Сеть TCP/IP в Linux

Сетевые протоколы. Семейство протоколов TCP/IP

Так случилось, что Мефодий мало что знал о компьютерных сетях до знакомства с Linux. Если пользоваться только web-броузером и почтовой программой, сведений вроде "у каждого компьютера Internet есть имя, на компьютерах бывает почта и WWW" обычно вполне достаточно. Строго говоря, если сеть настроена, почтовые клиенты или броузеры Linux не требуют большего объема знаний. Однако Linux хорош именно тем, что позволяет проследить работу сети от процедур самого низкого уровня, вроде поведения сетевых карт, до приложений высокого уровня и их протоколов.

В разговоре о сетях передачи данных понятие "уровень" возникает неспроста. Дело в том, что передача данных между компьютерами – сложный процесс, в котором решается сразу несколько разноплановых задач. Если представить себе весь процесс организации сети "на пустом месте", как если бы никаких сетевых разработок доныне не было, все эти задачи встают одна за другой.

Итак, если бы Мефодий получил задание "придумать Internet" на пару с Гуревичем, какие бы вопросы перед ними встали?

1. Среда передачи данных. Посредством чего передавать данные? Как именно представляется передаваемая информация?
2. Устройство передачи данных (раз уж известно, как передаются данные). Как подключаться к среде? Как отличить данные от не-данных (т. е. определить, идет ли передача)? Как определить очередность работы нескольких устройств, подключенных к одной среде передачи данных? Как определить, кому предназначаются данные, передаваемые в общей среде?
3. Топология неоднородной сети (раз уж известно, как подключить компьютер к одной или нескольким средам передачи данных). Если в сеть объединены несколько сред передачи данных, как определить адресата (и отправителя тоже)? Как обеспечить пересылку данных из одной среды в другую? Как выстроить непрерывный маршрут пересылок от отправителя к адресату?
4. Доставка данных (раз уж есть механизм передачи данных от любого абонента сети к любому). Как обеспечить целостность и надежность передачи данных (и нужно ли)? Как управлять самим каналом передачи данных (например, чтобы не отправлять данных больше, чем принимающая сторона в состоянии принять)? Как разделять несколько каналов передачи данных (например, когда от одного компьютера к другому одновременно передаются два файла)?
5. Интерпретация данных (раз уж возможна надежная и без искажений доставка). Что делать с полученными данными? Какие части операционной системы отвечают за их обработку, и откуда про это знает абонент с другой стороны соединения?

Ответы на эти вопросы в формализованном виде носят название протоколов: в них пунктуально описывается, как именно предлагается решать ту или иную задачу, какая для этого необходима дополнительная информация, какова должна быть логика поведения передающей и принимающей стороны и т. п.

В приведенном делении на этапы (уровни) примечательна их относительная независимость: если группа задач, связанная с некоторым уровнем, решена, на следующем уровне можно забыть, как именно решались эти задачи. Так, устройство передачи данных типа "Ethernet" с точки зрения компьютера всегда одно и то же, какой бы носитель при этом не использовался: коаксиальный кабель или кабель типа "витая пара", хотя с физической и даже топологической точки зрения эти среды сильно различаются ^{1Ethernet с коаксиальным кабелем имеет топологию "общая шина": все абоненты подключаются к единому кабелю, "врезая" в него Т-образный отводок; Ethernet с витой парой имеет топологию "звезда": от каждого абонента идет собственный кабель к центральному устройству-концентратору.}. Точно так же обстоят дела при переходе со второго уровня на третий: во время получения данных уже совершенно неважно, какие среды передачи были при этом задействованы (ethernet, три провода, голубиная почта ^{2Организация TCP/IP с помощью почтовых голубей описана в RFC1149.}...). Переход с третьего уровня на четвертый и с четвертого на пятый тоже обладает этим свойством.

По всей видимости, именно с этими задачами сталкивались и разработчики из института ARPA (Advanced Research Projects Agency, "Агентство перспективных исследовательских проектов"; в процессе работы оно было переименовано в DARPA, где "D" означало Defence). По крайней мере, предложенное ими в середине семидесятых семейство протоколов TCP/IP также подразделялось на пять уровней: аппаратный, интерфейсный, сетевой, транспортный и прикладной. Впоследствии аппаратный уровень стали смешивать с интерфейсным, так как с точки зрения операционной системы они неразличимы ^{3Поэтому, если в книге написано, что TPC/IP имеет четыре уровня, это тоже будет правдой — с учетом двойственности самого нижнего.}. Именно разделение на независимые друг от друга уровни позволило со временем объединить большинство разнородных локальных сетей в единое сетевое пространство – глобальную сеть Internet.

В TCP/IP вопрос о том, как обеспечить нескольким абонентам сети возможность передавать данные, не мешая друг другу, решен с помощью разделения пакетов данных. разделение пакетов предполагает, что данные передаются не единым блоком, а по частям, пакетами. Алгоритмы, определяющие, когда абоненту разрешено посылать следующий пакет, могут быть разными, но результат всегда один: в сети передаются попеременно фрагменты всех сеансов передачи данных. В сильно загруженном состоянии такая сеть может просто не принять очередной пакет от абонента-отправителя, и тому придется ждать удобного случая, чтобы все-таки "пропихнуть" его в переполненную другими пакетами среду. Таким образом, обеспечить гарантированное время передачи одного пакета в сетях с разделением пакетов бывает довольно сложно, хотя существуют алгоритмы, позволяющие это сделать.

Противоположность метода разделения пакетов – метод разделения каналов, который предполагает, что в сети имеется определенное число каналов передачи данных, которые абоненты сети арендуют на все время передачи. По такому принципу построены, например, телефонные линии: дозвонившись, мы арендуем канал связи между двумя телефонными аппаратами, и до тех пор, пока этот канал занят, невозможно ни воспользоваться им кому-то другому, ни организовать параллельно передачу данных откуда-нибудь еще. Главное достоинство сетей с разделением каналов – постоянная (за вычетом помех на линии) скорость передачи данных. Основной недостаток – ограниченное количество каналов передачи. Проектировать среду передачи так, чтобы каждый абонент был связан с каждым отдельным каналом, имеет смысл только тогда, когда абонентов очень мало: количество каналов будет пропорционально квадрату количества абонентов. Количество каналов в большой сети будет существенно меньшим, и ровно столько сеансов передачи данных можно будет в этой сети установить. Попытка соединиться с абонентом, когда все каналы уже заняты, окончится неудачей. Мефодий припомнил своего знакомого, дозвониться которому тяжело, хотя телефон тот занимает нечасто и не подолгу. По всей видимости, каналов между какими-то двумя АТС, через которые Мефодий связывается с приятелем, хронически недостает (так бывает, когда отдаленный район быстро застраивается и наполняется телефонами).

Если вернуться к сети с разделением пакетов, то можно заметить, что на каждом уровне под пакетом понимается разное. С точки зрения интерфейсного уровня пакет – это ограниченный возможностями среды передачи данных фрагмент, в котором необходимо дополнительно указать, какое устройство из числа подключенных к среде передачи данных его отправило и какому устройству он предназначен. С точки зрения сетевого уровня размер пакета определяется удобством его обработки, а дополнительно в нем надо указать уникальные для всей сети адреса отправителя и получателя (а также тип протокола и многое другое). С точки зрения транспортного уровня размер пакета определяется качеством связи (чем меньше пакет, тем ниже вероятность порчи, но тем больше теряется на дополнительной информации: идентификатор сеанса, тип, специальные поля, описывающие логику связи и т.п.). Наконец, если на прикладном уровне определено понятие "пакет", то его размер и содержимое определяются протоколом прикладного уровня.

Таким образом, процесс передачи данных выглядит так: порция данных прикладного уровня нарезается на части, соответствующие размеру пакета транспортного уровня (фрагментируется), к каждому фрагменту приписывается транспортная служебная информация, и получаются пакеты транспортного уровня. Каждый пакет транспортного уровня может быть опять-таки фрагментирован для передачи по сети, к каждому получившемуся фрагменту добавляется служебная информация сетевого уровня, что дает последовательность сетевых пакетов. Каждый из сетевых пакетов тоже может быть фрагментирован до размера, "пролезающего" через конкретное сетевое устройство, – из него формируются пакеты интерфейсного уровня (фреймы). Наконец, к каждому фрейму само устройство (по крайне мере, так это сделано в Ethernet) приписывает некоторый ключ, по которому принимающее устройство распознает начало фрейма. В таком виде данные передадутся по проводам. Процесс "заворачивания" пакетов более высокого уровня в пакеты более низкого уровня называется инкапсуляцией.

Компьютер, получивший фрейм, выполняет процедуры, обратные инкапсуляции и фрагментации: пакеты низкого уровня освобождаются от служебной информации и накапливаются до тех пор, пока не сформируется пакет более высокого уровня. Затем этот пакет отсылается на уровень выше и все повторяется до тех пор, пока освобожденные от всей дополнительной информации и заново собранные воедино данные не попадут к пользователю (или к программе, которая их обрабатывает).

Сетевой пакет. Единица передачи информации в компьютерной сети. Помимо передаваемых данных содержит служебную информацию, в частности, идентификаторы отправителя и адресата, контрольную сумму, поля используемого протокола. Наибольший размер пакета определяется чаще всего не объемом передаваемых данных, а требованиями протокола и необходимостью разделять сеть передачи данных между несколькими абонентами.