18. Задачи объединения компьютерных сетей и основные подходы к согласованию их протоколов.
Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров, объединённых между собой линиями связи, решающие задачи в рамках какого‐то процесса, общего для данной группы компьютера, и подчиняющиеся единому управляющему центру, каким‐то общим правилам. Назначение компьютерной сети, как видно из определения, это резкое повышение возможностей отдельных компьютеров в рамках решения какой‐то задачи. Группа компьютеров, их объединение позволяют гораздо эффективней использовать потенциал компьютеров при решении одной задачи.
Самыми общими подходами к согласованию протоколов являются:
Трансляция
Мультиплексирование
Инкапсуляция (туннелирование)
Трансляция
Трансляция обеспечивает согласование стеков протоколов путем преобразования сообщений, поступающих от одной сети в формат сообщений другой сети. Транслирующий элемент, в качестве которого могут выступать, например, программный или аппаратный шлюз, мост, коммутатор или маршрутизатор, размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником в их «диалоге». Термин «шлюз» обычно подразумевает средство, выполняющее трансляцию протоколов верхних уровней, хотя в традиционной терминологии Интернета шлюзом (gateway) называется маршрутизатор.
В зависимости от типа транслируемых протоколов процедура трансляции может иметь разную степень сложности. Так, преобразование протокола Ethernet в протокол Token Ring сводится к нескольким несложным действиям, главным образом благодаря тому, что оба протокола ориентированы на единую адресацию узлов. А вот трансляция протоколов сетевого уровня IP и IPX представляет собой гораздо более сложный, интеллектуальный процесс, включающий не только преобразование форматов сообщений, но и отображение адресов сетей и узлов, различным образом трактуемых в этих протоколах.
Трансляция протоколов прикладного уровня включает отображение инструкций одного протокола в инструкции другого, что представляет собой сложную логически неоднозначную интеллектуальную процедуру, которую можно сравнить с работой переводчика с одного языка на другой. Например, в файловой службе операционной системы NetWare (протокол NCP) определены следующие права доступа к файлу: read, write, erase, create, file scan, modify, access control, supervisory, а файловая служба UNIX (протокол NFS) оперирует совсем другим перечнем прав доступа: read, write, execute. Для некоторых из этих прав доступа существует прямое соответствие, для других же оно полностью отсутствует. Так, если клиент NCP назначает право доступа к файлу supervi sory или access control, то трансляция этих операций на язык протокола NFS не является очевидной. С другой стороны, в протоколе NCP отсутствует обычное для протокола NFS понятие монтирования файловой системы.
На рис. 10.10 показан шлюз, размещенный на компьютере 2, который согласовывает протоколы клиентского компьютера 1 в сети А с протоколами компьютера 3 в сети В. Допустим, что стеки протоколов в сетях А и В отличаются на всех уровнях. В шлюзе установлены оба стека протоколов.
Запрос от прикладного процесса клиентского компьютера сети А поступает на прикладной уровень его стека протоколов. В соответствии с этим протоколом на прикладном уровне формируется пакет (или несколько пакетов), в котором передается запрос на выполнение услуг некоторому серверу сети В. Пакет прикладного уровня перемещается вниз по стеку компьютера сети А, обрастая заголовками нижележащих протоколов, а затем передается по линиям связи в компьютер 2, то есть в шлюз.
Рис. 10.10. Принципы функционирования шлюза
На шлюзе обработка поступивших данных идет в обратном порядке, от протокола самого нижнего к протоколу самого верхнего уровня стека А. Затем пакет прикладного уровня стека сети А преобразуется (транслируется) в пакет прикладного уровня серверного стека сети В. Алгоритм преобразования пакетов зависит от конкретных протоколов и, как уже было сказано, может быть достаточно сложным. В качестве общей информации, позволяющей корректно провести трансляцию, может использоваться, например, информация о символьном имени сервера и символьном имени запрашиваемого ресурса сервера (в частности, это может быть имя каталога файловой системы). Преобразованный пакет от верхнего уровня стека сети В передается к нижним уровням в соответствии с правилами этого стека, а затем по физическим линиям связи в соответствии с протоколами физического и канального уровней сети В поступает в другую сеть к нужному серверу. Ответ сервера преобразуется шлюзом аналогично.
Шлюз реализует отношение «многие ко многим».
Достоинство шлюзов состоит в том, что они сохраняют в неизменном виде программное обеспечение на клиентских компьютерах. Пользователи работают в привычной среде и могут даже не заметить, что они получают доступ к ресурсам другой сети. Однако, как и всякий централизованный ресурс, шлюз снижает надежность сети. Кроме того, при обработке запросов в шлюзе возможны относительно большие временные задержки, во-первых, из-за затрат времени на собственно процедуру трансляции, а во-вторых, из-за задержек запросов в очереди к разделяемому всеми клиентами шлюзу, особенно если запросы поступают с большой интенсивностью. Это делает шлюз плохо масштабируемым решением. Правда, ничто не мешает установить в сети несколько параллельно работающих шлюзов.
Мультиплексирование стеков протоколов
Другой подход к согласованию протоколов получил название мультиплексирования стеков протоколов. Он заключается в том, что в сетевое оборудование или в операционные системы серверов и рабочих станций встраиваются несколько стеков протоколов. Это позволяет клиентам и серверам выбирать для взаимодействия тот протокол, который является для них общим.
Сравнивая мультиплексирование с уже рассмотренной выше трансляцией протоколов, можно заметить, что взаимодействие компьютеров, принадлежащих разным сетям, напоминает общение людей, говорящих на разных языках (рис. 10.12). Для достижения взаимопонимания они также могут использовать два подхода: пригласить переводчика (аналог транслирующего устройства) или перейти на язык собеседника, если они им владеют (аналог мультиплексирования стеков протоколов).
Рис. 10.12. Два варианта согласования протоколов: трансляция протоколов (а), мультиплексирование стеков протоколов (б)
При мультиплексировании стеков протоколов на один из двух взаимодействующих компьютеров с различными стеками протоколов помещается коммуникационный стек другого компьютера.
Предпосылкой для развития технологии мультиплексирования стеков протоколов стало появление строгих открытых описаний протоколов различных уровней и межуровневых интерфейсов, так что фирма-производитель при реализации «чужого» протокола может быть уверена, что ее продукт будет корректно взаимодействовать с продуктами других фирм по данному протоколу, этот протокол корректно впишется в стек и с ним будут нормально взаимодействовать протоколы соседних уровней.
Мультиплексирование протоколов реализует отношение «один ко многим», то есть один клиент с дополнительным стеком может обращаться ко всем серверам, поддерживающим этот стек, или один сервер с дополнительным стеком может предоставлять услуги многим клиентам.
При мультиплексировании протоколов дополнительное программное обеспечение — соответствующие стеки протоколов — должно быть установлено на каждый компьютер, которому может потребоваться доступ к нескольким различным сетям. В некоторых операционных системах имеются средства борьбы с избыточностью, свойственной этому подходу. Операционная система может быть сконфигурирована для работы с несколькими стеками протоколов, но динамически загружаются только нужные.
С другой стороны, избыточность повышает надежность системы в целом, отказ компьютера с установленным дополнительным стеком не ведет к потере возможности межсетевого взаимодействия для других пользователей сети.
Важным преимуществом мультиплексирования является меньшее время выполнения запроса, чем при использовании шлюза. Это связано, во-первых, с отсутствием временных затрат на процедуру трансляции, а во-вторых, с тем, что при мультиплексировании на каждый запрос требуется только одна сетевая передача, в то время как при трансляции — две: запрос сначала передается на шлюз, а затем из шлюза на ресурсный сервер.
В принципе, при работе с несколькими стеками протоколов у пользователя может возникнуть проблема работы в незнакомой среде, с незнакомыми командами, правилами и методами адресации. Чаще всего разработчики операционных систем стремятся в какой-то степени облегчить жизнь пользователю в этой ситуации. Независимо от используемого протокола прикладного уровня (например, 8MB или NCP) ему предоставляется один и тот же интуитивно понятный графический интерфейс, с помощью которого он просматривает и выбирает нужные удаленные ресурсы.
В табл. 10.1 приведены сравнительные характеристики двух подходов к реализации межсетевого взаимодействия.
Таблица 10.1. Сравнение методов трансляции и мультиплексирования протоколов
Метод |
Достоинства |
Недостатки |
Мультиплексирование протоколов |
Более быстрый доступ; повышение надежности взаимодействия за счет установки стека на нескольких узлах сети; хорошо масштабируемое средство |
Усложнение администрирования и контроля доступа; высокая избыточность, требующая дополнительных ресурсов от рабочих станций; менее удобно для пользователя, чем шлюзы |
Трансляция протоколов (шлюзы, маршрутизаторы, коммутаторы) |
Сохранение привычной среды пользователей; отсутствие необходимости в дополнительном программном обеспечении на рабочих станциях; локализация всех проблем межсетевого взаимодействия; обеспечение возможности доступа к «чужим» ресурсам сразу для нескольких клиентов |
Замедление работы; снижение надежности; плохая масштабируемость; необходимость в двух сетевых передачах для выполнения одного запроса |
Инкапсуляция протоколов
Инкапсуляция (encapsulation), или туннелирование (tunneling), — это еще один метод решения задачи согласования сетей, который, однако, применим только для согласования транспортных протоколов и только при определенных ограничениях. Инкапсуляция может быть использована, когда две сети с одной транспортной технологией необходимо соединить через транзитную сеть с другой транспортной технологией.
В процессе инкапсуляции принимают участие три типа протоколов:
протокол-«пассажир»;
несущий протокол;
протокол инкапсуляции.
Транспортный протокол объединяемых сетей является протоколом-пассажиром, а протокол транзитной сети — несущим протоколом. Пакеты протокола-пассажира помещаются в поле данных пакетов несущего протокола с помощью протокола инкапсуляции. Пакеты протокола-пассажира никаким образом не обрабатываются при транспортировке их по транзитной сети. Инкапсуляцию выполняет пограничное устройство (обычно маршрутизатор или шлюз), которое располагается на границе между исходной и транзитной сетями. Извлечение пакетов-пассажиров из несущих пакетов выполняет второе пограничное устройство, которое находится на границе между транзитной сетью и сетью назначения. Пограничные устройства указывают в несущих пакетах свои адреса, а не адреса узлов назначения.
В связи с большой популярностью Интернета и стека TCP/IP несущим протоколом транзитной сети все чаще выступает протокол IP, а в качестве протоколов-пассажиров — все остальные протоколы локальных сетей (как маршрутизируемые, так и не маршрутизируемые).
В пограничных маршрутизаторах, соединяющих сети IPX с транзитной сетью IP, работают протоколы IPX, IP и дополнительный протокол — протокол инкапсуляции IPX в IP. Этот протокол извлекает пакеты IPX из кадров Ethernet и помещает их в дейтаграммы UDP или TCP (на рисунке выбран вариант с TCP). Затем несущие IP-пакеты направляются другому пограничному маршрутизатору. Протокол инкапсуляции должен иметь информацию о соответствии IPX-адреса удаленной сети IP-адресу пограничного маршрутизатора, обслуживающего эту сеть. Если через IP-сеть объединяется несколько IPX-сетей, то должна быть таблица соответствия всех IPX-адресов IP-адресам пограничных маршрутизаторов.
Инкапсуляция может быть использована для транспортных протоколов разного уровня. Например, протокол сетевого уровня Х.25 может быть инкапсулирован в протокол транспортного уровня TCP или же протокол сетевого уровня IP может быть инкапсулирован в протокол сетевого уровня Х.25. Существуют протоколы инкапсуляции трафика РРР через сети IP.
Обычно инкапсуляция приводит к более простым и быстрым решениям по сравнению с трансляцией, так как решает более частную задачу, не обеспечивая взаимодействия с узлами транзитной сети. Помимо согласования транспортных технологий инкапсуляция используется для обеспечения секретности передаваемых данных. При этом исходные пакеты-пассажиры шифруются и передаются по транзитной сети с помощью пакетов несущего протокола.