Рассматриваются вопросы физического моделирования окружающего мира при разработке компьютерных игр. Кроме собственно физики в книге приводятся примеры практического применения физических моделей в играх. Описание простой платформы физического моделирования затем переходит в плоскость изложения принципов моделирования отдельных физических явлений, применимых к играм. Рассматриваются вопросы программирования приложений с использованием созданных инструментов. Представленные в книге модели написаны на C++ с применением DirectX и компилировались в VS.NET.

К книге прилагается компакт-диск, содержащий все примеры и необходимый инструментарий. Для чтения книги достаточно знания физики и математики в пределах школьного курса и первичного опыта программирования на C++. Для программистов компьютерных игр, студентов и старшеклассников, интересующихся программированием.

Чтобы упростить ориентирование во все более разрастающемся Интернете, была разработана система DNS (Domain Name System - система именования доменов сети). Дело в том, что каждому компьютеру или компьютерной сети, подключенной к Интернету, назначается уникальная последовательность цифр, называемая IP-адресом.

IP-адрес состоит из четырех чисел, от 0 до 255 каждое, например 198.105.232.001. Зная IP-адрес, пользователь одного компьютера с легкостью находит другой компьютер в Интернете, и может к нему подключиться, если у него есть на это соответствующие права. Все просто, когда вам нужно получать доступ к одному-двум компьютерам, но если их количество переваливает за десяток или даже за сотню, а, тем более, если вам необходимо сообщать определенный IP-адрес многим людям, ситуация становится поистине кошмарной.

Избавиться от подобных проблем помогает система имен DNS. Она позволяет заменять цифровые IP-адреса на благозвучные буквенные, например: «microsoft.com» или «yandex.ru». Как же работает DNS? Все Интернет-пространство можно разделить на несколько групп, называемых «доменными зонами». Эти зоны называются доменами первого уровня. Разделение по зонам может проводиться как по географическому, так и по тематическому признаку. Географическая доменная зона определяет расположение компьютера в том или ином государстве. Вот несколько примеров географических доменов первого уровня: ru - Россия, fr - Франция, uk - Великобритания, jp - Япония, su - бывший Советский Союз. Тематические доменные зоны группируют компьютеры по информации, содержащейся на них, либо по типу организаций, ими владеющих, вне зависимости от их географического расположения.

Два компьютера, зарегистрированные в одной тематической доменной зоне, могут находиться в противоположных концах земного шара. Вот примеры тематических доменных зон: com - коммерческое предприятие, net - что-то связанное с сетевыми технологиями, edu - образовательное учреждение, info - информационный проект, gov - государственное учреждение, biz - бизнес-проект, mil - военная организация. Несмотря на обилие доменных зон, далеко не все из них пользуются большой популярностью. Основная часть компьютеров в Интернете зарегистрирована в доменных зонах com и net. Некоторые доменные зоны используются и вовсе не по прямому назначению. Например, островное государство Тувалу стало обладателем географической доменной зоны tv, которую сейчас облюбовали организации, так или иначе связанные с телевидением: телеканалы, производители бытовой техники, киноделы, рекламщики и прочие...

Каждая доменная зона делится на поддомены, или домены второго уровня, и каждому из этих поддоменов присваивается свое имя, например совпадающее с названием организации, владеющей доменом. Это имя приписывается к имени домена верхнего уровня слева, в виде суффикса, и отделяется точкой. Например, в имени microsoft.com строка com означает доменную зону, а суффикс microsoft - имя домена второго уровня. Как нетрудно догадаться, по этому адресу находится сеть, принадлежащая корпорации Microsoft. Однако сеть корпорации Microsoft весьма велика, поэтому каждый домен второго уровня, в свою очередь, может делиться еще на несколько подподдоменов, или доменов третьего уровня. Это записывается так - mail.microsoft.com. В этом примере mail - это суффикс домена третьего уровня. Такое деление может продолжаться до бесконечности, но обычно ограничивается доменами третьего-четвертого уровня.

Общее руководство и контроль над доменными зонами, осуществляет организация ICANN (The Internet Corporation for Assigned Names and Number - Интернет-ассоциация по выдаче имен и чисел). Она передает полномочия на выдачу адресов в той или иной доменной зоне другим организациям и следит за соблюдением основных правил. Организации, уполномоченные выдавать доменные адреса в той или иной доменной зоне, торгуют доменными адресами второго уровня. То есть, если кто-то хочет, чтобы у его компьютера в Интернет был адрес vasya-pupkin.com, он должен обратиться к организации, выдающей доменные имена в зоне com. Затем попросить зарегистрировать в ней домен второго уровня vasya-pupkin, предоставить IP-адрес своего компьютера в Сети и, разумеется, уплатить некоторую сумму денег. В результате, компьютер Васи в Интернете можно будет отыскать не только по малопонятному набору цифр IP-адреса, но и по звучному текстовому адресу.

При желании, одному IP-адресу можно сопоставить даже несколько доменных имен, например vasya-pupkin.com и vasiliy.ru. Адреса в Российской доменной зоне выдает организации РосНИИРОС, Российский НИИ развития общественных сетей.

Современный Интернет представляет собой сложнейшую систему из тысяч компьютерных сетей, объединенных между собой. Состоит эта система из двух основных элементов: узлов сети Интернет и соединяющих их информационных магистралей. Узлом Интернета называют любое устройство, имеющее свой IP-адрес и подключенное к Сети. Несмотря на кажущуюся мешанину межкомпыотерных соединений и отсутствие централизованного руководства, Интернет имеет определенную иерархическую структуру.

В самом низу иерархии находится многочисленная армия конечных пользователей. Часто не имеющие даже постоянного IP-адреса подключаются к Интернету по низкоскоростным каналам. Тем не менее, пользователи являются одними из основных потребителей услуг Сети и главными «спонсорами» коммерческой части Интернета. Причем на одного «физического» пользователя, т. е. реального человека, пользующегося услугами Сети, может приходиться несколько пользователей «логических», т. е. различных подключений к Интернету.

Так, кроме компьютера, возможность подключения к Интернету может иметь мобильный телефон, карманный компьютер, бытовая техника, автомобиль и даже кондиционер. Конечные пользователи подключаются к компьютерам Интернет-провайдера, или, как их еще называют, ISP (Internet Service Provider - провайдер Интернет). ISP - это организация, основная деятельность которой связана с предоставлением услуг Интернета пользователям.

У провайдера есть своя компьютерная сеть, размеры которой могут варьироваться от сотен десятков узлов в нескольких городах до многих тысяч, раскиданных по целому континенту. Эта сеть называется магистральной сетью, или бэкбоном (от слова backbone - стержень, магистраль). Сети отдельных провайдеров соединяются между собой и другими сетями. Среди ISP есть «монстры», которые обеспечивают соединение между собой сетей различных стран и континентов, являясь своего рода «провайдерами для провайдеров». Весь этот конгломерат компьютерных сетей и образует то, что называется Интернетом.

Особняком стоят DNS-серверы - компьютеры, отвечающие за функционирование системы DNS. Для подключения конечных пользователей к ISP служат так называемые «точки доступа» - компьютеры или специальные устройства, содержащие оборудование для подключения «извне».

Подключившись к точке доступа провайдера, пользователь становится частью магистральной сети провайдера и, соответственно, получает доступ к ее ресурсам, а также к ресурсам сетей, соединенных с бэкбоном провайдера, т. е. ко всему Интернету. Кроме конечных пользователей, к сети провайдеров подключаются различного рода серверы, или «хосты» (от слова host - хозяин). Это узлы сети, на которых работает программное обеспечение, обеспечивающее практически все услуги, предоставляемые сетью Интернет.

Существует несколько различных способов по увеличению производительности компьютера. Можно, например, "разогнать" центральный процессор или видеокарту. А можно построить систему на базе RAID-массива.

Что нужно для построения RAID-массива? Прежде всего, RAID-контроллер и, как минимум, два жестких диска (в зависимости от уровня — например, для массива RAID 5 требуется не менее трех HDD).

До недавнего времени RAID-технологии были прерогативой серверного сегмента рынка. Но ситуация начала потихоньку меняться после того как производители стали интегрировать RAID-контроллеры на несерверные материнские платы. А ведь и правда — почему бы не использовать то, что достается практически даром.

И вот пользователь уже практически созрел, уже почти решился на то, чтобы установить-таки на своем родном ПК этот манящий "шаровой" RAID. И тут же натыкается на проблему выбора. При малых затратах, то есть при использовании двух жестких дисков, нужно выбирать между производительностью и надежностью хранения информации — использовать RAID 0 или RAID 1. А если пользователь хочет получить и скорость и надежность, придется раскошеливаться на четыре накопителя. Мало кто согласится на такие расходы для домашней системы, да и не каждый корпус сможет разместить четыре винчестера.

Эту проблему попыталась решить компания Intel в своих чипсетах нового поколения — i915 и i925. В южный мост ICH6R встроена уникальная технология Intel Matrix Storage Technology, которая позволяет на базе двух жестких дисков построить два разных RAID-массива ("нулевого" и "первого" уровней).

Впрочем, не будем слишком углубляться в технологии. Начнем лучше с азов — проведем небольшой ликбез по RAID.

Что такое RAID?

Сразу стоит заметить, что RAID это не средство от насекомых (как кто-то мог подумать), которое "убивает тараканов насмерть". На самом деле эта аббревиатура расшифровывается как Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков. Изначально RAID расшифровывался как Redundant Array of Inexpensive Disks — избыточный массив недорогих дисков. Под недорогими подразумевались диски, предназначенные для использования в ПК,— в противовес дорогим дискам для мэйнфреймов. Но так как в RAID-массивах стали использовать SCSI-винчестеры, которые были существенно дороже применяемых в большинстве компьютеров дисков IDE, слово "недорогой" было заменено на "независимый".

Принцип функционирования RAID-системы заключается в следующем: из набора дисковых накопителей создается массив, который управляется специальным контроллером и определяется компьютером как единый логический диск большой емкости. За счет параллельного выполнения операций ввода-вывода обеспечивается высокое быстродействие системы, а повышенная надежность хранения информации достигается дублированием данных или вычислением контрольных сумм. Следует отметить, что применение RAID-массивов защищает от потерь данных только в случае физического отказа жестких дисков.

Бурное развитие телекоммуникаций застало приход нового тысячелетия в новом витке технологических преобразований. Не остался в стороне и Web-Hosting как одна из профилирующих услуг интернет-сервиса. И если стремительное развитие IT характеризовалось, прежде всего, широко представленным предложением виртуального (в т.ч. бесплатного) хостинга, то новое десятилетие отмечает возросший интерес к разного рода технологиям выделенных серверов (dedicated servers) и co-location.

Что такое co-location? Co-location (colocation, collocation) дословно - это размещение физической машины клиента в специально оборудованном помещении провайдера на его технической площадке (в дата-центре). Помимо собственно размещения в базовый набор услуг по co-location входит:

Предоставление определенного объема предоплаченного трафика (входящего или исходящего, в зависимости от провайдера) или полосы пропускания;

Подключение к внешним каналам с высокой пропускной способностью (от 100 Мбит/c), наличие резервных каналов;

Повышенный уровень безопасности (система бесперебойного электропитания, климат-контроль, backup, охрана от физического проникновения посторонних на техническую площадку и т.д.);

Круглосуточная поддержка;

Оперативное устранение неисправностей непосредственно "на месте" (on-site).

Смежной с co-location является услуга аренды выделенного сервера (сервер не принадлежит клиенту, а взят в аренду у провайдера). В базовый набор услуг при аренде выделенного сервера обычно входит в дополнение к выше перечисленному :

Программное обеспечение для управления функциями сервера;

Предустановленное серверное программное обеспечение.

Услуга аренды сервера интересна в большей степени клиентам, территориально удаленным от коммуникационных центров (в России это Москва и Санкт-Петербург), а также тем, кто не хочет вкладывать деньги в покупку сервера, и тем у кого нет возможности инсталировать сервер своими силами, т.к. для этого нужно обладать знаниями системного администратора.

Co-location и dedicated существенно расширяют возможности веб-узла и являются единственно возможным решением для некоторых интернет-проектов. Как правило, к услугам аренды и размещения сервера прибегают при высоких требованиях к безопасности, потреблении большого объема трафика, высокой нагрузке на вычислительные мощности. Ведь при виртуальном хостинге ресурсы сервера делятся на всех клиентов размещенных на нем, и в случае появления высоко загруженного ресурса на сервере, вероятен отказ в обслуживании. Кроме того, безопасность виртуального хостинга вызывает большие сомнения: в 80% случаев взломы таких серверов производятся самими же клиентами. Немаловажным фактором при выборе выделенного сервера является возможность использования различного программного обеспечения и полный контроль над сервером. Последнее обстоятельство позволяет реализовать проект любой сложности с гарантированной защищенностью данных; для высоко загруженных проектов возможна реализация распределения вычислительной и сетевой нагрузки по нескольким серверам.

Среди проектов, решение которых в сети Интернет требует услуги co-location или выделенного сервера, следует назвать:

поисковые системы (www.yandex.ru)

фото-галереи (www.alenmax.ru)

виртуальные магазины (www.ozon.ru)

хостинг-провайдеры (www.alexhost.ru)

on-line базы данных (www.integrum.ru)

крупные проекты (www.uptime.ru)

интернет-версии оффлайновых СМИ (www.comprice.ru)

сайты с большим трафиком (www.mail.ru)

особо важные проекты (www.government.ru)

порталы (www.interpress.ru)

Несмотря на непространственную природу Интернет, широкое распространение спроса на услуги co-location в последнее время является своеобразной реакцией на распространение виртуального хостинга. Можно сказать, что в случае заключения контракта на co-location абонент покупает прежде всего определенное географическое место. Это место может характеризоваться особым географическим положением провайдера, включенностью в оптимальную телекоммуникационную инфраструктуру или, что тоже важно, хотя бы как психологический фактор, относительной близостью к главному офису заказчика.

Учитывая все эти факторы можно уверенно прогнозировать стремительное развитие данного вида web-услуг в Санкт-Петербурге. Данный регион - являющийся важнейшим телекоммуникационным центром России, местом, где пересекаются основные магистральные линии, связывающие страну с мировыми коммуникациями, - является вторым по экономической значимости регионом РФ. Более низкая по отношению к Москве затратная часть IT-бизнеса, высокий профессиональный уровень кадров, быстрое экономическое развитие региона в целом позволяют прогнозировать развитие спроса на услуги co-location и dedicated на петербургском рынке.

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.

В этой статье я попытаюсь дать оценку быстродействию файловых систем, используемых в операционных системах WindowsNT/2000. Статья не содержит графиков и результатов тестирований, так как эти результаты слишком сильно зависят от случая, методик тестирования и конкретных систем, и не имеют почти никакой связи с реальным положением дел. В этом материале я вместо этого постараюсь описать общие тенденции и соображения, связанные с производительностью файловых систем. Прочитав данный материал, вы получите информацию для размышлений и сможете сами сделать выводы, понять, какая система будет быстрее в ваших условиях, и почему. Возможно, некоторые факты помогут вам также оптимизировать быстродействие своей машины с точки зрения файловых систем, подскажут какие-то решения, которые приведут к повышению скорости работы всего компьютера.

В данном обзоре упоминаются три системы - FAT (далее FAT16), FAT32 и NTFS, так как основной вопрос, стоящий перед пользователями Windows2000 - это выбор между этими вариантами. Я приношу извинение пользователям других файловых систем, но проблема выбора между двумя, внешне совершенно равнозначными, вариантами со всей остротой стоит сейчас только в среде Windows2000. Я надеюсь, всё же, что изложенные соображения покажутся вам любопытными, и вы сможете сделать какие-то выводы и о тех системах, с которыми вам приходится работать.

Данная статья состоит из множества разделов, каждый из которых посвящен какому-то одному вопросу быстродействия. Многие из этих разделов в определенных местах тесно переплетаются между собой. Тем не менее, чтобы не превращать статью в кашу, в соответствующем разделе я буду писать только о том, что имеет отношение к обсуждаемый в данный момент теме, и ни о чем более. Если вы не нашли каких-то важных фактов в тексте - не спешите удивляться: скорее всего, вы встретите их позже. Прошу вас также не делать никаких поспешных выводов о недостатках и преимуществах той или иной системы, так как противоречий и подводных камней в этих рассуждениях очень и очень много. В конце я попытаюсь собрать воедино всё, что можно сказать о быстродействии систем в реальных условиях.

Теория

Самое фундаментальное свойство любой файловой системы, влияющее на быстродействие всех дисковых операций - структура организации и хранения информации, т.е. то, как, собственно, устроена сама файловая система. Первый раздел - попытка анализа именно этого аспекта работы, т.е. физической работы со структурами и данными файловой системы. Теоретические рассуждения, в принципе, могут быть пропущены - те, кто интересуется лишь чисто практическими аспектами быстродействия файловых систем, могут обратиться сразу ко второй части статьи.

Для начала хотелось бы заметить, что любая файловая система так или иначе хранит файлы. Доступ к данным файлов - основная и неотъемлемая часть работы с файловой системой, и поэтому прежде всего нужно сказать пару слов об этом. Любая файловая система хранит данные файлов в неких объемах - секторах, которые используются аппаратурой и драйвером как самая маленькая единица полезной информации диска. Размер сектора в подавляющем числе современных систем составляет 512 байт, и все файловые системы просто читают эту информацию и передают её без какой либо обработки приложениям. Есть ли тут какие-то исключения? Практически нет. Если файл хранится в сжатом или закодированном виде - как это возможно, к примеру, в системе NTFS - то, конечно, на восстановление или расшифровку информации тратится время и ресурсы процессора. В остальных случаях чтение и запись самих данных файла осуществляется с одинаковой скоростью, какую файловую систему вы не использовали бы.

Обратим внимание на основные процессы, осуществляемые системой для доступа к файлам:

Поиск данных файла

Выяснение того, в каких областях диска хранится тот или иной фрагмент файла - процесс, который имеет принципиально разное воплощение в различных файловых системах. Имейте в виду, что это лишь поиск информации о местоположении файла - доступ к самим данным, фрагментированы они или нет, здесь уже не рассматривается, так как этот процесс совершенно одинаков для всех систем. Речь идет о тех "лишних" действиях, которые приходится выполнять системе перед доступом к реальным данным файлов.

На что влияет этот параметр: на скорость навигации по файлу (доступ к произвольному фрагменту файла). Любая работа с большими файлами данных и документов, если их размер - несколько мегабайт и более. Этот параметр показывает, насколько сильно сама файловая система страдает от фрагментации файлов.

NTFS способна обеспечить быстрый поиск фрагментов, поскольку вся информация хранится в нескольких очень компактных записях (типичный размер - несколько килобайт). Если файл очень сильно фрагментирован (содержит большое число фрагментов) - NTFS придется использовать много записей, что часто заставит хранить их в разных местах. Лишние движения головок при поиске этих данных, в таком случае, приведут к сильному замедлению процесса поиска данных о местоположении файла.

FAT32, из-за большой области самой таблицы размещения будет испытывать огромные трудности, если фрагменты файла разбросаны по всему диску. Дело в том, что FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) представляет собой мини-образ диска, куда включен каждый его кластер. Для доступа к фрагменту файла в системе FAT16 и FAT32 приходится обращаться к соответствующей частичке FAT. Если файл, к примеру, расположен в трех фрагментах - в начале диска, в середине, и в конце - то в системе FAT нам придется обратиться к фрагменту FAT также в его начале, в середине и в конце. В системе FAT16, где максимальный размер области FAT составляет 128 Кбайт, это не составит проблемы - вся область FAT просто хранится в памяти, или же считывается с диска целиком за один проход и буферизируется. FAT32 же, напротив, имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт, а на больших дисках - даже несколько мегабайт. Если файл расположен в разных частях диска - это вынуждает систему совершать движения головок винчестера столько раз, сколько групп фрагментов в разных областях имеет файл, а это очень и очень сильно замедляет процесс поиска фрагментов файла.

Вывод: Абсолютный лидер - FAT16, он никогда не заставит систему делать лишние дисковые операции для данной цели. Затем идет NTFS - эта система также не требует чтения лишней информации, по крайней мере, до того момента, пока файл имеет разумное число фрагментов. FAT32 испытывает огромные трудности, вплоть до чтения лишних сотен килобайт из области FAT, если файл разбросан разным областям диска. Работа с внушительными по размеру файлами на FAT32 в любом случае сопряжена с огромными трудностями - понять, в каком месте на диске расположен тот или иной фрагмент файла, можно лишь изучив всю последовательность кластеров файла с самого начала, обрабатывая за один раз один кластер (через каждые 4 Кбайт файла в типичной системе). Стоит отметить, что если файл фрагментирован, но лежит компактной кучей фрагментов - FAT32 всё же не испытывает больших трудностей, так как физический доступ к области FAT будет также компактен и буферизован.

Поиск свободного места

Данная операция производится в том случае, если файл нужно создать с нуля или скопировать на диск. Поиск места под физические данные файла зависит от того, как хранится информация о занятых участках диска.

На что влияет этот параметр: на скорость создания файлов, особенно больших. Сохранение или создание в реальном времени больших мультимедийных файлов (.wav, к примеру), копирование больших объемов информации, т.д. Этот параметр показывает, насколько быстро система сможет найти место для записи на диск новых данных, и какие операции ей придется для этого проделать.

Для определения того, свободен ли данный кластер или нет, системы на основе FAT должны просмотреть одну запись FAT, соответствующую этому кластеру. Размер одной записи FAT16 составляет 16 бит, одной записи FAT32 - 32 бита. Для поиска свободного места на диске может потребоваться просмотреть почти всего FAT - это 128 Кбайт (максимум) для FAT16 и до нескольких мегабайт (!) - в FAT32. Для того, чтобы не превращать поиск свободного места в катастрофу (для FAT32), операционной системе приходится идти на различные ухищрения.

NTFS имеет битовую карту свободного места, одному кластеру соответствует 1 бит. Для поиска свободного места на диске приходится оценивать объемы в десятки раз меньшие, чем в системах FAT и FAT32.

Вывод: NTFS имеет наиболее эффективную систему нахождения свободного места. Стоит отметить, что действовать "в лоб" на FAT16 или FAT32 очень медленно, поэтому для нахождения свободного места в этих системах применяются различные методы оптимизации, в результате чего и там достигается приемлемая скорость. (Одно можно сказать наверняка - поиск свободного места при работе в DOS на FAT32 - катастрофический по скорости процесс, поскольку никакая оптимизация невозможна без поддержки хоть сколь серьезной операционной системы).

Работа с каталогами и файлами

Каждая файловая система выполняет элементарные операции с файлами - доступ, удаление, создание, перемещение и т.д. Скорость работы этих операций зависит от принципов организации хранения данных об отдельных файлах и от устройства структур каталогов.

На что влияет этот параметр: на скорость осуществления любых операций с файлом, в том числе - на скорость любой операции доступа к файлу, особенно - в каталогах с большим числом файлов (тысячи).

FAT16 и FAT32 имеют очень компактные каталоги, размер каждой записи которых предельно мал. Более того, из-за сложившейся исторически системы хранения длинных имен файлов (более 11 символов), в каталогах систем FAT используется не очень эффективная и на первый взгляд неудачная, но зато очень экономная структура хранения этих самих длинных имен файлов. Работа с каталогами FAT производится достаточно быстро, так как в подавляющем числе случаев каталог (файл данных каталога) не фрагментирован и находится на диске в одном месте.
Единственная проблема, которая может существенно понизить скорость работы каталогов FAT - большое количество файлов в одном каталоге (порядка тысячи или более). Система хранения данных - линейный массив - не позволяет организовать эффективный поиск файлов в таком каталоге, и для нахождения данного файла приходится перебирать большой объем данных (в среднем - половину файла каталога).

NTFS использует гораздо более эффективный способ адресации - бинарное дерево, о принципе работы которого можно прочесть в другой статье (Файловая система NTFS). Эта организация позволяет эффективно работать с каталогами любого размера - каталогам NTFS не страшно увеличение количества файлов в одном каталоге и до десятков тысяч.
Стоит заметить, однако, что сам каталог NTFS представляет собой гораздо менее компактную структуру, нежели каталог FAT - это связано с гораздо большим (в несколько раз) размером одной записи каталога. Данное обстоятельство приводит к тому, что каталоги на томе NTFS в подавляющем числе случаев сильно фрагментированы. Размер типичного каталога на FAT-е укладывается в один кластер, тогда как сотня файлов (и даже меньше) в каталоге на NTFS уже приводит к размеру файла каталога, превышающему типичный размер одного кластера. Это, в свою очередь, почти гарантирует фрагментацию файла каталога, что, к сожалению, довольно часто сводит на нет все преимущества гораздо более эффективной организации самих данных.

Вывод: структура каталогов на NTFS теоретически гораздо эффективнее, но при размере каталога в несколько сотен файлов это практически не имеет значения. Фрагментация каталогов NTFS, однако, уверенно наступает уже при таком размере каталога. Для малых и средних каталогов NTFS, как это не печально, имеет на практике меньшее быстродействие.

Преимущества каталогов NTFS становятся реальными и неоспоримыми только в том случае, если в одно каталоге присутствуют тысячи файлов - в этом случае быстродействие компенсирует фрагментированность самого каталога и трудности с физическим обращением к данным (в первый раз - далее каталог кэшируется). Напряженная работа с каталогами, содержащими порядка тысячи и более файлов, проходит на NTFS буквально в несколько раз быстрее, а иногда выигрыш в скорости по сравнению с FAT и FAT32 достигает десятков раз.

Практика

К сожалению, как это часто бывает во всевозможных компьютерных вопросах, практика не очень хорошо согласуется с теорией. NTFS, имеющая, казалось бы, очевидные преимущества в структуре, показывает не настолько уж фантастические результаты, как можно было бы ожидать. Какие еще соображения влияют на быстродействие файловой системы? Каждый из рассматриваемых далее вопросов вносит свой вклад в итоговое быстродействие. Помните, однако, что реальное быстродействие - результат действия сразу всех факторов, поэтому и в этой части статьи не стоит делать поспешных выводов.

Объем оперативной памяти (кэширование)

Очень многие данные современных файловых систем кэшируются или буферизируются в памяти компьютера, что позволяет избежать лишних операций физического чтения данных с диска. Для нормальной (высокопроизводительной) работы системы в кэше приходится хранить следующие типы информации:

Данные о физическом местоположении всех открытых файлов. Это, прежде всего, позволит обращаться к системным файлам и библиотекам, доступ к которым идет буквально постоянно, без чтения служебной (не относящейся к самим файлам) информации с диска. Это же относится к тем файлам, которые исполняются в данный момент - т.е. к выполняемым модулям (.exe и .dll) активных процессов в системе. В эту категорию попадают также файлы системы, с которыми производится работа (прежде всего реестр и виртуальная память, различные .ini файлы, а также файлы документов и приложений).

Наиболее часто используемые каталоги. К таковым можно отнести рабочий стол, меню "пуск", системные каталоги, каталоги кэша интернета, и т.п.

Данные о свободном месте диска - т.е. та информация, которая позволит найти место для сохранения на диск новых данных.

В случае, если этот базовый объем информации не будет доступен прямо в оперативной памяти, системе придется совершать множество ненужных операций еще до того, как она начнет работу с реальными данными. Что входит в эти объемы в разных файловых системах? Или, вопрос в более практической плоскости - каким объемом свободной оперативной памяти надо располагать, чтобы эффективно работать с той или иной файловой системой?

FAT16 имеет очень мало данных, отвечающих за организацию файловой системы. Из служебных областей можно выделить только саму область FAT, которая не может превышать 128 Кбайт (!) - эта область отвечает и за поиск фрагментов файлов, и за поиск свободного места на томе. Каталоги системы FAT также очень компактны. Общий объем памяти, необходимый для предельно эффективной работы с FAT-ом, может колебаться от сотни килобайт и до мегабайта-другого - при условии огромного числа и размера каталогов, с которыми ведется работа.

FAT32 отличается от FAT16 лишь тем, что сама область FAT может иметь более внушительные размеры. На томах порядка 5 - 10 Гбайт область FAT может занимать объем в несколько Мбайт, и это уже очень внушительный объем, надежно кэшировать который не представляется возможным. Тем не менее, область FAT, а вернее те фрагменты, которые отвечают за местоположение рабочих файлов, в подавляющем большинстве систем находятся в памяти машины - на это расходуется порядка нескольких Мбайт оперативной памяти.

NTFS, к сожалению, имеет гораздо большие требования к памяти, необходимой для работы системы. Прежде всего, кэширование сильно затрудняет большие размеры каталогов. Размер одних только каталогов, с которыми активно ведет работу система, может запросто доходить до нескольких Мбайт и даже десятков Мбайт! Добавьте к этому необходимость кэшировать карту свободного места тома (сотни Кбайт) и записи MFT для файлов, с которыми осуществляется работа (в типичной системе - по 1 Кбайт на каждый файл). К счастью, NTFS имеет удачную систему хранения данных, которая не приводит к увеличению каких-либо фиксированных областей при увеличении объема диска. Количество данных, с которым оперирует система на основе NTFS, практически не зависит от объема тома, и основной вклад в объемы данных, которые необходимо кэшировать, вносят каталоги. Тем не менее, уже этого вполне достаточно для того, чтобы только минимальный объем данных, необходимых для кэширования базовых областей NTFS, доходил до 5 - 8 Мбайт.

[pagebreak]

К сожалению, можно с уверенностью сказать: NTFS теряет огромное количество своего теоретического быстродействия из-за недостаточного кэширования. На системах, имеющих менее 64 Мбайт памяти, NTFS просто не может оказаться быстрее FAT16 или FAT32. Единственное исключение из этого правила - диски FAT32, имеющие объем десятки Гбайт (я бы лично серьезно опасался дисков FAT32 объемом свыше, скажем, 30 Гбайт). В остальных же случаях - системы с менее чем 64 мегабайтами памяти просто обязаны работать с FAT32 быстрее.

Типичный в настоящее время объем памяти в 64 Мбайта, к сожалению, также не дает возможности организовать эффективную работу с NTFS. На малых и средних дисках (до 10 Гбайт) в типичных системах FAT32 будет работать, пожалуй, немного быстрее. Единственное, что можно сказать по поводу быстродействия систем с таким объемом оперативной памяти - системы, работающие с FAT32, будут гораздо сильнее страдать от фрагментации, чем системы на NTFS. Но если хотя бы изредка дефрагментировать диски, то FAT32, с точки зрения быстродействия, является предпочтительным вариантом. Многие люди, тем не менее, выбирают в таких системах NTFS - просто из-за того, что это даст некоторые довольно важные преимущества, тогда как типичная потеря быстродействия не очень велика.

Системы с более чем 64 Мбайтами, а особенно - со 128 Мбайт и более памяти, смогут уверенно кэшировать абсолютно всё, что необходимо для работы систем, и вот на таких компьютерах NTFS, скорее всего, покажет более высокое быстродействие из-за более продуманной организации данных. В наше время этим показателям соответствует практически любой компьютер.

Быстродействие накопителя

Влияют ли физические параметры жесткого диска на быстродействие файловой системы? Да, хоть и не сильно, но влияют. Можно выделить следующие параметры физической дисковой системы, которые по-разному влияют на разные типы файловых систем:

Время случайного доступа (random seek time). К сожалению, для доступа к системным областям на типичном диске более сложной файловой системы (NTFS) приходится совершать, в среднем, больше движений головками диска, чем в более простых системах (FAT16 и FAT32). Гораздо большая фрагментация каталогов, возможность фрагментации системных областей - всё это делает диски NTFS гораздо более чувствительными к скорости считывания произвольных (случайных) областей диска. По этой причине использовать NTFS на медленных (старых) дисках не рекомендуется, так как высокое (худшее) время поиска дорожки дает еще один плюс в пользу систем FAT.

Наличие Bus Mastering. Bus Mastering - специальный режим работы драйвера и контроллера, при использовании которого обмен с диском производится без участия процессора. Стоит отметить, что система запаздывающего кэширования NTFS сможет действовать гораздо более эффективно при наличии Bus Mastering, т.к. NTFS производит отложенную запись гораздо большего числа данных. Системы без Bus Mastering в настоящее время встречаются достаточно редко (обычно это накопители или контроллеры, работающие в режиме PIO3 или PIO4), и если вы работаете с таким диском - то, скорее всего, NTFS потеряет еще пару очков быстродействия, особенно при операциях модификации каталогов (например, активная работа в интернете - работа с кэшем интернета).

Кэширование как чтения, так и записи на уровне жестких дисков (объем буфера HDD - от 128 Кбайт до 1-2 Мбайт в современных дорогих дисках) - фактор, который будет более полезен системам на основе FAT. NTFS из соображений надежности хранения информации осуществляет модификацию системных областей с флагом "не кэшировать запись", поэтому быстродействие системы NTFS слабо зависит от возможности кэширования самого HDD. Системы FAT, напротив, получат некоторый плюс от кэширования записи на физическом уровне. Стоит отметить, что, вообще говоря, всерьез принимать в расчет размер буфера HDD при оценке быстродействия тех или иных файловых систем не стоит.

Подводя краткий итог влиянию быстродействия диска и контроллера на быстродействия системы в целом, можно сказать так: NTFS страдает от медленных дисков гораздо сильнее, чем FAT.

Размер кластера

Хотелось бы сказать пару слов о размере кластера - тот параметр, который в файловых системах FAT32 и NTFS можно задавать при форматировании практически произвольно. Прежде всего, надо сказать, что больший размер кластера - это практически всегда большее быстродействие. Размер кластера на томе NTFS, однако, имеет меньшее влияние на быстродействие, чем размер кластера для системы FAT32.

Типичный размер кластера для NTFS - 4 Кбайта. Стоит отметить, что при большем размере кластера отключается встроенная в файловую систему возможность сжатия индивидуальных файлов, а также перестает работать стандартный API дефрагментации - т.е. подавляющее число дефрагментаторов, в том числе встроенный в Windows 2000, будут неспособны дефрагментировать этот диск. SpeedDisk, впрочем, сможет - он работает без использования данного API. Оптимальным с точки зрения быстродействия, по крайней мере, для средних и больших файлов, считается (самой Microsoft) размер 16 Кбайт. Увеличивать размер далее неразумно из-за слишком больших расходов на неэффективность хранения данных и из-за мизерного дальнейшего увеличения быстродействия. Если вы хотите повысить быстродействие NTFS ценой потери возможности сжатия - задумайтесь о форматировании диска с размером кластера, большим чем 4 Кбайта. Но имейте в виду, что это даст довольно скромный прирост быстродействия, который часто не стоит даже уменьшения эффективности размещения файлов на диске.

Быстродействие системы FAT32, напротив, можно довольно существенно повысить, увеличив размер кластера. Если в NTFS размер кластера почти не влияет на размер и характер данных системных областей, то в системе FAT увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT в те же два раза. Вспомните, что в типичной системе FAT32 эта очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократиться - уменьшается и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов, и объем оперативной памяти, необходимый для буферизирования этой информации. Типичный объем кластера для систем FAT32 составляет тоже 4 Кбайт, и увеличение его до 8 или даже до 16 Кбайт - особенно для больших (десяток и более гигабайт) дисков - достаточно разумный шаг.

Другие соображения

NTFS является достаточно сложной системой, поэтому, в отличие от FAT16 и FAT32, имеются и другие факторы, которые могут привести к существенному замедлению работы NTFS:

Диск NTFS был получен преобразованием раздела FAT16 или FAT32 (команда convert). Данная процедура в большинстве случаев представляет собой тяжелый случай для быстродействия, так как структура служебных областей NTFS, скорее всего, получится очень фрагментированной. Если есть возможность - избегайте преобразования других систем в NTFS, так как это приведет к созданию очень неудачного диска, которому не поможет даже типичный (неспециализированный) дефрагментатор, типа Diskeeper-а или встроенного в Windows 2000.

Активная работа с диском, заполненным более чем на 80% - 90%, представляет собой катастрофический для быстродействия NTFS случай, так как фрагментация файлов и, самое главное, служебных областей, будет расти фантастически быстро. Если ваш диск используется в таком режиме - FAT32 будет более удачным выбором при любых других условиях.

Выводы

В данной заключительной части "одной строчкой" собраны ключевые особенности быстродействия этих трех файловых систем.

FAT - плюсы:

Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.

Быстрая работа с малыми и средними каталогами.

Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).

Эффективная работа на медленных дисках.

FAT - минусы:

Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).

Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.

Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.

NTFS - плюсы:

Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы - работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.

Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.

Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).

Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) - весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).

NTFS - минусы:

Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт - абсолютный минимум, лучше - больше).

Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.

Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.

Диск, долго работающий в заполненном на 80% - 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что на практике основной фактор, от которого зависит быстродействие файловой системы - это, как ни странно, объем памяти машины. Системы с памятью 64-96 Мбайт - некий рубеж, на котором быстродействие NTFS и FAT32 примерно эквивалентно. Обратите внимание также на сложность организации данных на вашей машине. Если вы не используете ничего, кроме простейших приложений и самой операционной системы - может случиться так, что FAT32 сможет показать более высокое быстродействие и на машинах с большим количеством памяти.

NTFS - система, которая закладывалась на будущее, и это будущее для большинства реальных применений сегодняшнего дня еще, к сожалению, видимо не наступило. На данный момент NTFS обеспечивает стабильное и равнодушное к целому ряду факторов, но, пожалуй, всё же невысокое - на типичной "игровой" домашней системе - быстродействие. Основное преимущество NTFS с точки зрения быстродействия заключается в том, что этой системе безразличны такие параметры, как сложность каталогов (число файлов в одном каталоге), размер диска, фрагментация и т.д. В системах FAT же, напротив, каждый из этих факторов приведет к существенному снижению скорости работы.

Только в сложных высокопроизводительных системах - например, на графических станциях или просто на серьезных офисных компьютерах с тысячами документов, или, тем более, на файл-серверах - преимущества структуры NTFS смогут дать реальный выигрыш быстродействия, который порой заметен невооруженным глазом. Пользователям, не имеющим большие диски, забитые информацией, и не пользующимся сложными программами, не стоит ждать от NTFS чудес скорости - с точки зрения быстродействия на простых домашних системах гораздо лучше покажет себя FAT32.

Хочется немного осветить вопрос индексации сайта основными поисковиками (к которым относятся грозный и страшный Яндекс, рвущийся к лидерству уже и на просторах русскоязычного поиска Google, скатывающийся назад Рамблер, “всемирный” соперник Гугла Yahoo, ну и непонятно зачем все еще существующий Апорт ).

Проще всего рассмотреть скорость индексации на примере данного сайта. Сайту нет еще даже месяца, поэтому интересна динамика попадания страниц сайта в индекс (выдачу) поисковиков. Немного удивило то, что уже в день появления сайта на просторах всемирной сети (именно физического появления, т.е. момента, когда данные сайта стали доступны) Google каким-то образом успел проиндексировать несколько десятков страниц, и это при том, что сайт в “Google для вебмастеров” не вносился, вручную в Google не добавлялся, на сайт вообще была всего одна ссылка, правда на главной странице более-менее посещаемого (в том числе роботами) мини-портала .
Также в тот же день этот сайт был добавлен в Яндекс.вебмастер - якобы это ускоряет индексацию Яндексом. Как выяснилось - не ускоряет… вообще, складывается впечатление, что хоть какие-то обновления в базе Яндекса происходят раз в неделю, обычно в выходные, при том робот шарит по сайту стабильно - но почему-то на выдачу это никак не влияет.

Следом за Гугле, буквально через день, сайт заметил Яху, примерно столько же страниц - около 60. Несмотря на отстутствие в первые дни sitemap.xml (сейчас в нем чуть более 1600 страниц), Гугле уже за первую неделю проиндексировал более 500 страниц, а через 2.5 недели в базе было 1.5 тысячи страниц, то есть почти весь сайт. Примерно в это же время первые несколько страниц (а именно 4) появились в выдаче Яндекса - впечатляющая скорость. Да, сайт в первый же день был зарегистрирован в каталоге-рейтинге Рамблера, и через пару дней там появился, а вот в выдаче Рамблера до сих пор нет ни одной страницы (код счетчика стоит на каждой странице), Рамблер в этом плане отстает даже от Апорта, в котором уже есть несколько десятков страниц.

Яху меня несколько раз впечатлял скоростью индексации ссылок на сайт - показывал некоторые бэклинки буквально через час-два после их появления, просмотр бэклинков на Яндекс.вебмастер тоже немного порадовал - несмотря на то, что Яндекс знает всего 4 страницы сайта, но тем не менее он уже знает около 20 ссылок на сайт - то есть примерно 70% на данный момент… что не так уж плохо.

Ну вот собственно пока и все, надеюсь из этого коротенького обзора можно сделать кое-какие выводы о скорости попадания сайта в индекс (выдачу) основных поисковиков.

Очевидно, что администрирование работы сетевых служб подразумевает выполнение некоторых дополнительных процедур, направленных на обеспечение корректной работы всей системы. Вовсе не обязательно, чтобы эти функции выполнял один человек. Во многих организациях работа распределяется между несколькими администраторами. В любом случае необходим хотя бы один человек, который понимал бы все поставленные задачи и обеспечивал их выполнение другими людьми.

---

1. Введение

Идея создания сетей для передачи данных на большие и не очень большие расcтояния витала в воздухе с той самой поры, как человек впервые задумался над созданием телекоммуникационных устройств. В разное время и в различных ситуациях в качестве «устройств передачи информации» использовались почтовые голуби, бутылки с сообщениями «SOS» и наконец, люди — гонцы и нарочные.

Конечно, с тех пор прошло немало лет. В наши дни для того, чтобы передать от одного человека к другому приглашение на субботний футбольный матч, множество компьютеров обмениваются электронными сообщениями, используя для передачи информации массу проводов, оптических кабелей, микроволновых передатчиков и прочего.

Компьютерные сети сегодня представляют собой форму сотрудничества людей и компьютеров, обеспечивающего ускорение доставки и обработки информации.

Сеть обеспечивает обмен информацией и ее совместное использование (разделение). Компьютерные сети делятся на локальные (ЛВС, Local Area Network, LAN), представляющие собой группу близко расположенных, связанных между собой компьютеров, и распределенные (глобальные, Wide Area Networks, WAN)

Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации.

Очевидно, что администрирование работы сетевых служб подразумевает выполнение некоторых дополнительных процедур, направленных на обеспечение корректной работы всей системы. Вовсе не обязательно, чтобы эти функции выполнял один человек. Во многих организациях работа распределяется между несколькими администраторами. В любом случае необходим хотя бы один человек, который понимал бы все поставленные задачи и обеспечивал их выполнение другими людьми.

Основные задачи системного администратора

2.1. Подключение и удаление аппаратных средств

Любая компьютерная сеть состоит из трех основных компонентов:
1. Активное оборудование (концентраторы, коммутаторы, сетевые адаптеры и др.).
2. Коммуникационные каналы (кабели, разъемы).
3. Сетевая операционная система.

Естественно, все эти компоненты должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети требуется их правильно инсталлировать и установить рабочие параметры.

В случае приобретения новых аппаратных средств или подключения уже имеющихся аппаратных средств к другой машине систему нужно сконфигурировать таким образом, чтобы она распознала и использовала эти средства. Изменение конфигурации может быть как простой задачей (например, подключение принтера), так и более сложной (подключение нового диска).

Для того чтобы принять правильное решение о модернизации системы, как системному администратору необходимо проанализировать производительность системы. Конечными узлами сети являются компьютеры, и от их производительности и надежности во многом зависят характеристики всей сети в целом. Именно компьютеры являются теми устройствами в сети, которые реализуют протоколы всех уровней, начиная от физического и канального (сетевой адаптер и драйвер) и заканчивая прикладным уровнем (приложения и сетевые службы операционной системы). Следовательно, оптимизация компьютера включает две достаточно независимые задачи:

* Во-первых, выбор таких параметров конфигурации программного и аппаратного обеспечения, которые обеспечивали бы оптимальные показатели производительности и надежности этого компьютера как отдельного элемента сети. Такими параметрами являются, например, тип используемого сетевого адаптера, размер файлового кэша, влияющий на скорость доступа к данным на сервере, производительность дисков и дискового контроллера, быстродействие центрального процессора и т.п.
* Во-вторых, выбор таких параметров протоколов, установленных в данном компьютере, которые гарантировали бы эффективную и надежную работу коммуникационных средств сети. Поскольку компьютеры порождают большую часть кадров и пакетов, циркулирующих в сети, то многие важные параметры протоколов формируются программным обеспечением компьютеров, например начальное значение поля TTL (Time-to-Live) протокола IP, размер окна неподтвержденных пакетов, размеры используемых кадров.


Тем не менее выполнение вычислительной задачи может потребовать участия в работе нескольких устройств. Каждое устройство использует определенные ресурсы для выполнения своей части работы. Плохая производительность обычно является следствием того, что одно из устройств требует намного больше ресурсов, чем остальные. Чтобы исправить положение, вы должны выявить устройство, которое расходует максимальную часть времени при выполнении задачи. Такое устройство называется узким местом (bottleneck). Например, если на выполнение задачи требуется 3 секунды и 1 секунда тратится на выполнение программы процессором, а 2 секунды — на чтение данных с диска, то диск является узким местом.

Определение узкого места — критический этап в процессе улучшения производительности. Замена процессора в предыдущем примере на другой, в два раза более быстродействующий процессор, уменьшит общее время выполнения задачи только до 2,5 секунд, но принципиально исправить ситуацию не сможет, поскольку узкое место устранено не будет. Если же мы приобретем диск и контроллер диска, которые будут в два раза быстрее прежних, то общее время уменьшится до 2 секунд.

Если вы всерьез недовольны быстродействием системы, исправить положение можно следующими способами:

* обеспечив систему достаточным ресурсом памяти. Объем памяти — один из основных факторов, влияющих на производительность;
* устранив некоторые проблемы, созданные как пользователями (одновременный запуск слишком большого количества заданий, неэффективные методы программирования, выполнение заданий с избыточным приоритетом, а также объемных заданий в часы пик), так и самой системой (квоты, учет времени центрального процессора);
* организовав жесткие диски и файловые системы так, чтобы сбалансировать нагрузку на них и таким образом максимально повысить пропускную способность средств ввода-вывода;
* осуществляя текущий контроль сети, чтобы избежать ее перегрузки и добиться низкого коэффициента ошибок. Сети UNIX/Linux можно контролировать с помощью программы netstat. Если речь идет об сетевых операционных системах семейства Windows, то вам поможет утилита PerformanceMonitor.
* откорректировав методику компоновки файловых систем в расчете на отдельные диски;
* выявив ситуации, когда система совершенно не соответствует предъявляемым к ней требованиям.


Эти меры перечислены в порядке убывания эффективности.

2.2. Резервное копирование

Процедура резервного копирования довольно утомительна и отнимает много времени, но выполнять ее необходимо. Ее можно автоматизировать, но системный администратор обязан убедиться в том, что резервное копирование выполнено правильно и в соответствии с графиком. Практически любая сетевая операционная система содержит механизмы для создания резервных копий или зеркального ведения дисков. Например, в UNIX-системах самое распространенное средство создания резервных копий и восстановления данных — команды dump и restore. В большинстве случаев информация, хранящаяся в компьютерах, стоит дороже самих компьютеров. Кроме того, ее гораздо труднее восстановить.

Существуют сотни весьма изобретательных способов потерять информацию. Ошибки в программном обеспечении зачастую портят файлы данных. Пользователи случайно удаляют то, над чем работали всю жизнь. Хакеры и раздраженные служащие стирают данные целыми дисками. Проблемы c аппаратными средствами и стихийные бедствия выводят их строя целые машинные залы. Поэтому ни одну систему нельзя эксплуатировать без резервных копий.

При правильном подходе создание резервных копий данных позволяет администратору восстанавливать файловую систему (или любую ее часть) в том состоянии, в котором она находилась на момент последнего снятия резервных копий. Резервное копирование должно производиться тщательно и строго по графику.

[pagebreak]

Поскольку многие виды неисправностей способны одновременно выводить из строя сразу несколько аппаратных средств, резервные копии следует записывать на съемные носители, CD-диски, ZIP-дискеты и т.д. Например, копирование содержимого одного диска на другой, конечно, лучше, чем ничего, но оно обеспечивает весьма незначительный уровень защиты от отказа контроллера.

2.3. Инсталляция новых программных средств

После приобретения нового программного обеспечения его нужно инсталлировать и протестировать. Если программы работают нормально, необходимо сообщить пользователям об их наличии и местонахождении.

Как правило, самой ответственной и самой сложной задачей системного администратора являются инсталляция и конфигурирование операционной системы. От правильности ваших действий зависит, будете ли вы играть в Quake и просматривать любимые сайты или вам придется бегать между пользователями системы и заниматься рутинной работой.

Во многих современных операционных системах разработчики идут по пути исключения многих непродуктивных параметров системы, с помощью которых администраторы способны влиять на производительность ОС. Вместо этого в операционную систему встраиваются адаптивные алгоритмы, которые определяют рациональные параметры системы во время ее работы. С помощью этих алгоритмов ОС может динамически оптимизировать свои параметры в отношении многих известных сетевых проблем, автоматически перераспределяя свои ресурсы и не привлекая к решению администратора.

Существуют различные критерии оптимизации производительности операционной системы. К числу наиболее распространенных критериев относятся:

* Наибольшая скорость выполнения определенного процесса.
* Максимальное число задач, выполняемых процессором за единицу времени. Эта характеристика также называется пропускной способностью компьютера. Она определяет качество разделения ресурсов между несколькими одновременно выполняемыми процессами.
* Освобождение максимального количества оперативной памяти для самых приоритетных процессов, например процесса, выполняющего функции файлового сервера, или же для увеличения размера файлового кэша.
* Освобождение наибольшего количества дисковой памяти.


Обычно при оптимизации производительности ОС администратор начинает этот процесс при заданном наборе ресурсов. В общем случае одновременно улучшить все критерии производительности невозможно. Например, если целью является увеличение доступной оперативной памяти, то администратор может увеличить размер страничного файла, но это приведет к уменьшению доступного дискового пространства.

После инсталляции и оптимальной настройки операционной системы начинается практически бесконечный процесс установки программного обеспечения. И здесь на первый план выходят проблемы совместимости различных программ, а если вы устанавливаете серверное программное обеспечение, — то еще и о безопасности.

Если вы начинающий системный администратор — устанавливайте на свой сервер более простые программы — в них меньше ошибок. В UNIX — избавьтесь от sendmail, поставьте другой SMTP-демон, внимательно анализируйте исходный код всех устанавливаемых на сервер программ, особенно если имя производителя вам ничего не говорит. В Windows NT не стоит использовать монстры типа Microsoft Exchange Server, и желательно избегать установки на сервер всевозможных freeware-программок.

2.4. Мониторинг системы

Существует великое множество обязательных для исполнения ежедневных операций. Например, проверка правильности функционирования электронной почты и телеконференций, просмотр регистрационных файлов на предмет наличия ранних признаков неисправностей, контроль за подключением локальных сетей и за наличием системных ресурсов.

Все многообразие средств, применяемых для мониторинга и анализа вычислительных сетей, можно разделить на несколько крупных классов:

Системы управления сетью (NetworkManagementSystems) — централизованные программные системы, которые собирают данные о состоянии узлов и коммуникационных устройств сети, а также данные о трафике, циркулирующем в сети. Эти системы не только осуществляют мониторинг и анализ сети, но и выполняют в автоматическом или полуавтоматическом режиме действия по управлению сетью — включение и отключение портов устройств, изменение параметров мостов адресных таблиц мостов, коммутаторов и маршрутизаторов и т.п. Примерами систем управления могут служить популярные системы HPOpenView, SunNetManager, IBMNetView.

Средства управления системой (SystemManagement). Средства управления системой часто выполняют функции, аналогичные функциям систем управления, но по отношению к другим объектам. В первом случае объектами управления являются программное и аппаратное обеспечение компьютеров сети, а во втором — коммуникационное оборудование. Вместе с тем некоторые функции этих двух видов систем управления могут дублироваться, например средства управления системой могут выполнять простейший анализ сетевого трафика.

Встроенные системы диагностики и управления (Embeddedsystems). Эти системы выполняются в виде программно-аппаратных модулей, устанавливаемых в коммуникационное оборудование, а также в виде программных модулей, встроенных в операционные системы. Они выполняют функции диагностики и управления единственным устройством, и в этом их основное отличие от централизованных систем управления. Примером средств этого класса может служить модуль управления концентратором Distrebuted 5000, реализующий функции автосегментации портов при обнаружении неисправностей, приписывания портов внутренним сегментам концентратора, и ряд других. Как правило, встроенные модули управления «по совместительству» выполняют роль SNMP-агентов, поставляющих данные о состоянии устройства для систем управления.

Анализаторы протоколов (Protocolanalyzers). Представляют собой программные или аппаратно-программные системы, которые ограничиваются, в отличие от систем управления, лишь функциями мониторинга и анализа трафика в сетях. Хороший анализатор протоколов может захватывать и декодировать пакеты большого количества протоколов, применяемых в сетях, — обычно несколько десятков. Анализаторы протоколов позволяют установить некоторые логические условия для захвата отдельных пакетов и выполняют полное декодирование захваченных пакетов, то есть показывают в удобной для специалиста форме вложенность друг в друга пакетов протоколов разных уровней с расшифровкой содержания отдельных полей каждого пакета.

Оборудование для диагностики и сертификации кабельных систем. Условно это оборудование можно поделить на четыре основные группы: сетевые мониторы, приборы для сертификации кабельных систем, кабельные сканеры и тестеры (мультиметры).

Экспертные системы. Этот вид систем аккумулирует человеческие знания о выявлении причин аномальной работы сетей и возможных способах приведения сети в работоспособное состояние. Экспертные системы часто реализуются в виде отдельных подсистем различных средств мониторинга и анализа сетей: систем управления сетями, анализаторов протоколов, сетевых анализаторов. Простейшим вариантом экспертной системы является контекстно-зависимая help-система. Более сложные экспертные системы представляют собой так называемые базы знаний, обладающие элементами искусственного интеллекта. Примером такой системы является экспертная система, встроенная в систему управления Spectrum компании Cabletron.

Многофункциональные устройства анализа и диагностики. В последние годы в связи с повсеместным распространением локальных сетей возникла необходимость разработки недорогих портативных приборов, совмещающих функции нескольких устройств: анализаторов протоколов, кабельных сканеров и даже ряд возможностей ПО сетевого управления.

Однако в отдельной сети Ethernet формальные процедуры управления сетью внедрять, как правило, не стоит. Достаточно провести тщательное тестирование сети после инсталляции и время от времени проверять уровень нагрузки. Сломается — почините.

Если у вас задействованы глобальная сеть или сложные ЛВС, рассмотрите вопрос приобретения выделенных станций управления сетью со специальным программным обеспечением.

2.5. Поиск неисправностей

Операционные системы и аппаратные средства, на которых они работают, время от времени выходят из строя. Задача администратора — диагностировать сбои в системе и в случае необходимости вызвать специалистов. Как правило, найти неисправность бывает намного сложнее, чем устранить ее.

Если вы обнаружили, что какой-то из узлов сети работает некорректно или вовсе отказывается работать, вам стоит обратить внимание на светодиодные индикаторы при включенном концентраторе и компьютерах, соединенных кабелями. Если они не горят, то очень вероятно, что причина заключается в следующем:

* Адаптеры некорректно сконфигурированы. Чаще всего при инсталляции сети проблем не возникает до тех пор, пока не будут подключены кабели, а иногда и до попытки получить доступ к сетевым ресурсам. Обычно источником проблемы является конфликт IRQ (два устройства используют одно прерывание). Такие ситуации не всегда легко обнаружить программными средствами, поэтому внимательно проверьте установки прерываний для всех устройств компьютера (звуковые платы, параллельные и последовательные порты, приводы CD-ROM, другие сетевые адаптеры и т.п). Иногда в определении доступного прерывания может помочь программа конфигурирования и/или диагностики адаптера. В некоторых случаях проблемы возникают при использовании на современных компьютерах с шиной PCI для сетевого адаптера IRQ 15, даже если это прерывание не используется.
* Адаптер не отвечает на запросы. Если после включения компьютера программа диагностики не может обнаружить адаптер или детектирует сбой при внутреннем тесте, попробуйте заменить адаптер или обратитесь к его производителям.
* Если проверка адаптеров и кабелей доказала их работоспособность, причиной возникновения проблем могут быть некорректные параметры драйвера сетевого адаптера. Проверьте корректность параметров и сам драйвер (он должен быть предназначен для используемого вами адаптера). Дополнительную информацию можно найти в описании адаптера.
* Концентраторы редко являются источником проблем, однако одной из наиболее распространенных проблем такого рода является отсутствие питания. Иногда неисправный сетевой адаптер может нарушить работу порта в концентраторе. Для проверки адаптера пользуйтесь диагностическими программами из комплекта адаптера.

[pagebreak]

2.6. Ведение локальной документации

Настраивая конфигурацию под конкретные требования, вы вскоре обнаружите, что она значительно отличается от той, что описана в документации (базовой конфигурации). Скорее всего, вы не вечно будете занимать место системного администратора и рано или поздно на ваше место придет другой человек. Известно, что бывших супругов и бывших системных администраторов редко вспоминают добрым словом. Но, чтобы уменьшить количество «камней в ваш огород» и, что важнее, оградить себя от звонков и вопросов с места бывшей работы, системный администратор должен документировать все инсталлируемые программные средства, не входящие в стандартный пакет поставки, документировать разводку кабелей, вести записи по обслуживанию всех аппаратных средств, регистрировать состояние резервных копий и документировать правила работы с системой.

Также следует учитывать, что система учета, ядро, различные утилиты — все эти программы выдают данные, которые регистрируются и в конце концов попадают на ваши диски. Эти данные тоже являются локальной документацией, характеризующей работу конкретной системы. Однако срок полезной службы большинства данных ограничен, поэтому их нужно обобщать, упаковывать и наконец, выбрасывать.

Процедура ведения файлов регистрации в любой операционной системе представляет собой набор процедур, которые повторяются через определенное время в одном и том же порядке. Следовательно, ее необходимо автоматизировать.

В UNIX-системах для этой цели используется процесс cron. А программа syslog может удачно применяется в качестве полной системы регистрации. Она отличается высокой гибкостью и позволяет сортировать сообщения системы по источникам и степени важности, а затем направлять их в разные пункты назначения: в файлы регистрации, на терминалы пользователей и даже на другие машины. Одной из самых ценных особенностей этой системы является ее способность централизовать регистрацию для сети.

Администраторы Windows NT могут для тех же целей использовать утилиту PerformanceMonitor, разработанную для фиксации активности компьютера в реальном масштабе времени. С ее помощью можно определить большую часть узких мест, снижающих производительность. Эта утилита включена в Windows NT Server и Windows NT Workstation.

PerformanceMonitor основан на ряде счетчиков, которые фиксируют такие характеристики, как число процессов, ожидающих завершения операции с диском, число сетевых пакетов, передаваемых в единицу времени, процент использования процессора и другие. PerformanceMonitor генерирует полезную информацию посредством следующих действий:

* наблюдения за производительностью в реальном времени и в исторической перспективе;
* определения тенденций во времени;
* определения узких мест;
* отслеживания последствий изменения конфигурации системы;
* наблюдения за локальным или удаленными компьютерами;
* предупреждения администратора о событиях, связанных с превышением некоторыми характеристиками заданных порогов.

2.7 Контроль защиты

Основной особенностью любой сетевой системы является то, что ее компоненты распределены в пространстве, а связь между ними осуществляется физически — при помощи сетевых соединений (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.д.) и программно — при помощи механизма сообщений. К сетевым системам наряду с обычными (локальными) атаками, осуществляемыми в пределах одной операционной системы, применим специфический вид атак, обусловленный распределенностью ресурсов и информации в пространстве, — так называемые сетевые (или удаленные) атаки. Они характеризуются тем, что, во-первых, злоумышленник может находиться за тысячи километров от атакуемого объекта, а во-вторых, нападению может подвергнуться не конкретный компьютер, а информация, передающаяся по сетевым соединениям.

Системный администратор должен реализовывать стратегию защиты и периодически проверять, не нарушена ли защита системы.

Естественно, абсолютная защита сети невозможна, однако задача каждого администратора — сделать все возможное для максимального ее улучшения. При построении системы защиты разумно придерживаться следующих принципов:

* Актуальность. Защищаться следует от реальных атак, а не от фантастических или же архаичных.
* Разумность затрат. Поскольку 100% защиты вы все равно не обеспечите, необходимо найти тот рубеж, за которым дальнейшие траты на повышение безопасности превысят стоимость той информации, которую может украсть злоумышленник.


Конечно же, действия, которые вы должны предпринять для защиты своего сервера очень зависят от того, какую операционную систему вы используете. Однако есть ряд простых правил, которые пригодятся любому системному администратору.

* Внимательно прочитайте руководство по администрированию системы, вы наверняка найдете там полезные советы, которыми захотите воспользоваться.
* Запустите программу автоматизированного контроля вашего хоста — типа Internet Scanner. Система Internet Scanner может быть запущена на одной из платформ (Windows NT, Windows 2000, HP/UX, AIX, Linux, Sun OS, Solaris). Используется она для анализа защищенности систем.
* Загляните на серверы CERT (http://www.cert.org/) или CIAC (http://ciac.llnl.gov/) и внимательно прочитайте относящиеся к вашей ОС бюллетени за последнее время. Установите все рекомендуемые заплатки и сконфигурируйте систему, как полагается.
* Правильно настройте (или установите) межсетевой экран. Поставьте монитор всех входящих соединений (например, tcp_wrapper).
* Запустите последний взломщик паролей. Здесь у вас большое преимущество перед хакерами — у вас уже есть файл с хэшированными паролями.
* Проверьте настройки основных Интернет-служб (http, ftp). Максимально используйте анонимный доступ, чтобы предотвратить передачу паролей по сети в открытом виде. При необходимости разграничения доступа используйте стойкие протоколы типа SSL.
* У всех остальных сетевых служб также по возможности используйте аутентификацию, не включающую передачу пароля открытым текстом.
* Выбросьте некоторые малоиспользуемые службы. Особенно это касается администраторов UNIX-серверов: давно не используемый, но существующий на вашем сервере сервис типа finger, talk, rpc может стать той самой «дырой» в системе безопасности, через которую сможет проникнуть (или уже проник) хакер.
* Поставьте proxy-сервер для дополнительной аутентификации извне, а также для скрытия адресов и топологии внутренней подсети.
* Поставьте защищенную версию UNIX или другой операционной системы.

2.8. Подключение и удаление пользователей. Оказание им помощи

Создание бюджетов для новых пользователей и удаление бюджетов тех пользователей, которые уже не работают, — обязанность системного администратора. Процесс включения и удаления пользователей можно автоматизировать, но некоторые решения, от которых зависит включение нового пользователя, должен принимать администратор.

Очень часто сотрудники предприятия оказываются самым слабым звеном в системе его безопасности, поэтому системному администратору следует уделять больше внимания работе с пользователями системы. Иначе простой листочек бумаги с паролем, лежащий на рабочем месте забывчивой сотрудницы, сделает бесполезной выверенную настройку вашего межсетевого экрана.

Для усиления безопасности компьютерных систем компании разумными могут считаться следующие шаги:

* Привлечение внимания людей к вопросам безопасности.
* Осознание сотрудниками всей серьезности проблемы и принятие в организации политики безопасности.
* Изучение и внедрение необходимых методов и действий для повышения защиты информационного обеспечения.


Если вы работаете в крупной (более 100 человек) организации, то для определения уровня ее защищенности можно провести тест на проникновение. Этот метод позволяет выявить недостатки безопасности с точки зрения постороннего человека. Он позволяет протестировать схему действий, которая раскрывает и предотвращает внутренние и внешние попытки проникновения и сообщает о них.

Тест должен разрешить два основных вопроса:

* Все ли пункты политики безопасности достигают своих целей и используются так, как было задумано.
* Существует ли что-либо, не отраженное в политике безопасности, что может быть использовано для достижения злоумышленником своих целей.

Все попытки должны контролироваться обеими сторонами — как взломщиком, так и «клиентом». Это поможет протестировать систему гораздо более эффективно. Необходимо также свести к минимуму количество людей, знающих о проведении эксперимента.

Требуется создать и разработать различные варианты политики безопасности, определить правила корректного использования телефонов компьютеров и другой техники. Необходимо учитывать и неосведомленность в области безопасности, поскольку любые средства технического контроля могут быть использованы ненадлежащим образом. В итоге тестирование системы безопасности должно обеспечить вам защиту от проникновения.

3. Почему давят на системного администратора

Сети имеют тенденцию разрастаться, следовательно, вы будете вынуждены тратить все больше и больше времени на выполнение функций администратора. Вскоре окажется, что вы — единственный человек в своей организации, который знает, как решить целый ряд важнейших проблем.

Поскольку круг обязанностей системного администратора четко ограничить нельзя, от вас, скорее всего, потребуют, чтобы вы были не только штатным администратором, но и штатным инженером, писателем, а также секретарем.

Вместо этого мы предлагаем вам следующее: ведите работу на должном уровне, параллельно регистрируя время, затрачиваемое на системное администрирование. Собирайте доказательства, которые могут вам пригодиться, когда вы попросите руководство взять в штат еще одного администратора или освободить вас от «лишних» обязанностей.

С другой стороны, вы можете обнаружить, что системное администрирование вам нравится. В этом случае проблем с поиском работы у вас не будет.

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

---

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

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

Классификация метаданных

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

* общие метаданные;
* уникальные (специфические) метаданные.

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

Метаданные могут быть классифицированы и по другим параметрам:

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

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

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

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

Сбор требований, предъявляемых к метаданным

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

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

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

Выбор метамодели

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

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

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

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

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

[pagebreak]

Определение архитектуры высокого уровня

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

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

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

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

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

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

Внедрение и поддержка решения для работы с метаданными

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

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

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

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

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

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

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

Пример решения для работы с метаданными

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

Этот документ дает основную информацию о том как создавать VLANы наКаталистах, которые работают на программном обеспечении CatOS.Нижеслежующая информация применима для Catalyst 4000/4500, 5000/5500 и6000/6500 работающих в режиме Hybrid.

---

VLAN - это механизм создания логических броадкастовых доменов, которые могут распространяться через один или множество свичей независимо от физического местоположения (географии). Эта функция полезна для уменьшения размера броадкастовых доменов или позволяет логически сгурппировать пользователей без необходимости физического размещения последних на том же самом свитче.
Для того, чтобы создать VLAN, вы должны определить:

* Какой VTP режим и доменное имя будет использовать свитч
* Какие порты на свитче будут принадлежать к какому VLANу
* Нужна ли вам связь между VLANами или последние изолированы

Создание VLAN и портов

Прежде чем вы создадите VLAN свитч должен находиться в VTP режиме "сервер" или VTP режиме "прозрачный". Если свитч это VTP-сервер, вы должны опреелить VTP доменное имя, прежде чем вы сможете добавлять ВЛАНы. Вы должны определить доменное имя независимо от того используете ли бы VTP для распространения ВЛАНов другим свитчам в сети или нет.

1. Устанавливаем VTP домен

VTP - конфигурация по умолчнию на свитче:


CatosSwitch> (enable) show vtp domain

Domain Name Domain Index VTP Version Local Mode Password
- -
1 2 server -

CatosSwitch> (enable)set vtp domain cisco mode server

VTP domain cisco modified


2. Проверяем установленную конфигурацию


CatosSwitch> (enable)show vtp domain

Domain Name Domain Index VTP Version Local Mode Password
- -
cisco 1 2 server -


3. После установки домена, создаем VLANы на свитче

По умолчанию, все порты принадлежат одному единственному ВЛАНу. Этот VLAN называется default и имеет номер 1. Вы не можете переименоватьили удалить VLAN 1. Команда show vlan покажет все сконфигурированные VLANы в административном домене.


CatosSwitch> (enable)show vlan

VLAN Name Status IfIndex Mod/Ports, Vlans
- -
1 default active 5 1/1-2
3/1-48
4/1-16


CatosSwitch> (enable)set vlan 2 name cisco_vlan_2

Vlan 2 configuration successful

CatosSwitch> (enable)show vlan

VLAN Name Status IfIndex Mod/Ports, Vlans
- -
1 default active 5 1/1-2
3/1-48
4/1-16
2 cisco_vlan_2 active 75


Теперь добавляем в созданный VLAN порты с помошью команды set vlan vlan_number mod/ports


CatosSwitch> (enable)set vlan 2 3/1-12

VLAN 2 modified.
VLAN 1 modified.
VLAN Mod/Ports
-
2 3/1-12
15/1


Вы можете также сразу создать VLAN и добавить туда порты за одну команду. Например, созадим третий VLAN и назначим порты с 3/13 до 3/15 в этот VLAN


CatosSwitch> (enable)set vlan 3 3/13-15

Vlan 3 configuration successful
VLAN 3 modified.
VLAN 1 modified.
VLAN Mod/Ports
-
3 3/13-15
15/1


Проверяем созданную конфигурацию


CatosSwitch> (enable)show vlan

VLAN Name Status IfIndex Mod/Ports, Vlans
- -
1 default active 5 1/1-2
3/16-48
4/1-16
2 cisco_vlan_2 active 75 3/1-12
3 VLAN0003 active 76 3/13-15

Удаление портов из VLAN

Для удаления порта из VLAN выполните команду set vlan vlan_number mod/ports и поместите порт в другой VLAN. Такое перемещение в конечном счете назначит порт в другой VLAN, т.к. все порты изначально принадлежат VLAN 1.
Для того, чтобы удалить VLAN выполните команду clear vlan. В этом случае порты отключаются, поскольку они остаются чатью этого VLAN, а такого VLAN больше не существует. Свитч выведет предупреждение и даст вам возможность отменить последнюю команду.


CatosSwitch> (enable)clear vlan 3

This command will deactivate all ports on vlan 3
in the entire management domain.
Do you want to continue(y/n) [n]? y

Vlan 3 deleted

CatosSwitch> (enable)show vlan

VLAN Name Status IfIndex Mod/Ports, Vlans
- -
1 default active 5 1/1-2
3/16-48
4/1-16
2 cisco_vlan_2 active 75 3/1-12


Порты 3/13-3/15 не отображаются в выводе команды show vlan, поскольку удаленеие VLAN 3 деактивировало эти порты. Порты останутся в таком состоянии до тех пор пока вы их не добавите обратно в другой VLAN.

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.

История и перспективы стека TCP/IP

---

Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) - это промышленный стандарт стека протоколов, разработанный для глобальных сетей.

Стандарты TCP/IP опубликованы в серии документов, названных Request for Comment (RFC). Документы RFC описывают внутреннюю работу сети Internet. Некоторые RFC описывают сетевые сервисы или протоколы и их реализацию, в то время как другие обобщают условия применения. Стандарты TCP/IP всегда публикуются в виде документов RFC, но не все RFC определяют стандарты.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence, DoD) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Большой вклад в развитие стека TCP/IP внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Широкое распространение ОС UNIX привело и к широкому распространению протокола IP и других протоколов стека. На этом же стеке работает всемирная информационная сеть Internet, чье подразделение Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершенствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC.

Если в настоящее время стек TCP/IP распространен в основном в сетях с ОС UNIX, то реализация его в последних версиях сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows NT 3.5, NetWare 4.1, Windows 95) является хорошей предпосылкой для быстрого роста числа установок стека TCP/IP.

Итак, лидирующая роль стека TCP/IP объясняется следующими его свойствами:

* Это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю.
* Почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP.
* Это метод получения доступа к сети Internet.
* Этот стек служит основой для создания intranet- корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet.
* Все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP.
* Это гибкая технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов.
* Это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для приложений клиент-сервер.

Структура стека TCP/IP. Краткая характеристика протоколов

Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то, хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки файлов протокол FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP-архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как и локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.

Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются агенты и монитор.

Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base), определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые операции над ними.