Математическое обеспечение и администрирование информационных систем

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.

7.2. 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.

Структура протоколов TCP/IP приведена  на рисунке 7.1. Протоколы TCP/IP делятся  на 4 уровня.

Рисунок 7.1. Стек TCP/IP.

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.

В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым  сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол - простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения - UDP.

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.

 

Тема 8. Программирование сокетов.

Для обеспечения сетевых коммуникаций используются сокеты. Сокет это конечная точка сетевых коммуникаций. Каждый использующийся сокет имеет тип и ассоциированный с ним процесс. Сокеты существуют внутри коммуникационных доменов. Домены это абстракции, которые подразумевают конкретную структуру адресации и множество протоколов, которое определяет различные типы сокетов внутри домена. Примерами коммуникационных доменов могут быть: UNIX домен, Internet домен, и т.д.

В Internet домене сокет - это комбинация IP адреса и номера порта, которая однозначно определяет отдельный сетевой процесс во всей глобальной сети Internet. Два сокета, один для хоста-получателя, другой для хоста-отправителя, определяют соединение для протоколов, ориентированных на установление связи, таких, как TCP.

8.1. Создание сокета

Для создания сокета используется системный  вызов socket.

 

s = socket(domain, type, protocol);

 

Этот вызов основывается на информации о коммуникационном домене и типе сокета. Для использования особенностей Internet, значения параметров должны быть следующими:

communication domain -

AF_INET (Internet протоколы).

type of the socket -

SOCK_STREAM; Этот тип обеспечивает  последовательный, надежный, ориентированный  на установление двусторонней  связи поток байтов.

 

Выше был упомянут сокет с  типом stream. Краткое описание других типов сокетов приведено ниже:

Datagram socket -

поддерживает двусторонний поток  данных. Не гарантируется, что этот поток будет последовательным, надежным, и что данные не будут дублироваться. Важной характеристикой данного  сокета является то, что границы записи данных предопределены.

Raw socket -

обеспечивает возможность пользовательского  доступа к низлежащим коммуникационным протоколам, поддерживающим сокет-абстракции. Такие сокеты обычно являются датаграм- ориентированными.

Функция socket создает конечную точку для коммуникаций и возвращает файловый дескриптор, ссылающийся на сокет, или -1 в случае ошибки. Данный дескриптор используется в дальнейшем для установления связи.

Для создания сокета типа stream с протоколом TCP, обеспечивающим коммуникационную поддержку, вызов функции socket должен быть следующим:

 

s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

8.2. Привязка к локальным именам.

Сокет создается без имени. Пока с сокетом не будет связано  имя, удаленные процессы не имеют  возможности ссылаться на него и, следовательно, на данном сокете не может быть получено никаких сообщений. Коммуникационные процессы используют для данных целей ассоциации. В Internet домене ассоциация складывается из локального и удаленного адреса и из локального и удаленного порта. В большинстве доменов ассоциация должна быть уникальной.

В Internet домене связывание сокета и  имени может быть весьма сложным, но, к счастью, обычно нет необходимости  специально привязывать адрес и  номер порта к сокету, так как  функции connect и send автоматически свяжут данный сокет с подходящим адресом, если это не было сделано до их вызова.

Для связывания сокета с адресом  и номером порта используют системный  вызов bind:

 

bind(s, name, namelen);

 

Привязываемое имя (name) это строка байт переменной длины, которая интерпретируется поддерживаемым протоколом. Интерпретация может различаться в различных коммуникационных доменах.

8.3. Установление связи

Со стороны клиента связь  устанавливается с помощью стандартной  функции connect:

 

error = connect(s, serveraddr, serveraddrlen);

 

которая инициирует установление связи  на сокете, используя дескриптор сокета s и информацию из структуры serveraddr, имеющей тип sockaddr_in, которая содержит адрес сервера и номер порта на который надо установить связь. Если сокет не был связан с адресом, connect автоматически вызовет системную функцию bind.

Connect возвращает 0, если вызов прошел  успешно. Возвращенная величина -1 указывает на то, что в процессе  установления связи произошла  некая ошибка. В случае успешного вызова функции процесс может работать с дескриптором сокета, используя функции read и write, и закрывать канал используя функцию close.

Со стороны сервера процесс  установления связи сложнее. Когда  сервер желает предложить один из своих  сервисов, он связывает сокет с общеизвестным адресом, ассоциирующимся с данным сервисом, и пассивно слушает этот сокет. Для этих целей используется системный вызов listen:

 

error = listen(s, qlength);

 

где s это дескриптор сокета, а qlength это максимальное количество запросов на установление связи, которые могут стоять в очереди, ожидая обработки сервером; это количество может быть ограничено особенностями системы.

Когда сервер получает запрос от клиента  и принимает решение об установлении связи, он создает новый сокет и связывает его с ассоциацией, эквивалентной 'слушающему сокету'. Для Internet домена это означает тот же самый номер порта. Для этой цели используется системный вызов accept:

 

newsock = accept(s, clientaddr, clientaddrlen);

 

Сокет, ассоциированный клиентом, и сокет, который был возвращен функцией accept, используются для установления связи между сервером и клиентом.

Процесс установления связи показан  на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1. Взаимодействие клиента  и сервера.

8.4. Передача данных.

Когда связь установлена, с помощью  различных функций может начаться процесс передачи данных. При наличии  связи, пользователь может посылать и получать сообщения с помощью  функций read и write:

 

write(s, buf, sizeof(buf)); read(s, buf, sizeof(buf));

 

Вызовы send и recv практически идентичны read и write, за исключением того, что  добавляется аргумент флагов.

 

send(s, buf, sizeof(buf), flags); recv(s, buf, sizeof(buf), flags);

 

Могут быть указаны один или более флагов с помощью ненулевых значений, таких, как следующие:

• MSG_OOB - Посылать/получать данные, характерные для сокетов типа stream.
• MSG_PEEK - Просматривать данные без чтения. когда указывается в recv, любые присутствующие данные возвращаются пользователю, но сами данные остаются как "непрочитанные". Следующий read или recv вызванный на данном сокете вернет прочитанные в прошлый раз данные.
• MSG_DONTROUTE - посылать данные без маршрутизации пакетов. (Используется только процессами, управляющими таблицами маршрутизации.)

8.5. Закрывание сокетов.

Когда взаимодействующие модули решают прекратить передачу данных и закрыть  сеанс связи, они обмениваются трехсторонним  рукопожатием с сегментами, содержащими  установленный бит "От отправителя больше нет данных" (этот бит еще называется FIN бит).