Компьютерные и сетевые технологии

Администрирование.

Модель клиент-сервер значительно упрощает задачи администрирования, особенно в сетях с большим количеством компьютеров. Однако требует высокой квалификации сетевого администратора. Эти сети обладают более высокой безопасностью, чем одноранговые.

Управление безопасностью.

Сети клиент-сервер обладают большей безопасностью, чем одноранговые. Чтобы зарегистрироваться в сети, пользователь должен знать учетную запись и пароль, созданные на сервере. Когда пользователь успешно зарегистрировался , он получает доступ ко всем ресурсам, на которые ему выделили право. При этом от него не требуется помнить многочисленные имена и пароли для разных компьютеров , как в рабочей группе Windows NT Workstation или Windows 2000 Professional. Сеть клиент-сервер предоставляет пользователю доступ к ресурсам на основе аутентификации пользователя и прав доступа.

Информационные системы созданные на основе классической архитектуры клиент/сервер (называемые двухзвенными системами или системами с "толстым" клиентом) состоят из сервера баз данных (содержащего сгенерированные тем или иным способом таблицы, индексы, базы данных и другие объекты) и одного или нескольких клиентских приложений. Эти приложения являются достаточно сложным программным продуктом и нуждаются в полнофункциональной ОС (например Windows 2000 Professional). В ряде случаев клиентские приложения для доступа к источникам данных используют вызовы функций прикладных интерфейсов серверных СУБД, в частности библиотеки, например Borland Database Engin (BDE).

Соответственно подобное клиентское приложение требует наличия на компьютере конечного пользователя клиентской части используемой серверной СУБД (наличия лицензии на ее использование) и присутствия в оперативной памяти набора динамически загружаемых библиотек как из клиентской части, так и из BDE (либо иной заменяющей ее библиотеки), таких, как драйверы баз данных, библиотеки. Это усложняет технические требования, предъявляемые к аппаратной части клиентской рабочей станции, и в конечном итоге приводит к удорожанию всей системы в целом.

Выходом из этой ситуации является создание систем с так называемым "тонким" клиентом, в частности, с клиентом, не содержащим в своем составе BDE и клиентскую часть серверной СУБД. В этом случае функциональность, связанная с доступом к данным (а нередко и какая-либо иная функциональность), возлагается на другое приложение, называемое обычно сервером приложений, и являющееся клиентом серверной СУБД. В свою очередь, клиентские приложения обращаются не непосредственно к серверной СУБД, а к серверу приложений, являющемуся для них источником данных, при этом собственно клиентская часть серверной СУБД и библиотеки типа BDE на рабочей станции, где используется такое клиентское приложение, присутствовать не обязаны. Вместо них используется одна-единственная динамически загружаемая библиотека. Таким образом, созданная информационная система становится трехзвенной, а сервер приложений является средним звеном в цепи "тонкий клиент - сервер приложений - сервер баз данных". Клиентские операционные системы в сетях с выделенными серверами обычно освобождаются от серверных функций, что значительно упрощает их организацию. Разработчики клиентских ОС уделяют основное внимание пользовательскому интерфейсу и клиентским частям сетевых служб. Наиболее простые клиентские ОС поддерживают только базовые сетевые службы, обычно файловую и службу печати. В то же время существуют так называемые универсальные клиенты, которые поддерживают широкий набор клиентских частей, позволяющих им работать практически со всеми серверами сети. Многие компании, разрабатывающие сетевые ОС, выпускают две версии одной и той же операционной системы. Одна версия предназначена для работы в качестве серверной ОС, а другая -- для работы на клиентской машине. Эти версии чаще всего основаны на одном и том же базовом коде, но отличаются набором служб и утилит, а также параметрами конфигурации, в том числе устанавливаемыми по умолчанию и не поддающимися изменению. Например, операционная система Windows NT выпускалась в версии для рабочей станции -- Windows NT Workstation -- и в версии для выделенного сервера -- Windows NT Server. Оба эти варианта операционной системы включают клиентские и серверные части многих сетевых служб. Так, ОС Windows NT Workstation, кроме выполнения функций сетевого клиента, может предоставлять сетевым пользователям файловый сервис, сервисы печати, удаленного доступа и другие, а, следовательно, может служить основой для одноранговой сети. С другой стороны, ОС Windows NT Server содержит все необходимые средства, которые позволяют задействовать компьютер в качестве клиентской рабочей станции. Под управлением ОС Windows NT Server локально запускаются прикладные программы, которые могут потребовать выполнения клиентских функций ОС при появлении запросов к ресурсам других компьютеров сети. Windows NT Server имеет такой же развитый графический интерфейс, как и Windows NT Workstation, что позволяет с равным успехом применять эти ОС для интерактивной работы пользователя или администратора. Однако версия Windows NT Server имеет больше возможностей для предоставления ресурсов своего компьютера другим пользователям сети, так как может выполнять более широкий набор функций, поддерживает большее количество одновременных соединений с клиентами, реализует централизованное управление сетью, имеет более развитые средства защиты. Поэтому рекомендуется применять Windows NT Server в качестве ОС для выделенных серверов, а не клиентских компьютеров.

Гибридная сеть

В больших сетях наряду с отношениями клиент-сервер сохраняется необходимость и в одноранговых связях, поэтому такие сети чаще всего строятся по гибридной схеме (Рис. 15.9).

Рис. 15.9 Гибридная сеть.

Сетевые службы и операционная система

Для конечного пользователя сеть -- это не компьютеры, кабели и концентраторы и даже не информационные потоки, для него сеть -- это, прежде всего, набор сетевых служб, с помощью которых он получает возможность просмотреть список имеющихся в сети компьютеров, прочитать удаленный файл, распечатать документ на "чужом" принтере или послать почтовое сообщение. Именно совокупность предоставляемых возможностей -- насколько широк их выбор, насколько они удобны, надежны и безопасны -- определяет для пользователя облик той или иной сети.

Кроме собственно обмена данными, сетевые службы должны решать и другие, более специфические, задачи, например, задачи, связанные с распределенной обработкой данных. К таким задачам относится обеспечение непротиворечивости нескольких копий данных, размещенных на разных машинах (служба репликации), или организация выполнения одной задачи параллельно на нескольких машинах сети (служба вызова удаленных процедур). Среди сетевых служб можно выделить административные, то есть такие, которые в основном ориентированы не на простого пользователя, а на администратора, и служат для обеспечения правильной работы сети в целом. Служба администрирования пользовательских учетных записей, которая позволяет администратору вести общую базу данных о пользователях сети, система мониторинга сети, позволяющая захватывать и анализировать сетевой трафик, служба безопасности, в функции которой может входить, помимо прочего, выполнение процедуры логического входа с последующей проверкой пароля, -- все это примеры административных служб.

Реализация сетевых служб осуществляется программными средствами. Все сетевые службы построены в архитектуре "клиент-сервер".

Основные службы -- файловая служба и служба печати -- обычно предоставляются сетевой операционной системой, а вспомогательные, например служба баз данных, факсимильной связи или передачи голоса, -- системными сетевыми приложениями или утилитами, работающими в тесном контакте с сетевой ОС. Вообще говоря, распределение служб между ОС и утилитами достаточно условно и меняется в зависимости от реализации ОС. При разработке сетевых служб приходится решать задачи, свойственные любым распределенным приложениям: определение протокола взаимодействия между клиентской и серверной частями, распределение функций между ними, выбор схемы адресации приложений и т.д.

Одним из главных показателей качества сетевой службы является ее удобство. Для одного и того же ресурса может быть разработано несколько служб, по-разному решающих в общем-то одну и ту же задачу. Отличия могут заключаться в производительности или в уровне удобства предоставляемых услуг. Например, файловая служба может быть основана на использовании команды передачи файла из одного компьютера в другой по имени файла, а это требует от пользователя знания имени нужного файла. Та же файловая служба может быть реализована и так, что пользователь монтирует удаленную файловую систему к локальному каталогу, а далее обращается к удаленным файлам как к своим собственным, что гораздо удобнее. Качество сетевой службы зависит и от качества пользовательского интерфейса -- интуитивной понятности, наглядности, рациональности.

При определении степени удобства разделяемого ресурса часто употребляют термин "прозрачность". Прозрачный доступ -- это такой доступ, при котором пользователь не замечает, где расположен нужный ему ресурс -- на его компьютере или на удаленном. После того как он смонтировал удаленную файловую систему в свое дерево каталогов, доступ к удаленным файлам становится для него совершенно прозрачным. Сама операция монтирования также может иметь разную степень прозрачности -- в сетях с меньшей прозрачностью пользователь должен знать и задавать в команде имя компьютера, на котором хранится удаленная файловая система, в сетях с большей степенью прозрачности соответствующий программный компонент сети производит поиск разделяемых томов файлов независимо от мест их хранения, а затем предоставляет их пользователю в удобном для него виде, например в виде списка или набора пиктограмм.

Для обеспечения прозрачности важен способ адресации (именования) разделяемых сетевых ресурсов. Имена разделяемых сетевых ресурсов не должны зависеть от их физического расположения на том или ином компьютере. В идеале пользователь не должен ничего менять в своей работе, если администратор сети переместил том или каталог с одного компьютера на другой. Сам администратор и сетевая операционная система имеют информацию о расположении файловых систем, но от пользователя она скрыта. Такая степень прозрачности пока редко встречается в сетях, -- обычно для получения доступа к ресурсам определенного компьютера сначала приходится устанавливать с ним логическое соединение. Такой подход применяется, например, в сетях Windows NT.

Лекция 16. Сети и сетевые операционные системы

Введение

До сих пор в лекциях данного курса мы ограничивались рамками классических операционных систем, т. е. операционных систем, функционирующих на автономных однопроцессорных вычислительных машинах, которые к середине 80-х годов прошлого века составляли основу мирового парка вычислительной техники. Подчиняясь критериям повышения эффективности и удобства использования, вычислительные системы с этого времени, о чем мы уже упоминали в самой первой лекции, начинают бурно развиваться в двух направлениях: создание многопроцессорных компьютеров и объединение автономных систем в вычислительные сети.

Появление многопроцессорных компьютеров не оказывает существенного влияния на работу операционных систем. В многопроцессорной вычислительной системе изменяется содержание состояния исполнение. В этом состоянии может находиться не один процесс, а несколько - по числу процессоров. Соответственно изменяются и алгоритмы планирования. Наличие нескольких исполняющихся процессов требует более аккуратной реализации взаимоисключений при работе ядра. Но все эти изменения не являются изменениями идеологическими, не носят принципиального характера. Принципиальные изменения в многопроцессорных вычислительных комплексах затрагивают алгоритмический уровень, требуя разработки алгоритмов распараллеливания решения задач. Поскольку с точки зрения нашего курса многопроцессорные системы не внесли в развитие операционных систем что-либо принципиально новое, мы их рассматривать далее не будем. По-другому обстоит дело с вычислительными сетями.

Для чего компьютеры объединяют в сети

Для чего вообще потребовалось объединять компьютеры в сети? Что привело к появлению сетей?

Одной из главных причин стала необходимость разделения ресурсов (как физических, так и информационных). Если в организации имеется несколько компьютеров и эпизодически возникает потребность в печати какого-нибудь текста, то не имеет смысла покупать принтер для каждого компьютера. Гораздо выгоднее иметь один сетевой принтер для всех вычислительных машин. Аналогичная ситуация может возникать и с файлами данных. Зачем держать одинаковые файлы данных на всех компьютерах, поддерживая их когерентность, если можно хранить файл на одной машине, обеспечив к нему сетевой доступ со всех остальных?

Второй причиной следует считать возможность ускорения вычислений. Здесь сетевые объединения машин успешно конкурируют с многопроцессорными вычислительными комплексами. Многопроцессорные системы, не затрагивая по существу строение операционных систем, требуют достаточно серьезных изменений на уровне hardware, что очень сильно повышает их стоимость. Во многих случаях можно добиться требуемой скорости вычислений параллельного алгоритма, используя не несколько процессоров внутри одного вычислительного комплекса, а несколько отдельных компьютеров, объединенных в сеть. Такие сетевые вычислительные кластеры часто имеют преимущество перед многопроцессорными комплексами в соотношении эффективность/стоимость.

Следующая причина связана с повышением надежности работы вычислительной техники. В системах, где отказ может вызвать катастрофические последствия (атомная энергетика, космонавтика, авиация и т. д.), несколько вычислительных комплексов устанавливаются в связи, дублируя друг друга. При выходе из строя основного комплекса его работу немедленно продолжает дублирующий.

Наконец, последней по времени появления причиной (но для многих основной по важности) стала возможность применения вычислительных сетей для общения пользователей. Электронные письма практически заменили письма обычные, а использование вычислительной техники для организации электронных или телефонных разговоров уверенно вытесняет обычную телефонную связь.

Сетевые и распределенные операционные системы

В мы уже говорили, что существует два основных подхода к организации операционных систем для вычислительных комплексов, связанных в сеть, - это сетевые и распределенные операционные системы. Необходимо отметить, что терминология в этой области еще не устоялась. В одних работах все операционные системы, обеспечивающие функционирование компьютеров в сети, называются распределенными, а в других, наоборот, сетевыми. Мы придерживаемся той точки зрения, что сетевые и распределенные системы являются принципиально различными.

В сетевых операционных системах для того, чтобы задействовать ресурсы другого сетевого компьютера, пользователи должны знать о его наличии и уметь это сделать. Каждая машина в сети работает под управлением своей локальной операционной системы, отличающейся от операционной системы автономного компьютера наличием дополнительных сетевых средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения существенно не меняют структуру операционной системы.

Распределенная система, напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся, на локальной или удаленной машине, и где его программы выполняются. Он может вообще не знать, подключен ли его компьютер к сети. Внутреннее строение распределенной операционной системы имеет существенные отличия от автономных систем.

Изучение строения распределенных операционных систем не входит в задачи нашего курса. Этому вопросу посвящены другие учебные курсы - Advanced operating systems, как называют их в англоязычных странах, или «Современные операционные системы», как принято называть их в России. В этой лекции мы затронем вопросы, связанные с сетевыми операционными системами, а именно - какие изменения необходимо внести в классическую операционную систему для объединения компьютеров в сеть.

Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей

Все перечисленные выше цели объединения компьютеров в вычислительные сети не могут быть достигнуты без организации взаимодействия процессов на различных вычислительных системах. Будь то доступ к разделяемым ресурсам или общение пользователей через сеть - в основе всего этого лежит взаимодействие удаленных процессов, т. е. процессов, которые находятся под управлением физически разных операционных систем. Поэтому мы в своей работе сосредоточимся именно на вопросах кооперации таких процессов, в первую очередь выделив ее отличия от кооперации процессов в одной автономной вычислительной системе (кооперации локальных процессов), о которой мы говорили в лекциях 4, 5 и 6.

Изучая взаимодействие локальных процессов, мы разделили средства обмена информацией по объему передаваемых между ними данных и возможности влияния на поведение другого процесса на три категории: сигнальные, канальные и разделяемая память. На самом деле во всей этой систематизации присутствовала некоторая доля лукавства. Мы фактически классифицировали средства связи по виду интерфейса обращения к ним, в то время как реальной физической основой для всех средств связи в том или ином виде являлось разделение памяти. Семафоры представляют собой просто целочисленные переменные, лежащие в разделяемой памяти, к которым посредством системных вызовов, определяющих состав и содержание допустимых операций над ними, могут обращаться различные процессы. Очереди сообщений и pip базируются на буферах ядра операционной системы, которые опять-таки с помощью системных вызовов доступны различным процессам. Иного способа реально передать информацию от процесса к процессу в автономной вычислительной системе просто не существует. Взаимодействие удаленных процессов принципиально отличается от ранее рассмотренных случаев. Общей памяти у различных компьютеров физически нет. Удаленные процессы могут обмениваться информацией, только передавая друг другу пакеты данных определенного формата (в виде последовательностей электрических или электромагнитных сигналов, включая световые) через некоторый физический канал связи или несколько таких каналов, соединяющих компьютеры. Поэтому в основе всех средств взаимодействия удаленных процессов лежит передача структурированных пакетов информации или сообщений.

При взаимодействии локальных процессов и процесс-отправитель информации, и процесс-получатель функционируют под управлением одной и той же операционной системы. Эта же операционная система поддерживает и функционирование промежуточных накопителей данных при использовании непрямой адресации. Для организации взаимодействия процессы пользуются одними и теми же системными вызовами, присущими данной операционной системе, с одинаковыми интерфейсами. Более того, в автономной операционной системе передача информации от одного процесса к другому, независимо от используемого способа адресации, как правило (за исключением микроядерных операционных систем), происходит напрямую - без участия других процессов-посредников. Но даже и при наличии процессов-посредников все участники передачи информации находятся под управлением одной и той же операционной системы. При организации сети, конечно, можно обеспечить прямую связь между всеми вычислительными комплексами, соединив каждый из них со всеми остальными посредством прямых физических линий связи или подключив все комплексы к общей шине (по примеру шин данных и адреса в компьютере). Однако такая сетевая топология не всегда возможна по ряду физических и финансовых причин. Поэтому во многих случаях информация между удаленными процессами в сети передается не напрямую, а через ряд процессов-посредников, «обитающих» на вычислительных комплексах, не являющихся компьютерами отправителя и получателя и работающих под управлением собственных операционных систем. Однако и при отсутствии процессов-посредников удаленные процесс-отправитель и процесс-получатель функционируют под управлением различных операционных систем, часто имеющих принципиально разное строение.

Вопросы надежности средств связи и способы ее реализации, рассмотренные нами в лекции 4, носили для случая локальных процессов скорее теоретический характер. Мы выяснили, что физической основой «общения» процессов на автономной вычислительной машине является разделяемая память. Поэтому для локальных процессов надежность передачи информации определяется надежностью ее передачи по шине данных и хранения в памяти машины, а также корректностью работы операционной системы. Для хороших вычислительных комплексов и операционных систем мы могли забыть про возможную ненадежность средств связи. Для удаленных процессов вопросы, связанные с надежностью передачи данных, становятся куда более значимыми. Протяженные сетевые линии связи подвержены разнообразным физическим воздействиям, приводящим к искажению передаваемых по ним физических сигналов (помехи в эфире) или к полному отказу линий (мыши съели кабель). Даже при отсутствии внешних помех передаваемый сигнал затухает по мере удаления от точки отправления, приближаясь по интенсивности к внутренним шумам линий связи. Промежуточные вычислительные комплексы сети, участвующие в доставке информации, не застрахованы от повреждений или внезапной перезагрузки операционной системы. Поэтому вычислительные сети должны организовываться исходя из предпосылок ненадежности доставки физических пакетов информации.

При организации взаимодействия локальных процессов каждый процесс (в случае прямой адресации) и каждый промежуточный объект для накопления данных (в случае непрямой адресации) должны были иметь уникальные идентификаторы - адреса - в рамках одной операционной системы. При организации взаимодействия удаленных процессов участники этого взаимодействия должны иметь уникальные адреса уже в рамках всей сети.

Физическая линия связи, соединяющая несколько вычислительных комплексов, является разделяемым ресурсом для всех процессов комплексов, которые хотят ее использовать. Если два процесса попытаются одновременно передать пакеты информации по одной и той же линии, то в результате интерференции физических сигналов, представляющих эти пакеты, произойдет взаимное искажение передаваемых данных. Для того чтобы избежать возникновения такой ситуации (race condition!) и обеспечить эффективную совместную работу вычислительных систем, должны выполняться условия взаимоисключения, прогресса и ограниченного ожидания при использовании общей линии связи, но уже не на уровне отдельных процессов операционных систем, а на уровне различных вычислительных комплексов в целом.

Давайте теперь, абстрагировавшись от физического уровня организации связи и не обращая внимания на то, какие именно физические средства - оптическое волокно, коаксиальный кабель, спутниковая связь и т. д. - лежат в основе объединения компьютеров в сеть, обсудим влияние перечисленных отличий на логические принципы организации взаимодействия удаленных процессов.

Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами

К числу наиболее фундаментальных вопросов, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, можно отнести следующие:

Как нужно соединять между собой различные вычислительные системы физическими линиями связи для организации взаимодействия удаленных процессов? Какими критериями при этом следует пользоваться?

Как избежать возникновения race condition при передаче информации различными вычислительными системами после их подключения к общей линии связи? Какие алгоритмы могут при этом применяться?

Какие виды интерфейсов могут быть предоставлены пользователю операционными системами для передачи информации по сети? Какие существуют модели взаимодействия удаленных процессов? Как процессы, работающие под управлением различных по своему строению операционных систем, могут общаться друг с другом?

Какие существуют подходы к организации адресации удаленных процессов? Насколько они эффективны?

Как организуется доставка информации от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю через компьютеры-посредники? Как выбирается маршрут для передачи данных в случае разветвленной сетевой структуры, когда существует не один вариант следования пакетов данных через компьютеры-посредники?

Разумеется, степень важности этих вопросов во многом зависит от того, с какой точки зрения мы рассматриваем взаимодействие удаленных процессов. Системного программиста, в первую очередь, интересуют интерфейсы, предоставляемые операционными системами. Сетевого администратора больше будут занимать вопросы адресации процессов и выбора маршрута доставки данных. Проектировщика сетей в организации - способы соединения компьютеров и обеспечения корректного использования разделяемых сетевых ресурсов. Мы изучаем особенности строения и функционирования частей операционных систем, ответственных за взаимодействие удаленных процессов, а поэтому рассматриваемый перечень вопросов существенно сокращается.

Выбор способа соединения участников сетевого взаимодействия физическими линиями связи (количество и тип прокладываемых коммуникаций, какие именно устройства и как они будут соединять,т. е. топология сети) определяется проектировщиками сетей исходя из имеющихся средств, требуемой производительности и надежности взаимодействия. Все это не имеет отношения к функционированию операционных систем, является внешним по отношению к ним и в нашем курсе рассматриваться не будет.

В современных сетевых вычислительных комплексах решение вопросов организации взаимоисключений при использовании общей линии связи, как правило, также находится вне компетенции операционных систем и вынесено на физический уровень организации взаимодействия. Ответственность за корректное использование коммуникаций возлагается на сетевые адаптеры, поэтому подобные проблемы мы тоже рассматривать не будем.

Из приведенного перечня мы с вами подробнее остановимся на решении вопросов, приведенных в пунктах 3-5.

Понятие протокола

Для описания происходящего в автономной операционной системе в лекции 2 было введено основополагающее понятие «процесс», на котором, по сути дела, базируется весь наш курс. Для того чтобы описать взаимодействие удаленных процессов и понять, какие функции и как должны выполнять дополнительные части сетевых операционных систем, отвечающих за такое взаимодействие, нам понадобится не менее фундаментальное понятие - протокол.

«Общение» локальных процессов напоминает общение людей, проживающих в одном городе. Если взаимодействующие процессы находятся под управлением различных операционных систем, то эта ситуация подобна общению людей, проживающих в разных городах и, возможно, в разных странах.

Каким образом два человека, находящиеся в разных городах, а тем более странах, могут обмениваться информацией? Для этого им обычно приходится прибегать к услугам соответствующих служб связи. При этом между службами связи различных городов (государств) должны быть заключены определенные соглашения, позволяющие корректно организовывать такой обмен. Если речь идет, например, о почтовых отправлениях, то в первую очередь необходимо договориться о том, что может представлять собой почтовое отправление, какой вид оно может иметь. Некоторые племена индейцев для передачи информации пользовались узелковыми письмами - поясами, к которым крепились веревочки с различным числом и формой узелков. Если бы такое письмо попало в современный почтовый ящик, то, пожалуй, ни одно отделение связи не догадалось бы, что это - письмо, и пояс был бы выброшен как ненужный хлам. Помимо формы представления информации необходима договоренность о том, какой служебной информацией должно снабжаться почтовое отправление (адрес получателя, срочность доставки, способ пересылки: поездом, авиацией, с помощью курьера и т. п.) и в каком формате она должна быть представлена. Адреса, например, в России и в США принято записывать по-разному. В России мы начинаем адрес со страны, далее указывается город, улица и квартира. В США все наоборот: сначала указывается квартира, затем улица и т. д. Конечно, даже при неправильной записи адреса письмо, скорее всего, дойдет до получателя, но можно себе представить растерянность почтальона, пытающегося разгадать, что это за страна или город - «кв.162»? Как видим, доставка почтового отправления из одного города (страны) в другой требует целого ряда соглашений между почтовыми ведомствами этих городов (стран).

Аналогичная ситуация возникает и при общении удаленных процессов, работающих под управлением разных операционных систем. Здесь процессы играют роль людей, проживающих в разных городах, а сетевые части операционных систем - роль соответствующих служб связи. Для того чтобы удаленные процессы могли обмениваться данными, необходимо, чтобы сетевые части операционных систем руководствовались определенными соглашениями, или, как принято говорить, поддерживали определенные протоколы. Термин «протокол» уже встречался нам в лекции 13, посвященной организации ввода-вывода в операционных системах, при обсуждении понятия «шина». Мы говорили, что понятие шины подразумевает не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам, т. е. в «протокол» мы вкладывали практически тот же смысл. В следующем разделе мы попытаемся дать более формализованное определение этого термина.

Необходимо отметить, что и локальные процессы при общении также должны руководствоваться определенными соглашениями или поддерживать определенные протоколы. Только в автономных операционных системах они несколько завуалированы. В роли таких протоколов выступают специальная последовательность системных вызовов при организации взаимодействия процессов и соглашения о параметрах системных вызовов.

Различные способы решения проблем 3-5, поднятых в предыдущем разделе, по существу, представляют собой различные соглашения, которых должны придерживаться сетевые части операционных систем, т. е. различные сетевые протоколы. Именно наличие сетевых протоколов позволяет организовать взаимодействие удаленных процессов. При рассмотрении перечисленных выше проблем необходимо учитывать, с какими сетями мы имеем дело.

В литературе принято говорить о локальных вычислительных сетях (LAN - Local Area Network) и глобальных вычислительных сетях (WAN - Wide Area Network). Строгого определения этим понятиям обычно не дается, а принадлежность сети к тому или иному типу часто определяется взаимным расположением вычислительных комплексов, объединенных в сеть. Так, например, в большинстве работ к локальным сетям относят сети, состоящие из компьютеров одной организации, размещенные в пределах одного или нескольких зданий, а к глобальным сетям - сети, охватывающие все компьютеры в нескольких городах и более. Зачастую вводится дополнительный термин для описания сетей промежуточного масштаба - муниципальных или городских вычислительных сетей (MAN - Metropolitan Area Network) - сетей, объединяющих компьютеры различных организаций в пределах одного города или одного городского района. Таким образом, упрощенно можно рассматривать глобальные сети как сети, состоящие из локальных и муниципальных сетей. А муниципальные сети, в свою очередь, могут состоять из нескольких локальных сетей. На самом деле деление сетей на локальные, глобальные и муниципальные обычно связано не столько с местоположением и принадлежностью вычислительных систем, соединенных сетью, сколько с различными подходами, применяемыми для решения поставленных вопросов в рамках той или иной сети, - с различными используемыми протоколами.

Многоуровневая модель построения сетевых вычислительных систем

Даже беглого взгляда на перечень проблем, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, достаточно, чтобы понять, что построение сетевых средств связи - задача более сложная, чем реализация локальных средств связи. Поэтому обычно задачу создания таких средств решают по частям, применяя уже неоднократно упоминавшийся нами «слоеный», или многоуровневый, подход.

Как уже отмечалось при обсуждении «слоеного» строения операционных систем на первой лекции, при таком подходе уровень N системы предоставляет сервисы уровню N+1, пользуясь в свою очередь только сервисами уровня N-1. Следовательно, каждый уровень может взаимодействовать непосредственно только со своими соседями, руководствуясь четко закрепленными соглашениями - вертикальными протоколами, которые принято называть интерфейсами.

Самым нижним уровнем в слоеных сетевых вычислительных системах является уровень, на котором реализуется реальная физическая связь между двумя узлами сети. Из предыдущего раздела следует, что для обеспечения обмена физическими сигналами между двумя различными вычислительными системами необходимо, чтобы эти системы поддерживали определенный протокол физического взаимодействия - горизонтальный протокол.

На самом верхнем уровне находятся пользовательские процессы, которые инициируют обмен данными. Количество и функции промежуточных уровней варьируются от одной системы к другой. Вернемся к нашей аналогии с пересылкой почтовых отправлений между людьми, проживающими в разных городах, правда, с порядком их пересылки несколько отличным от привычного житейского порядка. Рассмотрим в качестве пользовательских процессов руководителей различных организаций, желающих обменяться письмами. Руководитель (пользовательский процесс) готовит текст письма (данные) для пересылки в другую организацию. Затем он отдает его своему секретарю (совершает системный вызов - обращение к нижележащему уровню), сообщая, кому и куда должно быть направлено письмо. Секретарь снимает с него копию и выясняет адрес организации. Далее идет обращение к нижестоящему уровню, допустим, письмо направляется в канцелярию. Здесь оно регистрируется (ему присваивается порядковый номер), один экземпляр запечатывается в конверт, на котором указывается, кому и куда адресовано письмо, впечатывается адрес отправителя. Копия остается в канцелярии, а конверт отправляется на почту (переход на следующий уровень). На почте наклеиваются марки и делаются другие служебные пометки, определяется способ доставки корреспонденции и т. д. Наконец, поездом, самолетом или курьером (физический уровень!) письмо следует в другой город, в котором все уровни проходятся в обратном порядке. Пользовательский уровень (руководитель) после подготовки исходных данных и инициации процесса взаимодействия далее судьбой почтового отправления не занимается. Все остальное (включая, быть может, проверку его доставки и посылку копии в случае утери) выполняют нижележащие уровни.

Заметим, что на каждом уровне взаимодействия в городе отправителя исходные данные (текст письма) обрастают дополнительной служебной информацией. Соответствующие уровни почтовой службы в городе получателя должны уметь понимать эту служебную информацию. Таким образом, для одинаковых уровней в различных городах необходимо следование специальным соглашениям - поддержка определенных горизонтальных протоколов.

Точно так же в сетевых вычислительных системах все их одинаковые уровни, лежащие выше физического, виртуально обмениваются данными посредством горизонтальных протоколов. Наличие такой виртуальной связи означает, что уровень N компьютера 2 должен получить ту же самую информацию, которая была отправлена уровнем N компьютера 1. Хотя в реальности эта информация должна была сначала дойти сверху вниз до уровня 1 компьютера 1, затем передана уровню 1 компьютера 2 и только после этого доставлена снизу вверх уровню N этого компьютера.

Формальный перечень правил, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты различных вычислительных систем, лежащие на одном уровне, мы и будем называть сетевым протоколом.

Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов (интерфейсов и сетевых протоколов) в сетевых системах, построенных по «слоеному» принципу, достаточную для организации взаимодействия удаленных процессов, принято называть семейством протоколов или стеком протоколов. Сети, построенные на основе разных стеков протоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стека протоколов в другой, причем на различных уровнях слоеной модели

Эталоном многоуровневой схемы построения сетевых средств связи считается семиуровневая модель открытого взаимодействия систем (Open System INTerconnection - OSI), предложенная Международной организацией Стандартов (International Standard Organization - ISO) и получившая сокращенное наименование OSI/ISO.

Давайте очень кратко опишем, какие функции выполняют различные уровни модели OSI/ISO [Олифер, 2001]:

Уровень 1 - физический. Этот уровень связан с работой hardware. На нем определяются физические аспекты передачи информации по линиям связи, такие как: напряжения, частоты, природа передающей среды, способ передачи двоичной информации по физическому носителю, вплоть до размеров и формы используемых разъемов. В компьютерах за поддержку физического уровня обычно отвечает сетевой адаптер.

Уровень 2 - канальный. Этот уровень отвечает за передачу данных по физическому уровню без искажений между непосредственно связанными узлами сети. На нем формируются физические пакеты данных для реальной доставки по физическому уровню. Протоколы канального уровня реализуются совместно сетевыми адаптерами и их драйверами (понятие драйвера рассматривалось в лекции 13).

Уровень 3 - сетевой. Сетевой уровень несет ответственность за доставку информации от узла-отправителя к узлу-получателю. На этом уровне частично решаются вопросы адресации, осуществляется выбор маршрутов следования пакетов данных, решаются вопросы стыковки сетей, а также управление скоростью передачи информации для предотвращения перегрузок в сети.

Уровень 4 - транспортный. Регламентирует передачу данных между удаленными процессами. Обеспечивает доставку информации вышележащим уровнем с необходимой степенью надежности, компенсируя, быть может, ненадежность нижележащих уровней, связанную с искажением и потерей данных или доставкой пакетов в неправильном порядке. Наряду с сетевым уровнем может управлять скоростью передачи данных и частично решать проблемы адресации.

Рис. 17.1. Семиуровневая эталонная модель OSI/ISO

Уровень 5 - сеансовый. Координирует взаимодействие связывающихся процессов. Основная задача - предоставление средств синхронизации взаимодействующих процессов. Такие средства синхронизации позволяют создавать контрольные точки при передаче больших объемов информации. В случае сбоя в работе сети передачу данных можно возобновить с последней контрольной точки, а не начинать заново.

Уровень 6 - уровень представления данных. Отвечает за форму представления данных, перекодирует текстовую и графическую информацию из одного формата в другой, обеспечивает ее сжатие и распаковку, шифрование и декодирование.

Уровень 7 - прикладной. Служит для организации интерфейса между пользователем и сетью. На этом уровне реализуются такие сервисы, как удаленная передача данных, удаленный терминальный доступ, почтовая служба и работа во Всемирной паутине (Web-браузеры).

Надо отметить, что к приведенной эталонной модели большинство практиков относится без излишнего пиетета. Эта модель не предвосхитила появления различных семейств протоколов, таких как, например, семейство протоколов TCP/IP, а наоборот, была создана под их влиянием. Ее не следует рассматривать как готовый оптимальный чертеж для создания любого сетевого средства связи. Наличие некоторой функции на определенном уровне не гарантирует, что это ее наилучшее место, некоторые функции (например, коррекция ошибок) дублируются на нескольких уровнях, да и само деление на 7 уровней носит отчасти произвольный характер. Хотя в конце концов были созданы работающие реализации этой модели, но наиболее распространенные семейства протоколов лишь до некоторой степени согласуются с ней. Как отмечено в книге [Таненбаум, 2002], она больше подходит для реализации телефонных, а не вычислительных сетей. Ценность предложенной эталонной модели заключается в том, что она показывает направление, в котором должны двигаться разработчики новых вычислительных сетей.

Проблемы 3-5, перечисленные в разделе «Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами», относятся в основном к сетевому и транспортному уровням эталонной модели и, соответственно, решаются на уровне сетевых и транспортных протоколов. Давайте приступим, наконец, к их рассмотрению.

Проблемы адресации в сети

Любой пакет информации, передаваемый по сети, должен быть снабжен адресом получателя. Если взаимодействие подразумевает двустороннее общение, то в пакет следует также включить и адрес отправителя. В лекции 4 мы описали один из протоколов организации надежной связи с использованием контрольных сумм, нумерации пакетов и подтверждения получения неискаженного пакета в правильном порядке. Для отправки подтверждений обратный адрес также следует включать в пересылаемый пакет. Таким образом, практически каждый сетевой пакет информации должен быть снабжен адресом получателя и адресом отправителя. Как могут выглядеть такие адреса?

Несколько раньше, обсуждая отличия взаимодействия удаленных процессов от взаимодействия локальных процессов, мы говорили, что удаленные адресаты должны обладать уникальными адресами уже не в пределах одного компьютера, а в рамках всей сети. Существует два подхода к наделению объектов такими сетевыми адресами: одноуровневый и двухуровневый.

Одноуровневые адреса

В небольших компьютерных сетях можно построить одноуровневую систему адресации. При таком подходе каждый процесс, желающий стать участником удаленного взаимодействия (при прямой адресации), и каждый объект, для такого взаимодействия предназначенный (при непрямой адресации), получают по мере необходимости собственные адреса (символьные или числовые), а сами вычислительные комплексы, объединенные в сеть, никаких самостоятельных адресов не имеют. Подобный метод требует довольно сложного протокола обеспечения уникальности адресов. Вычислительный комплекс, на котором запускается взаимодействующий процесс, должен запросить все компьютеры сети о возможности присвоения процессу некоторого адреса. Только после получения от них согласия процессу может быть назначен адрес. Поскольку процесс, посылающий данные другому процессу, не может знать, на каком компоненте сети находится процесс-адресат, передаваемая информация должна быть направлена всем компонентам сети (так называемое широковещательное сообщение - broadcast message), проанализирована ими и либо отброшена (если процесса-адресата на данном компьютере нет), либо доставлена по назначению. Так как все данные постоянно передаются от одного комплекса ко всем остальным, такую одноуровневую схему обычно применяют только в локальных сетях с прямой физической связью всех компьютеров между собой (например, в сети NetBIOS на базе Ethernet), но она является существенно менее эффективной, чем двухуровневая схема адресации.

Двухуровневые адреса

При двухуровневой адресации полный сетевой адрес процесса или промежуточного объекта для хранения данных складывается из двух частей - адреса вычислительного комплекса, на котором находится процесс или объект в сети (удаленного адреса), и адреса самого процесса или объекта на этом вычислительном комплексе (локального адреса). Уникальность полного адреса будет обеспечиваться уникальностью удаленного адреса для каждого компьютера в сети и уникальностью локальных адресов объектов на компьютере. Давайте подробнее рассмотрим проблемы, возникающие для каждого из компонентов полного адреса.

Удаленная адресация и разрешение адресов

Инициатором связи процессов друг с другом всегда является человек, будь то программист или обычный пользователь. Как мы неоднократно отмечали в лекциях, человеку свойственно думать словами, он легче воспринимает символьную информацию. Поэтому очевидно, что каждая машина в сети получает символьное, часто даже содержательное имя. Компьютер не разбирается в смысловом содержании символов, ему проще оперировать числами, желательно одного и того же формата, которые помещаются, например, в 4 байт или в 16 байт. Поэтому каждый компьютер в сети для удобства работы вычислительных систем получает числовой адрес. Возникает проблема отображения пространства символьных имен (или адресов) вычислительных комплексов в пространство их числовых адресов. Эта проблема получила наименование проблемы разрешения адресов.

С подобными задачами мы уже сталкивались, обсуждая организацию памяти в вычислительных системах (отображение имен переменных в их адреса в процессе компиляции и редактирования связей) и организацию файловых систем (отображение имен файлов в их расположении на диске). Посмотрим, как она может быть решена в сетевом варианте.

Первый способ решения заключается в том, что на каждом сетевом компьютере создается файл, содержащий имена всех машин, доступных по сети, и их числовые эквиваленты. Обращаясь к этому файлу, операционная система легко может перевести символьный удаленный адрес в числовую форму. Такой подход использовался на заре эпохи глобальных сетей и применяется в изолированных локальных сетях в настоящее время. Действительно, легко поддерживать файл соответствий в корректном виде, внося в него необходимые изменения, когда общее число сетевых машин не превышает нескольких десятков. Как правило, изменения вносятся на некотором выделенном административном вычислительном комплексе, откуда затем обновленный файл рассылается по всем компонентам сети.

В современной сетевой паутине этот подход является неприемлемым. Дело даже не в размерах подобного файла, а в частоте требуемых обновлений и в огромном количестве рассылок, что может полностью подорвать производительность сети. Проблема состоит в том, что добавление или удаление компонента сети требует внесения изменений в файлы на всех сетевых машинах. Второй метод разрешения адресов заключается в частичном распределении информации о соответствии символьных и числовых адресов по многим комплексам сети, так что каждый из этих комплексов содержит лишь часть полных данных. Он же определяет и правила построения символических имен компьютеров.

Один из таких способов, используемый в Internet, получил английское наименование domain name service или сокращенно DNS. Эта аббревиатура широко используется и в русскоязычной литературе. Давайте рассмотрим данный метод подробнее.

Организуем логически все компьютеры сети в некоторую древовидную структуру, напоминающую структуру директорий файловых систем, в которых отсутствует возможность организации жестких и мягких связей и нет пустых директорий. Будем рассматривать все компьютеры, входящие во Всемирную сеть, как область самого низкого ранга (аналог корневой директории в файловой системе) - ранга 0. Разобьем все множество компьютеров области на какое-то количество подобластей (domains). При этом некоторые подобласти будут состоять из одного компьютера (аналоги регулярных файлов в файловых системах), а некоторые - более чем из одного компьютера (аналоги директорий в файловых системах). Каждую подобласть будем рассматривать как область более высокого ранга. Присвоим подобластям собственные имена таким образом, чтобы в рамках разбиваемой области все они были уникальны. Повторим такое разбиение рекурсивно для каждой области более высокого ранга, которая состоит более чем из одного компьютера, несколько раз, пока при последнем разбиении в каждой подобласти не окажется ровно по одному компьютеру. Глубина рекурсии для различных областей одного ранга может быть разной, но обычно в целом ограничиваются 3 - 5 разбиениями, начиная от ранга 0.

В результате мы получим дерево, неименованной вершиной которого является область, объединяющая все компьютеры, входящие во Всемирную сеть, именованными терминальными узлами - отдельные компьютеры (точнее - подобласти, состоящие из отдельных компьютеров), а именованными нетерминальными узлами - области различных рангов. Используем полученную структуру для построения имен компьютеров, подобно тому как мы поступали при построении полных имен файлов в структуре директорий файловой системы. Только теперь, двигаясь от корневой вершины к терминальному узлу - отдельному компьютеру, будем вести запись имен подобластей справа налево и отделять имена друг от друга с помощью символа «.».

Допустим, некоторая подобласть, состоящая из одного компьютера, получила имя serv, она входит в подобласть, объединяющую все компьютеры некоторой лаборатории, с именем crec. Та, в свою очередь, входит в подобласть всех компьютеров Московского физико-технического института с именем mipt, которая включается в область ранга 1 всех компьютеров России с именем ru. Тогда имя рассматриваемого компьютера во Всемирной сети будет serv.crec.mipt.ru. Аналогичным образом можно именовать и подобласти, состоящие более чем из одного компьютера.

В каждой полученной именованной области, состоящей более чем из одного узла, выберем один из компьютеров и назначим его ответственным за эту область - сервером DNS. Сервер DNS знает числовые адреса серверов DNS для подобластей, входящих в его зону ответственности, или числовые адреса отдельных компьютеров, если такая подобласть включает в себя только один компьютер. Кроме того, он также знает числовой адрес сервера DNS, в зону ответственности которого входит рассматриваемая область (если это не область ранга 1), или числовые адреса всех серверов DNS ранга 1 (в противном случае). Отдельные компьютеры всегда знают числовые адреса серверов DNS, которые непосредственно за них отвечают.

Рассмотрим теперь, как процесс на компьютере serv.crec.mipt.ru может узнать числовой адрес компьютера ssp.brown.edu. Для этого он обращается к своему DNS-серверу, отвечающему за область crec.mipt.ru, и передает ему нужный адрес в символьном виде. Если этот DNS-сервер не может сразу представить необходимый числовой адрес, он передает запрос DNS-серверу, отвечающему за область mipt.ru. Если и тот не в силах самостоятельно справиться с проблемой, он перенаправляет запрос серверу DNS, отвечающему за область 1-го ранга ru. Этот сервер может обратиться к серверу DNS, обслуживающему область 1-го ранга edu, который, наконец, затребует информацию от сервера DNS области brown.edu, где должен быть нужный числовой адрес. Полученный числовой адрес по всей цепи серверов DNS в обратном порядке будет передан процессу, направившему запрос (см. рис.17.2).