Технология межсетевого обмена

1.1 Необходимость Интернета.

Передача данных стала фундаментальной частью вычислений. Сети, разбросанные по всему миру, собирают данные о таких разных предметах, как атмосферные условия, производство продуктов и воздушных перевозках. Группы создают электронные справочные списки, которые позволяют им получать информацию, интересную всем. Любители обмениваются программами для их домашних компьютеров. В научном мире сети данных стали необходимы, так как они позволяют ученым посылать программы и данные на удаленные суперкомпьютеры для обработки, получать результаты и обмениваться научной информацией с коллегами.

К сожалению, большинство сетей  являются независимыми сущностями, созданными для удовлетворения потребностей одной  группы людей. Пользователи выбирают аппаратную технологию, подходящую для их коммуникационных проблем. Более важно то, что нельзя создать универсальную сеть на основе одной аппаратной технологии, так как нет такой сети, которая удовлетворила бы все потребности. Некоторым пользователям нужна высокоскоростная сеть, соединяющая их машины, но такие сети не могут быть расширены на большие расстояния. Другим нужна более медленная сеть, которая будет соединять машины, находящиеся на расстоянии тысяч километров друг от друга.

Недавно, тем не менее, появилась  новая технология , которая сделала  возможным взаимное соединение большого числа разделенных физических сетей и заставила их работать как одно единое целое. Эта новая технология, называющаяся межсетевым обменом(internetworking), приспосабливает друг к другу различные аппаратные технологии, лежащие в основе физических сетей, с помощью добавления как физических соединений сетей, так и нового набора соглашений. Технология межсетевого обмена скрывает детали сетевого оборудования и позволяет компьютерам взаимодействовать вне зависимости от типа их физических соединений.

Технология межсетевого обмена, описанная в книге, является примером Взаимодействия Открытых Систем. Они  называются открытыми потому, что  в отличие от конкретных коммуникационных систем, продаваемых тем или иным производителем, ее спецификации доступны всем. Поэтому любой может создать программное обеспечение, необходимое для взаимодействия в обьединенной сети. Более того, вся эта технология была разработана для того, чтобы упростить взаимодействие между машинами с различными аппаратными архитектурами, чтобы использовать почти любое оборудование сети с коммутацией пакетов, и чтобы позволить взаимодействие различных операционных систем.

Чтобы оценить значение межсетевой технологии, подумайте, как она повлияла на исследования. Представьте на минуту эффект взаимного соединения всех компьютеров, используемых учеными. Любой ученый может обменяться результатами эксперимента с любым другим ученым. Можно создать национальные центры данных, собирающие данные о природных явлениях и делающие их доступными для всех ученых. Компьютерные средства и программы, доступные в одном месте, могут использоваться учеными в других местах. В результате скорость, с которой осуществляются научные исследования, может резко возрасти. Короче говоря, изменения могут быть очень драматичными.

1.2 Интернет TCP/IP

Правительственные агентства осознали важность и потенциал межсетевой технологии в будущем и стали  финансировать исследования, которые  сделали бы возможным создание национальной обьединенной сети. Эта книга рассматривает принципы и идеи, лежащие в основе ведущей межсетевой технологии, появившейся в результате проведения разработок, финансировавшихся агентством DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency). Технология DARPA включает набор сетевых стандартов, описывающих детально процесс взаимодействия компьютеров, а также ряд соглашений при взаимодействии сетей и маршрутизации траффика. Официально называемый Связкой Межсетевых Протоколов TCP/IP (а в обыденной речи - TCP/IP по именам двух основных стандартов), он может использоваться для взаимодействия компьютеров с помощью неограниченного числа сетей. Например, некоторые корпорации используют TCP/IP для связи сетей внутри их корпорации, даже если корпорация не имеет связи с внешними сетями. Другие группы используют TCP/IP для связи удаленных друг от друга мест.

Хотя технология TCP/IP интересна  сама по себе, она особенно хороша из-за своей жизнеспособности, которую  она продемонстрировала. Она стала  базовой технологией для большого сообщества сетей, которые связывают  большинство исследовательских институтов, включая университетские, обьединенные или правительственные лаборатории. Национальный Научный Фонд(NSF), Министерство Энергетики(DOE), Министерство Обороны(DOD), Агентство по здравоохранению(HHS) и NASA взаимодействуют друг с другом, используя TCP/IP для соединения большого числа их исследовательских центров с центрами DARPA. Получившаяся сущность, известная как обьединенный Интернет, Интернет DARPA/NSF, Интернет TCP/IP, или просто Интернет, позволяет исследователям всех связанных институтов разделять информацию с коллегами по всей стране так же легко, как если бы они были в соседней комнате. Таким образом, Интернет продемонстрировал жизнеспособность технологии TCP/IP и показал, как можно обьединить большое количество разнообразных базовых сетевых технологий.

Большинство материалов в этой книге  применимо к любому интернету, использующему TCP/IP, но некоторые главы посвящены  специально обьединенному Интернету. Читатели, интересующиеся только технологией, должны четко различать реальную существующую архитектуру Интернета и гипотетический Интернет TCP/IP, который мог бы существовать. Тем не менее, будет ошибкой игнорировать секции, описывающие обьединенный Интернет полностью - сети многих корпораций уже догнали по сложности Интернет десятилетней давности, и многие проблемы, с которыми они сталкиваются сейчас, уже давно решены в обьединенном Интернете.

1.3. Средства Интернета

Нельзя говорить о технических  деталях, лежащих в основе Интернета, не понимая средств, которые он обеспечивает. Эта глава кратко рассматривает средства Интернета, более подробно останавливаясь на тех средствах, которыми пользуется большинство пользователей, и откладывая до следующих глав рассмотрение вопроса о том, как компьютеры присоединяются к Интернету и как реализуются эти средства.

Большая часть описания средств  будет посвящена стандартам, называемым протоколами. Протоколы, такие как TCP и IP, дают формулы для передачи сообщений, описывают детали форматов сообщений  и указывают, как обрабатывать ошибки. Самое важное то, что они позволяют нам рассматривать стандарты взаимодействия вне зависимости от того, на оборудовании какого производителя, они реализуются. По существу, протоколы являются для коммуникации тем, чем является языки программирования для вычислений. Язык программирования позволяет описать или понять вычисления, не зная системы команд конкретного ЦП. Аналогично, коммуникационный протокол позволяет нам описать или понять процесс передачи данных, не зная на каком оборудовании этот процесс выполняется.

Скрытие низкоуровневых деталей взаимодействия помогает улучшить производительность. Во-первых, программистам, работающим с высокоуровневыми протокольными  абстракциями, не нужно знать или  помнить множество деталей о  конкретных параметрах оборудования. Они могут быстро создавать новые программы. Во-вторых, так как программы, разработанные, используя высокоуровневые абстракции, не ограничены архитектурой конкретной машины или конкретного сетевого оборудования, их не надо изменять при замене машины или изменении конфигурации. В-третьих, так как прикладные программы, построенные, используя высокоуровневые протоколы, независимы от используемого оборудования, они могут обеспечивать прямое взаимодействие различных машин. Программистам не нужно писать специальные версии прикладных программ для перемещения и трансляции данных для всех возможных пар типов машин. Мы увидим, что все сетевые средства описываются протоколами.

Следующие секции рассмотрят протоколы, используемые для описания средств  прикладного уровня, а также протоколы, используемые при определении сетевых средств. Следующие главы опишут каждый из этих протоколов более детально.

1.3.1 Средства Интернета прикладного  уровня.

С точки зрения пользователя, Интернет TCP/IP является набором прикладных программ, использующих сеть для выполнения полезных коммуникационных задач. Мы будем использовать термин взаимная работоспособность(interoperability) для описания способности различных вычислительных систем взаимодействовать при решении вычислительных задач. Мы утверждаем, что прикладные программы Интернета показывают высокую степень взаимной работоспособности. Большинство пользователей, которые пользуются Интернетом, делают это, просто запуская прикладные программы , не понимая при этом технологии TCP/IP, структуры Интернета, и даже не зная пути, который проходят данные до назначения; они полагаются на то, что прикладные программы сами разберутся с этими деталями. Только программисты, пишущие такие прикладные программы, смотрят на Интернет как на сеть и понимают детали этой технологии.

Самые популярные и широко распространенные прикладные средства Интернета включают:

• ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ. Электронная почта позволяет пользователю создать письмо и послать его человеку или группе людей. Другая часть этого приложения позволяет пользователю читать письма, которые он получил. Электронная почта была так успешна, что многие пользователи Интернета используют ее для обычной коммерческой переписки. Хотя существует много систем электронной почты, важно понимать, что использование TCP/IP делает доставку письма более надежной. Вместо того, чтобы полагаться на промежуточные машины при передаче письма, система предоставления письма в TCP/IP работает, напрямую соединяя машину отправителя с машиной получателя. Поэтому отправитель знает, что как только письмо покинуло его машину, оно успешно достигло места назначения.
• ПЕРЕДАЧУ ФАЙЛОВ. Хотя пользователи иногда и передают файлы, используя электронную почту, письмо предназначено для коротких, текстовых файлов. Протоколы TCP/IP включают прикладную программу передачи файлов, которая позволяет пользователям передавать или принимать довольно большие файлы программ или данных. Например, используя программу передачи файлов, можно скопировать с одной машины на другую большие обьемы данных, содержащие изображения со спутника, программы, написанные на Фортране или Паскале, или английский словарь. Эта система обеспечивает способ проверки личности пользователя или даже запрещение доступа. Как и письмо, передача файлов по Интернету TCP/IP надежна, так как две взаимодействующие машины делают это напрямую, не полагаясь на промежуточные машины для создания копий файла.
• УДАЛЕННЫЙ ДОСТУП. Являясь самым интересным приложением Интернета, удаленный доступ позволяет пользователю, находящемуся на одном компьютере, взаимодействовать с удаленной машиной и выполнять на ней интерактивный сеанс работы. Удаленный доступ позволяет создать впечатление, что терминал пользователя или его рабочая станция присоединены напрямую к удаленной машине, посылая каждый символ, нажатый на клавиатуре пользователя на удаленную машину и отображая каждый символ, возвращенный с удаленной машины, на экране терминала пользователя. Когда сеанс с удаленной машиной завершается, приложение возвращает пользователя в локальную систему.

Мы вернемся к каждому из этих приложений позднее, чтобы рассмотреть его более детально. Мы увидим, как они используют базовые протоколы TCP/IP и почему наличие стандартов прикладных протоколов помогло удостовериться, что они широко распространены.

1.3.2 Средства Интернета сетевого уровня.

Программист, который пишет прикладные программы, использующие протоколы TCP/IP, имеет совершенно другое представление  об Интернете, чем пользователь, который  просто запускает прикладные программы, такие как электронная почта. На сетевом уровне Интернет предоставляет два основных типа сервиса, который используют прикладные программы. И хотя на данном этапе несущественно понимание деталей этих средств, их нельзя опустить при любом обзоре TCP/IP:

• ДЕЙТАГРАММНОЕ СРЕДСТВО ДОСТАВКИ ПАКЕТОВ. Это средство, которое будет впоследствии детально обьяснено, образует основу всех других средств Интернета. Доставка без соединения (дейтаграмная доставка) является абстракцией сервиса, который предоставляет большинство сетей с коммутацией пакетов. Это просто означает, что Интернет TCP/IP определяет маршрут передачи небольшого сообщения от одной машины к другой, основываясь только на адресной информации, находящейся в сообщении. Так как дейтаграмное средство маршрутизирует каждый пакет отдельно, оно не гарантирует надежной доставки пакетов в том порядке, в котором они были посланы. Так как это средство обычно напрямую отображается на лежащее в его основе оборудование, средство без соединения очень эффективно. Более того, использование доставки пакетов без соединения в качестве основы всех средств Интернета делает протоколы TCP/IP адаптируемыми к широкому диапазону сетевого оборудования.
• НАДЕЖНОЕ ПОТОКОВОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО. Большинству приложений требуется нечто большее, чем простая доставка пакетов, так как они требуют от коммуникационного программного обеспечения автоматического восстановления при ошибках передачи, потере пакетов или сбоях промежуточных маршрутизаторов на пути между отправителем до получателем. Надежное транспортное средство обрабатывает эти ситуации. Оно позволяет приложению на одном компьютере устанавливать "соединение" с приложением на другом компьютере, а затем посылать большие обьемы данных по соединению, как если бы это было прямое аппаратное соединение. На самом деле, конечно, протоколы взаимодействия делят поток данных на маленькие сообщения и посылают их затем по одному, ожидая от получателя подтверждения приема.

Много сетей обеспечивает базовые  средства, аналогичные описанным  выше, поэтому кое-кто может удивиться:"Чем  же отличаются средства TCP/IP от других?". Основными отличиями являются: