитной сети несколько маршрутизаторов являются взаимно и одновременно достижимыми. В широковещательных локальных сетях, таких как Ethernet или Token Ring, маршрутизатор может послать одно сообщение, которое получат все его соседи. Это уменьшает нагрузку на маршрутизатор, когда он посылает сообщения для определения существования связи или обновленные объявления о соседях.
Однако, если каждый маршрутизатор будет перечислять всех своих соседей в своих объявлениях о соседях, то объявления займут много места в памяти маршрутизатора. При определении пути по адресам транзитной подсети может обнаружиться много избыточных маршрутов к различным маршрутизаторам. На вычисление, проверку и отбраковку этих маршрутов уйдет много времени.
Когда маршрутизатор начинает работать в первый раз (то есть инсталлируется), он пытается синхронизировать свою базу данных со всеми маршрутизаторами транзитной локальной сети, которые по определению имеют идентичные базы данных. Для упрощения и оптимизации этого процесса в протоколе OSPF используется понятие "выделенного" маршрутизатора, который выполняет две функции.
Во-первых, выделенный маршрутизатор и его резервный "напарник" являются единственными маршрутизаторами, с которыми новый маршрутизатор будет синхронизировать свою базу. Синхронизировав базу с выделенным маршрутизатором, новый маршрутизатор будет синхронизирован со всеми маршрутизаторами данной локальной сети.
Во-вторых, выделенный маршрутизатор делает объявление о сетевых связях, перечисляя своих соседей по подсети. Другие маршрутизаторы просто объявляют о своей связи с выделенным маршрутизатором. Это делает объявления о связях (которых много) более краткими, размером с объявление о связях отдельной сети.
Для начала работы маршрутизатора OSPF нужен минимум информации - IP-конфигурация (IP-адреса и маски подсетей), некоторая информация по умолчанию (default) и команда на включение. Для многих сетей информация по умолчанию весьма похожа. В то же время протокол OSPF предусматривает высокую степень программируемости.
Интерфейс OSPF (порт маршрутизатора, поддерживающего протокол OSPF) является обобщением подсети IP. Подобно подсети IP, интерфейс OSPF имеет IP-адрес и маску подсети. Если один порт OSPF поддерживает более, чем одну подсеть, протокол OSPF рассматривает эти подсети так, как если бы они были на разных физических интерфейсах, и вычисляет маршруты соответственно.
Интерфейсы, к которым подключены локальные сети, называются широковещательными (broadcast) интерфейсами, так как они могут использовать широковещательные возможности локальных сетей для обмена сигнальной информацией между маршрутизаторами. Интерфейсы, к которым подключены глобальные сети, не поддерживающие широковещание, но обеспечивающие доступ ко многим узлам через одну точку входа, например сети Х.25 или frame relay, называются нешироковещательными интерфейсами с множественным доступом или NBMA (non-broadcast multi-access).
Они рассматриваются аналогично широковещательным интерфейсам за исключением того, что широковещательная рассылка эмулируется путем посылки сообщения каждому соседу. Так как обнаружение соседей не является автоматическим, как в широковещательных сетях, NBMA-соседи должны задаваться при конфигурировании вручную. Как на широковещательных, так и на NBMA-интерфейсах могут быть заданы приоритеты маршрутизаторов для того, чтобы они могли выбрать выделенный маршрутизатор.
Интерфейсы "точка-точка", подобные PPP, несколько отличаются от традиционной IP-модели. Хотя они и могут иметь IP-адреса и подмаски, но необходимости в этом нет.
В простых сетях достаточно определить, что пункт назначения достижим и найти маршрут, который будет удовлетворительным. В сложных сетях обычно имеется несколько возможных маршрутов. Иногда хотелось бы иметь возможности по установлению дополнительных критериев для выбора пути: например, наименьшая задержка, максимальная пропускная способность или наименьшая стоимость (в сетях с оплатой за пакет). По этим причинам протокол OSPF позволяет сетевому администратору назначать каждому интерфейсу определенное число, называемое метрикой, чтобы оказать нужное влияние на выбор маршрута.
Число, используемое в качестве метрики пути, может быть назначено произвольным образом по желанию администратора. Но по умолчанию в качестве метрики используется время передачи бита в 10-ти наносекундных единицах (10 Мб/с Ethernet'у назначается значение 10, а линии 56 Кб/с - число 1785). Вычисляемая протоколом OSPF метрика пути представляет собой сумму метрик всех проходимых в пути связей; это очень грубая оценка задержки пути. Если маршрутизатор обнаруживает более, чем один путь к удаленной подсети, то он использует путь с наименьшей стоимостью пути.
В протоколе OSPF используется несколько временных параметров, и среди них наиболее важными являются интервал сообщения HELLO и интервал отказа маршрутизатора (router dead interval).
HELLO - это сообщение, которым обмениваются соседние, то есть непосредственно связанные маршрутизаторы подсети, с целью установить состояние линии связи и состояние маршрутизатора-соседа. В сообщении HELLO маршрутизатор передает свои рабочие параметры и говорит о том, кого он рассматривает в качестве своих ближайших соседей. Маршрутизаторы с разными рабочими параметрами игнорируют сообщения HELLO друг друга, поэтому неверно сконфигурированные маршрутизаторы не будут влиять на работу сети.
Каждый маршрутизатор шлет сообщение HELLO каждому своему соседу по крайней мере один раз на протяжении интервала HELLO. Если интервал отказа маршрутизатора истекает без получения сообщения HELLO от соседа, то считается, что сосед неработоспособен, и распространяется новое объявление о сетевых связях, чтобы в сети произошел пересчет маршрутов.
Пример маршрутизации по алгоритму OSPF
Представим себе один день из жизни транзитной локальной сети. Пусть у нас имеется сеть Ethernet, в которой есть три маршрутизатора - Джон, Фред и Роб (имена членов рабочей группы Internet, разработавшей протокол OSPF). Эти маршрутизаторы связаны с сетями в других городах с помощью выделенных линий.
Пусть произошло восстановление сетевого питания после сбоя. Маршрутизаторы и компьютеры перезагружаются и начинают работать по сети Ethernet. После того, как маршрутизаторы обнаруживают, что порты Ethernet работают нормально, они начинают генерировать сообщения HELLO, которые говорят о их присутствии в сети и их конфигурации. Однако маршрутизация пакетов начинает осуществляться не сразу - сначала маршрутизаторы должны синхронизировать свои маршрутные базы.
На протяжении интервала отказа маршрутизаторы продолжают посылать сообщения HELLO. Когда какой-либо маршрутизатор посылает такое сообщение, другие его получают и отмечают, что в локальной сети есть другой маршрутизатор. Когда они посылают следующее HELLO, они перечисляют там и своего нового соседа.
Когда период отказа маршрутизатора истекает, то маршрутизатор с наивысшим приоритетом и наибольшим идентификатором объявляет себя выделенным (а следующий за ним по приоритету маршрутизатор объявляет себя резервным выделенным маршрутизатором) и начинает синхронизировать свою базу данных с другими маршрутизаторами.
[pagebreak]
С этого момента времени база данных маршрутных объявлений каждого маршрутизатора может содержать информацию, полученную от маршрутизаторов других локальных сетей или из выделенных линий. Роб, например, вероятно получил информацию от Мило и Робина об их сетях, и он может передавать туда пакеты данных. Они содержат информацию о собственных связях маршрутизатора и объявления о связях сети.
Базы данных теперь синхронизированы с выделенным маршрутизатором, которым является Джон. Джон суммирует свою базу данных с каждой базой данных своих соседей - базами Фреда, Роба и Джеффа - индивидуально. В каждой синхронизирующейся паре объявления, найденные только в какой-либо одной базе, копируются в другую. Выделенный маршрутизатор, Джон, распространяет новые объявления среди других маршрутизаторов своей локальной сети.
Например, объявления Мило и Робина передаются Джону Робом, а Джон в свою очередь передает их Фреду и Джеффри. Обмен информацией между базами продолжается некоторое время, и пока он не завершится, маршрутизаторы не будут считать себя работоспособными. После этого они себя таковыми считают, потому что имеют всю доступную информацию о сети.
Посмотрим теперь, как Робин вычисляет маршрут через сеть. Две из связей, присоединенных к его портам, представляют линии T-1, а одна - линию 56 Кб/c. Робин сначала обнаруживает двух соседей - Роба с метрикой 65 и Мило с метрикой 1785. Из объявления о связях Роба Робин обнаружил наилучший путь к Мило со стоимостью 130, поэтому он отверг непосредственный путь к Мило, поскольку он связан с большей задержкой, так как проходит через линии с меньшей пропускной способностью. Робин также обнаруживает транзитную локальную сеть с выделенным маршрутизатором Джоном. Из объявлений о связях Джона Робин узнает о пути к Фреду и, наконец, узнает о пути к маршрутизаторам Келли и Джеффу и к их тупиковым сетям.
После того, как маршрутизаторы полностью входят в рабочий режим, интенсивность обмена сообщениями резко падает. Обычно они посылают сообщение HELLO по своим подсетям каждые 10 секунд и делают объявления о состоянии связей каждые 30 минут (если обнаруживаются изменения в состоянии связей, то объявление передается, естественно, немедленно). Обновленные объявления о связях служат гарантией того, что маршрутизатор работает в сети. Старые объявления удаляются из базы через определенное время.
Представим, однако, что какая-либо выделенная линия сети отказала. Присоединенные к ней маршрутизаторы распространяют свои объявления, в которых они уже не упоминают друг друга. Эта информация распространяется по сети, включая маршрутизаторы транзитной локальной сети. Каждый маршрутизатор в сети пересчитывает свои маршруты, находя, может быть, новые пути для восстановления утраченного взаимодействия.
Сравнение протоколов RIP и OSPF по затратам на широковещательный трафик
В сетях, где используется протокол RIP, накладные расходы на обмен маршрутной информацией строго фиксированы. Если в сети имеется определенное число маршрутизаторов, то трафик, создаваемый передаваемой маршрутной информацией, описываются формулой (1):
(1) F = (число объявляемых маршрутов/25) x 528 (байтов в сообщении) x
(число копий в единицу времени) x 8 (битов в байте)
В сети с протоколом OSPF загрузка при неизменном состоянии линий связи создается сообщениями HELLO и обновленными объявлениями о состоянии связей, что описывается формулой (2):
(2) F = { [ 20 + 24 + 20 + (4 x число соседей)] x
(число копий HELLO в единицу времени) }x 8 +
[(число объявлений x средний размер объявления) x
(число копий объявлений в единицу времени)] x 8,
где 20 - размер заголовка IP-пакета,
24 - заголовок пакета OSPF,
20 - размер заголовка сообщения HELLO,
4 - данные на каждого соседа.
Интенсивность посылки сообщений HELLO - каждые 10 секунд, объявлений о состоянии связей - каждые полчаса. По связям "точка-точка" или по широковещательным локальным сетям в единицу времени посылается только одна копия сообщения, по NBMA сетям типа frame relay каждому соседу посылается своя копия сообщения. В сети frame relay с 10 соседними маршрутизаторами и 100 маршрутами в сети (подразумевается, что каждый маршрут представляет собой отдельное OSPF-обобщение о сетевых связях и что RIP распространяет информацию о всех этих маршрутах) трафик маршрутной информации определяется соотношениями (3) и (4):
(3) RIP: (100 маршрутов / 25 маршрутов в объявлении) x 528 x
(10 копий / 30 сек) = 5 632 б/с
(4) OSPF: {[20 + 24 + 20 + (4 x 10) x (10 копий / 10 сек)] +
[100 маршрутов x (32 + 24 + 20) + (10 копий / 30 x 60 сек]} x 8 = 1 170 б/с
Как видно из полученных результатов, для нашего гипотетического примера трафик, создаваемый протоколом RIP, почти в пять раз интенсивней трафика, создаваемого протоколом OSPF.
Использование других протоколов маршрутизации
Случай использования в сети только протокола маршрутизации OSPF представляется маловероятным. Если сеть присоединена к Internet'у, то могут использоваться такие протоколы, как EGP (Exterior Gateway protocol), BGP (Border Gateway Protocol, протокол пограничного маршрутизатора), старый протокол маршрутизации RIP или собственные протоколы производителей.
Когда в сети начинает применяться протокол OSPF, то существующие протоколы маршрутизации могут продолжать использоваться до тех пор, пока не будут полностью заменены. В некоторых случаях необходимо будет объявлять о статических маршрутах, сконфигурированных вручную.
В OSPF существует понятие автономных систем маршрутизаторов (autonomous systems), которые представляют собой домены маршрутизации, находящиеся под общим административным управлением и использующие единый протокол маршрутизации. OSPF называет маршрутизатор, который соединяет автономную систему с другой автономной системой, использующей другой протокол маршрутизации, пограничным маршрутизатором автономной системы (autonomous system boundary router, ASBR).
В OSPF маршруты (именно маршруты, то есть номера сетей и расстояния до них во внешней метрике, а не топологическая информация) из одной автономной системы импортируются в другую автономную систему и распространяются с использованием специальных внешних объявлений о связях.
Внешние маршруты обрабатываются за два этапа. Маршрутизатор выбирает среди внешних маршрутов маршрут с наименьшей внешней метрикой. Если таковых оказывается больше, чем 2, то выбирается путь с меньшей стоимостью внутреннего пути до ASBR.
Область OSPF - это набор смежных интерфейсов (территориальных линий или каналов локальных сетей). Введение понятия "область" служит двум целям - управлению информацией и определению доменов маршрутизации.
Для понимания принципа управления информацией рассмотрим сеть, имеющую следующую структуру: центральная локальная сеть связана с помощью 50 маршрутизаторов с большим количеством соседей через сети X.25 или frame relay. Эти соседи представляют собой большое количество небольших удаленных подразделений, например, отделов продаж или филиалов банка.
Из-за большого размера сети каждый маршрутизатор должен хранить огромное количество маршрутной информации, которая должна передаваться по каждой из линий, и каждое из этих обстоятельств удорожает сеть. Так как топология сети проста, то большая часть этой информации и создаваемого ею трафика не имеют смысла.
Для каждого из удаленных филиалов нет необходимости иметь детальную маршрутную информацию о всех других удаленных офисах, в особенности, если они взаимодействуют в основном с центральными компьютерами, связанными с центральными маршрутизаторами. Аналогично, центральным маршрутизаторам нет необходимости иметь детальную информацию о топологии связей с удаленными офисами, соединенными с другими центральными маршрутизаторами.
В то же время центральные маршрутизаторы нуждаются в информации, необходимой для передачи пакетов следующему центральному маршрутизатору. Администратор мог бы без труда разделить эту сеть на более мелкие домены маршрутизации для того, чтобы ограничить объемы хранения и передачи по линиям связи не являющейся необходимой информации. Обобщение маршрутной информации является главной целью введения областей в OSPF.
В протоколе OSPF определяется также пограничный маршрутизатор области (ABR, area border router). ABR - это маршрутизатор с интерфейсами в двух или более областях, одна из которых является специальной областью, называемой магистральной (backbone area). Каждая область работает с отдельной базой маршрутной информации и независимо вычисляет маршруты по алгоритму OSPF.
Пограничные маршрутизаторы передают данные о топологии области в соседние области в обобщенной форме - в виде вычисленных маршрутов с их весами. Поэтому в сети, разбитой на области, уже не действует утверждение о том, что все маршрутизаторы оперируют с идентичными топологическими базами данных.
Маршрутизатор ABR берет информацию о маршрутах OSPF, вычисленную в одной области, и транслирует ее в другую область путем включения этой информации в обобщенное суммарное объявление (summary) для базы данных другой области. Суммарная информация описывает каждую подсеть области и дает для нее метрику. Суммарная информация может быть использована тремя способами: для объявления об отдельном маршруте, для обобщения нескольких маршрутов или же служить маршрутом по умолчанию.
Дальнейшее уменьшение требований к ресурсам маршрутизаторов происходит в том случае, когда область представляет собой тупиковую область (stub area). Этот атрибут администратор сети может применить к любой области, за исключением магистральной. ABR в тупиковой области не распространяет внешние объявления или суммарные объявления из других областей. Вместо этого он делает одно суммарное объявление, которое будет удовлетворять любой IP-адрес, имеющий номер сети, отличный от номеров сетей тупиковой области. Это объявление называется маршрутом по умолчанию.
Маршрутизаторы тупиковой области имеют информацию, необходимую только для вычисления маршрутов между собой плюс указания о том, что все остальные маршруты должны проходить через ABR. Такой подход позволяет уменьшить в нашей гипотетической сети количество маршрутной информации в удаленных офисах без уменьшения способности маршрутизаторов корректно передавать пакеты.
Типы адресов: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).
Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:
* Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.
* IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.
Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.
* Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.
Три основных класса IP-адресов
IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:
128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,
10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.
Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:
* Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.
* Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.
* Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.
* Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
* Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.
В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.
Класс | Наименьший адрес | Наибольший адрес
A _________01.0.0 ___________126.0.0.0
B _________128.0.0.0_________191.255.0.0
C _________192.0.1.0._________223.255.255.0
D _________224.0.0.0__________239.255.255.255
E _________240.0.0.0 _________247.255.255.255
Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.
В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.
Отображение физических адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP
В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера это изменение должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet'у).
Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.
Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.
В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.
Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола ARP зависит от типа сети.
В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов.
Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса - 4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола RARP.
Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.
В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети X.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети.
При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.
[pagebreak]
Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS
DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.
Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен - в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.
Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет - то он посылает запрос DNS-серверу другого домена, который может сам обработать запрос, либо передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet. Клиент опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов, для повышения надежности своей работы.
База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.
Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:
* com - коммерческие организации (например, microsoft.com);
* edu - образовательные (например, mit.edu);
* gov - правительственные организации (например, nsf.gov);
* org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);
* net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).
Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню.
Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP
Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.
Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.
В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.
При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.
При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.
DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.
Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.
Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии "инициализация", посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.
Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние "выбор" и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние "запрос" и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.
Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние "связь", находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.
В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.
Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.
Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.
Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.
Сетевой уровень в первую очередь должен предоставлять средства для решения следующих задач:
* доставки пакетов в сети с произвольной топологией,
* структуризации сети путем надежной локализации трафика,
* согласования различных протоколов канального уровня.
Локализация трафика и изоляция сетей
Трафик в сети складывается случайным образом, однако в нем отражены и некоторые закономерности. Как правило, некоторые пользователи, работающие над общей задачей, (например, сотрудники одного отдела) чаще всего обращаются с запросами либо друг к другу, либо к общему серверу, и только иногда они испытывают необходимость доступа к ресурсам компьютеров другого отдела.
Желательно, чтобы структура сети соответствовала структуре информационных потоков. В зависимости от сетевого трафика компьютеры в сети могут быть разделены на группы (сегменты сети). Компьютеры объединяются в группу, если большая часть порождаемых ими сообщений, адресована компьютерам этой же группы.
Для разделения сети на сегменты используются мосты и коммутаторы. Они экранируют локальный трафик внутри сегмента, не передавая за его пределы никаких кадров, кроме тех, которые адресованы компьютерам, находящимся в других сегментах. Тем самым, сеть распадается на отдельные подсети. Это позволяет более рационально выбирать пропускную способность имеющихся линий связи, учитывая интенсивность трафика внутри каждой группы, а также активность обмена данными между группами.
Однако локализация трафика средствами мостов и коммутаторов имеет существенные ограничения.
С одной стороны, логические сегменты сети, расположенные между мостами, недостаточно изолированы друг от друга, а именно, они не защищены от, так называемых, широковещательных штормов. Если какая-либо станция посылает широковещательное сообщение, то это сообщение передается всем станциям всех логических сегментов сети. Защита от широковещательных штормов в сетях, построенных на основе мостов, имеет количественный, а не качественный характер: администратор просто ограничивает количество широковещательных пакетов, которое разрешается генерировать некоторому узлу.
С другой стороны, использование механизма виртуальных сегментов, реализованного в коммутаторах локальных сетей, приводит к полной локализации трафика - такие сегменты полностью изолированы друг от друга, даже в отношении широковещательных кадров. Поэтому в сетях, построенных только на мостах и коммутаторах, компьютеры, принадлежащие разным виртуальным сегментам, не образуют единой сети.
Приведенные недостатки мостов и коммутаторов связаны с тем, что они работают по протоколам канального уровня, в которых в явном виде не определяется понятие части сети (или подсети, или сегмента), которое можно было бы использовать при структуризации большой сети. Вместо того, чтобы усовершенствовать канальный уровень, разработчики сетевых технологий решили поручить задачу построения составной сети новому уровню - сетевому.
Согласование протоколов канального уровня
Современные вычислительные сети часто строятся с использованием нескольких различных базовых технологий - Ethernet, Token Ring или FDDI. Такая неоднородность возникает либо при объединении уже существовавших ранее сетей, использующих в своих транспортных подсистемах различные протоколы канального уровня, либо при переходе к новым технологиям, таким, как Fast Ethernet или 100VG-AnyLAN.
Именно для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами, и служит сетевой уровень. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используется термин интерсеть (internetwork или internet).
Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.
Маршрутизация в сетях с произвольной топологией
Среди протоколов канального уровня некоторые обеспечивают доставку данных в сетях с произвольной топологией, но только между парой соседних узлов (например, протокол PPP), а некоторые - между любыми узлами (например, Ethernet), но при этом сеть должна иметь топологию определенного и весьма простого типа, например, древовидную.
При объединении в сеть нескольких сегментов с помощью мотов или коммутаторов продолжают действовать ограничения на ее топологию: в получившейся сети должны отсутствовать петли. Действительно, мост или его функциональный аналог - коммутатор - могут решать задачу доставки пакета адресату только тогда, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. В то же время наличие избыточных связей, которые и образуют петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки, а также для повышения надежности сети за счет существования альтернативного маршрута в дополнение к основному.
Сетевой уровень позволяет передавать данные между любыми, произвольно связанными узлами сети.
Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства - маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. Внутренняя структура каждой сети не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две).
В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрутов из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы.
Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения.
Маршрутизатор выбирает маршрут на основании своего представления о текущей конфигурации сети и соответствующего критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает время прохождения маршрута, которое в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, измеряемой в количестве пройденных узлов маршрутизации (в глобальных сетях принимается в расчет и время передачи пакета по каждой линии связи).
[pagebreak]
Сетевой уровень и модель OSI
В модели OSI, называемой также моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI) и разработанной Международной Организацией по Стандартам (International Organization for Standardization - ISO), средства сетевого взаимодействия делятся на семь уровней, для которых определены стандартные названия и функции.
Сетевой уровень занимает в модели OSI промежуточное положение: к его услугам обращаются протоколы прикладного уровня, сеансового уровня и уровня представления. Для выполнения своих функций сетевой уровень вызывает функции канального уровня, который в свою очередь обращается к средствам физического уровня.
Рассмотрим коротко основные функции уровней модели OSI.
Физический уровень выполняет передачу битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом уровне определяются характеристики физических сред передачи данных и параметров электрических сигналов.
Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами в сетях с типовой топологией либо между двумя соседними узлами в сетях с произвольной топологией. В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами.
Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.
Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов.
Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации в рамках процедуры обмена сообщениями.
Уровень представления. В отличии от нижележащих уровней, которые имеют дело с надежной и эффективной передачей битов от отправителя к получателю, уровень представления имеет дело с внешним представлением данных. На этом уровне могут выполняться различные виды преобразования данных, такие как компрессия и декомпрессия, шифровка и дешифровка данных.
Прикладной уровень - это в сущности набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям. Примерами таких сервисов являются, например, электронная почта, передача файлов, подключение удаленных терминалов к компьютеру по сети.
При построении транспортной подсистемы наибольший интерес представляют функции физического, канального и сетевого уровней, тесно связанные с используемым в данной сети оборудованием: сетевыми адаптерами, концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Функции прикладного и сеансового уровней, а также уровня представления реализуются операционными системами и системными приложениями конечных узлов. Транспортный уровень выступает посредником между этими двумя группами протоколов.
Функции сетевого уровня
Протоколы канального уровня не позволяют строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи пакетов для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.
Прежде, чем приступить к рассмотрению функций сетевого уровня , уточним, что понимается под термином "сеть". В протоколах сетевого уровня термин "сеть" означает совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи пакетов общую базовую сетевую технологию. Внутри сети сегменты не разделяются маршрутизаторами, иначе это была бы не одна сеть, а несколько сетей. Маршрутизатор соединят несколько сетей в интерсеть.
Основная идея введения сетевого уровня состоит в том, чтобы оставить технологии, используемые в объединяемых сетях в неизменном в виде, но добавить в кадры канального уровня дополнительную информацию - заголовок сетевого уровня, на основании которой можно было бы находить адресата в сети с любой базовой технологией. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня тех сетей, которые могут входить в объединенную сеть.
Заголовок сетевого уровня должен содержать адрес назначения и другую информацию, необходимую для успешного перехода пакета из сети одного типа в сеть другого типа. К такой информации может относиться, например:
* номер фрагмента пакета, нужный для успешного проведения операций сборки-разборки фрагментов при соединении сетей с разными максимальными размерами кадров канального уровня,
* время жизни пакета, указывающее, как долго он путешествует по интерсети, это время может использоваться для уничтожения "заблудившихся" пакетов,
* информация о наличии и о состоянии связей между сетями, помогающая узлам сети и маршрутизаторам рационально выбирать межсетевые маршруты,
* информация о загруженности сетей, также помогающая согласовать темп посылки пакетов в сеть конечными узлами с реальными возможностями линий связи на пути следования пакетов,
* качество сервиса - критерий выбора маршрута при межсетевых передачах - например, узел-отправитель может потребовать передать пакет с максимальной надежностью, возможно в ущерб времени доставки.
В качестве адресов отправителя и получателя в составной сети используется не МАС-адрес, а пара чисел - номер сети и номер компьютера в данной сети. В канальных протоколах поле "номер сети" обычно отсутствует - предполагается, что все узлы принадлежат одной сети. Явная нумерация сетей позволяет протоколам сетевого уровня составлять точную карту межсетевых связей и выбирать рациональные маршруты при любой их топологии, используя альтернативные маршруты, если они имеются, что не умеют делать мосты.
Таким образом, внутри сети доставка сообщений регулируется канальным уровнем. А вот доставкой пакетов между сетями занимается сетевой уровень.
Существует два подхода к назначению номера узла в заголовке сетевого пакета. Первый основан на использовании для каждого узла нового адреса, отличного от того, который использовался на канальном уровне. Преимуществом такого подхода является его универсальность и гибкость - каков бы ни был формат адреса на канальном уровне, формат адреса узла на сетевом уровне выбирается единым. Однако, здесь имеются и некоторые неудобства, связанные с необходимостью заново нумеровать узлы, причем чаще всего вручную.
Второй подход состоит в использовании на сетевом уровне того же адреса узла, что был дан ему на канальном уровне. Это избавляет администратора от дополнительной работы по присвоению новых адресов, снимает необходимость в установлении соответствия между сетевым и канальным адресом одного и того же узла, но может породить сложную задачу интерпретации адреса узла при соединении сетей с разными форматами адресов.
Протоколы передачи данных и протоколы обмена маршрутной информацией
Для того, чтобы иметь информацию о текущей конфигурации сети, маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией между собой по специальному протоколу. Протоколы этого типа называются протоколами обмена маршрутной информацией (или протоколами маршрутизации). Протоколы обмена маршрутной информацией следует отличать от, собственно, протоколов сетевого уровня. В то время как первые несут чисто служебную информацию, вторые предназначены для передачи пользовательских данных, также, как это делают протоколы канального уровня.
Для того, чтобы доставить удаленному маршрутизатору пакет протокола обмена маршрутной информацией, используется протокол сетевого уровня, так как только он может передать информацию между маршрутизаторами, находящимися в разных сетях. Пакет протокола обмена маршрутной информацией помещается в поле данных пакета сетевого уровня, поэтому с точки зрения вложенности пакетов протоколы маршрутизации следует отнести к более высокому уровню, чем сетевой. Но функционально они решают общую задачу с пакетами сетевого уровня - доставляют кадры адресату через разнородную составную сеть.
С помощью протоколов обмена маршрутной информацией маршрутизаторы составляют карту межсетевых связей той или иной степени подробности и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору нужно передать пакет для образования рационального пути.
На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.
Задачей протокола транспортного уровня UDP (User Datagram Protocol) является передача данных между прикладными процессами без гарантий доставки, поэтому его пакеты могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором они были отправлены.
Зарезервированные и доступные порты UDP
В то время, как задачей сетевого уровня является передача данных между произвольными узлами сети, задача транспортного уровня заключается в передаче данных между любыми прикладными процессами, выполняющимися на любых узлах сети. Действительно, после того, как пакет средствами протокола IP доставлен в компьютер-получатель, данные необходимо направить конкретному процессу-получателю. Каждый компьютер может выполнять несколько процессов, более того, прикладной процесс тоже может иметь несколько точек входа, выступающих в качестве адреса назначения для пакетов данных.
Пакеты, поступающие на транспортный уровень, организуются операционной системой в виде множества очередей к точкам входа различных прикладных процессов. В терминологии TCP/IP такие системные очереди называются портами. Таким образом, адресом назначения, который используется на транспортном уровне, является идентификатор (номер) порта прикладного сервиса. Номер порта, задаваемый транспортным уровнем, в совокупности с номером сети и номером компьютера, задаваемыми сетевым уровнем, однозначно определяют прикладной процесс в сети.
Локальное присвоение номера порта заключается в том, что разработчик некоторого приложения просто связывает с ним любой доступный, произвольно выбранный числовой идентификатор, обращая внимание на то, чтобы он не входил в число зарезервированных номеров портов. В дальнейшем все удаленные запросы к данному приложению от других приложений должны адресоваться с указанием назначенного ему номера порта.
Мультиплексирование и демультиплексирование прикладных протоколов с помощью протокола UDP
Протокол UDP ведет для каждого порта две очереди: очередь пакетов, поступающих в данный порт из сети, и очередь пакетов, отправляемых данным портом в сеть.
Процедура обслуживания протоколом UDP запросов, поступающих от нескольких различных прикладных сервисов, называется мультиплексированием.
Распределение протоколом UDP поступающих от сетевого уровня пакетов между набором высокоуровневых сервисов, идентифицированных номерами портов, называется демультиплексированием.
Хотя к услугам протокола UDP может обратиться любое приложение, многие из них предпочитают иметь дело с другим, более сложным протоколом транспортного уровня TCP. Дело в том, что протокол UDP выступает простым посредником между сетевым уровнем и прикладными сервисами, и, в отличие от TCP, не берет на себя никаких функций по обеспечению надежности передачи. UDP является дейтаграммным протоколом, то есть он не устанавливает логического соединения, не нумерует и не упорядочивает пакеты данных.
С другой стороны, функциональная простота протокола UDP обуславливает простоту его алгоритма, компактность и высокое быстродействие. Поэтому те приложения, в которых реализован собственный, достаточно надежный, механизм обмена сообщениями, основанный на установлении соединения, предпочитают для непосредственной передачи данных по сети использовать менее надежные, но более быстрые средства транспортировки, в качестве которых по отношению к протоколу TCP и выступает протокол UDP. Протокол UDP может быть использован и в том случае, когда хорошее качество каналов связи обеспечивает достаточный уровень надежности и без применения дополнительных приемов типа установления логического соединения и квитирования передаваемых пакетов.
Формат сообщений UDP
Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой (user datagram). UDP-пакет состоит из заголовка и поля данных, в котором размещается пакет прикладного уровня. Заголовок имеет простой формат и состоит из четырех двухбайтовых полей:
* UDP source port - номер порта процесса-отправителя,
* UDP destination port - номер порта процесса-получателя,
* UDP message length - длина UDP-пакета в байтах,
* UDP checksum - контрольная сумма UDP-пакета
Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули. Можно отказаться и от подсчета контрольной суммы, однако следует учесть, что протокол IP подсчитывает контрольную сумму только для заголовка IP-пакета, игнорируя поле данных.
Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.
Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.
Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.
Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. На этом же стеке работает всемирная информационная сеть Internet, чье подразделение Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC.
Если в настоящее время стек TCP/IP распространен в основном в сетях с ОС UNIX, то реализация его в последних версиях сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows NT 3.5, NetWare 4.1, Windows 95) является хорошей предпосылкой для быстрого роста числа установок стека TCP/IP.
Итак, лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:
* Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю.
* Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.
* Это метод получения доступа к сети Internet.
* Этот стек служит основой для создания intranet- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet.
* Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.
* Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.
* Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.
Структура стека TCP/IP. Краткая характеристика протоколов
Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.
Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.
Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.
Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.
В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.
К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.
Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.
Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.
Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.
Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.
Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.
Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.
Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.
Поиск
