Сеть TCP/IP в Linux

Аппаратный и интерфейсный уровни

Итак, на аппаратном уровне возможна какая угодно среда передачи данных – с точки зрения Linux, сеть начинается в месте подключения к этой среде, то есть на сетевом интерфейсе. Список сетевых интерфейсов и их настроек в системе можно посмотреть с помощью команды ifconfig (от i nter f ace conf iguration):

methody@localhost:~ $ ifconfig
-bash: ifconfig: command not found
methody@localhost:~ $ /sbin/ifconfig
Warning: cannot open /proc/net/dev (Permission denied). Limited output.
Warning: cannot open /proc/net/dev (Permission denied). Limited output.
eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:56:C1:36
inet addr:192.168.102.125 Bcast:192.168.102.255 Mask:255.255.255.0
UP BROADCAST NOTRAILERS RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
Warning: cannot open /proc/net/dev (Permission denied). Limited output.
lo Link encap:Local Loopback
inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0
UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1

Утилитой ifconfig пользуется, в основном, сама система или администратор; некоторые данные ifconfig получает, обращаясь с системным вызовом ioctl() к открытому сетевому сокету, а некоторые считывает из /proc. Название сетевого интерфейса состоит из его типа и порядкового номера (каким по счету его распознало ядро). Все сетевые интерфейсы Ethernet в Linux называются ethномер, начиная с eth0. Параметр MTU ( M aximum T ransfer U nit) определяет наибольший размер фрейма.

Большинство других параметров относятся к сетевому уровню, но как минимум еще один – HWaddr – относится к уровню интерфейсному.

Сетевой интерфейс. Точка взаимодействия утилит Linux с реализацией TCP/IP в ядре системы. Как правило, имеет уникальный сетевой адрес. Интерфейсу может соответствовать некоторое сетевое оборудование (например, карта Ethernet), в этом случае определен также и его интерфейсный адрес .

HWaddr (от H ard W are add ress, аппаратный адрес ) – это уникальный внутри среды передачи данных идентификатор сетевого устройства. В Ethernet аппаратный адрес называется MAC-address (от M edia A ccess C ontrol, управление доступом к среде), он состоит из шести байтов, которые принято записывать в шестнадцатиричной системе исчисления и разделять двоеточиями. Каждая Ethernet-карта имеет собственный уникальный MAC-address (в примере – 00:0C:29:56:C1:36 ), поэтому его легко использовать для определения отправителя и получателя в рамках одной Ethernet-среды. Если идентификатор получателя неизвестен, используется аппаратный широковещательный адрес, FF:FF:FF:FF:FF:FF. Сетевая карта, получив широковещательный фрейм или фрейм, MAC-адрес получателя в котором совпадает с ее MAC-адресом, обязана отправить его на обработку системе.

Термин "Media Access Control" имеет отношение к алгоритму, с помощью которого решается задача очередности передачи. Алгоритм базируется на трех принципах:

1. Прослушивание среды. Каждое устройство умеет определять, идет ли в данное время передача данных по среде. Если среда свободна, устройство имеет право само передавать данные.
2. Обнаружение коллизий. Если решение о начале передачи данных одновременно приняли несколько устройств, в среде возникнет коллизия, и распознать, где чьи были данные, становится невозможно. Зато устройства всегда замечают произошедшую коллизию, и передают данные повторно.
3. Случайное время ожидания перед повтором. Если бы после коллизии все устройства начали одновременно повторять передачу данных, случилась бы новая коллизия. Поэтому каждое устройство выжидает некоторое случайное время, и только после этого повторяет передачу. Если повторная коллизия все-таки возникает, устройство ждет вдвое дольше ^{4Время ожидания не удваивается, а выбирается – опять-таки случайно, но из другого временного диапазона.}. так происходит до тех пор, пока не будет превышено допустимое время ожидания, после чего системе сообщается об ошибке.

Приведенный алгоритм имеет два недостатка. Во-первых, уже на интерфейсном уровне время передачи одного пакета может быть любым, так как неопределенное промедление с передачей предусмотрено протоколом. Во-вторых, сеть Ethernet считается хорошо загруженной, если на протяжении некоторого промежутка времени в среднем треть этого времени было потрачена на передачу данных, а две трети времени среда была свободна. Сеть Ethernet, нагруженная наполовину, работает очень медленно и с большим числом коллизий, а сеть, нагруженная на две трети, считается неработающей. Это – плата за отсутствие синхронизации работы всех устройств в сети.

Сетевой уровень

Создатели первых сетей, объединяющих несколько сред передачи данных, для идентификации абонента таких сетей пытались использовать те же аппаратные адреса. Это оказалось делом неблагодарным: если в Ethernet аппаратный адрес уникален всегда, то в других сетях аппаратные адреса могут быть уникальны только в рамках одной среды (например, все устройства нумеруются, начиная с 0) или даже могут выдаваться динамически, да и форматы аппаратных адресов в разных средах различны. Возникла необходимость присвоить каждому сетевому интерфейсу некоторый единственный на всю глобальную сеть адрес, который бы не зависел от среды передачи данных и всегда имел один и тот же формат.

Адресация

Адрес, определяемый протоколом IP ( I nternet P rotocol), состоит из четырех байтов, записываемых традиционно в десятичной системе счисления и разделяемых точкой. Адрес сетевого интерфейса eth0 из примера – 192.168.102.125. Второй сетевой интерфейс из примера, lo, – так называемая заглушка (loopback), которая используется для организации сетевых взаимодействий компьютера с самим собой: любой посланный в заглушку пакет немедленно обрабатывается как принятый оттуда. Заглушка обычно имеет адрес 127.0.0.1.

Отдельная среда передачи данных (локальная сеть) также имеет собственный адрес. Если представить IP-адрес в виде линейки из 32 битов, она строго разделяется на две части: столько-то битов слева отводится под адрес сети, а оставшиеся – под адрес абонента в этой сети. Для того чтобы определить размер адреса сети, используется сетевая маска – линейка из 32 битов, в которой на месте адреса сети стоят единицы, а на месте адреса компьютера – нули. При наложении маски на IP-адрес все единицы в нем, которым соответствуют нули в маске, превращаются в нули ^{5Применяется побитовая операция "И".}. Таким образом вычисляется IP-адрес сети. В примере сетевая маска интерфейса eth0 равна 255.255.255.0, т. е. 24 единицы и 8 нулей. Тогда IP-адрес сети будет равен 192.168.102.0. Мефодий заметил, что если сетевая маска выровнена по границе байта, производить двоичные операции вообще не надо: так, в примере можно было просто сказать, что адрес сети занимает три байта, а адрес абонента – оставшийся один.

Заметим, что адрес сети может содержать значащие нули: например, в адресе 10.0.0.1 при сетевой маске 255.255.0.0 адрес сети занимает два байта, из которых второй – полностью нулевой. Чтобы не гадать, какие нули – значащие, а какие – отрезаны маской, к адресу сети принято приписывать уточнение вида /количество_единиц_в_маске. В приведенном случае адрес сети выглядел бы так: 10.0.0.0/16, а в предыдущем – 192.168.102.0/24.

IP-адрес, составленный из адреса сети, за которым следуют все единицы (в примере – 192.168.102.255 ), называется широковещательный адрес: любой принадлежащий сети 192.168.102.0 компьютер, получивший IP-пакет с адресом получателя 192.168.102.255, должен обработать его, как если бы в поле "получатель" стоял его собственный IP-адрес.

Когда компьютер с некоторым IP-адресом решает отправить пакет другому компьютеру, он выясняет, принадлежит ли адресат той же локальной сети, что и отправитель (т. е. подключены ли они к одной среде передачи данных). Делается это так: на IP-адрес получателя накладывается сетевая маска, и таким образом вычисляется адрес сети, которой принадлежит получатель. Если этот адрес совпадает с адресом сети отправителя, значит, оба находятся в одной локальной сети. Это, в свою очередь, означает, что аппаратный адрес (MAC) получателя должен быть отправителю известен.

MAC-адреса компьютеров локальной сети хранятся в специальной таблице ядра, называемой "таблица ARP". Просмотреть содержимое этой таблицы можно с помощью команды arp -a:

[root@localhost root]# arp -a
fuji.nipponman.ru (192.168.102.1) at 00:50:56:C0:00:01 [ether] on eth0
edoh.nipponman.ru (192.168.102.7) at 00:50:56:C3:11:a2 [ether] on eth0
[root@localhost root]# sleep 60
[root@localhost root]# arp -a
[root@localhost root]# ping -c1 192.168.102.1
PING 192.168.102.1 (192.168.102.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.102.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.217 ms
--- 192.168.102.1 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.217/0.217/0.217/0.000 ms
[root@localhost root]# arp -a
fuji.nipponman.ru (192.168.102.1) at 00:50:56:C0:00:01 [ether] on eth0

Если говорить более точно, ARP-таблица отражает соответствие между IP- и MAC-адресами. Таблица эта динамическая: устаревшие соответствия из нее удаляются, так как компьютеру может быть назначен другой IP-адрес, интерфейс можно отключить от сети, заменить и т. д. Если вновь понадобится связаться с компьютером, чей MAC-адрес устарел, соответствие IP и MAC придется устанавливать по новой. В примере была использована команда ping, посылающая на указанный IP-адрес пакеты служебного протокола ICMP, на который адресат обязан ответить. Если ответа нет, значит, связь по каким-то причинам невозможна.

Устанавливать соответствие между адресами сетевого и интерфейсного уровня – дело протокола ARP ( A ddress R esolution P rotocol, "протокол преобразования адресов"). В случае преобразования IP в MAC он работает так: отправляется широковещательный Ethernet-фрейм типа "ARP-запрос", внутри которого – IP-адрес, что означает "Эй! У кого такой IP?". Каждый работающий компьютер обрабатывает этот фрейм и тот, чей IP-адрес совпадает с запрошенным, возвращает отправителю пустой фрейм типа "ARP-ответ", в поле "отправитель" которого указан искомый MAC-адрес. Это означает: "У меня. А что?". Тут ARP-таблица заполняется и первый компьютер готов к инкапсуляции IP-пакета.