Функциональная модель глобальной сети

Взаимодействие удаленных процессов лежит в основе функционирования ИС. Каждый компьютер в сети работает под управлением своей локальной опе- рационной системы (ОС). Такая ОС отличается от операционной системы авто- номного компьютера наличием дополнительных сетевых средств (программной поддержкой для сетевых интерфейсных устройств и доступа к удаленным ре- сурсам).

Во многих случаях информация между удаленными процессами в сети передается не напрямую, а через ряд процессов-посредников (рис. 4.1). Процес- сы-посредники выполняются на вычислительных комплексах, которые не яв- ляются компьютерами отправителя и получателя. Эти комплексы работают под управлением собственных операционных систем, но и при отсутствии процес- сов-посредников удаленные процесс-отправитель и процесс-получатель часто функционируют под управлением различных ОС.

Взаимодействие удаленных процессов сводится к обмену сообщениями. Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называ- ется сеансом (сессией).

Рис. 4.1. Взаимодействие процессов

Адресация в сети. При организации взаимодействия удаленных процес- сов участники этого взаимодействия должны иметь уникальные адреса уже в

 

рамках всей сети. Практически каждый сетевой пакет информации должен быть снабжен адресами получателя и отправителя.

Полный сетевой адрес процесса или промежуточного объекта для хране- ния 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.

Локальная адресация. Понятие порта. При удаленной связи для ло- кальной адресации процессов и промежуточных объектов организуется новое специальное адресное пространство.

Каждый процесс, желающий принять участие в сетевом взаимодействии, после рождения закрепляет за собой один или несколько адресов в этом адрес- ном пространстве.

Каждому промежуточному объекту при его создании присваивается свой адрес из этого адресного пространства.

Подобные адреса получили название портов. Порт – это логические (программно-организованные) точки, через которые производится ввод сооб- щений в процесс и их вывод из него.

Таким образом, процесс как объект представляется совокупностью пор- тов, через которые он взаимодействует с другими процессами.

При получении данных от удаленного процесса операционная система

«смотрит», на какой порт они были отправлены, и определяет процесс, который заявил этот порт в качестве своего адреса, или объект, которому присвоен дан- ный адрес, и доставляет полученную информацию адресату.

Виды адресного пространства портов (т. е. способы построения ло- кальных адресов) определяются, как правило, протоколами транспортного уровня.

Полные адреса. Понятие сокета (socket). Полный адрес удаленного процесса или промежуточного объекта определяется парой адресов: á числовой адрес компьютера в сети, порт ñ. Подобная пара получила наименование socket (сокет) («гнездо»), а сам способ их использования называется организацией связи с помощью сокетов.

В случае непрямой адресации с использованием промежуточных объектов сами эти объекты также принято называть сокетами. Поскольку разные прото- колы транспортного уровня требуют разных адресных пространств портов, то для каждой пары надо указывать, какой транспортный протокол она использу- ет, т. е. тип сокетов.

Удаленная адресация и разрешение адресов. Инициатором связи про- цессов друг с другом всегда является человек. Человеку свойственно думать словами, он легче воспринимает символьную информацию. Поэтому каждый компьютер в сети получает символьное, часто даже содержательное имя.

Компьютеру проще оперировать числами, желательно одного и того же формата, поэтому каждый компьютер в сети получает числовой адрес. Способы

 

построения удаленных адресов обычно определяются протоколами сетевого уровня эталонной модели.

Возникает проблема отображения пространства символьных имен (или адресов) вычислительных комплексов в пространство их числовых адресов. Она получила наименование проблемы разрешения адресов. Чтобы установить связь между двумя идентификаторами хоста – именем и числовым адресом, ис- пользуется система доменных имен (Domain Name System, DNS).

DNS – это база данных, распределенная между иерархически структури- рованными серверами имен, а также протокол прикладного уровня, организу- ющий взаимодействие между хостами и серверами имен для выполнения опе- рации преобразования. Протокол DNS работает поверх транспортного протоко- ла UDP.

Так решается проблема удаленных адресов, т. е. проблема получения числового удаленного адреса нужного компьютера.

Проблемы маршрутизации в сетях. Одна из отличительных особенно- стей взаимодействия удаленных процессов состоит в использовании в боль- шинстве случаев процессов-посредников, расположенных на аппаратно- программных комплексах, не являющихся комплексами отправителя и получа- теля.

Возникают вопросы: как организовать работу операционных систем на

комплексах – участниках связи (это могут быть конечные или промежуточные узлы) для определения маршрута передачи данных? По какой из нескольких линий связи (или через какой сетевой адаптер) нужно отправить пакет инфор- мации? Для решения этих проблем применяются протоколы одношаговой маршрутизации.

При одношаговой маршрутизации каждый компонент сети, принимаю- щий участие в передаче информации, самостоятельно определяет, какому сле- дующему компоненту, находящемуся в зоне прямого доступа, она должна быть отправлена. Решение принимается на основании анализа содержащегося в па- кете адреса получателя. Полный маршрут передачи данных складывается из одношаговых решений, принятых компонентами сети.

Для работы алгоритмов одношаговой маршрутизации на каждом компо- ненте сети, имеющем возможность передавать информацию более чем одному компоненту, обычно строится специальная таблица маршрутов.

В простейшем случае каждая запись такой таблицы содержит адрес адре- суемого узла получателя; адрес компонента сети, напрямую подсоединенного к данному и которому следует отправить пакет, предназначенный для этого по- лучателя; указание линии связи (сетевого адаптера), по которой должен быть отправлен пакет.

По способам формирования и использования таблиц маршрутизации ал- горитмы одношаговой маршрутизации можно разделить на два класса:

• алгоритмы фиксированной маршрутизации;

• алгоритмы динамической и адаптивной маршрутизации.

При фиксированной маршрутизации все записи в таблице являются ста-

тическими. Обычно линии выбирают так, чтобы минимизировать полное время

 

доставки данных. Преимуществом этой стратегии является простота реализа- ции. Однако при отказе выбранной линии связи данные не будут доставлены, даже если существует другой физический путь для их передачи.

Более гибкими являются алгоритмы динамической и адаптивной марш- рутизации, которые умеют обновлять содержимое таблиц маршрутов. Обнов- ление происходит на основе обработки специальных сообщений, приходящих от других компонентов сети, занимающихся маршрутизацией в соответствии с определенным протоколом.

Такие алгоритмы принято делить на два вида. Первый вид – сетевые про- токолы (routed protocols – протоколы направления), реализующие продвижение пакетов через сеть. Другой вид – протоколы маршрутизации (router protocols), собирают информацию о характеристиках («расстояниях») межсетевых соеди- нений, на основе которых рассчитываются или корректируются таблицы марш- рутизации.

Связь с установлением логического соединения и без него. В основе всех средств связи между удаленными процессами лежит передача сообщений. Применяются две модели передачи: потоковая и отдельные сообщения. Реали- зация происходит на основе протоколов транспортного уровня.

Транспортные протоколы связи удаленных процессов, которые предна- значены для обмена отдельными сообщениями, получили наименование прото- колов без установления логического соединения (connectionless) или протоко- лов обмена датаграммами. С точки зрения операционных систем все дата- граммы – это независимые протокольные единицы, не имеющие ничего общего с другими датаграммами, которыми обмениваются эти же процессы.

С точки зрения процессов, обменивающихся информацией, датаграммы могут быть связаны по содержанию друг с другом. Однако ответственность за установление и поддержание семантической связи между датаграммами лежит не на сетевых частях операционных систем, а на самих пользовательских взаи- модействующих процессах (вышележащие уровни эталонной модели).

Транспортные протоколы, которые поддерживают потоковую модель, получили наименование протоколов, требующих установления логического со- единения (connection-oriented). В их основе лежит передача данных с помощью пакетов информации. Операционные системы сами «нарезают» эти пакеты из передаваемого потока данных, организовывают правильную последователь- ность их получения и снова объединяют полученные пакеты в поток. Эти про- токолы должны обеспечивать надежную связь.

Таким образом, многоуровневая модель сети, семейство сетевых прото- колов и интерфейсов, двухуровневая адресация, разрешение имен, протоколы маршрутизации, применение датаграмм или потока данных при их передаче есть те составляющие функциональной структуры ИКС, которые обеспечивают удаленное взаимодействие процессов.

Ценность предложенной эталонной модели заключается в том, что она показывает направление, в котором должны двигаться разработчики новых ИС. Наиболее распространенные семейства протоколов лишь до некоторой степени

 

согласуются с эталонной моделью. На сегодняшний день наблюдается тенден- ция к всеобщему переходу на протокол TCP/IP.