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

Заметьте, что пакет содержит не только те базовые поля, о которых говори лось ранее, но и много других. Все эти дополнительные поля позволяют IP подсистеме контролировать прохождение пакета. Например, поле dont_frag со общает о том, что сообщение нельзя разбивать на блоки: оно должно быть пере дано целиком либо не передано вовсе.

Назначение некоторых полей понятно уже из тех комментариев, которые при ведены в листинге 3.1. Остальные поля требуют дополнительного описания. В следующих разделах рассматриваются те поля, которые можно модифицировать или которые представляют интерес для программиста.

Поле version

В первом поле передается номер версии используемого протокола IP. Боль шинство значений либо зарезервировано, либо не используется. Ниже перечислен ряд доступных значений (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Значения поля version Значение Протокол

4IPv4

5Режим потоковой передачи дейтаграмм (экспериментальный протокол)

6IPv6

7 TP/IX (Internet протокол следующего поколения)

8Internet протокол "Р"

9Протокол TUBA (TCP and UDP with Bigger Addresses — протоколы TCP и UDP с расши ренными адресами)

Заполнить это поле можно только в том случае, если вы создаете неструктури рованный сокет плюс указываете на то, что будете заполнять заголовок самостоя тельно (для этого служит параметр сокета IP_HDRINCL). Но даже в этом случае в поле можно указать значение 0. Нулевой флаг информирует ядро о том, что в данное поле следует подставить нужное значение.

Поле header_len

В данном поле указывается длина заголовка в виде количества двухбайтовых слов. Наибольшее допустимое значение — 15 (60 байтов). Опять таки, единст венная ситуация, при которой необходимо заполнять это поле, — когда создается неструктурированный сокет и установлена опция IP_HDRINCL. Поскольку все IP

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

заголовки содержат не менее 20 байтов, минимальное значение данного поля равно 5 (20/4).

Поле serve__type

Данное поле указывает на то, как следует обрабатывать пакет. В нем выделя ются два подчиненных поля: первое обозначает приоритет (игнорируется в боль шинстве систем), а второе — тип обслуживания (TOS — type of service). Послед ний обычно задается с помощью функции setsockopt() и может иметь четыре значения: минимальная задержка, максимальная пропускная способность, мак симальная надежность и минимальная стоимость. Отсутствие атрибута указывает на обычный тип обслуживания (подробно об этом рассказывается в главе 9, "Повышение производительности").

ПолеID

IP подсистема присваивает каждому пакету уникальный идентификатор. По скольку данное поле занимает всего 16 разрядов, несложно понять, что иденти фикаторы быстро исчерпываются. Тем не менее, к тому времени, когда возник нет необходимость повторно задействовать идентификатор, предыдущий пакет с таким же идентификатором, скорее всего, уже достигнет пункта назначения.

Идентификаторы позволяют собирать фрагментированные пакеты. Когда ус тановлен режим ручного заполнения заголовка (IP_HDRINCL), программисту прихо дится самостоятельно заниматься назначением идентификаторов.

Пользовательские идентификаторы

При самостоятельном создании идентификаторов обязательно помните: ваша программа не единственная, кто может посылать сообщения. IP подсистема отслеживает идентификаторы всех проходящих пакетов. Будьте предельно внимательны при выборе идентификаторов, чтобы све сти к минимуму риск совпадений.

Поля dont_frag, more__frag и frag_offset

Эти поля управляют фрагментацией пакетов. При прохождении длинного па кета через сетевой сегмент с ограниченной пропускной способностью (задано ог раничение на размер физического кадра) маршрутизатор может попытаться раз бить пакет на составные части (фрагменты). "Сборка" пакета осуществляется уже в пункте назначения. Применение фрагментации снижает производительность, поскольку каждый фрагмент передается в отдельном пакете со своим заголовком.

Системныйсборщикпакетов

Если ваш компьютер выполняет функции маршрутизатора, можно осуществлять сборку фрагмен тированных пакетов с помощью ядра Linux. Обратитесь к утилите конфигурирования ядра (раздел, посвященный брандмауэрам и маршрутизаторам). Учтите, что" сборка пакетов требует времени, особенно если фрагменты поступают со значительным интервалом. Но поскольку полу чатель все равно должен будет собрать пакет, включение данного режима позволит уменьшить сетевой трафик в пределах брандмауэра.

www.books-shop.com

Флаг dont_frag сообщает о том, что маршрутизатор или сервер не должны раз бивать пакет. Если этот флаг установлен, а пакет слишком велик, чтобы пройти через сетевой сегмент, маршрутизатор удалит пакет и вернет ICMP пакет с сооб щением об ошибке.

Флаг more_frags сообщает получателю о том, что следует ожидать дополни тельных фрагментов. В последнем фрагменте этот флаг сброшен (как и в нефраг ментированных пакетах). При самостоятельном заполнении заголовка всегда ус танавливайте этот флаг равным 0.

Поле frag_offset указывает на то, в какой части пакета должен находиться данный фрагмент. Поскольку пакеты распространяются по сети разными путями, они могут достигать адресата в разное время. Зная смещение фрагмента в пакете, получатель может безошибочно собрать пакет. Поле frag_offset занимает всего 13 разрядов — этого слишком мало для пакета размером 64 Кбайт. Поэтому значе ние поля умножается на 8 при вычислении реального смещения. Это также озна чает, что размер каждого фрагмента (кроме последнего) должен быть кратен 8. Но не беспокойтесь по поводу различных технических подробностей: IP подсистема автоматически управляет фрагментацией и сборкой пакетов. Если па кет не удалось собрать в пределах определенного времени, он будет удален и от правитель получит сообщение об ошибке.

Полеtime_to_live (TTL)

Первоначально в данном поле задавалось число секунд, в течение которых па кет должен существовать при передаче по сети. Впоследствии в нем стали указы вать число переходов. Переходом называется этап ретрансляции пакета при пере даче через компьютер или маршрутизатор (узел сети), когда пакет удаляется из одной сети и попадает в другую.

Поле time_to_live занимает 8 разрядов, что позволяет ретранслировать пакет 255 раз, прежде чем он будет удален. Когда маршрутизатор или ретранслирующий сервер получает пакет, он уменьшает значение данного поля на единицу. Если поле станет равным нулю до того, как пакет достигнет адресата, узел сети удалит пакет и пошлет отправителю сообщение об ошибке. Подобная схема предотвра щает бесконечное "петляние" неправильного пакета по сети.

Значение поля time_to_live можно задать с помощью параметра IP_TTL сокета (подробно об этом — в главе 9, "Повышение производительности"). Кроме того, его можно установить в процессе ручного заполнения заголовка пакета.

Поле protocol

Каждый пакет в сети Internet предается по тому или иному протоколу: ICMP (IPPROTO_ICMP, или 1), UDP (IPPROTO_UDP, или 17) или TCP (IPPROTO_TCP, или 6). Данное поле сообщает системе о том, как следует интерпретировать пакет. Этот параметр можно задать вручную, если при вызове функции socket() указать кон станту SOCK_RAW. Номера протоколов и связанные с ними символические констан ты определены в системном библиотечном файле netinet/in.h. (He забывайте о том, что, даже если номер протокола определен в файле, сам протокол может не поддерживаться.)

www.books-shop.com

Поле options

IP подсистема может задавать в пакете различные параметры. Это может быть информация для маршрутизатора, метка времени, атрибуты безопасности, преду преждение и т.д. Максимальный размер поля составляет 40 байтов. Поскольку некоторые параметры являются системно зависимыми, устанавливать их вручную нежелательно.

Поле data

В этом поле передается собственно сообщение, занимающее до 65535 байтов (минус 60 байтов — максимальный размер заголовка). В разделе данных могут передаваться заголовки протоколов более высокого уровня. Например, для ICMP требуется 4 байта, для UDP — 8, а для TCP — 20 60.

Описанную структуру имеют все пакеты IPv4. Протоколы верхних уровней до бавляют к ней свои данные и средства повышения надежности.

Анализ различных типов пакетов

В Internet имеется несколько типов пакетов, от очень быстрых до очень на дежных. Все они основаны на базовой структуре IP пакета, но в то же время ка ждый из них предназначен для решения определенных задач. Чтобы правильно выбрать тип пакета, необходимо знать, какого рода данные передаются.

Наиболее распространены пакеты TCP, UDP, ICMP и неструктурированного типа. У каждого имеются свои преимущества и недостатки (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Сравнительные характеристики различных типов пакетов

Характеристики протоколов, представленные в таблице, не следует восприни мать буквально. Если надежность отмечена как низкая, то это не означает, что данный протокол не гарантирует доставку сообщений. На основании приведен ных данных можно лишь сравнить протоколы друг с другом.

www.books-shop.com

Характеристики пакетов

Передача данных по каждому из протоколов связана с определенными особен ностями. В следующих разделах подробно рассмотрены характеристики типов паке тов, перечисленные в табл. 3.2. Приведенная информация поможет читателю по нять, почему тот или иной протокол одни возможности реализует, а другие — нет.

Размер служебных данных

К служебным данным относится заголовок пакета, а также данные, передавае мые при инициализации протокола. Большой размер служебных данных приво дит к снижению пропускной способности, поскольку сеть вынуждена тратить больше времени на передачу заголовков, чем на чтение данных.

Строгие алгоритмы синхронизации и квитирования (установления связи) уве личивают объем информации, передаваемой при инициализации протокола. Это особенно заметно в глобальных сетях в связи с задержками распространения па кетов. В табл. 3.2 эти данные не учтены.

Размер сообщения

Чтобы вычислить пропускную способность сети, необходимо знать размер па кета и служебных данных. В сумме они определяют максимальный размер пере даваемого сообщения. Поскольку во всех протоколах, кроме TCP, сообщения по сылаются одноразово, их размер зависит от размера IP пакета (65536 байтов).

Надежность

Одной из проблем, возникающих в сети, является потеря данных. Сообщение может повредиться или потеряться при переходе от одного компьютера или мар шрутизатора к другому. Кроме того, может произойти сбой самих аппаратных средств. В любом случае программе придется передать сообщение повторно.

Необходимо также убедиться в том, что получатель обработает пакет правиль ным образом. Например, сообщение может не вмещаться в рамки одного пакета. Если второй пакет достигнет пункта назначения раньше первого, получатель должен корректно разрешить данную проблему. С другой стороны, порядок не важен, если сообщения независимы и самодостаточны.

Надежность пакета определяет степень вероятности, с которой можно гаран тировать его доставку. Низкая надежность означает, что протокол не гарантирует доставку пакета и правильный порядок в случае фрагментации.

Тип сообщения

Некоторые сообщения являются самодостаточными и не зависят от других со общений. Небольшие изображения, текстовые файлы, электронные письма могут посылаться одним пакетом. Но есть информация, которая должна передаваться в виде потока, например данные сеанса Telnet, данные канала HTTP, крупные до кументы, двоичные файлы и т.д. Тип сообщения определяет, в каком виде лучше всего отправлять данные по тому или иному протоколу.

www.books-shop.com

ПротоколHTTP

В протоколе HTTP 1.0 данные вполне могли бы передаваться в виде UDP , а не TCP пакетов. Клиент просто посылает серверу запрос на Конкретный документ, а сервер в ответ высылает файл. По сути, никакого взаимодействия между клиентом и сервером не происходит.

Пропускная способность

Наиболее важным аспектом передачи данных является пропускная способ ность сети. Чем она выше, тем спокойнее работается пользователям. Ее необхо димо знать, чтобы добиться наилучшей производительности. Число битов в се кунду еще ничего не означает, это только часть уравнения: данный показатель указывает лишь на то, как могла бы работать сеть в идеальных условиях.

Пропускная способность определяет, сколько данных реально может быть пе редано в течение заданного промежутка времени. Если размер заголовка велик, а блока данных — мал, пропускная способность будет низкой. Еще больше она снижается, когда требуется подтверждение доставки каждого сообщения. Как правило, высокая надежность и целостность означают низкую пропускную спо собность и наоборот.

Целостность данных

Современные сетевые технологии предусматривают множество способов обес печения целостности данных. В некоторых протоколах в каждое низкоуровневое сообщение включается контрольная сумма или CRC код (Cyclical Redundancy Check — контроль с помощью циклического избыточного кода). Существуют ап паратные средства фильтрации шумов и выделения значащих данных. Кроме то го, каждый протокол содержит механизмы обнаружения ошибок в передаваемых данных.

Важность поддержания целостности данных зависит от самих данных. Приве дем примеры.

•Ошибки недопустимы — жизненно важные данные. Все, что может быть связано со здоровьем/жизнью: сигналы от медицинского оборудования, команды ракетных установок и т.п.

•Критические данные — особо важные, высоконадежные данные, кото рые при неправильной передаче могут нанести вред собственности или безопасности. Например, финансовые транзакции, кредитные карточки, цифровые подписи, обновления антивирусных баз данных.

•Важные данные — данные, связанные с правильным функционировани ем программ. В качестве примера можно привести файлы, загружаемые по протоколу FTP, Web страницы, адреса серверов/маршрутизаторов.

•Информационное содержимое — данные, для которых не требуется сто процентная надежность. Это могут быть электронные сообщения, спи

ски новостей, те же Web страницы.

• Временные данные — данные, которые важны в течение определенного периода времени. Если до истечения определенного срока программа их не запрашивает, их важность уменьшается. Это могут быть сводки пого ды, программы телепередач и др.

www.books-shop.com

•Данные с потерями — данные, которые могут быть частично потеряны без заметного снижения полезности. К таковым относятся аудио и ви деоклипы, изображения, ну и, конечно же, спам.

Прежде чем выбрать тип пакета и протокол, попытайтесь определить тип сво их данных согласно приведенной классификации. Кроме того, в каждой про грамме могут существовать свои собственные ограничения целостности.

Фрагментация

Большие сообщения, передаваемые в медленных сетях, могут тормозить рабо ту других пользователей. Во всех сетях существует ограничение на максимальный размер кадра, чтобы такие сообщения не загружали сеть. Кроме того, маршрути затор может разбивать сообщение на фрагменты при передаче их в сеть с ограни ченной пропускной способностью.

Поскольку сборка фрагментированных сообщений является функцией прото кола IP, этот процесс может быть прозрачным для протоколов более высокого уровня. Но в некоторых ситуациях пакет должен поступать целиком. Это особен но важно с точки зрения производительности. Когда маршрутизатор разделяет пакеты на более мелкие блоки, он тратит на это время, к тому же увеличивается число служебных данных, передаваемых в заголовках пакетов. Если фрагментация запрещена, а сообщение слишком велико, оно удаляется, а программе посылается сообщение об ошибке.

Типы пакетов

В следующих разделах рассмотрен каждый из типов пакетов с описанием структуры заголовка, если таковая имеется.

Неструктурированные данные

Неструктурированные данные напрямую записываются в IP пакет. Это может быть полезно при работе со специальными или пользовательскими протоколами. Атрибуты данного пакета перечислены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Характеристики пакета неструктурированных данных

Linux позволяет работать с протоколами различных уровней стека TCP/IP (подробное описание сетевых уровней и стека Internet протоколов дано в главе 5, "Многоуровневая сетевая модель"). Базовое сообщение в TCP/IP представлено в виде неструктурированного IP пакета. Оно не содержит никакой дополнительной информации.

www.books-shop.com

Создать IP пакет можно самостоятельно, предварительно указав при вызове функции socket () константу SOCK_RAW. По соображениям безопасности пользова тель, запускающий программу, в которой создается сокет данного типа, должен иметь привилегии пользователя root.

Неструктурированные сокеты позволяют программисту самостоятельно фор мировать IP пакет. Можно сконфигурировать сокет двумя способами: для пере дачи только данных или данных плюс заголовок. В первом случае передача будет организована по типу протокола UDP, но только не будут поддерживаться порты. Во втором случае необходимо напрямую заполнять поля заголовка пакета.

У пакетов данного типа есть как преимущества, так и недостатки. К недостат кам можно отнести то, что доставка сообщений не гарантируется. Но зато сооб щения могут распространяться по сети с максимальной скоростью. Подробнее об обработке неструктурированных данных рассказывается в главе 18, "Неструктурированные сокеты".

Протокол ICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol — протокол управляющих сообщений в сети Internet) является надстройкой над протоколом IP. Он используется всеми компьютерами, подключенными к Internet (клиентами, серверами, маршрутиза торами), для передачи управляющих сообщений, а также сообщений об ошибках. Он используется также рядом пользовательских программ, таких как traceroute и ping. Атрибуты данного пакета перечислены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Характеристики пакета ICMP

Если в программе используется протокол ICMP, она может повторно исполь зовать тот же самый сокет для подключения к другому компьютеру. Передача данных осуществляется с помощью функций sendmsg() и sendto() (описаны в сле дующей главе). Эти функции требуют указания адреса получателя.

Преимущества и недостатки протокола ICMP в основном такие же, как и у других дейтаграммных протоколов. Дополнительно пакет включает контрольную сумму, позволяющую выполнять проверку данных. Кроме того, вероятность фрагментации пакетов ICMP очень мала. Это объясняется природой самого про токола: он предназначен для передачи управляющей информации и сообщений об ошибках. Размер сообщений невелик, поэтому они почти никогда не требуют фрагментации.

Все сообщения об ошибках распространяются по сети в виде ICMP пакетов. У пакета имеется заголовок, в котором записан код ошибки, а в теле пакета может содержаться сообщение, подробнее описывающее возникшую ошибку.

www.books-shop.com

Рис. 3.3. Структура ICMР!пакета

Список типов и кодов ошибок приведен в приложении А, "Информационные таблицы". Поле msg может содержать любую информацию, объясняющую воз никновение ошибки.

Протокол UDP

UDP (User Datagram Protocol — протокол передачи дейтаграмм пользователя) применяется для передачи данных без установления соединения (независимые сообщения). Он позволяет повторно использовать один и тот же сокет для от правки данных по другому адресу. Атрибуты пакета UDP перечислены в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Характеристики пакета UDP

Чем выше уровень протокола в стеке TCP/IP, тем больше он ориентирован на данные и меньше — на сеть. Протокол UDP скрывает некоторые детали обработ

www.books-shop.com

ки ошибок и передачи сообщений ядром системы. Кроме того, он обрабатывает фрагментированные сообщения.

Сообщение, отправляемое по протоколу UDP, напоминает электронное пись мо. Единственная информация, которая в нем требуется, — это адрес получателя, адрес отправителя и сами данные. Ядро берет сообщение и передает его в сеть, но не проверяет, дошло ли оно до адресата. Как и в случае протокола ICMP, раз решается посылать сообщения через один и тот же сокет различным адресатам.

Благодаря отсутствию проверок обеспечивается почти максимальная произво дительность, но при этом снижается надежность. Пакеты и их фрагменты могут теряться в сети, а сообщения могут приходить поврежденными. Программы, ис пользующие протокол UDP, либо самостоятельно отслеживают приход сообще ний, либо вообще не заботятся о возможной потере данных или их повреждении. (Помните: хотя дейтаграммы считаются ненадежными, это не означает обяза тельную потерю данных. Просто протокол не гарантирует их доставку.)

Протокол UDP лучше всего подходит для передачи данных трех последних ка тегорий из рассмотренной выше классификации. Приложения, работающие с та кими данными, наименее чувствительны к их потерям. Система, передающая в Internet фотографии со спутников, может не успевать обновлять картинку у каж дого из клиентов, но вряд ли это кто либо заметит. Другой хороший пример — сервис текущего времени. Поскольку такого рода данные актуальны в течение очень короткого промежутка времени, сервер вполне может пропустить пару так тов, не нарушив целостность данных.

Преимуществом UDP является высокая скорость. Кроме того, надежность протокола можно повысить самостоятельно следующими способами.

•Разбивайте большие пакеты на части, присваивая каждой из них номер. Компьютер на другой стороне соединения должен будет осуществлять сборку сообщения. Но не забывайте о том, что повышение количества служебных данных приводит к снижению производительности.

•Отслеживайте каждый пакет. Назначьте всем пакетам уникальные номе ра. Заставьте принимающий компьютер подтверждать доставку пакета, иначе сообщение будет выслано повторно. Если компьютер не получил ожидаемый пакет, он запрашивает повторную доставку, указывая номер последнего сообщения.

•Добавьте поле контрольной суммы или CRC кода. Проверяйте коррект ность данных в каждом пакете путем их суммирования. CRC код более

надежен, чем контрольная сумма, но последнюю легче вычислять. Если получатель сталкивается с поврежденными данными, он просит про грамму повторить сообщение.

• Используйте механизм тайм аутов. Можно предположить, что истечение заданного времени, в течение которого должна была произойти достав ка, означает неудачу. В этом случае отправитель может повторно послать сообщение, а получатель может послать напоминание отправителю.

Перечисленные приемы позволяют имитировать работу протокола TCP, который требуется для доставки важных и критических данных.

Протокол UDP основан на функциях протокола IP. Каждая дейтаграмма UDP добавляет свой заголовок к IP пакету (рис. 3.4). Структура заголовка приведена в листинге 3.3.

www.books-shop.com