СПО_1 / СПО / Sozdanie.setevyh.prilojenii.v.srede.Linux

К счастью, подобные детали (скрываются на уровне ядра системы. Представь те, насколько усложнилась бы наша задача, если бы пришлось учитывать тип пе редающей среды. Тем не менее в каждой среде существуют общие проблемы.

Одной из них является затухание сигнала, вызываемое сопротивлением среды. Данная проблема особенно часто возникает в средах электрического типа (коаксиальный кабель, витая пара). В них сообщение может разрушаться непо средственно в процессе передачи.

Другая возможная проблема — взаимные помехи сигналов. Они возникают, ко гда несколько компьютеров, совместно использующих общую среду (проводящую или непроводящую), одновременно отправляют сообщения. Если компьютер по сылает пакет в то время, когда передается другой пакет, в результате возникшего конфликта искаженными окажутся оба пакета. Обе передающие стороны должны обнаружить конфликт, отменить передачу, восстановить пакет и послать его по вторно.

Помехи в передающем канале приводят к потере сигнала и разрушению паке тов. Если отсоединить коаксиальный кабель от сети, любой распространяющийся электрический сигнал отразится от свободного конца кабеля как от зеркала. Все сообщения окажутся искаженными.

От помех страдают также среды с направленной передачей: лазер, микровол ны, инфракрасное излучение. Преграда, возникшая между приемником и пере датчиком, может полностью блокировать сигнал. Помехи могут возникать вслед ствие сигаретного дыма, тумана, полетов птиц и т.д.

Компьютеры подключаются к единой передающей среде, совместно используя сетевые ресурсы, поэтому иногда проблемой оказывается идентификация аппа ратных устройств. Если сетевое соединение установлено всего между двумя ком пьютерами (сеть "точка точка"), адресат не нужен, так как он очевиден. Но в се ти общего доступа каждый пакет должен передаваться по конкретному аппарат ному адресу, чтобы сетевая плата могла выбирать предназначенные ей сообщения

из проносящегося мимо потока данных.

Ethernet плата имеет свой собственный идентификатор: шестибайтовый МАС адрес. Когда компьютер посылает сообщение, сетевая подсистема разделяет его

Ⱦɚɧɧɚɹ ɜɟɪɫɢɹ ɤɧɢɝɢ ɜɵɩɭɳɟɧɚ ɷɥɟɤɬɪɨɧɧɵɦ ɢɡɞɚɬɟɥɶɫɬɜɨɦ %RRNV VKRS Ɋɚɫɩɪɨɫɬɪɚɧɟɧɢɟ ɩɪɨɞɚɠɚ ɩɟɪɟɡɚɩɢɫɶ ɞɚɧɧɨɣ ɤɧɢɝɢ ɢɥɢ ɟɟ ɱɚɫɬɟɣ ɁȺɉɊȿɓȿɇɕ Ɉ ɜɫɟɯ ɧɚɪɭɲɟɧɢɹɯ ɩɪɨɫɶɛɚ ɫɨɨɛɳɚɬɶ ɩɨ ɚɞɪɟɫɭ piracy@books-shop.com

на кадры, или фреймы, — наименьшие единицы передаваемой информации. В сетях Ethernet каждый кадр содержит МАС адрес источника и приемника. Впо следствии сетевая подсистема связывает логический IP адрес с физическим МАС адресом. Сетевая плата принимает только те сообщения, которые несут ее иден тификатор.

Передача данных в сети

Выше были рассмотрены вопросы физической организации каналов связи. Следующий круг проблем возникает при передаче данных по сети. Существует множество факторов, способных привести к повреждению или потере пакета. Часто отправитель и его адресат не получают уведомления о сбое системы. Ино гда получатель превышает лимит времени, отведенный на ожидание сообщения, поскольку произошел разрыв сети.

На сетевом уровне проблемы передачи пакетов обычно связаны с маршрути зацией. Поскольку сеть может меняться в процессе перехода сообщения от од ного компьютера к другому, полезно заранее знать, что может произойти.

Изменения в сетевой топологии (или динамика распространения сигнала) воз никают даже в самых надежных сетевых архитектурах. Причины этих изменений разные, но в результате происходит потеря данных. Читатели наверняка сталки вались с этим сами, когда кто то неосторожно зацепил сетевой кабель и разорвал сегмент. Конфигурация сети часто меняется, соединения между компьютерами могут то появляться, то исчезать.

Другая проблема связана со старением пакетов. Когда пакет продвигается по маршруту, на каждом принимающем узле с помощью поля TTL (time to live) от слеживается время жизни пакета. Пакет устаревает, когда число переходов через маршрутизаторы превышает заданное число. Каждый пакет может осуществлять до 255 переходов. По умолчанию задан лимит 64 перехода. Обычно этого доста точно, чтобы пакет мог попасть в пункт назначения.

Ограничение числа переходов очень важно, так как позволяет избавить сеть от переполнения давно забытыми пакетами. Пакет, за которым не ведется слежение, легко может "зациклиться". Предположим, маршрутизатор А получает сообще ние. На основании его таблицы адресов выясняется, что наилучший путь проле гает через маршрутизатор Б, которому и передается сообщение. Но маршрутиза тор Б потерял связь с адресатом, поэтому он отправляет сообщение обратно. У маршрутизатора А не записано, что пакет был принят, и в результате пакет пере дается туда сюда до тех пор, пока счетчик TTL не достигнет предельного значе ния или маршрутизаторы А и Б не согласуют свои таблицы. Поле TTL определя ет, насколько долго пакет может находиться в цикле.

Таблицы маршрутизации могут стать очень большими. Тщательное управление ими позволяет избежать длительных задержек в процессе вычисления оптималь ного пути к адресату.

Трудности возникают не только в связи со сложной сетевой топологией, но также при обнаружении потерь и циклов. Часто, когда исчезает сетевой сегмент, образуется цикл, в котором пакет быстро устаревает. Сетевая подсистема далеко не всегда уведомляет о связи с проблемными узлами. Как правило, пакет просто устаревает и удаляется из сети.

Иногда неоднозначность сетевых маршрутов приводит к тому, что пакет мно жится в процессе передачи (зеркальное двоение). Столь странное явление невоз можно обнаружить, если только с каждым пакетом не связан идентификатор или

102 Часть I. Создание сетевых клиентских приложений

www.books-shop.com

порядковый номер. В сети может происходить не только ненужное дублирование информации, но также ее потеря при прохождении через ненадежные маршрути заторы или при повреждении пакета, вследствие чего отправитель никогда не по лучит сообщения об ошибке.

Потери пакетов происходят постоянно. Не ведя учет пакетов и не принимая регулярно подтверждения, отправитель не сможет определить, получил ли адресат нужное сообщение.

Наконец, проблемы могут возникать из за несовместимости маршрутизаторов. Некоторые маршрутизаторы и сети не поддерживают 8 битовый режим передачи или пакеты больших размеров. В таких случаях маршрутизатор должен выполнять преобразование пакета или возвращать сообщение об ошибке.

К счастью, с описанными проблемами приходится сталкиваться только в про токолах очень низкого уровня. Если у вас нет желания заниматься ими и вас уст раивает не очень высокая пропускная способность, используйте испытанные и проверенные протоколы высокого уровня. На них основано большинство сетевых приложений. Протестируйте свой алгоритм на высоком уровне и лишь затем пе реходите к низкоуровневой настройке производительности.

Взаимодействие сети и операционной системы

Сетевая подсистема должна взаимодействовать с операционной системой по нескольким причинам. Во первых, операционная система управляет сетевыми ре сурсами, такими как прерывания, порты и память. Во вторых, сама сетевая под система размещается в системном ядре, чтобы обеспечить высокую производи тельность.

Интерфейс между ядром и сетью сложен, особенно если ядро не является ре ентерабельным (не допускает повторное использование точки входа в ядро). Од нако в ядре Linux проблема реентерабельности уже решена, поэтому общая зада ча упрощается.

Когда приходит сообщение, сетевое устройство посылает центральному про цессору запрос на прерывание, чтобы как можно быстрее вытолкнуть сообщение из буфера. Если ядро (в котором располагается обработчик прерываний) хоть не много запоздает, может прийти следующее сообщение, которое займет место первого. Это особенно часто происходит, когда сетевая плата работает в беспоря! дочном режиме (принимает все сообщения, проходящие по сети; см. главу 3, "Различные типы Internet пакетов").

За исключением сетей наподобие РРР, центральный процессор редко взаимо действует с сетевым оборудованием напрямую. Чаще всего он работает с сопро цессором, располагающимся на сетевой плате. Процессор загружает данные в бу фер сетевой платы и посылает ей команду на передачу. Когда отправка данных завершена, плата посылает процессору запрос на прерывание. Это служит для яд ра сигналом о том, что плата готова принять следующую порцию данных. В РРР

требуется более интенсивное взаимодействие с процессором, но проблем с нало жением сообщений не возникает, так как это более медленный протокол.

В очереди сообщений хранятся как исходящие, так и входящие пакеты. Когда ядро получает сигнал о том, что сетевая плата готова принять очередной блок данных, оно извлекает сообщение непосредственно из очереди. Если программа посылает сообщение, а плата не готова его обработать, ядро помещает сообщение в очередь. Сеть является ограниченным ресурсом: никакие две программы не

www.books-shop.com

могут обратиться к нему одновременно. Поэтому операционная система должна обрабатывать запросы по одному за раз.

Кроме того, ядро должно подготавливать сообщение к передаче и разупаковы вать его при получении. Буферная подсистема отслеживает сформированные се тевые кадры (фреймы) и подготавливает их для сетевой подсистемы или клиент ского процесса (например, для функций дискового ввода вывода).

Частью процесса упаковки сообщения является назначение идентификаторов. Работать с аппаратными идентификаторами (в частности, с МАС адресами) слишком неудобно в больших сетях, поэтому в сетевой подсистеме применяется логическая идентификация (посредством IP адресов).

Каждый пакет должен содержать идентификатор, чтобы операционная система могла быстро определить, куда его следует отправить. IP адреса позволяют сете вой подсистеме группировать компьютеры в подсети.

Взаимодействие сети и приложений

Для программистов основная задача заключается в организации взаимодейст вия сети и приложения. Здесь скрыто много проблем, с каждой из которых необ ходимо разбираться по отдельности.

Первая проблема связана с приемом и обработкой сообщений об ошибках и исключительных ситуациях. Некоторые служебные сообщения поступают в про грамму в асинхронном режиме. Механизмы их обработки существуют в С и Java, но не в Pascal, например. Поэтому при разработке приложения следует учиты вать, что не все языки подходят для сетевого программирования.

Вторая проблема связана с надежностью данных и пакетов. В одних програм мах требуется высокая надежность, в других — нет. Проанализируйте, с какого рода данными вам предстоит работать и насколько надежными они должны быть. В главе 3, "Различные типы Internet пакетов", приводился перечень категорий данных в зависимости от их важности. Руководствуйтесь этим список при выборе нужного протокола.

Третьей проблемой является синхронизация. Любое сетевое приложение взаи модействует с другой одновременно выполняемой программой. Необходимо ко ординировать их работу, чтобы избежать взаимоблокировок и зависаний (подробнее об этом рассказывается в главе 10, "Создание устойчивых сокетов").

Наконец, следует различать работу по реальным и виртуальным соединениям. Сетевая подсистема упрощает схему функционирования программы, позволяя ей запрашивать сетевое соединение для монопольного использования. Через эти виртуальные соединения (порты) в программу поступают только те сообщения, которые адресованы непосредственно ей.

Хотя организация межпрограммного взаимодействия достаточно сложна, именно она делает сетевое программирование захватывающе интересным. Список перечисленных проблем не является исчерпывающим, но многие из них скрыты на уровне библиотеки Socket API.

Несколько лет назад группы программистов взялись за решение сетевой зада чи и разработали ряд стандартных сетевых моделей. Стандарты обычно базируют ся друг на друге, образуя слои. Если, как в луковице, снять слой за слоем, то в середине обнаружится среда физической передачи данных (электричество, радио волны, свет). В этой главе будут рассмотрены две основные модели: OSI и IP.

104 Часть I, Создание сетевых клиентских приложений

www.books-shop.com

Сетевая модель OSI

Уровень 1: физический

Физический уровень охватывает все аппаратные интерфейсы, описывая среду передачи данных и способы распространения сигнала. Среда — это носитель (например, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно), по которому переда ется сигнал.

На физическом уровне работает сетевой адаптер. Он функционирует в качест ве посредника между ядром системы и физическим носителем. На одном конце соединения он принимает запросы на передачу данных от драйверов ядра и по сылает пакеты сообщений (кадры, или фреймы). По окончании передачи он уве

www.books-shop.com

Микроконтроллер сетевого адаптера проверяет состояние сети перед отправ кой кадра. Он обнаруживает конфликты и обрабатывает запросы на ретрансля цию, а если необходимо — уведомляет ядро о возникших проблемах. Драйверы ядра либо самостоятельно организуют повторную передачу данных, либо посы лают сообщение об ошибке в стек протоколов.

На другом конце соединения адаптер прослушивает сеть, ожидая сообщений, в которых указан его аппаратный (Ethernet) адрес. Когда приходит сообщение, оно помещается во внутренний буфер, после чего генерируется запрос на преры вание. На физическом уровне имеются собственные механизмы идентификации, позволяющие реализовать описанную схему взаимодействия.

Если в сети есть повторитель, то он принимает все сообщения и передает их в следующий сегмент. Повторитель является "неинтеллектуальным" устройством в том смысле, что он не осуществляет фильтрацию пакетов или проверку аппаратных адресов. Повторитель функционирует на физическом уровне и предназначен для увеличения длины кабельной системы, так как он усиливает затухающие сигналы.

Следует также упомянуть о том, что в настоящее время некоторые адаптеры Ethernet включают в передаваемые сообщения собственные контрольные суммы или CRC коды, выполняя таким образом проверку данных. Когда обнаруживает ся ошибка целостности, плата помечает данные как подозрительные, с тем чтобы на канальном уровне ошибка была исправлена. Это позволяет немного повысить надежность протоколов передачи дейтаграмм.

В различных сетях используются разные механизмы проверки. Например, в

РРР соединении осуществляется контроль четности. В FDDI применяются кон трольные суммы и CRC коды. В некоторых протоколах радиовещания каждый символ просто посылается дважды.

Уровень 2: канальный

Основное предназначение канального уровня заключается в управлении пере дачей данных от узла к узлу. Здесь происходит разбивка сообщений на физиче ские кадры, а также осуществляется обнаружение и исправление ошибок (если это возможно). Если аппаратное устройство не поддерживает контрольные суммы или CRC коды, канальная подсистема вычисляет их самостоятельно.

Канальный уровень образует интерфейс между ядром системы и сетевым адап тером. Обычно он реализуется в виде сетевого драйвера, размещаемого в ядре. Драйвер скрывает в себе все детали взаимодействия с физическим уровнем, бла годаря чему ядро может работать с самыми разными сетевыми устройствами.

На этом уровне кадры данных подготавливаются к передаче и происходит вос становление полученных сообщений. Драйвер ожидает запросов на прерывание, сигнализирующих об отправке или получении сообщения. Получив уведомление

отом, что сообщение отправлено, драйвер загружает следующий кадр. Канальная подсистема тесно взаимодействует с буферной подсистемой ядра. В

большинстве случаев она использует 10 60 Кбайт системной памяти. Утилита конфигурирования ядра Linux позволяет при наличии достаточного объема памя ти установить размер буфера и кадра равным более 1 Мбайт для сверхбыстрых соединений (100 Мбайт/с и выше). Это может потребовать перекомпиляции ядра.

На канальном уровне работают сетевые мосты. Функция программного моста в ядре Linux на момент написания данной книги все еще являлась эксперимен тальной. Чтобы ее активизировать, необходимо переконфигурировать и заново скомпилировать ядро, подключив к нему необходимые драйверы.

www.books-shop.com

Уровень 3: сетевой

Сетевой уровень отвечает за преобразование адресов и маршрутизацию. Его функция заключается в поиске узла адресата с помощью шлюзов и маршрутиза торов. В сетях, не поддерживающих маршрутизацию, данный уровень неактивен.

Сетевой уровень обеспечивает единый механизм адресации компьютеров в ге терогенных сетях. Если, к примеру, сообщение передается из сети AppleTalk в сеть Ethernet, будет осуществлена автоматическая трансляция кадров.

На данном уровне работают сетевые маршрутизаторы, соединяющие между собой гомогенные и гетерогенные сети.

Уровень 4: транспортный

Транспортный уровень отвечает за доставку сообщения в неповрежденном ви де, в правильном порядке и без дублирования. На данном уровне появляются функции, обеспечивающие потоковую передачу данных и целостность потока.

Это последний уровень модели, на котором проверяются ошибки данных и сеанса связи. (Под ошибками данных здесь понимается только целостность дан ных, а не их смысловая непротиворечивость. Например, на данном уровне не вы являются неправильно сформированные HTTP запросы, зато обнаруживаются ошибки контрольных сумм.) Если выявлена потеря пакета или его повреждение, транспортная подсистема просит отправителя произвести ретрансляцию. С целью проверки ошибок в пакет добавляются дополнительные контрольные суммы.

В данном уровне вводится понятие виртуальной сети, или мультиплексирова! ния. Здесь каждое соединение функционирует так, как будто имеет монопольный доступ к сети (вспомните концепцию порта в TCP/IP). Программа получает толь ко сообщения, адресованные непосредственно ей, хотя на данном компьютере может одновременно выполняться несколько сетевых приложений.

Транспортный уровень наиболее часто используется приложениями, взаимо действующими друг с другом в среде Internet. В нем имеются все средства, необ ходимые для установления соединений.

Уровень 5: сеансовый

Основное предназначение сеансового уровня заключается в контроле над со единениями и потоками данных. Поскольку соединение может быть нестабиль ным, вводится механизм контрольных точек. Предположим, например, что в про цессе передачи файла происходит разрыв соединения. Время, потраченное на доставку первой части файла, окажется потраченным впустую, если при повтор ном подключении файл придется передавать заново. Благодаря контрольным точкам состояние сеанса фиксируется в определенные моменты времени, поэтому в новом сеансе достаточно будет передать недостающую часть файла.

Из сказанного следует, что сеансовый уровень отвечает за возобновление пре рванного соединения. Он также реализует процедуры аутентификации и регист рации в системе.

Другой функцией сеансового уровня является управление потоком данных. Одна из проблем клиент серверного взаимодействия состоит в определении по рядка ведения диалога. В сеансовом уровне эта проблема решается путем переда чи маркера: компьютер, получивший маркер, может осуществлять критические

www.books-shop.com

операции. Использование маркеров позволяет уменьшить вероятность возникно вения взаимоблокировок, зависаний и повреждения данных (подробнее об этом — в главе 10, "Создание устойчивых сокетов").

Уровень 6: представительский

Представительский уровень определяет способы обработки данных: шифрова ние, кодирование, форматирование, сжатие и т.д. Технология RFC (Remote Procedure Calls — удаленные вызовы процедур) реализована на этом уровне (за подробной информацией обратитесь к главе 15, "Удаленные вызовы процедур (RPC)").

Уровень 7: прикладной

Последний, прикладной, уровень предоставляет различные сетевые сервисы, такие как пересылка файлов, эмуляция терминала, электронная почта и сетевое управление. Данный уровень используется практически всеми приложениями, поскольку в нем вводятся библиотеки API функций, помогающих программе взаимодействовать с сетью. На прикладном уровне реализована сетевая файловая система (NFS), являющаяся частью архитектуры операционной системы и по строенная на основе RPC.

Набор протоколов Internet

Linux (как и большинство других UNIX систем) не использует модель OSI на прямую. Но эта модель является отправным пунктом для понимания стека про токолов TCP/IP. В Linux применяется набор протоколов Internet, позволяющих управлять собственными сетевыми интерфейсами Linux.

Примечание

Протокол IP появился в 1972 г. в сети ARPAnet, основанной организацией DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency— Управление перспективных исследовательских профамм министерства обороны США). Корпорация BBN реализовала первые варианты протокола. Позд нее UNIX, бесплатная операционная система, разработанная компанией Bell Labs, также приняла модель IP. Университеты, входившие в сеть ARPAnet,, использовали UNIX для проверки того, как могут компьютеры взаимодействовать и между собой в пределах США. Библиотека Socket API поя вилась в ВSD 4.2 в 1983 г.

Набор протоколов Internet состоит из четырех уровней, которые тесно связаны с моделью OSI. Самый верхний уровень называется прикладным. Он охватывает уровни OSI с пятого по седьмой (рис. 5.2).

Уровень 1: доступ к сети

Первый уровень семейства протоколов Internet соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Поскольку аппаратные устройства и их драйве ры тесно связаны между собой, их нельзя рассматривать по отдельности.

www.books-shop.com

Рис. 5.2. Стек протоколов Internet напоминает модель OSI; биб! лиотека Socket API связана с транспортным уровнем OSI и ниже, а более высокие уровни оставлены для таких про! грамм, как Telnet, FTP и Lynx

Характеристики данного уровня такие же, как и у его "собратьев" в OSI. Драйвер напрямую взаимодействует с сетевым интерфейсным устройством, пре доставляя ядру системы набор функций. Ядро, в свою очередь, обеспечивает драйверу прямой доступ к портам и вызовам прерываний. Если аппаратное уст ройство не поддерживает какую то возможность, необходимую ядру, ее эмулиру ет драйвер.

Linux усложняет данный уровень собственным расширением: сетевыми адап терами "горячей" замены. Эта технология применяется в PCMCIA устройствах. Когда плата PCMCIA вставляется в компьютер, диспетчер PCMCIA распознает ее, назначает ей порт и запрос на прерывание, загружает соответствующие моду ли ядра и конфигурирует сетевую подсистему. Аналогичным образом при удале нии платы диспетчер деактивизирует сетевую подсистему и выгружает модули яд ра из памяти.

Уровень 2: межсетевой (IP)

Оба IP стандарта, IPv4 и IPv6, связаны с драйверами устройств и предостав ляют открытые интерфейсы и наборы функций. Эти стандарты отличаются друг от друга на межсетевом уровне, образуя различные стеки протоколов, между ко торыми при необходимости может выполняться преобразование.

www.books-shop.com

Межсетевой уровень соответствует сетевому уровню модели OSI. В нем вы полняется обработка логических адресов и маршрутизация. Единственное, что от сутствует на данном уровне, — это механизм обработки ошибок.

Уровень 2: управляющие расширения (ICMP)

ICMP (Internet Control Message Protocol — протокол управляющих сообщений в сети Internet) обеспечивает недостающую обработку ошибок. Он позволяет вы являть ошибки, а также исключительные ситуации в процессе передачи и мар шрутизации сообщений. Типичными примерами управляющих сообщений явля ются "network not reachable" (сеть недоступна) и "host not found" (узел не най ден).

Этот протокол работает совместно с другими подсистемами, выполняя различ ные функции. Например, он используется, когда в протоколе ARP просматрива ется таблица адресов и обнаруживается, что узел недоступен. Кроме того, он применяется в TCP в алгоритме "раздвижного окна" для ускорения или замедле ния соединения. В стандарте IPv6 управляющие сообщения посылаются при многоадресной (групповой) передаче пакетов.

Особенность протокола ICMP заключается в том, что он обособлен. Ни в UDP, ни в TCP он не используется. Эти протоколы принимают ICMP сообщения и обрабатывают их по своему усмотрению.

Уровень 3: межузловой (UDP)

Вопреки распространенному мнению, UDP (User Datagram Protocol — прото кол передачи дейтаграмм пользователя) далеко не в полной мере соответствует транспортному уровню модели OSI (рис. 5.3). На транспортном уровне гаранти руется доставка, правильный порядок пакетов, отсутствие ошибок и потоковая передача. Всего этого в UDP нет (табл. 5.2).

Таблица 5.2. Сравнительные характеристики транспортного уровня и протокола UDP

В UDP имеется одно существенное дополнение к транспортному уровню: вир туальные порты. Как описывалось в главе 4, "Передача сообщений между одно ранговыми компьютерами", они позволяют программе вести себя так, как если бы она монопольно владела сетью. Все остальные свойства UDP соответствуют параметрам межсетевого уровня стека протоколов Internet. Правильнее всего UDP позиционируется между сетевым и транспортным уровнями модели OSI, больше попадая в сетевой уровень.

www.books-shop.com