Применение виртуальных машин дает различным категориям пользователей - от начинающих до IT-специалистов - множество преимуществ. Это и повышенная безопасность работы, и простота развертывания новых платформ, и снижение стоимости владения. И потому не случайно сегодня виртуальные машины переживают второе рождение.

В книге рассмотрены три наиболее популярных на сегодняшний день инструмента, предназначенных для создания виртуальных машин и управления ими: Virtual PC 2004 компании Microsoft, VMware Workstation от компании VMware и относительно "свежий" продукт - Parallels Workstation, созданный в компании Parallels. Причем описание всех "конкурирующих" программ построено по одной и той же схеме, чтобы читателю проще было сравнить их между собой и сделать обоснованный выбор.

Доступность оборудования и простота организации делают беспроводные локальные сети всё более популярными. Даже небольшие компании стараются идти в ногу со временем и избавляются от традиционных кабельных "локалок". Использование беспроводных сетей не ограничивается небольшими офисами и домашними системами - крупные же фирмы применяют Wi-Fi для подключения к корпоративным сетевым ресурсам в тех местах, где технически невозможна прокладка кабелей.

Однако решение об устройстве беспроводной сети далеко не всегда оправданно, тем более что во многих случаях безопасности таких сетей уделяется слишком мало внимания. По оценкам специалистов, почти 70 процентов удачных хакерских атак через беспроводные сети связаны с неправильной настройкой точек доступа и клиентского программного обеспечения, а также с установкой чересчур низкого уровня безопасности при слишком сильном сигнале, с лёгкостью "пробивающего" стены офиса.

По каким-то необъяснимым причинам организаторы беспроводных сетей нередко считают, что при их включении автоматически обеспечивается надлежащий уровень безопасности. Производители оборудования, в свою очередь, устанавливают низкие настройки безопасности "по умолчанию", либо вовсе отключают их, чтобы при развёртывании сети клиенты случайно не столкнулись с невозможностью доступа. При минимальных настройках безопасность оборудование лучше всего совместимо с самым широким спектром других устройств и практически с любым современным программным обеспечением. Поэтому после настройки и проверки сети на совместимость с существующей инфраструктурой системный администратор должен изменить настройки безопасности, для того чтобы предотвратить несанкционированное проникновение в корпоративную сеть.

В отличие от проводных сетей, беспроводные требуют повышенного внимания к безопасности, поскольку проникнуть в них гораздо проще, поскольку для этого не нужен физический доступ к каналу. Радиоволны можно принимать на любое совместимое устройство, а если данные не защищены, то их сможет перехватить любой желающий. Разумеется, не стоит отказываться от паролей прочих традиционных средств авторизации, однако их явно недостаточно для защиты от несанкционированного доступа. Рассмотрим вкратце несколько способов повышения защищённости беспроводных сетей.

Отключаем передачу SSID

Последовательность цифр и букв, называемая SSID (Service Set Identifier) - это уникальный идентификатор вашей беспроводной сети. Передача идентификатора сети является встроенным средством защиты, по умолчанию включённым в большей части продающегося сегодня оборудования, и оно позволяет с лёгкостью обнаружить имеющиеся точки доступа в процессе развёртывания сети. Передача SSID требуется именно для того, чтобы ваше оборудование смогло подключиться к сети.

Точки доступа, которые являются базовыми станциями для подключаемых к сети компьютеров, являются потенциальным слабым местом, через которое злоумышленник может проникнуть в сеть. На уровне точек доступа отсутствует система авторизации по умолчанию, что делает внутренние сети незащищёнными, поэтому системные администраторы должны реализовать существующую корпоративную систему в беспроводных базовых станциях.

Для обеспечения повышенной безопасности можно запретить трансляцию точками доступа идентификатора сети. При этом возможность подключения к сети остаётся только у тех, кто знает правильный SSID, то есть, у сотрудников вашей компании, а случайные пользователи, обнаружившие вашу сеть при помощи сканирования, просто не смогут получить к ней доступ. Отключение передачи SSID возможно в подавляющем большинстве устройств ведущих производителей, что позволяет фактически скрыть вашу сеть от чужих. Если ваша сеть не передаёт идентификаторов, и если вы не афишируете использование беспроводной технологии, то этим вы осложните задачу злоумышленников. Подробные инструкции по отключению SSID обычно приводятся в руководствах по эксплуатации беспроводных точек доступа или маршрутизаторов.

Включаем средства шифрования

Уже давно используемое при пересылке важной электронной корреспонденции шифрование данных нашло применение и в беспроводных сетях. Для защиты данных от чужих глаз, в аппаратуре для беспроводной связи реализованы различные криптографические алгоритмы. При покупке оборудования важно убедиться в том, что оно поддерживает не только низкоуровневое 40-разрядное шифрование, но и 128-битный шифр повышенной стойкости.

Чтобы включить криптографическую защиту можно задействовать системы WEP (Wired Equivalent Privacy - "эквивалент проводной безопасности") или WPA (Wi-Fi Protected Access - "защищённый доступ к Wi-Fi"). Первая система менее стойкая, поскольку в ней используются статические (постоянные) ключи. Защищённые по этому протоколу сети взламываются хакерами без особого труда - соответствующие утилиты нетрудно найти в интернете. Тем не менее, по оценкам специалистов, даже этот протокол не задействован в более половины работающих корпоративных беспроводных сетей. Одним из средств повышения действенности WEP является регулярная автоматическая смена ключей, но даже в этом случае сеть не получает стопроцентной защиты. Попытки проникнуть в такую сеть оставят лишь случайные люди, обнаружившие её, но злонамеренных специалистов WEP не остановит, поэтому для полноценной защиты корпоративных сетей данный протокол использоваться не может.

В недалёком прошлом у организаторов беспроводных сетей не было иного выбора, как использовать протокол WEP, поддержка которого сохраняется в современных устройствах как в целях обеспечения совместимости оборудования, так и для обеспечения хотя бы минимального уровня безопасности в случае невозможности использования более современных протоколов. Сегодня WEP реализуется в двух модификациях: с 64- и 128-разрядным шифрованием. Однако корректнее было бы говорить о ключах длиной 40 и 104 бит, поскольку 24 бит из каждого ключа содержат служебную информацию и никак не влияют на стойкость кода. Однако это не столь важно, поскольку главным недостатком WEP являются статические ключи, для подбора которых злоумышленникам необходимо лишь в течение определённого времени сканировать сеть, перехватывая передаваемую информацию.

Повторим, что более-менее приемлемый уровень безопасность можно лишь при помощи регулярной смены ключей и при использовании 128-битного шифрования. Частота смены ключей зависит от частоты и длительности соединений, при этом необходимо обеспечить отработанную защищённую процедуру передачи новых ключей тем сотрудникам, которые пользуются доступом в беспроводную сеть.

Более эффективное шифрование обеспечивает протокол WPA, в котором реализовано динамическое создание ключей, что исключает возможность перехвата или подбора ключа, а также система идентификации (логин-пароль) при подключении к сети на основе протокола EAC (Extensible Authentication Protocol - "расширяемый протокол аутентификации"). В протоколе WPA 128-разрядные ключи генерируются автоматически при передаче каждых десяти килобайт данных, причём число этих ключей достигает сотен миллиардов, что делает практически невозможным подбор при помощи сканирования даже при отработанной методике перехвата информации. Кроме того, в этом протоколе реализован алгоритм проверки целостности данных MIC (Message Integrity Check), предотвращающий возможность злонамеренного изменения передаваемых данных. А вот выбору паролей следует уделять особое внимание: по мнению экспертов, для обеспечения высокого уровня безопасности длина пароля должна составлять не менее 20 знаков, причём он не должен представлять собой набор слов или какую-то фразу, поскольку такие пароли легко вскрываются методом словарного подбора.

Проблема с WPA заключается в том, что официально он был внесён в спецификации IEEE 802.11 лишь в середине 2004 года, поэтому далеко не всё беспроводное оборудование, выпущенное более полутора лет назад, способно работать по этому стандарту. Более того, если в сети есть хотя бы одно устройство, не поддерживающее WPA, будет применяться простое шифрование WEP, даже если WPA включён в настройках всего прочего оборудования.

Тем не менее, оборудование постоянно совершенствуется и в современных устройствах поддерживается новая, ещё более защищённая версия WPA2, работающая с динамическими ключами длиной 128, 192 и 256 бит. К таким устройствам, относится, например, трёхдиапазонный контроллер Intel PRO/Wireless 2915ABG.

Регулируем силу сигнала и его направленность

Технология беспроводной связи сама по себе по своей природе меньше защищена от постороннего вмешательства, поэтому при организации таких сетей особенно важно максимально затруднить несанкционированное проникновение в них. Среди чисто технических способов самым эффективным является снижение мощности транслируемого сигнала, ведь радиоволны с лёгкостью преодолевают стены зданий, а в сельской равнинной местности могут преодолевать весьма большие расстояния. Злоумышленники могут поставить свой автомобиль рядом со зданием, в котором расположен ваш офис, и в комфортной обстановке неторопливо подбирать ключ к вашей сети. Поэтому важно отрегулировать мощность сигнала, чтобы он не проникал за границы вашей территории. Кроме того, точки доступа следует располагать вдалеке от окон, внешних стен зданий, общих коридоров, холлов и лестниц.

Беспроводные сети являются очень удобным средством связи быстрого развёртывания, позволяющим объёдинить в сеть компьютеры даже в тех местах, где по тем или иным причинам невозможна прокладка кабеля. Однако поскольку незащищённые беспроводные сети куда проще поддаются взлому, чем проводные, следует уделять повышенное внимание защите от постороннего проникновения. Разумеется, стопроцентной гарантии безопасности дать невозможно, но некоторые действенные способы затруднения несанкционированного доступа в беспроводные сети мы описали в данном материале. Более подробные инструкции по реализации этих методов на практике обычно приводятся в документации к сетевому оборудованию, поэтому мы не ставили перед собой цели описать конкретные действия, тем более что они различаются в зависимости от модели и производителя беспроводных точек доступа и маршрутизаторов. Надеемся, что этот материал привлечёт внимание к проблеме обеспечения защиты беспроводных сетей.

Растровый графический редактор — специализированная программа, предназначенная для создания и обработки изображений. Подобные программные продукты нашли широкое применение в работе художников-иллюстраторов, при подготовке изображений к печати типографским способом или на фотобумаге, публикации в Интернете.

О растровых графических редакторах и растровой графике.

Развитие сети Internet обострило и в очередной раз выявило проблемы, возникающие при безопасном подключении к Internet корпоративной сети. Связано это в первую очередь с тем, что сеть Internet разрабатывалась как открытая, предназначенная для всех, система. Вопросам безопасности при проектировании стека протоколов TCP/IP, являющихся основой Internet, уделялось очень мало внимания.

---

Для устранения проблем, связанных с безопасностью было разработано много различных решений, самым известным и распространенным из которых является применение межсетевых экранов (firewall). Их использование - это первый шаг, который должна сделать любая организация, подключающая свою корпоративную сеть к Internet. Первый, но далеко не последний. Одним межсетевым экраном для построения надежного и защищенного соединения с Internet не обойтись. Необходимо реализовать целый ряд технических и организационных мер, чтобы обеспечить приемлемый уровень защищенности корпоративных ресурсов от несанкционированного доступа.

Межсетевые экраны реализуют механизмы контроля доступа из внешней сети к внутренней путем фильтрации всего входящего и исходящего трафика, пропуская только авторизованные данные. Все межсетевые экраны функционируют на основе информации, получаемой от различных уровней эталонной модели ISO/OSI, и чем выше уровень OSI, на основе которого построен межсетевой экран, тем выше уровень защиты, им обеспечиваемый. Существует три основных типа межсетевых экранов - пакетный фильтр (packet filtering), шлюз на сеансовом уровне (circuit-level gateway) и шлюз на прикладном уровне (application-level gateway). Очень немногие существующие межсетевые экраны могут быть однозначно отнесены к одному из названных типов. Как правило, МСЭ совмещает в себе функции двух или трех типов. Кроме того, недавно появилась новая технология построения межсетевых экранов, объединяющая в себе положительные свойства всех трех вышеназванных типов. Эта технология была названа Stateful Inspection. И в настоящий момент практически все предлагаемые на рынке межсетевые экраны анонсируются, как относящиеся к этой категории (Stateful Inspection Firewall).

На российском рынке средств защиты информации сейчас сложилась такая ситуация, что многие поставщики межсетевых экранов (МСЭ), предлагая свой продукт, утверждают, что он один решит все проблемы заказчика, обеспечив надежную защиту всех ресурсов корпоративной сети. Однако, это не так. И не потому что предлагаемый межсетевой экран не обеспечивает необходимых защитных механизмов (правильный выбор межсетевого экрана - это тема отдельной статьи), а потому что самой технологии присущи определенные недостатки.

В данной статье я не буду говорить о достоинствах названных типов межсетевых экранов (этому посвящено немало публикаций), а основное внимание уделю недостаткам, присущим всей технологии в целом.

Отсутствие защиты от авторизованных пользователей

Наиболее очевидный недостаток межсетевых экранов - невозможность защиты от пользователей, знающих идентификатор и пароль для доступа в защищаемый сегмент корпоративной сети. Межсетевой экран может ограничить доступ посторонних лиц к ресурсам, но он не может запретить авторизованному пользователю скопировать ценную информацию или изменить какие-либо параметры финансовых документов, к которым этот пользователь имеет доступ. А по статистике не менее 70% всех угроз безопасности исходит со стороны сотрудников организации. Поэтому, даже если межсетевой экран защитит от внешних нарушителей, то останутся нарушители внутренние, неподвластные МСЭ.

Для устранения этого недостатка нужны новые подходы и технологии. Например, использование систем обнаружения атак (intrusion detection systems). Данные средства, ярким примером которых является система RealSecure, обнаруживают и блокируют несанкционированную деятельность в сети независимо от того, кто ее реализует - авторизованный пользователь (в т.ч. и администратор) или злоумышленник. Такие средства могут работать как самостоятельно, так и совместно с межсетевым экраном. Например, система RealSecure обладает возможностью автоматической реконфигурации межсетевого экрана CheckPoint Firewall-1 путем изменения правил, запрещая тем самым доступ к ресурсам корпоративной сети с атакуемого узла.

Отсутствие защиты новых сетевых сервисов

Вторым недостатком межсетевых экранов можно назвать невозможность защиты новых сетевых сервисов. Как правило, МСЭ разграничивают доступ по широко распространенным протоколам, таким как HTTP, Telnet, SMTP, FTP и ряд других. Реализуется это при помощи при помощи механизма "посредников" (proxy), обеспечивающих контроль трафика, передаваемого по этим протоколам или при помощи указанных сервисов. И хотя число таких "посредников" достаточно велико (например, для МСЭ CyberGuard Firewall их реализовано более двухсот), они существуют не для всех новых протоколов и сервисов. И хотя эта проблема не столь остра (многие пользователи используют не более десятка протоколов и сервисов), иногда она создает определенные неудобства.

Многие производители межсетевых экранов пытаются решить указанную проблему, но удается это далеко не всем. Некоторые производители создают proxy для новых протоколов и сервисов, но всегда существует временной интервал от нескольких дней до нескольких месяцев между появлением протокола и соответствующего ему proxy. Другие разработчики межсетевых экранов предлагают средства для написания своих proxy (например, компания CyberGuard Corporation поставляет вместе со своим МСЭ подсистему ProxyWriter позволяющую создавать proxy для специфичных или новых протоколов и сервисов). В этом случае необходима высокая квалификация и время для написания эффективного proxy, учитывающего специфику нового сервиса и протокола. Аналогичная возможность существует и у межсетевого экрана CheckPoint Firewall-1, который включает в себя мощный язык INSPECT, позволяющий описывать различные правила фильтрации трафика.

Ограничение функциональности сетевых сервисов

Некоторые корпоративные сети используют топологию, которая трудно "уживается" с межсетевым экраном, или используют некоторые сервисы (например, NFS) таким образом, что применение МСЭ требует существенной перестройки всей сетевой инфраструктуры. В такой ситуации относительные затраты на приобретение и настройку межсетевого экрана могут быть сравнимы с ущербом, связанным с отсутствием МСЭ.

Решить данную проблему можно только путем правильного проектирования топологии сети на начальном этапе создания корпоративной информационной системы. Это позволит не только снизить последующие материальные затраты на приобретение средств защиты информации, но и эффективно встроить межсетевые экраны в существующую технологию обработки информации.

Если сеть уже спроектирована и функционирует, то, возможно, стоит подумать о применении вместо межсетевого экрана какого-либо другого решения, например, системы обнаружения атак.

Потенциальная опасность обхода межсетевого экрана

Межсетевые экраны не могут защитить ресурсы корпоративной сети в случае неконтролируемого использования в ней модемов. Доступ в сеть через модем по протоколам SLIP или PPP в обход межсетевого экрана делает сеть практически незащищенной. Достаточно распространена ситуация, когда сотрудники какой-либо организации, находясь дома, при помощи программ удаленного доступа типа pcAnywhere или по протоколу Telnet обращаются к данным или программам на своем рабочем компьютере или через него получают доступ в Internet. Говорить о безопасности в такой ситуации просто не приходится, даже в случае эффективной настройки межсетевого экрана.

Для решения этой задачи необходимо строго контролировать все имеющиеся в корпоративной сети модемы и программное обеспечение удаленного доступа. Для этих целей возможно применение как организационных, так и технических мер. Например, использование систем разграничения доступа, в т.ч. и к COM-портам (например, Secret Net) или систем анализа защищенности (например, Internet Scanner и System Scanner). Правильно разработанная политика безопасности обеспечит дополнительный уровень защиты корпоративной сети, установит ответственность за нарушение правил работы в Internet и т.п. Кроме того, должным образом сформированная политика безопасности позволит снизить вероятность несанкционированного использования модемов и иных устройств и программ для осуществления удаленного доступа.

Потенциально опасные возможности

Новые возможности, которые появились недавно, и которые облегчают жизнь пользователям Internet, разрабатывались практически без учета требований безопасности. Например, WWW, Java, ActiveX и другие сервисы, ориентированные на работу с данными. Они являются потенциально опасными, так как могут содержать в себе враждебные инструкции, нарушающие установленную политику безопасности. И если операции по протоколу HTTP могут достаточно эффективно контролироваться межсетевым экраном, то защиты от "мобильного" кода Java и ActiveX практически нет. Доступ такого кода в защищаемую сеть либо полностью разрешается, либо полностью запрещается. И, несмотря на заявления разработчиков межсетевых экранов о контроле апплетов Java, сценариев JavaScript и т.п., на самом деле враждебный код может попасть в защищаемую зону даже в случае полного их блокирования в настройках межсетевого экрана.

Защита от таких полезных, но потенциально опасных возможностей должна решаться в каждом конкретном случае по-своему. Можно проанализировать необходимость использования новой возможности и совсем отказаться от нее; а можно использовать специализированные защитные средства, например, систему SurfinShield компании Finjan или SafeGate компании Security-7 Software, обеспечивающие безопасность сети от враждебного "мобильного" кода.

Вирусы и атаки

Практически ни один межсетевой экран не имеет встроенных механизмов защиты от вирусов и, в общем случае, от атак. Как правило, эта возможность реализуется путем присоединения к МСЭ дополнительных модулей или программ третьих разработчиков (например, система антивирусной защиты ViruSafe для МСЭ CyberGuard Firewall или система обнаружения атак RealSecure для МСЭ CheckPoint Firewall-1). Использование нестандартных архиваторов или форматов передаваемых данных, а также шифрование трафика, сводит всю антивирусную защиту "на нет". Как можно защититься от вирусов или атак, если они проходят через межсетевой экран в зашифрованном виде и расшифровываются только на оконечных устройствах клиентов?

В таком случае лучше перестраховаться и запретить прохождение через межсетевой экран данных в неизвестном формате. Для контроля содержимого зашифрованных данных в настоящий момент ничего предложить нельзя. В этом случае остается надеяться, что защита от вирусов и атак осуществляется на оконечных устройствах. Например, при помощи системных агентов системы RealSecure.

Снижение производительности

Несмотря на то, что подсоединение к сетям общего пользования или выход из корпоративной сети осуществляется по низкоскоростным каналам (как правило, при помощи dialup-доступа на скорости до 56 Кбит или использование выделенных линий до 256 Кбит), встречаются варианты подключения по каналам с пропускной способностью в несколько сотен мегабит и выше (ATM, T1, E3 и т.п.). В таких случаях межсетевые экраны являются самым узким местом сети, снижая ее пропускную способность. В некоторых случаях приходится анализировать не только заголовок (как это делают пакетные фильтры), но и содержание каждого пакета ("proxy"), а это существенно снижает производительность межсетевого экрана. Для сетей с напряженным трафиком использование межсетевых экранов становится нецелесообразным.

В таких случаях на первое место надо ставить обнаружение атак и реагирование на них, а блокировать трафик необходимо только в случае возникновения непосредственной угрозы. Тем более что некоторые средства обнаружения атак (например, RealSecure) содержат возможность автоматической реконфигурации межсетевых экранов.

Компромисс между типами межсетевых экранов - более высокая гибкость в пакетных фильтрах против большей степени защищенности и отличной управляемости в шлюзах прикладного уровня. Хотя на первый взгляд кажется, что пакетные фильтры должны быть быстрее, потому что они проще и обрабатывают только заголовки пакетов, не затрагивая их содержимое, это не всегда является истиной. Многие межсетевые экраны, построенные на основе прикладного шлюза, показывают более высокие скоростные характеристики, чем маршрутизаторы, и представляют собой лучший выбор для управления доступом при Ethernet-скоростях (10 Мбит/сек).

Отсутствие контроля своей конфигурации

Даже если все описанные выше проблемы решены, остается опасность, что межсетевой экран неправильно сконфигурирован. Приходится сталкиваться с ситуацией, когда приобретается межсетевой экран, первоначальная конфигурация которого осуществляется специалистами поставщика и тем самым, как правило, обеспечивается высокий уровень защищенности корпоративных ресурсов. Однако, с течением времени, ситуация меняется, - сотрудники хотят получить доступ к новым ресурсам Internet, работать с новым сервисами (RealAudio, VDOLive и т.п.) и т.п. Таким образом, постепенно защита, реализуемая межсетевым экраном, становится дырявой как решето, и огромное число правил, добавленных администратором, сводятся к одному: "разрешено все и всем".

В этом случае помогут средства анализа защищенности. Средства анализа защищенности могут тестировать межсетевой экран как на сетевом уровне (например, подверженность атакам типа "отказ в обслуживании"), так и на уровне операционной системы (например, права доступа к конфигурационным файлам межсетевого экрана). Кроме того, при сканировании возможна реализация атак типа "подбор пароля", позволяющие обнаружить "слабые" пароли или пароли, установленные производителем по умолчанию. К средствам, проводящим такие проверки, можно отнести, например, систему Internet Scanner американской компании Internet Security Systems (ISS).

Заключение

Ознакомившись с описанными проблемами, многие могут сделать вывод, что межсетевые экраны не могут обеспечить защиту корпоративной сети от несанкционированного вмешательства. Это не так. Межсетевые экраны являются необходимым, но явно недостаточным средством обеспечения информационной безопасности. Они обеспечивают лишь первую линию обороны. Не стоит покупать межсетевой экран только потому, что он признан лучшим по результатам независимых испытаний. При выборе и приобретении межсетевых экранов необходимо тщательно все продумать и проанализировать. В некоторых случаях достаточно установить простейший пакетный фильтр, свободно распространяемый в сети Internet или поставляемый вместе с операционной системой, например squid. В других случаях межсетевой экран необходим, но применять его надо совместно с другими средствами обеспечения информационной безопасности.

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.