4.Внутреннее устройство Windows (гл. 12-14) - Марк Руссинович

Эталонная модель OSI — идеал, точно реализованный лишь в очень немногих системах, но часто используемый при объяснении основных принципов работы сети. Каждый уровень на одной из машин считает, что он взаимодействует с тем же уровнем на другой машине. Ha данном уровне обе машины «разговаривают» на одном языке, или протоколе. Ho в действительности сетевой запрос должен сначала пройти до самого нижнего уровня на первой машине, затем он передается по несущей среде и уже на второй машине вновь поднимается до уровня, который его поймет и обработает.

Задача каждого уровня в том, чтобы предоставлять сервисы более высоким уровням и скрывать от них конкретную реализацию этих сервисов. Подробное обсуждение каждого сетевого уровня выходит за рамки нашей книги, но мы все же дадим их краткое описание.

• Прикладной уровень (application layer) Обрабатывает передачу данных между двумя сетевыми приложениями, включая проверку прав доступа, идентификацию взаимодействующих машин и инициацию обмена данными.

• Презентационный уровень (presentation layer) Отвечает за форматирование данных, в том числе решает, должны ли строки заканчиваться парой символов «возврат каретки/перевод строки» (CR/LF) или только символом «возврат каретки» (CR), надо ли сжимать данные, кодировать и т. д.

• Сеансовый уровень (session layer) Управляет соединением взаимодействующих приложений, включая высокоуровневую синхронизацию и контроль за тем, какое из них «говорит», а какое «слушает».

• Транспортный уровень (transport layer) Ha передающей стороне разбивает сообщения на пакеты и присваивает им порядковые номера, гарантирующие прием пакетов в должном порядке. Кроме того, изолирует сеансовый уровень от влияния изменений в составе оборудования.

• Сетевой уровень (network layer) Создает заголовки пакетов, отвечает за маршрутизацию, контроль трафика и взаимодействие с межсетевой средой. Это самый высокий из уровней, который понимает топологию сетей, т. е. физическую конфигурацию машин в них, ограничения пропускной способности этих сетей и т. д.

• Канальный уровень (data-link layer) Пересылает низкоуровневые кадры данных, ждет подтверждений об их приеме и повторяет передачу кадров, потерянных в ненадежных линиях связи.

• Физический уровень (physical layer) Передает биты по сетевому кабелю или другой физической несущей среде.

Как уже говорилось, каждый сетевой уровень считает, что он взаимодействует с эквивалентным уровнем на другой машине, который использует тот же протокол. Набор протоколов, передающих запросы по сетевым уровням, называется стеком протоколов.

Ha рис. 13-2 представлена общая схема сетевых компонентов Windows, их соответствие уровням модели OSI, а также протоколы, используемые различными уровнями. Как видите, между уровнями OSI и реальными сетевыми компонентами нет точного соответствия. Некоторые компоненты охватывают несколько уровней. Ниже приводится список сетевых компонентов с кратким описанием.

• Сетевые API Обеспечивают независимое от протоколов взаимодействие приложений через сеть. Сетевые API реализуются либо в режиме ядра и пользовательском режиме, либо только в пользовательском режиме. Некоторые сетевые API являются оболочками других API и реализуют специфическую модель программирования или предоставляют дополнительные сервисы. (Термином «сетевые API» обозначаются любые программные интерфейсы, предоставляемые сетевым программным обеспечением.)

• Клиенты TDI (Transport Driver Interface) Драйверы устройств режима ядра, обычно реализующие ту часть сетевого API, которая работает в режиме ядра. Клиенты TDI называются так из-за того, что пакеты запросов ввода-вывода (IRP), которые они посылают драйверам протоколов, форматируются по стандарту Transport Driver Interface (документированному в DDK). Этот стандарт определяет общий интерфейс программирования драйверов устройств режима ядра. (Об IRP см. главу 9)

• Транспорты TDI Представляют собой драйверы протоколов режима ядра и часто называются транспортами, NDlS-драйверами протоколов или драйверами протоколов. Они принимают IRP от клиентов TDI и обрабатывают запросы, представленные этими IRP Обработка запросов может потребовать взаимодействия через сеть с другим равноправным компьютером; в таком случае транспорт TDI добавляет к данным IRP заголовки, специфичные для конкретного протокола (TCP, UDP, IPX), и взаимодействует с драйверами адаптеров через функции NDIS (также документированные в DDK). B общем, транспорты TDI связывают приложения через сеть, выполняя такие операции, как сегментация сообщений, их восстановление, упорядочение, подтверждение и повторная передача.

• Библиотека NDIS (Ndis.sys) Инкапсулирует функциональность для драйверов адаптеров, скрывая от них специфику среды Windows, работающей в режиме ядра. Библиотека NDIS экспортирует функции для транспортов TDI, а также функции поддержки для драйверов адаптеров.

Рис. 13-2. Модель OSI и сетевые компоненты Windows

• Минипорт-драйверы NDIS Драйверы режима ядра, отвечающие за организацию интерфейсов между транспортами TDI и конкретными сетевыми адаптерами. Минипорт-драйверы NDIS пишутся так, чтобы они были заключены в оболочку библиотеки NDIS. Такая инкапсуляция обеспечивает межплатформенную совместимость с потребительскими версиями Microsoft Windows. Минипорт-драйверы NDIS не обрабатывают IRP, а регистрируют интерфейс таблицы вызовов библиотеки NDIS, которая содержит указатели на функции, соответствующие функциям, экспортируемым библиотекой NDIS для транспортов TDI. Минипорт-драйверы NDIS взаимодействуют с сетевыми адаптерами, используя функции библиотеки NDIS, которые вызывают соответствующие функции HAL. Фактически четыре нижних сетевых уровня часто обозначают собирательным термином «транспорт», а компоненты, расположенные на трех верхних уровнях, — термином «пользователи транспорта».

Далее мы подробно рассмотрим сетевые компоненты, показанные на рис. 13-2 (равно как и не показанные на нем), обсудим их взаимосвязи и то место, которое они занимают в Windows.

Для поддержки унаследованных приложений и для совместимости с промышленными стандартами в Windows реализован целый набор сетевых API. B этом разделе мы расскажем о сетевых API и поясним, как они используются приложениями. Важно иметь в виду, что выбор API для приложения определяется характеристиками APL поверх каких протоколов он может работать, поддерживает ли он надежную и двустороннюю связь, а также переносим ли он на другие Windows-платформы, на которых может работать данное приложение. Мы обсудим следующие сетевые APL

• Windows Sockets (Winsock);

• Remote Procedure Call (RPC);

• API доступа к Web;

• именованные каналы (named pipes) и почтовые ящики (mailslots);

• NetBIOS:

• прочие сетевые API.

Изначально Windows Sockets (Winsock) версии 1.0 был Microsoft-реализацией BSD (Berkeley Software Distribution) Sockets, программного интерфейса, с 80-х годов прошлого века ставшего стандартом, на основе которого UNIX-системы взаимодействовали через Интернет. Поддержка сокетов в Windows существенно упрощает перенос сетевых приложений из UNIX в Windows. Современные версии Winsock включают большую часть функциональности BSD Sockets, а также содержат специфические расширения от Microsoft, развитие которых продолжается. Winsock поддерживает как надежные коммуникации, ориентированные на логические соединения, так и ненадежные коммуникации, не требующие логических соединений. Windows предоставляет Winsock 2.2 — для устаревших версий Windows он доступен в виде надстройки. Функциональность Winsock 2.2 выходит далеко за рамки спецификации BSD Sockets, и, в частности, он поддерживает функции, использующие средства асинхронного ввода-вывода в Windows, что обеспечивает гораздо более высокую производительность и масштабируемость, чем исходный BSD Sockets.

Winsock обеспечивает:

• ввод-вывод по механизму «scatter/gather» и асинхронный ввод-вывод;

• поддержку Quality of Service (QoS) — если нижележащая сеть поддерживает QoS, приложения могут согласовывать между собой максимальные задержки и полосы пропускания;

• расширяемость — Winsock можно использовать не только с протоколами, которые он поддерживает в Windows, но и с другими;

• поддержку интегрированных пространств имен, отличных от определенных протоколом, который используется приложением вместе с Winsock. Например, сервер может опубликовать свое имя в Active Directory, а клиент, используя расширения пространств имен, — найти адрес сервера в Active Directory;

• поддержку многоадресных сообщений, передаваемых из одного источника сразу нескольким адресатам.

Далее мы рассмотрим принципы работы Winsock и опишем способы его расширения.