Эта книга познакомит читателей с одним из величайших видов тайн — наукой о шифрах или криптологией. Изобретенная тысячелетия назад письменность обладает свойством вседоступности, которое, в зависимости от получателя сообщения, можно рассматривать как полезное, или как вредное. Мы обычно рады получить письмо от знакомых, но бываем не в восторге, заметив, что конверт вскрыт и с его содержимым кто-то ознакомился. Потому параллельно письменности, развивается секретное письмо, или по-гречески криптография. Она предназначена спрятать смысл письма от просто грамотных людей и сделать его доступным лишь определенным адресатам. Поскольку компьютер революционно расширил в последние годы сферу письменности, то почти одновременно возникла потребность столь же большого развития криптографии. Насколько актуально ее использование сейчас - судите сами.
От кого же придется защищать свои данные? Пословица гласит: "От своего вора не убережешься”. Если верить газетным публикациям, то российская внешняя разведка готова отечественным структурам продавать технологические секреты, выведанные за рубежом. На практике это может выглядеть таким образом. Россиянин ведет свое дело в США, а наша разведка, выкрав там его секреты, продаст их в России совместной с американцами фирме. Теория честного жулика, который в своем доме не ворует, в данном случае порочна. Наши разведчики и их шпионы мирно договариваются, какими секретами, похищенными в своих странах, они согласны обменяться и как поделить вырученные от этого деньги. Стремление государственных секретных служб ввести свои правила шифрования частных и коммерческих данных означает ни что иное, как желание Старшего Брата выведать их.
Поскольку качество видео на DVD носителях превосходное, то вопрос защиты от копирования стоит острее, чем защита от копирования фильмов на VCD и видеокассета. Может показаться, что вообще невозможно предотвратить незаконное копирование как цифровых так и аналоговых форматов и в любом случае найдутся "умельцы". Но все же принимаются меры. Какие мы вам расскажем далее.
Механизм защиты от копирования DVD
Во-первых, давайте посмотрим сколько дорожек доступно для копирования в DVD системе. Первая дорожка содержит необрабатываемые цифровые данные, считываемые с DVD привода, в возможные пиратские приборы встроены DVD видео декодеры, которые не будут принимать меры против защиты от копирования на дорожках 2 и 3. Система content scramble system (CSS) не позволяет добраться до содержания 2 и 3 дорожки без чтения первой. Сигнал со второй дорожки идет в аналоговом телевизионном формате NTSC или PAL. Поскольку VHS видеомагнитофоны очень распространены на сегодняшний день, то проще всего сделать копию в этом формате с DVD качеством.
content scramble system (система защиты от копирования)
основной целью CSS является защита содержания DVD от пиратского взлома и копирования через защиту от DVD видео декодеров и дисководов перезаписываемых дисков. Чтобы воспроизвести защищенный авторским правом материал с DVD ROM диска нужно согласие владельца авторского права, для чего и создана система content scramble. Три кода нанесены один за другим, что значит, что второй ключ может быть получен только при обладании первым, а третий только через получение второго. После этого, сжатое содержание может быть развернуто посредством третьего ключа. То есть для полного доступа нужно иметь три ключа. Конечно, алгоритм расшифровки можно получить через подписание документов, разрешающих тиражирование. Для предотвращения копирования с/на цифровые носители в среде персонального компьютера, предпринята попытка идентификации и шифровки данных. В среде персонального компьютера, для копирования необходимо два "компонента": DVD ROM привод и карта декодера, подсоединенные к PC шине. Поскольку данные с PC шины легко скопировать, то DVD ROM должен сам проверять законность получателя перед отправки данных. Также, для предотвращения воспроизведения нелегально скопированного материала, карта декодера должна проверять законность отправителя данных. Поэтому необходима обоюдная идентификация. А для предотвращения подмены диска после идентификации, DVD ROM привод должен периодически менять ключ шифра перед отсылкой.
Macrovision & CGMS/A (copy generation management system/analog (макровижн и система управления тиражированием/аналоговая))
Макровижн основан на различиях в работе видеомагнитофонов и телевизоров. Защита от копирования в этом случае состоит из двух элементов: AGC [Automatic Gain Control] автоматическая регулировка усиления и "полосатого" кода. Система AGC в телевизоре спроектирована так, что медленно реагирует на изменения, та же, схема, которая встроена в видеомагнитофоны, должна мгновенно реагировать на изменения. Именно это различие и лежит в основе системы. Суть в том, что макровижн изменяет сигнал так, что при воспроизведении картинка будет хорошей, а при записи на копии будут множественные качественные изменения. Что касается "полосатого" кода, то при воспроизведении он не оказывает никакого влияния на качество изображения, при просмотре копии на картинке появится ужасная вертикальная полосность.
В то время как макровижн направлен на устранение пиратских копий, CGMS/A направлена на контроль записи легальных копий. Информация CGMS/A вложена в выходящий видео сигнал. Для работы CGMS/A ( то есть для возможности сделать легальную копию) необходимо, чтобы записывающее оборудование распознавало CGMS. CGMS кодирует информацию на линии 21 системы NTSC, при этом CGMS имеет приоритет над антикопировальными сигналами макровижн, записываемых на ту же линию.
CGMS/D (система управления тиражированием/цифровая)
Эта система основана на стандарте IEEE 1394 и предназначена для ограничения ("copy once"- одна копия) и запрещение ("copy never"- запрещение копирования) создания цифровых копий. Цифровые приборы, такие, например как DVD плеер и цифровой TV, будут обмениваться ключами и идентификационными подтверждениями перед установлением канала. DVD плеер шифрует видео сигнал при отправке, а получающий прибор расшифровывает его. Пишущие цифровые приборы не смогут получать сигнал при внутренней маркировке "copy never", а при маркировке "copy once"- сделают копию и изменят маркер на "copy never". CGMS/D спроектирован для следующего поколения цифровых ТВ и видео рекордеров. Для этой системы нужны DVD проигрыватели нового поколения с цифровыми соединениями.
Код региона (код места)
Смысл этого кодирования состоит в том, что киностудии пожелали ввести дополнительную кодировку поскольку в большинстве случаев фильмы вышедшие на DVD в одной стране еще идут на киноэкране другой страны. Для увеличения доходов от проката фильмов для разных географических регионов устанавливаются разные коды. Этот код будет встраиваться в DVD проигрыватель на основании региона в котором он был продан. Это означает, что диски купленные в одной стране могут не проигрываться в другой.
Регионы разбиты так. Каждый диск будет идентифицироваться по цифре. Если диск разрешен к проигрыванию в более чем одном регионе, то соответственно и цифр будет больше.
1: Канада, США, Территории США.
2: Япония, Европа, Южная Африка, Средний Восток (включая Египет)
3: Южно-восточная Азия, Восточная Азия (включая Гонконг)
4: Австралия, Новая Зеландия, Центральная Америка, Мексика, Южная Америка, Карибы.
5: Бывший Советский Союз, Индия и Африка, Северная Корея, Монголия
6: Китай
Для отправки электронного письма, без использования почтового клиента, мы будем использовать компонент TNSMTP, который находится на вкладке FastNet.
Компонент TNSMTP позволяет отправлять электронную почту через почтовый сервер или выполнять другие команды, описанные в стандарте RFC 821. Данный компонент работает по протоколу SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). По стандарту RFC 821 протокол SMTP использует порт 25. При подключении к почтовому серверу необходимо знать учетную запись (login) своего почтового ящика. Чаще всего, имя пользователя - это начальная часть вашего почтового адреса – до символа «@». Так же для подключения к SMTP серверу необходимо знать его адрес. Адрес своего почтового сервера указывается при создании на нем почтового ящика. Стоит заметить, что адрес почтового ящика и адрес сервера – это совершенно разные вещи.
Создадим небольшой пример. Добавим на форму стандартную кнопку и компонент TNSMTP.
Собственно, Вы можете и не добавлять на форму данный компонент, а просто прописать его в строках Uses. Такой вариант очень полезен, если Вы пишете программу в «консольном» режиме.
Код:
Но этого мы делать не будем. В обработчик кнопки поместим код расположенный ниже.
Код:
Для корректной работы компонента необходимо заполнить свойства Host и Port. Для того чтобы подключиться к серверу, необходимо вызывать метод Connect, а для отключения - Disconnect. Главное свойство компонента TNSMTP - PostMessage. Это свойство содержит в себе информацию об отправляемом письме: ToAddress (адрес получателя), FromAddress (адрес отправителя), Body (текст письма), Subject (тема письма) и FromName (имя отправителя). После отправки письма необходимо отключиться от сервера, используя метод Disconnect.
Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.
Назначение пакетов и их структура
Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.
Локальная сеть, как уже отмечалось, должна обеспечивать качественную, прозрачную связь всем абонентам (компьютерам) сети. Важнейшим параметром является так называемое время доступа к сети (access time), которое определяется как временной интервал между моментом готовности абонента к передаче (когда ему есть, что передавать) и моментом начала этой передачи. Это время ожидания абонентом начала своей передачи. Естественно, оно не должно быть слишком большим, иначе величина реальной, интегральной скорости передачи информации между приложениями сильно уменьшится даже при высокоскоростной связи.
Ожидание начала передачи связано с тем, что в сети не может происходить несколько передач одновременно (во всяком случае, при топологиях шина и кольцо). Всегда есть только один передатчик и один приемник (реже – несколько приемников). В противном случае информация от разных передатчиков смешивается и искажается. В связи с этим абоненты передают свою информацию по очереди. И каждому абоненту, прежде чем начать передачу, надо дождаться своей очереди. Вот это время ожидания своей очереди и есть время доступа.
Если бы вся требуемая информация передавалась каким-то абонентом сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети этим абонентом на довольно продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации, что в ряде случаев могло бы потребовать десятков секунд и даже минут (например, при копировании содержимого целого жесткого диска). С тем чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также сделать примерно одинаковыми для всех них величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации, как раз и применяются пакеты (кадры) ограниченной длины. Важно также и то, что при передаче больших массивов информации вероятность ошибки из-за помех и сбоев довольно высока. Например, при характерной для локальных сетей величине вероятности одиночной ошибки в 10-8пакет длиной 10 Кбит будет искажен с вероятностью 10-4, а массив длиной 10 Мбит – уже с вероятностью 10-1. К тому же выявить ошибку в массиве из нескольких мегабайт намного сложнее, чем в пакете из нескольких килобайт. А при обнаружении ошибки придется повторить передачу всего большого массива. Но и при повторной передаче большого массива снова высока вероятность ошибки, и процесс этот при слишком большом массиве может повторяться до бесконечности.
С другой стороны, сравнительно большие пакеты имеют преимущества перед очень маленькими пакетами, например, перед побайтовой (8 бит) или пословной (16 бит или 32 бита) передачей информации.
Дело в том, что каждый пакет помимо собственно данных, которые требуется передать, должен содержать некоторое количество служебной информации. Прежде всего, это адресная информация, которая определяет, от кого и кому передается данный пакет (как на почтовом конверте – адреса получателя и отправителя). Если порция передаваемых данных будет очень маленькой (например, несколько байт), то доля служебной информации станет непозволительно высокой, что резко снизит интегральную скорость обмена информацией по сети.
Существует некоторая оптимальная длина пакета (или оптимальный диапазон длин пакетов), при которой средняя скорость обмена информацией по сети будет максимальна. Эта длина не является неизменной величиной, она зависит от уровня помех, метода управления обменом, количества абонентов сети, характера передаваемой информации, и от многих других факторов. Имеется диапазон длин, который близок к оптимуму.
Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов, каждый из которых содержит информацию, передаваемую от абонента к абоненту.
Передача пакетов в сети между двумя абонентами
Рис. 4.1. Передача пакетов в сети между двумя абонентами
В частном случае (рис. 4.1) все эти пакеты могут передаваться одним абонентом (когда другие абоненты не хотят передавать). Но обычно в сети чередуются пакеты, посланные разными абонентами (рис. 4.2).
Передача пакетов в сети между несколькими абонентами
Рис. 4.2. Передача пакетов в сети между несколькими абонентами
Структура и размеры пакета в каждой сети жестко определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации. Кроме того, эти параметры зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).
Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым локальным сетям.
Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 4.3):
Типичная структура пакета
Рис. 4.3. Типичная структура пакета
* Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к единственному стартовому биту.
* Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно (при широком вещании).
* Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный номер, присвоенный каждому передающему абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.
* Служебная информация, которая может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.
* Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и определяет полную длину пакета. Существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.
* Контрольная сумма пакета – это числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу. Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC). Подробнее об этом рассказано в главе 7.
* Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета.
Вложение кадра в пакет
Рис. 4.4. Вложение кадра в пакет
Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:
* Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.
* Поле данных пакета.
* Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также, возможно, служебная информация.
Как уже упоминалось, помимо термина "пакет" (packet) в литературе также нередко встречается термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет различаются. Причем единства в объяснении этих различий не наблюдается.
В некоторых источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой комбинации относятся к кадру (рис. 4.4). Например, в описаниях сети Ethernet говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.
В других, напротив, поддерживается мнение о том, что пакет вложен в кадр. И тогда под пакетом подразумевается только информация, содержащаяся в кадре, который передается по сети и снабжен служебными полями.
Во избежание путаницы, в данной книге термин "пакет" будет использоваться как более понятный и универсальный.
В процессе сеанса обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена. Это позволяет обеспечить надежную передачу информации при любой интенсивности обмена по сети.
Пример простейшего протокола показан на рис. 4.5.
Пример обмена пакетами при сеансе связи
Рис. 4.5. Пример обмена пакетами при сеансе связи
Сеанс обмена начинается с запроса передатчиком готовности приемника принять данные. Для этого используется управляющий пакет "Запрос". Если приемник не готов, он отказывается от сеанса специальным управляющим пакетом. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет "Готовность". Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный информационный пакет приемник отвечает управляющим пакетом "Подтверждение". В случае, когда пакет данных передан с ошибками, в ответ на него приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом "Конец", которым передатчик сообщает о разрыве связи. Существует множество стандартных протоколов, которые используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой пакета), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета). Подробнее о протоколах обмена будет рассказано в следующей главе.
При реальном обмене по сети применяются многоуровневые протоколы, каждый из уровней которых предполагает свою структуру пакета (адресацию, управляющую информацию, формат данных и т.д.). Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с такими понятиями, как файл-сервер или приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все пакеты более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 4.6). Этот процесс последовательной упаковки данных для передачи называется также инкапсуляцией пакетов.
Многоуровневая система вложения пакетов
Рис. 4.6. Многоуровневая система вложения пакетов
Каждый следующий вкладываемый пакет может содержать собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после них (трейлер), причем ее назначение может быть различным. Безусловно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Для увеличения этой скорости предпочтительнее, чтобы протоколы обмена были проще, и уровней этих протоколов было меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.
Обратный процесс последовательной распаковки данных приемником называется декапсуляцией пакетов.
Прародителем сети интернет была сеть ARPANET. Первоначально её разработка финансировалась Управлением перспективного планирования (Advanced Research Projects Agency, или ARPA). Проект стартовал осенью 1968 года и уже в сентябре 1969 года в опытную эксплуатацию был запущен первый участок сети ARPANET.
Сеть ARPANET долгое время являлась тестовым полигоном для исследования сетей с коммутацией пакетов. Однако кроме исследовательских, ARPANET служила и чисто практическим целям. Ученые нескольких университетов, а также сотрудники некоторых военных и государственных исследовательских институтов регулярно её использовали для обмена файлами и сообщениями электронной почты, а так же для работы на удалённых компьютерах. В 1975 году управление сетью было выведено из под контроля ARPA и поручено управлению связи Министерства обороны США. Для военных данная сеть представляла большой интерес, так как позволяла сохранять её работоспособность даже при уничтожении её части, например, при ядерном ударе.
В 1983 году Министерство обороны разделило ARPANET на две связанные сети. При этом за сетью ARPANET были сохранены её исследовательские функции, а для военных целей была сформирована новая сеть, которую назвали MILNET. Физически сеть ARPANET состояла приблизительно из 50 миникомпьютеров типа С30 и С300, выпущенных фирмой BBN Corporation. Они назывались узлами коммутации пакетов и были разбросаны по территории материковой части США и Западной Европы. Сеть MILNET состояла приблизительно из 160 узлов, причём 34 из них были расположены в Европе, а 18 в Тихом Океане и в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Сами узлы коммутации пакетов нельзя было использовать для решения вычислительных задач общего плана.
Понимая, что в ближайшем будущем очень важным моментом в научных исследованиях будет процесс обмена данными, Национальный научный фонд (NFS) в 1987 году основал отделение сетевых и коммуникацинных исследований и инфраструктуры. В его задачи входило обеспеченье современными сетевыми коммуникационными средствами учёных и инженеров США. И хотя отделение фонда NFS финансировало основные исследовательские программы в области сетевых коммуникаций, сферой его основных интересов было расширение Internet.
Сеть NSFNET строилась в несколько этапов и быстро преобретала популярность не только в научно-исследовательских кругах, но и в коммерческой среде. К 1991 году фонд NFS и другие государственные учреждения США поняли, что масштабы Internet вышли далеко за отведённые её на этапе разработки рамки университетской и научной сети. К Internet стало подключаться множество организаций, разбросанных по всему Земному шару. Трафик в магистральном канале NSFNET вырос почти до миллиарда пакетов в день, и его пропускной способности 1.5 Мбит/с на отдельных участках стало уже не хватать. Поэтому правительство США начало проводить политику приватизации и коммерческого использования Internet. Фонд NFS принял решение предать магистральную сеть на попечение закрытой акционерной компании и оплачивать доступ к ней для государственных научных и исследовательских организаций.
Семейство TCP/IP
Познакомившись с историей, давайте подробнее рассмотрим, что собой представляют протоколы TCP/IP. TCP/IP - это семейство сетевых протоколов, ориентированных на совместную работу. В состав семейства входит несколько компонентов:
IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) - обеспечивает транспортировку пакетов данных с одного компьютера на другой;
ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол управляющих сообщений в сети Internet) - отвечает за различные виды низкоуровневой поддержки протокола IP, включая сообщения об ошибках, вспомогательные маршрутизирующие запросы и подтверждения о получении сообщений;
ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов) - выполняет трансляцию IP-адресов в аппаратные MAC-адреса;
UDP (User Datagram Protocol - протокол передачи дейтаграмм пользователя) и TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) - обеспечивают доставку данных конкретным приложениям на указанном компьютере. Протокол UDP реализует передачу отдельных сообщений без подтверждения доставки, тогда как TCP гарантирует надёжный полнодуплексный канал связи между процессами на двух разных компьютерах с возможностью управления потоком и контроля ошибок.
Протокол представляет собой набор правил, использующихся для при обмене данными между двумя компьютерами. В нём оговариваются формат блоков сообщений, описывается реакция компьютера на получение определённого типа сообщения и указываются способы обработки ошибок и других необычных ситуаций. И что самое важное, благодаря протоколам, мы можем описать процесс обмена данными между компьютерами, не привязываясь к какой-то определённой комьютерной платформе или сетевому оборудованию конкретного производителя.
Сокрытие низкоуровневых особенностей процесса передачи данных способствует повышению производительности труда разработчиков. Во-первых, поскольку программистам приходится иметь дело с протоколами, относящимися к достаточно высокому уровню абстракции, им не нужно держать в голове (и даже изучать!) технические подробности испольуемого аппаратного обеспечения. Во-вторых, поскольку программы разрабатываются на основе модели, относящейся к высокому уровню абстракции, который не зависит от конкретной архитектуры компьютера или типа сетевого оборудования, в них не нужно вносить никаких изменений при переходе на другой тип оборудования или изменений конфигурации сети.
Замечание Говорить о том, что ARP входит в состав семейства протоколов TCP/IP не совсем корректно. Однако это неотъемлемая часть стека протоколов в сетях Ethernet. Для того чтобы отправить данные по сети, IP-адрес хоста должен быть преобразован в физический адрес машины получателя (уникальный адрес сетевой платы). Протокол ARP как раз и предназначен для такой цели.
Самым фундаментальным протоколом Интернета является протокол IP (от англ. Internet Protocol), обеспечивающий передачу данных между двумя удаленными компьютерами. Протокол IP является достаточно простым, и обеспечивает адресацию в сети. В ранних сетях адреса в сети были уникальные целые цифры, сейчас сеть построена по иерархическому принципу.
Стек протоколов TCP/IP имеет четыре основных уровня, поэтому часто говорят, что TCP/IP — это четырехуровневый стек протоколов. Внизу стека расположен интерфейсный уровень, посредством которого происходит связь с аппаратурой. За ним следует уровень IP, поверх которого построены транспортные протоколы TCP и UDP. На вершине стека находится уровень приложений, таких как ftp, telnet и т. д. Как мы уже говорили, IP — это простой протокол, не требующий установления соединения. При отсылке пакета данных, IP, как и все протоколы без соединения, послав пакет, тут же "забывает" о нем. При приеме пакетов с верхних уровней стека, этот протокол обертывает их в IP-пакет и передает необходимому аппаратному обеспечению для отправки в сеть. Однако именно в такой простоте и заключается основное достоинство протокола IP. Дело в том, что поскольку IP является простым протоколом, он никак не связан со структурой физической среды, по которым передаются данные. Для протокола IP главное, что эта физическая среда в принципе способна к передаче пакетов. Поэтому IP работает как в локальных, так и в глобальных сетях, как в синхронном, так и в асинхронном режиме передачи данных, как в обычных линиях связи, так и беспроводных и т. д. А поскольку протокол IP является фундаментом четырехуровнего сте-ка протоколов, то все семейство протоколов TCP/IP также может функционировать в любой сети с любым режимом передачи пакетов.
На сетевом уровне в семействе протоколов TCP/IP предусмотрено два обширных класса служб, которые используются во всех приложениях.
Служба доставки пакетов, не требующая установки соединения.
Надёжная потоковая транспортная служба.
Различие между службами, требующими установления надёжного соединения и службами, не требующими этого, является одним из самых основных вопросов сетевого программирования. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что когда мы говорим об установлении соединения, то имеется в виду не соединение между компьютерами посредством физического носителя, а о способе передачи данных по этому носителю. Основное различие состоит в том, что службы, в которых устанавливается надёжное соединение, сохраняют информацию о состоянии и таким образом отслеживают информацию о передаваемых пакетах. В службах же, не требующих надёжного соединения, пакеты передаются независимо друг от друга.
Данные передаются по сети в форме пакетов, имеющих максимальный размер, определяемый ограничениями канального уровня. Каждый пакет состоит из заголовка и полезного содержимого (сообщения). Заголовок включает сведения о том, откуда прибыл пакет и куда он направляется. Заголовок, кроме того, может содержать контрольную сумму, информацию, характерную для конкретного протокола, и другие инструкции, касающиеся обработки пакета. Полезное содержимое – это данные, подлежащие пересылке.
Имя базового блока передачи данных зависит от уровня протокола. На канальном уровне это кадр или фрейм, в протоколе IP – пакет, а в протоколе TCP – сегмент. Когда пакет передаётся вниз по стеку протоколов, готовясь к отправке, каждый протокол добавляет в него свой собственный заголовок. Законченный пакет одного протокола становится полезным содержимым пакета, генерируемого следующим протоколом.
Определение
Пакеты, которые посылаются протоколом, не требующим соединения, называются дейтаграммами.
Каждая дейтаграмма является уникальной в том смысле, что никак не зависит от других. Как правило, при работе с протоколами без установления соединения, диалог между клиентом и сервером предельно прост: клиент посылает одиночный запрос, а сервер на него отвечает. При этом каждый новый запрос — это новая транзакция, т. е. инициируемые клиентом запросы никак не связаны друг с другом с точки зрения протокола. Протоколы без установления соединения ненадежны в том смысле, что нет никаких гарантий, что отправленный пакет будет доставлен по месту назначения.
Протоколами, требующие установления логического соединения, сохраняют информацию о состоянии, что позволяет обеспечивать надежную доставку пересылаемых данных. Когда говорится о сохранении состояния, имеется ввиду то, что между отправителем и получателем происходит обмен информацией о ходе выполнения передачи данных. К примеру, отправитель, посылая данные, сохраняет информацию о том, какие данные он послал. После этого в течении определенного времени он ожидает информацию от получателя о доставке этих данных, и, если такая информация не поступает, данные пересылаются повторно.
Работа протокола с установлением соединения включает в себя три основные фазы:
установление соединения;
обмен данными;
разрыв соединения.
Передача всех данных при работе с таким протоколом, в отличие от протокола без установления соединения, происходит за одну транзакцию, т. е. в фазе обмена данными не происходит обмена адресами между отправителем и получателем, поскольку эта информация передается на этапе установки соединения. Возвращаясь к телефонной аналогии, можно сказать, что нам в этом случае нет необходимости для того, чтобы сказать собеседнику очередное слово, вновь набирать его номер и устанавливать соединение. Заметим, что приводимая аналогия имеет одну неточность. Дело в том, что при телефонном разговоре все же устанавливается физическое соединение. Когда же мы говорим о соединении с точки зрения протоколов, то это соединение, скорее, умозрительное. К примеру, если вдруг при телефонном разговоре, неожиданно сломается телефонный аппарат вашего собеседника, вы тут же узнаете об этом, поскольку разговор незамедлительно прервется. А вот если происходит обмен данными между двумя хостами и один из них вдруг аварийно остановится, то для его "хоста-собеседника" соединение по прежнему будет существовать, поскольку для него не произошло ничего такого, что сделало бы недействительной хранящуюся у него информацию о состоянии.
В этом смысле работу с протоколом, требующим установления логического соединения можно сравнить с телефонным разговором. Когда мы звоним по телефону, мы сначала набираем номер (установление соединения), затем разговариваем (обмен данными) и по окончании разговора вешаем трубки (разрыв соединения).
Протокол без установления соединения обычно сравниваю с почтовой открыткой. Каждая открытка представляет собой самостоятельную единицу (пакет информации или дейтаграмму), которая обрабатывается в почтовом отделении независимо от других открыток. При этом на почте не отслеживается состояние переписки между двумя респондентами и, как правило, нет никакой гарантии, что ваша открытка попадет к адресату. Если на открытке указан неправильный адрес, она никогда не дойдет до получателя, и не возвратиться обратно к отправителю. А если вы захотите отправить вашему собеседнику новую порцию информации, то это уже будет другая транзакция, поскольку нужно будет писать новую открытку, указывать на ней адрес и т. д.
Как видим, у протоколов без установления соединения существует много недостатков и может возникнуть вопрос о надобности таких протоколов. Однако, использование проколов без установления логического соединения все-таки оправдано. Как правило, при помощи таких протоколов организуется связь одного хоста со многими другими, в то время как при использовании протоколов с установлением соединения связь организуется между парой хостов (по одному соединению на каждую пару). Важный момент заключается в том, что протоколы без установления логического соединения являются фундаментом, на котором строятся более сложные протоколы. К примеру, протокол TCP построен на базе протокола IP.
Протоколы транспортного уровня
Протоколами транспортного уровня в четырехуровневом стеке протоколов являются протоколы TCP и UDP.
Давайте рассмотрим, каким образом функционирует протокол TCP. Дело в том, что поскольку TCP-пакеты, иначе называемые сегментами, посылаются при помощи протокола IP, у TCP нет никакой информации о состоянии этих пакетов. Поэтому для того, чтобы хранить информацию о состоянии, TCP к базовому протоколу IP добавляет три параметра.
Во-первых, добавляется сегмент контрольной суммы содержащихся в пакете данных, что позволяет убедиться в том, что в принципе все данные дошли до получателя и не повредились во время транспортировки.
Во-вторых, к каждому передаваемому байту приписывается порядковый номер, что необходимо для определения того, совпадает ли порядок прибытия данных с порядком их отправки. И даже в том случае, если данные пришли не в том порядке, в котором были отправлены, наличие порядковых номеров позволит получателю правильно составить из этих данных исходное сообщение.
В-третьих, базовый протокол IP дополняется также механизмами подтверждения получения данных и повторной отправки, на тот случай, если данные не были доставлены.
Если с первыми двумя параметрами все более-менее понятно, то механизм подтверждения/повторной отправки достаточно сложен и его мы рассмотрим подробнее в другой раз.
Конечно же вы попадали в такую ситуацию, когда приложение, разработанное вами ранее, могло быть снова использовано в рамках другого проекта. Вначале вы конечно же подумали, что это не создаст никаких проблем. Всего-то необходимо скопировать код из одного каталога в другой! Со временем вы осознали, что проекты могут различаться между собой различными параметрами, пусть даже самыми незначительными. Например, это может быть e-mail адрес на который отсылаются сообщения. В таком случае вам ничего не остается, как открыть множество файлов в редакторе и изменить их содержимое, вставляя нужный e-mail при помощи функции найти/заменить. Эта статья расскажет вам о том, как можно избавить себя от подобной работы, а так же порекомендует ряд дополнительных средств для создания и чтения конфигурационных файлов.
Повторное использование кода
Компьютер был изобретен для того, чтобы избавить человека от лишней работы. Развитие компьютерных технологий привело к тому, что человек стал стремиться все меньше времени проводить за компьютером. Допустим, вы программист. Не будь компьютера, вы бы остались без работы. Но в то же время вы стараетесь с помощью компьютера упростить свою ежедневную работы, с этой целью вы используете, например, функцию автозавершения кода в редакторе. Мы хотим подвести вас к той мысли, что код созданный вами, должен быть организован так, чтобы работы по его модификации были сведены к минимуму. Чаще всего это удается, когда вы создаете код, автоматизирующий рутинные операции, такие как создание и прорисовка формы, а так же отправка e-mail. Однако не стоит забывать, что функции для выполнения рутинных операций никогда не бывают на 100% идентичными в различных приложениях. Один формуляр не похож на другой, а сообщения электронной почты предназначены разным адресатам. Однако логика на уровне приложения остается прежней, функции различаются между собой только некоторыми параметрами. Таким образом, вы должны ясно представлять свою цель – разработать код, параметры которого можно было бы определять извне.
Модульная организация
Для решения этой задачи, планируя структуру приложения, вы должны позаботиться о модульности. То есть вам необходимо поместить часто используемые функции или классы в отдельный файл, который будет подключаться через require_once. В этом случае файлы приложения не будут наполнены избыточным кодом. Допустим, вы часто осуществляете запись в лог-файл. В таком случае было бы неплохо код, выполняющий эту операцию, заключить в рамки класса или функции. Будет еще лучше, если вы воспользуетесь уже готовым классом, взятым из какой-нибудь библиотеки исходных кодов, например PEAR.
Параметры процедурального кода
После того, как вы проанализировали код, выделили повторяющиеся фрагменты, распределили их по классам и функциям, необходимо подумать о выделении необходимых параметров, значения которых будут устанавливаться извне. Если речь идет о процедуральном коде, самым простым решением является использование глобальных переменных, которые необходимо определить в отдельном файле. Это позволит в дальнейшем без проблем изменять их значения.
Листинг 1 демонстрирует функцию, которая занимается отправкой e-mail. В ее теле содержится только одна php-функция - mail(). Таким образом, мы избавляемся от необходимости каждый раз указывать получателя при отправке сообщения. Следующая переменная, которую мы определяем, обозначает префикс, предшествующий теме сообщения. Конфигурационный файл, подключаемый через require_once, мог бы выглядеть следующим образом.
Listing 1
Есть способ лучше
Даже если рассмотренный выше способ и является действенным, однако это не самое лучшее решение. По мере того как код вашего приложения будет усложняться, вырастет и число опций, тогда могут возникнуть следующие проблемы:
Глобальные переменные, которые мы используем, могут породить конфликты в пространстве имен.
В том случае, если конфигурационные файлы редактируются не программистом, а дилетантом, в системе могут возникнуть синтаксические ошибки, например из-за незакрытых кавычек.
Для того, чтобы получить доступ к различным переменным, необходимо обращаться к массиву $_GLOBALS.
Вместо php-модулей существуют другие форматы, которые могут быть легко поняты и изменены дилетантами, а так же php-скриптами. Мы имеем в виду два формата: этого широко используемые операционной системой Windows ini-файлы, а так же формат XML.
PHP уже содержит функцию parse_ini_file(), которая без проблем читает ini-файлы. Такой файл имеет очень простую структуру. Каждой опции может быть присвоено только одно значение, а в качестве оператора присваивания используется знак равенства. Конфигурационный файл из предыдущего примера выглядел бы следующим образом в ini-формате.
После считывания ini-файла, имя которого передается в качестве параметра функции parse_ini_file(), мы получаем ассоциативный массив, имеющий вид:
В листинге 2 находится функция отправки почты, основанная на ini-файлах:
Listing 2
Если вы уже прочитали документацию по функции parse_ini_file(), вы кончено же заметили, что она может принимать и второй параметр. Он необходим, если вы хотите разделить ini-файл на несколько разделов или секций. Предположим, вам необходимо сохранить несколько настроек электронной почты. Тогда ini-файл будет выглядеть следующим образом:
"
Если вы при вызове parse_ini_file() передаете true в качестве второго параметра, в этом случае php будет искать в файле секции, а затем вернет многомерный массив, в котором каждой секции (errors и contact) будет соответствовать определенный набор значений:
Особые значения в ini-файлах
При использовании ini-файлов вы должны иметь в виду, что некоторые особые значения могут быть представлены строками. Допустим, вы определяете значение опции как true или yes (без кавычек), в таком случае они автоматически конвертируются в число 1, а false или no – в пустую строку. К сожалению, при этом не генерируется никакой ошибки. Поэтому не пытайтесь использовать no для сокращенного обозначения Норвегии.
Listing 3
Безопасность
Вы должны понимать то, что если конфигурационный файл используется для хранения важных данных, например паролей, необходимо позаботиться о том, чтобы содержимое такого файла не попало в web-браузер. Простейший выход из положения заключается в том, чтобы хранить конфигурационные файлы вне корневой директории сайта, например здесь: /etc/myApp/config
Если этого сделать нельзя, в таком случае можно изменить расширение файла. Для конфигурационного файла в формате модуля php необходимо всегда выбирать расширение .php. В этом случае сервер проанализирует php-файл, а пользователь увидит пустую страницу. С ini-файлами такое не пройдет, однако сервер Apache предоставляет возможность защитить данные. Просто поместите в каталог, где хранятся ini файл с именем .htaccess В него нужно поместить следующие строки:
Теперь сервер перестанет выдавать файлы с расширением ini, а опции приложения будут скрыты от пользователей.
Другие средства
Кончено же вы не являетесь единственным разработчиком, который сталкивается с проблемой обеспечения гибкости настроек веб-приложения. Поэтому некоторые программисты уже разработали библиотеки классов, которые переводят работу с конфигурационными файлами на абстрактный уровень, а так же упрощают запись и чтение различных форматов конфигурационных файлов.
PEAR::Config
Одним из классов, который может пригодится при чтении и записи конфигурационных файлов является PEAR::Config [3]. Как и все классы PEAR, PEAR::Config инсталлируется при помощи PEAR-Installer по команде
Этот класс является многоформатным, поскольку работает с конфигурационными файлами в форматах XMIL, ini, Apach-Style (гибрид XML и ini), а также php-массивами. Достоинством данного класса является то, что API для взаимодействия со всеми форматами одинаков. Т.е. логика работы с конфигурационными файлами в формате XML ничем не отличается от логики работы с ini-файлами. Вследствие этого необходимо, чтобы все форматы имели одинаковую структуру. Конфигурационные файлы, с которыми работает PEAR::Config, состоят, как и ini-файлы из секций.
Изменим снова наш пример. Сначала мы создаем объект Config, а затем вызываем его метод parseConfig(). Поскольку метод позволяет считывать различные форматы файлов, при вызове его необходимо передавать параметр, уточняющий формат. Для конфигурационных файлов в формате ini в качестве такого параметра используется строка iniFile. После считывания файла, мы не получаем опции в виде массива, вместо этого создается объект-контейнер, который дает доступ ко всем настройкам. Хотя во многих случаях бывает желательно получить опции в форме массива. Для этого используется метод toArray(). Листинг 4 демонстрирует считывание ini-файла:
Listing 4
С первого взгляда это может показаться несколько запутанным. Однако преимущество данного подхода заключается в том, что один и тот же метод используется для чтения всех форматов файлов, поддерживаемых PEAR::Config. Измененные опции могут быть также сохранены в любом формате:
Листинг 5 содержит код, где серия опций помещается в массив, который затем сохраняется в формате XML. Если вы хотите побольше узнать о PEAR::Config необходимую информацию вы сможете найти в документации по PEAR[5] или в DevShed-Tutorial [6].
Listing 5
patConfiguration
Альтернативным классом для работы с конфигурационными файлами является patConfiguration[7], однако он предназначен исключительно для работы с файлами в формате XML. После скачивания архива, его необходимо распаковать. Сам класс находится в директории include. patConfiguration предварительно определяет Tag-Set, который затем наполняется данными. К тому же этот класс предоставляет возможность указать тип опции: целое число, число с плавающей точкой, булевское значение. Типичный конфигурационный файл, созданный patConfiguration, имеет следующую структуру:
После создания объекта класса, может быть вызван метод parseConfigFile(). Доступ к опциям осуществляется через getConfigValue(). В качестве параметра этот метод может принимать путь к нужной опции. Вернемся к нашему примеру. Допустим, мы хотим получить e-mail адрес, на который высылается сообщение об ошибке. В этом случае используется путь errors.email. Если путь не указан, тогда все параметры передаются в массив. Листинг 6 демонстрирует код, который можно использовать для считывания файлов.
patConfiguration 2.0.0
В данный момент многоформатная версия patConfiguration находится в стадии разработки. Возможно, при публикации статьи эта версия уже станет доступной. Впрочем, самую новую версию для разработчиков вы можете скачать с сайта snaps.php-tools.net/downloaden.
В этом примере вы уже заметили, что внутри тега указывается тип значения. Названия типов идентичны тем, что используются в php-функции settype(). Если тип не указан, тогда значение интерпретируется как строка. Для часто используемых опций можно определить отдельный тег.
Наряду с функцией getConfigValue, существует функция setConfigValue(), с помощью которой можно изменить значение опции. Затем конфигурационный файл может быть заново записан с помощью writeConfigFile() (см листинг 7).
patConfiguration предлагает также серию дополнительных возможностей. Например, наряду с тегами, существует возможность определять атрибуты и пространства имен (Namespace), а к тегу можно привязать внешний файл, таким образом, опции будут распределены по нескольким файлам. Кроме этого patConfiguration включает систему кэширования, благодаря которой пропадает необходимость в многократном считывании конфигурационного файла.
Дополнительную информацию вы сможете найти на PHP Application Tools-Homepage и в patConfiguration-Tutorial на DevShed [8].
Listing 7
Заключение
Забота о гибкости настроек приложения может сберечь много времени, особенно если его компоненты предполагается использовать в других проектах. Вы потратите еще меньше времени, если доверите работу с конфигурационными файлами одному из готовых классов. Выбор между PEAR::Config и patConfiguration зависит от задачи. Преимуществом PEAR::Config является поддержка различных форматов конфигурационных файлов, в то время как patConfiguration прекрасно работает с XML, так же предоставляет ряд дополнительных возможностей. Однако с появлением версии 2.0.0 этот пакет будет иметь одинаковый API для считывания ini и wddx файлов. PHP-массив поддерживаются уже в текущей версии.
В этой статье я приведу пример того, как из PHP скрипта отправляется электронная почта с помощью функции mail().
Простейший пример отправки выглядит так :
Как мы видим, всё достаточно просто.
Первый параметер функции - электронный адрес получателя.
Второй параметер - заголовок (Subject) письма.
Третий параметер - тескст сообщения.
Также можно использовать необязательный четвёртый параметер - хедеры (headers) письма. Этот параметер используется для форматирования сообщения. Т.е. для установки кодировки, формата, указания отправителя и так далее.
Вот ещё один пример с использованием четвёртого параметра:
Письма также можно отправлять и в HTML виде. Тогда вместо
пишем
Ну вот, в принципе, и всё.
Заголовок, естественно, можно расширять, но я описал только самые используемые его части.
Напомним, что IP относится к группе протоколов TCP/IP. Протокол TCP реализует транспортные функции модели OSI (Open Systems Interconnection), ее четвертого уровня. Его основная обязанность - обеспечение надежной связи между начальной и конечной точками пересылки данных. IP располагается в OSI на сетевом, или третьем, уровне; он должен поддерживать передачу маршрутизаторам адресов отправителя и получателя каждого пакета на всем пути его следования.
Маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня считывают записанную в пакетах по правилам IP и других протоколов третьего уровня информацию и используют ее совместно с таблицами маршрутизации и некоторыми другими интеллектуальными средствами поддержки работы сети, пересылая данные по сетям TCP/IP любого масштаба - от "комнатной" до глобальной, охватывающей всю планету.
Процесс маршрутизации начинается с определения IP-адреса, уникального для станции-отправителя (адреса источника), который может быть постоянным или динамическим. Каждый пакет содержит такой адрес, длина которого, в соответствии с современной спецификацией IPv4, составляет 32 бита.
Кроме того, в заголовке пакета записан IP-адрес его места назначения. Если отправляющая станция определяет, что адрес доставки не локальный, пакет направляется маршрутизатору первого сетевого сегмента. Этот маршрутизатор определяет IP-адрес пакета и проверяет по своей таблице, не расположена ли станция получателя в локальной физически подключенной к нему сети, которая называется IP-подсетью (обычно она назначается для всех сетевых интерфейсов маршрутизатора). Если же выясняется, что IP-адрес получателя локальный, маршрутизатор начинает искать внутреннее хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств - ARP-кэш (Adress Resolution Protocol), позволяющий сопоставлять IP- и MAC-адреса.
При обнаружении нужного MAC-адреса маршрутизатор помещает его в заголовок пакета (удаляя собственный MAC-адрес, который больше не нужен) и направляет пакет по месту назначения. Если MAC-адрес получателя не найден в ARP-кэше, маршрутизатор пересылает ARP-запрос в подсеть, соответствующую IP-адресу получателя пакета, где конечная станция с этим IP-адресом передает ответ на запрос, содержащий необходимый MAC-адрес. Затем маршрутизатор обновляет содержимое кэша, устанавливает новый MAC-адрес в заголовке пакета и отправляет его. Если пакет не предназначен для локальной подсети, маршрутизатор направляет его на маршрутизатор следующего сегмента по MAC-адресу последнего.
Процесс построения и обновления таблиц маршрутизации практически непрерывен. Он осуществляется средствами, использующими интеллектуальные протоколы обнаружения, например RIP или OSPF. В таблице каждого маршрутизатора указан оптимальный маршрут до адреса назначения или до маршрутизатора следующего сегмента (если адрес не принадлежит локальной подсети). Последовательно просматривая собственные таблицы маршрутизации, соответствующие устройства передают пакет "по этапу", запрашивая, при необходимости, MAC-адрес конечной станции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пакет не доберется до пункта назначения.
Однако при пересылке пакета через множество сетевых сегментов существует опасность образования "петель": неправильно сконфигурированный маршрутизатор постоянно возвращает пакет тому маршрутизатору, через который данный пакет уже проходил. Во избежание этого в IP предусмотрена TTL-функция (time-to-live), позволяющая задать предел времени путешествия пакета по сети. Значение TTL устанавливается заранее и уменьшается на единицу при каждом прохождении любого сегмента. Если величина TTL становится равной нулю, пакет удаляется, а маршрутизатор отсылает отправителю сообщение ICMP.
Механизм IP- маршрутизации
1. Маршрутизатор проверяет IP-адрес входящего пакета и просматривает т аблицу, определяя, не является ли пунктом назначения локальная сеть.
2. Если IP-адрес назначения локальный, то маршрутизатор находит во внутреннем хранилище IP- и MAC-адресов локальных устройств MAC-адрес места назначения, помещает его в заголовок пакета и направляет пакет получателю.
3. Если MAC-адрес получателя не обнаруживается, маршрутизатор должен послать запрос о нем по IP-адресу получателя. Если после просмотра таблицы выясняется, что пакет не предназначен для локальной сети, маршрутизатор переправляет его маршрутизатору следующего сетевого сегмента, используя MAC-адрес последнего.
В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает так же, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Он обеспечивает надежную транспортировку данных между прикладными процессами путем установления логического соединения.
Сегменты TCP
Единицей данных протокола TCP является сегмент. Информация, поступающая к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня, рассматривается протоколом TCP как неструктурированный поток байт. Поступающие данные буферизуются средствами TCP. Для передачи на сетевой уровень из буфера "вырезается" некоторая непрерывная часть данных, называемая сегментом.
В протоколе TCP предусмотрен случай, когда приложение обращается с запросом о срочной передаче данных (бит PSH в запросе установлен в 1). В этом случае протокол TCP, не ожидая заполнения буфера до уровня размера сегмента, немедленно передает указанные данные в сеть. О таких данных говорят, что они передаются вне потока - out of band.
Не все сегменты, посланные через соединение, будут одного и того же размера, однако оба участника соединения должны договориться о максимальном размере сегмента, который они будут использовать. Этот размер выбирается таким образом, чтобы при упаковке сегмента в IP-пакет он помещался туда целиком, то есть максимальный размер сегмента не должен превосходить максимального размера поля данных IP-пакета. В противном случае пришлось бы выполнять фрагментацию, то есть делить сегмент на несколько частей, для того, чтобы он вместился в IP-пакет.
Аналогичные проблемы решаются и на сетевом уровне. Для того, чтобы избежать фрагментации, должен быть выбран соответствующий максимальный размер IP-пакета. Однако при этом должны быть приняты во внимание максимальные размеры поля данных кадров (MTU) всех протоколов канального уровня, используемых в сети. Максимальный размер сегмента не должен превышать минимальное значение на множестве всех MTU составной сети.
Порты и установление TCP-соединений
В протоколе TCP также, как и в UDP, для связи с прикладными процессами используются порты. Номера портам присваиваются аналогичным образом: имеются стандартные, зарезервированные номера (например, номер 21 закреплен за сервисом FTP, 23 - за telnet), а менее известные приложения пользуются произвольно выбранными локальными номерами.
Однако в протоколе TCP порты используются несколько иным способом. Для организации надежной передачи данных предусматривается установление логического соединения между двумя прикладными процессами. В рамках соединения осуществляется обязательное подтверждение правильности приема для всех переданных сообщений, и при необходимости выполняется повторная передача. Соединение в TCP позволяет вести передачу данных одновременно в обе стороны, то есть полнодуплексную передачу.
Соединение в протоколе TCP идентифицируется парой полных адресов обоих взаимодействующих процессов (оконечных точек). Адрес каждой из оконечных точек включает IP-адрес (номер сети и номер компьютера) и номер порта. Одна оконечная точка может участвовать в нескольких соединениях.
Установление соединения выполняется в следующей последовательности:
* При установлении соединения одна из сторон является инициатором. Она посылает запрос к протоколу TCP на открытие порта для передачи (active open).
* После открытия порта протокол TCP на стороне процесса-инициатора посылает запрос процессу, с которым требуется установить соединение.
* Протокол TCP на приемной стороне открывает порт для приема данных (passive open) и возвращает квитанцию, подтверждающую прием запроса.
* Для того чтобы передача могла вестись в обе стороны, протокол на приемной стороне также открывает порт для передачи (active port) и также передает запрос к противоположной стороне.
* Сторона-инициатор открывает порт для приема и возвращает квитанцию. Соединение считается установленным. Далее происходит обмен данными в рамках данного соединения.
Концепция квитирования
В рамках соединения правильность передачи каждого сегмента должна подтверждаться квитанцией получателя. Квитирование - это один из традиционных методов обеспечения надежной связи. Идея квитирования состоит в следующем.
Для того, чтобы можно было организовать повторную передачу искаженных данных отправитель нумерует отправляемые единицы передаваемых данных (далее для простоты называемые кадрами). Для каждого кадра отправитель ожидает от приемника так называемую положительную квитанцию - служебное сообщение, извещающее о том, что исходный кадр был получен и данные в нем оказались корректными. Время этого ожидания ограничено - при отправке каждого кадра передатчик запускает таймер, и если по его истечению положительная квитанция на получена, то кадр считается утерянным. В некоторых протоколах приемник, в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию - явное указание того, что данный кадр нужно передать повторно.
Существуют два подхода к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: с простоями и с организацией "окна".
Метод с простоями требует, чтобы источник, пославший кадр, ожидал получения квитанции (положительной или отрицательной) от приемника и только после этого посылал следующий кадр (или повторял искаженный). В этом случае производительность обмена данными существенно снижается - хотя передатчик и мог бы послать следующий кадр сразу же после отправки предыдущего, он обязан ждать прихода квитанции. Снижение производительности для этого метода коррекции особенно заметно на низкоскоростных каналах связи, то есть в территориальных сетях.
Во втором методе для повышения коэффициента использования линии источнику разрешается передать некоторое количество кадров в непрерывном режиме, то есть в максимально возможном для источника темпе, без получения на эти кадры ответных квитанций. Количество кадров, которые разрешается передавать таким образом, называется размером окна. Обычно кадры при обмене нумеруются циклически, от 1 до W. При отправке кадра с номером 1 источнику разрешается передать еще W-1 кадров до получения квитанции на кадр 1. Если же за это время квитанция на кадр 1 так и не пришла, то процесс передачи приостанавливается, и по истечению некоторого тайм-аута кадр 1 считается утерянным (или квитанция на него утеряна) и он передается снова.
Если же поток квитанций поступает более-менее регулярно, в пределах допуска в W кадров, то скорость обмена достигает максимально возможной величины для данного канала и принятого протокола.
Этот алгоритм называют алгоритмом скользящего окна. Действительно, при каждом получении квитанции окно перемещается (скользит), захватывая новые данные, которые разрешается передавать без подтверждения.
[pagebreak]
Реализация скользящего окна в протоколе TCP
В протоколе TCP реализована разновидность алгоритма квитирования с использованием окна. Особенность этого алгоритма состоит в том, что, хотя единицей передаваемых данных является сегмент, окно определено на множестве нумерованных байт неструктурированного потока данных, поступающих с верхнего уровня и буферизуемых протоколом TCP.
Квитанция посылается только в случае правильного приема данных, отрицательные квитанции не посылаются. Таким образом, отсутствие квитанции означает либо прием искаженного сегмента, либо потерю сегмента, либо потерю квитанции.
В качестве квитанции получатель сегмента отсылает ответное сообщение (сегмент), в которое помещает число, на единицу превышающее максимальный номер байта в полученном сегменте. Если размер окна равен W, а последняя квитанция содержала значение N, то отправитель может посылать новые сегменты до тех пор, пока в очередной сегмент не попадет байт с номером N+W. Этот сегмент выходит за рамки окна, и передачу в таком случае необходимо приостановить до прихода следующей квитанции.
Выбор тайм-аута
Выбор времени ожидания (тайм-аута) очередной квитанции является важной задачей, результат решения которой влияет на производительность протокола TCP.
Тайм-аут не должен быть слишком коротким, чтобы по возможности исключить избыточные повторные передачи, которые снижают полезную пропускную способность системы. Но он не должен быть и слишком большим, чтобы избежать длительных простоев, связанных с ожиданием несуществующей или "заблудившейся" квитанции.
При выборе величины тайм-аута должны учитываться скорость и надежность физических линий связи, их протяженность и многие другие подобные факторы. В протоколе TCP тайм-аут определяется с помощью достаточно сложного адаптивного алгоритма, идея которого состоит в следующем. При каждой передаче засекается время от момента отправки сегмента до прихода квитанции о его приеме (время оборота).
Получаемые значения времен оборота усредняются с весовыми коэффициентами, возрастающими от предыдущего замера к последующему. Это делается с тем, чтобы усилить влияние последних замеров. В качестве тайм-аута выбирается среднее время оборота, умноженное на некоторый коэффициент. Практика показывает, что значение этого коэффициента должно превышать 2. В сетях с большим разбросом времени оборота при выборе тайм-аута учитывается и дисперсия этой величины.
Реакция на перегрузку сети
Варьируя величину окна, можно повлиять на загрузку сети. Чем больше окно, тем большую порцию неподтвержденных данных можно послать в сеть. Если сеть не справляется с нагрузкой, то возникают очереди в промежуточных узлах-маршрутизаторах и в конечных узлах-компьютерах.
При переполнении приемного буфера конечного узла "перегруженный" протокол TCP, отправляя квитанцию, помещает в нее новый, уменьшенный размер окна. Если он совсем отказывается от приема, то в квитанции указывается окно нулевого размера. Однако даже после этого приложение может послать сообщение на отказавшийся от приема порт. Для этого, сообщение должно сопровождаться пометкой "срочно" (бит URG в запросе установлен в 1). В такой ситуации порт обязан принять сегмент, даже если для этого придется вытеснить из буфера уже находящиеся там данные.
После приема квитанции с нулевым значением окна протокол-отправитель время от времени делает контрольные попытки продолжить обмен данными. Если протокол-приемник уже готов принимать информацию, то в ответ на контрольный запрос он посылает квитанцию с указанием ненулевого размера окна.
Другим проявлением перегрузки сети является переполнение буферов в маршрутизаторах. В таких случаях они могут централизовано изменить размер окна, посылая управляющие сообщения некоторым конечным узлам, что позволяет им дифференцировано управлять интенсивностью потока данных в разных частях сети.
Формат сообщений TCP
Сообщения протокола TCP называются сегментами и состоят из заголовка и блока данных. Заголовок сегмента имеет следующие поля:
* Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;
* Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;
* Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;
* Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;
* Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;
* Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;
* Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:
* URG - срочное сообщение;
* ACK - квитанция на принятый сегмент;
* PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;
* RST - запрос на восстановление соединения;
* SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;
* FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.
* Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;
* Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;
* Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;
* Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;
* Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.
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.
Поиск
