Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Хотя многие версии UNIX сегодня поддерживают несколько сетевых протоколов, в этой главе мы подробнее остановимся на наиболее известном и распространенном семействе под названием TCP/IP. Эти протоколы были разработаны, а затем прошли долгий путь усовершенствований для обеспечения требований феномена XX века — глобальной сети Internet. Протоколы TCP/IP используются практически в любой коммуникационной среде, от локальных сетей на базе технологии Ethernet или FDDI, до сверхскоростных сетей ATM, от телефонных каналов точка-точка до трансатлантических линий связи с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду.

Глава начинается с описания наиболее важных протоколов семейства TCP/IP — Internet Protocol (IP), User Datagram Protocol (UDP) и Transmission Control Protocol (TCP). Здесь описываются стандартная спецификация этих протоколов и особенности реализации их алгоритмов, не определенные стандартами, но позволяющие значительно повысить производительность работы в сети.

Далее обсуждается программный интерфейс доступа к протоколам TCP/IP. При этом рассматриваются два основных интерфейса — традиционный интерфейс работы с протоколами TCP/IP — интерфейс сокетов, изначально разработанный для системы BSD UNIX, и интерфейс TLI, позволяющий унифицированно работать с любыми сетевыми протоколами, соответствующими модели OSI. В конце раздела описан программный интерфейс более высокого уровня, позволяющий отвлечься от особенностей сетевых протоколов и полностью сосредоточиться на определении интерфейса и функциональности предоставляемых прикладных услуг. Эта система, которая называется RPC (Remote Procedure Call — удаленный вызов процедур), явилась предтечей современных систем разработки распределенных приложений, таких как CORBA (Common Object Request Broker), Java и т.д.

В последних разделах главы рассматривается архитектура сетевого доступа в двух основных ветвях операционной системы — BSD UNIX и UNIX System V.

Семейство протоколов TCP/IP

В названии семейства присутствуют имена двух протоколов — TCP и IP. Это, конечно, не означает, что данными двумя протоколами исчерпывается все семейство. Более того, как будет видно, названные протоколы выполняют различные функции и используются совместно.

В 1969 году Агентство Исследований Defence Advanced Research Projects Agency (DAPRA) Министерства Обороны США начало финансирование проекта по созданию экспериментальной компьютерной сети коммутации пакетов (packet switching network). Эта сеть, названная ARPANET, была построена для обеспечения надежной связи между компьютерным оборудованием различных производителей. По мере развития сети были разработаны коммуникационные протоколы — набор правил и форматов данных, необходимых для установления связи и передачи данных. Так появилось семейство протоколов TCP/IP. В 1983 году TCP/IP был стандартизирован (MIL STD), в то же время агентство DAPRA начало финансирование проекта Калифорнийского университета в Беркли по поддержке TCP/IP в операционной системе UNIX.

Основные достоинства TCP/IP:

□ Семейство протоколов основано на открытых стандартах, свободно доступных и разработанных независимо от конкретного оборудования или операционной системы. Благодаря этому TCP/IP является наиболее распространенным средством объединения разнородного оборудования и программного обеспечения.

□ Протоколы TCP/IP не зависят от конкретного сетевого оборудования физического уровня. Это позволяет использовать TCP/IP в физических сетях самого различного типа: Ethernet, Token-Ring, т.е. практически в любой среде передачи данных.

□ Протоколы этого семейства имеют гибкую схему адресации, позволяющую любому устройству однозначно адресовать другое устройство сети. Одна и та же система адресации может использоваться как в локальных, так и в территориально распределенных сетях, включая Internet.

□ В семейство TCP/IP входят стандартизированные протоколы высокого уровня для поддержки прикладных сетевых услуг, таких как передача файлов, удаленный терминальный доступ, обмен сообщениями электронной почты и т.д.

Краткая история TCP/IP

История создания и развития протоколов TCP/IP неразрывно связана с Internet — интереснейшим достижением мирового сообщества в области коммуникационных технологий. Internet является глобальным объединением разнородных компьютерных сетей, использующих протоколы TCP/IP и имеющих общее адресное пространство. Явление Internet уникально еще и потому, что эта глобальная сеть построена на принципах самоуправления (хотя ситуация отчасти начинает меняться). Однако вернемся к истории.

Сегодняшняя сеть Internet "родилась" в 1969 году, когда агентство DARPA получило заказ на разработку сети, получившей название ARPANET. Целью создания этой сети было определение возможностей использования коммуникационной технологии пакетной коммутации. В свою очередь, агентство DARPA заключило контракт с фирмой Bolt, Beranek and Newman (BBN). В сентябре 1969 года произошел запуск сети, соединивший четыре узла: Станфордский исследовательский институт (Stanford Research Institute), Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (University of California at Santa Barbara), Калифорнийский университет в Лос-Анжелесе (University of California at Los Angeles) и Университет Юты (University of Utah). Роль коммуникационных узлов выполняли мини-компьютеры Honeywell 316, известные как Interface Message Processor (IMP).

Запуск и работа сети были успешными, что определило быстрый рост ARPANET. В то же время использованием сети в своих целях заинтересовались исследователи, далекие от военных кругов. Стали поступать многочисленные запросы от руководителей университетов США в Национальный научный фонд (National Science Foundation, NSF) с предложениями создания научно-образовательной компьютерной сети. В результате в 1981 году NSF одобрил и финансировал создание сети CSNET (Computer Science Network).

В 1984 году ARPANET разделилась на две различные сети: MILNET, предназначенную исключительно для военных приложений, и ARPANET для использования в "мирных" целях.

В 1986 году фонд NSF финансировал создание опорной сети, соединившей каналами с пропускной способностью 56 Кбит/с шесть суперкомпьютерных центров США. Сеть получила название NSFNET и просуществовала до 1995 года, являясь основной магистралью Internet. За это время пропускная способность опорной сети возросла до 45 Мбит/с, а число пользователей превысило 4 миллиона.[66]

Стремительное развитие NSFNET сделало бессмысленным дальнейшее существование ARPANET. В июне 1990 года Министерство обороны США приняло решение о прекращении работы сети. Однако уроки, полученные в процессе создания и эксплуатации ARPANET, оказали существенное влияние на развитие коммуникационных технологий, таких как локальные сети и сети пакетной коммутации.

При создании ARPANET был разработан и протокол сетевого взаимодействия коммуникационных узлов. Он получил название Network Control Program (NCP). Однако этот протокол строился на предположении, что сетевая среда взаимодействия является абсолютно надежной. Учитывая специфику ARPANET, такое предположение являлось, мягко говоря, маловероятным: качество коммуникационных каналов могло существенно изменяться в худшую сторону (особенно при предполагаемом использовании радио- и спутниковой связи), а отдельные сегменты сети могли быть разрушены.[67] Таким образом, подход к коммуникационной среде нуждался в пересмотре, и, как следствие, возникла необходимость разработки новых протоколов. Еще одной задачей, стоявшей перед разработчиками, являлось обеспечение согласованной работы связанных сетей (internet), использующих различные коммуникационные технологии (например, пакетное радио, спутниковые сети и локальные сети). Результатом исследований в этой области явилось рождение нового семейства протоколов — Internet Protocol (IP), с помощью которого осуществлялась базовая доставка данных в гетерогенной коммуникационной среде, и Transmission Control Protocol (TCP), который обеспечивал надежную передачу данных между пользователями в ненадежной сетевой инфраструктуре. Спецификации этих протоколов в 1973 году получили статус стандартов Министерства обороны MIL-STD-1777 и MIL-STD-1778 соответственно.

Архитектура TCP/IP

Архитектура семейства протоколов TCP/IP основана на представлении, что коммуникационная инфраструктура включает три объекта: процессы, хосты, и сети. Процессы являются основными коммуникационными объектами, поскольку между процессами, в конечном итоге, осуществляется передача информации. Выполнение процессов происходит на различных хостах (или компьютерах). Передача информации между процессами проходит через сети, к которым подключены хосты.

Подобный взгляд на вещи позволяет сделать основной вывод: чтобы доставить данные процессу, их необходимо сначала передать нужному хосту, а затем определенному процессу, который выполняется на этом хосте. Более того — эти две фазы могут выполняться независимо. Таким образом, от коммуникационной инфраструктуры требуется маршрутизация и доставка данных между хостами, а хосты, в свою очередь, обязаны обеспечить доставку нужным процессам.