О том, как работает Internet

О том, как работает Internet.

· Перемещая биты с одного места на другое.

                Современные сети создаются по многоуровневому принципу. Передача сообщений в виде последовательности битов начинается на уровне линий связи и аппаратуры, причём линии связи не всегда высокого качества. Затем добавляется уровень базового программного обеспечения, управляющего работой аппаратуры. Следующий уровень программного обеспечения позволяет наделить базовые программные средства дополнительными необходимыми возможностями. Расширение функциональных возможностей сети путём добавления уровня за уровнем приводит к тому, что Вы в конце концов получаете по-настоящему дружественный и полезный инструментарий.

Сети с коммутацией пакетов.

                Когда Вы пытаетесь представить себе, что же такое Internet и как она работает, вполне естественно, что у Вас возникают ассоциации с телефонной сетью. В конце концов, обе эти структуры используют электронные средства передачи, обе позволяют устанавливать соединение и передавать информацию; кроме того, в Internet в основном используются выделенные телефонные линии. К сожалению, это неверное представление, и оно является причиной непонимания принципов работы Internet. Телефонная сеть – это сеть с коммутацией каналов. Когда Вы производите вызов, Вам выделяется некоторая часть это сети. Даже если Вы не используете ее (например, находитесь в режиме удержания), она остается недоступной для других абонентов, которым в этот момент нужно позвонить. Это приводит к тому, что такой дорогой ресурс, как сеть, используется неэффективно.

                Более соответствующая действительному положению вещей модель Internet – почтовое ведомство США. Почтовое ведомство представляет собой сеть с коммутацией пакетов. Здесь у Вас нет выделенного участка сети. Ваша корреспонденция смешивается с другими письмами, отправляется в почтовое отделение и сортируется. Несмотря на то, что технологии абсолютно разные, служба доставки почты представляет собой удивительно точный аналог сети; мы будем продолжать пользоваться этой моделью во всех остальных разделах данной главы.

Межсетевой протокол (IP).

                С помощью линий связи обеспечивается доставка данных из одного пункта в другой. Но Вы уже знаете, что Internet может доставлять данные во многие точки, разбросанные по всему земному шару. Как это происходит?

                Различные участки Internet связываются с помощью системы компьютеров (называемых маршрутизаторами) соединяющих между собой сети. Это могут быть сети Internet, сети с маркерным доступом, телефонные линии (см. рис.2).

Рекомендуемые материалы

Рисунок 2. Аппаратные средства Internet.

                Телефонные линии и сети Ethernet эквивалентны автомобилям и самолетам службы доставки почты. Маршрутизаторы – это почтовые подстанции; они принимают решения о том, куда направлять данные («пакеты»), так же, как почтовая подстанция решает, куда направлять конверты с почтой. Каждая подстанция, или маршрутизатор, не имеет связи с остальными станциями. Если Вы опустили письмо в почтовый ящик в Нью-Хэмпшире, а адресат живет в Калифорнии, то местное почтовое отделение не будет бронировать самолет, чтобы доставить Ваше письмо в Калифорнию. Местное почтовое отделение посылает письмо на подстанцию, подстанция посылает его на другую подстанцию и так далее, пока письмо не дойдет до адресата. Таким образом, каждой подстанции нужно знать только, какие имеются соединения и какой из «следующих скачков» будет лучшим для перемещения пакета ближе к пункту назначения. Похожая ситуация складывается и в Internet: маршрутизатор смотрит, куда адресованы Ваши данные, и решает, куда их посылать.

                Откуда Internet знает, куда следует направить Ваши данные? Если Вы отправляете письмо, то, просто опустив его в почтовый ящик без конверта, Вы не можете рассчитывать, что корреспонденция будет доставлена по назначению. Письмо нужно вложить в конверт, написать на конверте адрес и наклеить марку. Точно так же, как почтовое отделение следует по правилам, которые определяют порядок работы почтовой сети, определенные правила регламентируют порядок работы Internet. Эти правила называют протоколами. Межсетевой протокол (Internet Protocol, IP) отвечает за адресацию, т.е. гарантирует, что маршрутизатор знает, что делать с Вашими данными, когда они поступят. Следуя нашей аналогии с почтовым ведомством, можно сказать, что межсетевой протокол выполняет функции конверта.

                Некоторая адресная информация приводится в начале Вашего сообщения. Она даёт сети достаточно сведений для доставки пакета данных.

                Internet - адреса состоят из четырёх чисел, каждое из которых не превышает 256. При записи числа отделяются одно от другого точками, например:

                192.112.36.5

                128.174.5.6

                Адрес фактически состоит из нескольких частей. Поскольку Internet – это сеть сетей, то начало адреса содержит информацию для маршрутизаторов о том, к какой сети относится Ваш компьютер. Правая часть адреса служит для того, чтобы сообщить сети, какой компьютер должен получить этот пакет.[1] Каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный адрес. Здесь нам опять поможет аналогия со службой доставки почты. Возьмем адрес «50 Kelly Road, Hamden, CT». Элемент «Hamden, CT» похож на адрес сети. Благодаря этому конверт попадает в необходимое почтовое отделение, то, которое знает об улицах в определенном районе. Элемент «Kelly Road» похож на адрес компьютера; он указывает на конкретный почтовый ящик в районе, который обслуживает данное почтовое отделение. Почтовое ведомство выполнило свою задачу, доставив почту в нужное местное отделение, а это отделение положило письмо в соответствующий почтовый ящик. Аналогичным образом, Internet выполнила свою задачу, когда ее маршрутизаторы направили данные в соответствующую сеть, а эта локальная сеть – в соответствующий компьютер.

                По целому ряду технических причин (в основном это аппаратные ограничения) информация, посылаемая по IP- сетям, разбивается на порции, называемые пакетами. В одном пакете обычно посылается от одного до 1500 символов информации. Это не дает возможности одному пользователю монополизировать сеть, однако позволяет каждому рассчитывать на своевременное обслуживание. Это также означает, что в случае перегрузки сети качество ее работы несколько ухудшается для всех пользователей: она не умирает, если ее монополизировали несколько солидных пользователей.

                Одно из достоинств Internet состоит в том, что для работы на базовом уровне достаточно только межсетевого протокола. Сеть будет не очень дружественной, но если Вы будете вести себя достаточно разумно, то решите свои задачи. Поскольку Ваши данные помещаются в IP- конверт, то сеть имеет всю информацию, необходимую для перемещения этого пакета из Вашего компьютера в пункт назначения. Здесь, однако, возникает сразу несколько проблем.

· Во-первых, в большинстве случаев объем пересылаемой информации превышает 1500 символов. Если бы почта принимала только открытки, Вас бы это, естественно, разочаровало.

· Во-вторых, может произойти ошибка. Почтовое ведомство иногда теряет письма, а сети иногда теряют пакеты или повреждают их при передаче. Вы увидите, что в отличие от почтовых отделений Internet успешно решает такие проблемы.

· В-третьих, последовательность доставки пакетов может быть нарушена. Если Вы послали по одному адресу одно за другим два письма, то нет никакой гарантии, что они пойдут по одному маршруту или придут в порядке их отправления. Такая же проблема существует и в Internet.

                Поэтому следующий уровень сети даст нам возможность пересылать более крупные порции информации и позаботиться об устранении тех искажений, которые вносит сама сеть.

Протокол управления передачей (ТСР).

                Для решения упомянутых выше проблем используется «протокол управления передачей» (Transmission Control Protocol, TCP), который часто упоминают вместе с протоколом IP. Как следовало бы поступить в случае, если Вы хотите послать кому-нибудь книгу, а почта принимает только письма? Выход один: вырвать из книги все страницы, вложить каждую в отдельный конверт и бросить все конверты в почтовый ящик. Получателю пришлось бы собирать все страницы (при условии, что ни одно письмо не пропало) и склеивать обратно в книгу. Вот эти задачи и выполняет ТСР.

                Информацию, которую Вы хотите передать, ТСР разбивает на порции. Каждая порция нумеруется, чтобы можно было проверить, вся ли информация получена, и расположить данные в правильном порядке. Для передачи этого порядкового номера по сети у протокола есть свой собственный «конверт», на котором «написана» необходимая информация . Порция Ваших данных помещается в конверт ТСР. Конверт ТСР, в свою очередь, помещается в конверт IP и передается в сеть.

                На принимающей стороне программное обеспечение протокола ТСР собирает конверты, извлекает из них данные и располагает их в правильном порядке. Если каких-нибудь конвертов нет, программа просит отправителя передать их еще раз. После размещения всей информации в правильном порядке эти данные передаются той прикладной программе, которая использует услуги ТСР.

Это, однако, несколько идеализированное представление о ТСР. В реальной жизни пакеты не только теряются, но и претерпевают изменения по дороге ввиду кратковременных отказов в телефонных линиях. ТСР решает и эту проблему. При помещении данных в конверт производится вычисление так называемой контрольной суммы. Контрольная сумма – это число, которое позволят принимающему ТСР выявлять ошибки в пакете.[2] Когда пакет прибывает в пункт назначения, принимающий ТСР вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее с той, которую послал отправитель. Если значения не совпадают, то при передаче произошла ошибка. Принимающий ТСР отбрасывает этот пакет и запрашивает повторную передачу.

Другие протоколы передачи.

                Протокол ТСР создает видимость выделенной линии связи между двумя прикладными программами, т.к. гарантирует, что информация, входящая на одном конце, выходит на втором. В действительности не существует выделенного канала между отправителем и получателем (другие люди могут использовать эти же маршрутизаторы и сетевые провода для передачи своей информации в промежутке между Вашими пакетами), однако создается впечатление, что он есть, и на практике этого обычно бывает достаточно.

                Это не самый лучший подход к использованию сети. Формирование ТСР - соединения требует значительных расходов и затрат времени; если этот механизм не нужен, лучше не использовать его. Если данные, которые необходимо послать, помещаются в одном пакете, и гарантия доставки не особенно важна, ТСР может стать обузой.

Существует еще один стандартный протокол, который позволяет избежать таких накладных расходов. Он называется «протокол пользовательских дейтаграмм» (user datagram protocol, UDP) и используется в некоторых прикладных программах. Вместо вкладывания Ваших данных в конверт TCP и помещения этого конверта в конверт IP прикладная программа вкладывает данные в конверт UDP, который и помещается в конверт IP.

UPD проще ТСР, потому что этот протокол не заботится о пропавших пакетах, расположении данных в правильном порядке и других тонкостях. UDP используется для тех программ, которые посылают только короткие сообщения и могут повторить передачу данных, если ответ задерживается. Предположим, что Вы пишете программу, которая ищет номера телефонов в одной из сетевых баз данных. Нет нужды устанавливать ТСР - соединение для того, чтобы передать по всем направлениям по 20-30 символов. Можно просто поместить имя в один UDP- пакет, вложить его в IP- пакет и отослать. Принимающая прикладная программа получит этот пакет, прочитает имя, найдет номер телефона, вложит его в другой UDP- пакет и отправит обратно. Что случится, если пакет по дороге потеряется? Это – проблема Вашей программы: если слишком долго нет ответа, она посылает еще один запрос.

· Как сделать сеть дружественной?

Для этого необходимо настроить программное обеспечение на конкретную задачу и при обращении к компьютерам использовать не адреса, а имена.

Прикладные программы.

Большинство пользователей не испытывают интереса к потоку битов между компьютерами, какими бы скоростными не были линии и какой бы экзотической не была технология, которая позволила его получить. Они хотят быстро использовать этот поток битов для каких-то полезных задач, будь то перемещение файла, доступ к данным или просто игра. Прикладные программы – это части программного обеспечения, которые позволяют удовлетворить эти потребности. Такие программы составляют еще один уровень программного обеспечения, надстраиваемый над сервисом ТСР или UDP. Прикладные программы предоставляют пользователю средства для решения конкретной задачи.

Диапазон прикладных программ широк: от доморощенных до патентованных, поставляемых крупными фирмами-разработчиками. В Internet есть три стандартные прикладные программы (удаленный доступ, пересылка файлов и электронная почта), а также другие, широко используемые, но не стандартизированные программы. В главах 5-14 показано, как использовать самые распространенные прикладные программы Internet.

Когда речь идет о прикладных программах, следует учесть одну особенность: Вы воспринимаете прикладную программу так, как она выглядит в Вашей локальной системе. Команды, сообщения, приглашения и т.д., появляющиеся у Вас на экране, могут несколько отличаться от тех, которые Вы увидите в книге или на экране у своего друга. Не стоит волноваться, если в книге приводится сообщение «connection refused», а компьютер выдает «Unable to connect to remote host: refused»; это одно и то же. Не цепляйтесь к словам, а попытайтесь понять суть сообщения. Не беспокойтесь, если некоторые команды имеют другие имена; большинство прикладных программ снабжены достаточно солидными справочными подсистемами, которые помогут найти необходимую команду.

Доменная система имён.

Цифровые адреса – и это стало понятно очень скоро – хороши при общении компьютеров, а для людей предпочтительнее имена. Неудобно говорить, используя цифровые адреса, и ещё труднее запоминать их. Поэтому компьютерам в Internet присвоены имена. Все прикладные программы Internet позволяют использовать имена систем вместо числовых адресов компьютеров.

Конечно, использование имён имеет свои недостатки. Во-первых, нужно следить, чтобы одно и то же имя не было случайно присвоено двум компьютерам. Кроме того, необходимо обеспечить преобразование имён в числовые адреса, ведь имена хороши для людей, а компьютеры всё-таки предпочитают числа. Вы можете указать программе имя, но у неё должен быть способ поиска этого имени и преобразования его в адрес.

На этапе становления, когда Internet была маленькой общностью, использовать имена было легко. Центр сетевой информации (NIC) создавал специальную службу регистрации. Вы посылали заполненный бланк (конечно, электронными средствами), и NIC вносил Вас в свой список имён и адресов. Этот файл, называемый hosts (список узловых компьютеров), регулярно рассылался на все компьютеры сети. В качестве имён использовались простые слова, каждое из которых обязательно являлось уникальным. Когда Вы указывали имя, Ваш компьютер искал его в этом файле и подставлял соответствующий адрес.

Когда Internet разрослась, к сожалению, размер этого файла тоже увеличился. Стали возникать значительные задержки при регистрации имён, поиск уникальных имён усложнился. Кроме того, на рассылку этого большого файла на все указанные в нём компьютеры уходило много сетевого времени. Стало очевидно, что такие темпы роста требуют наличия распределённой интерактивной системы. Эта система называется «доменной системой имён» (Domain Name System, DNS).

Структура доменной системы.

                Доменная система имён представляет собой метод назначения имён путём возложения на разные группы пользователей ответственности за подмножества имён. Каждый уровень в этой системе называется доменом. Домены отделяются один от другого точками:

                ux.cso.uiuc.edu

            nic.ddn.mil

            yoyodyne.com

                В имени может быть любое число доменов, но более пяти встречается редко. Каждый последующий домен в имени (если смотреть слева направо) больше предыдущего. В имени ux.cso.uiuc.edu элемент ux – имя реального компьютера с IP - адресом. (См. рисунок).

Рисунок 3. Структура доменного имени.

Имя этого компьютера создано и курируется группой cso, которая есть не что иное, как отдел, в котором стоит этот компьютер. Отдел cso является отделом университета штата Иллинойс (uiuc). uiuc входит в национальную группу учебных заведений (edu). Таким образом, домен edu включает в себя все компьютеры учебных заведений США; домен uiuc.edu – все компьютеры университета штата Иллинойс и т.д.

Каждая группа может создавать и изменять все имена, находящиеся под её контролем. Если uiuc решит создать новую группу и назвать её ncsa, она может ни у кого не спрашивать разрешения. Всё, что нужно сделать – это добавить новое имя в свою часть всемирной базы данных, и рано или поздно тот, кому нужно, узнает об этом имени (ncsa.uius.edu). Аналогичным образом cso может купить новый компьютер, присвоить ему имя и включить в сеть, не спрашивая ни у кого разрешения. Если все группы, начиная с edu и ниже, будут соблюдать правила, и обеспечивать уникальность имён, то никакие две системы в Internet не будут иметь одинакового имени. У Вас могут быть два компьютера с именем fred, но лишь при условии, что они находятся в разных доменах (например, fred.cso.uiuc.edu и fred.ora.com).

Легко узнать, откуда берутся домены и имена в организации типа университета или предприятия. Но откуда берутся домены «верхнего уровня» типа edu? Они были созданы, когда была изобретена доменная система. Изначально было шесть организационных доменов высшего уровня.

Таблица 1. Первоначальные домены верхнего уровня.

Когда Internet стала международной сетью, возникла необходимость предоставить зарубежным странам возможность контроля за именами находящихся в них систем. Для этой цели создан набор двухбуквенных доменов, которые соответствуют доменам высшего уровня для этих стран. Поскольку ca – код Канады, то компьютер на территории Канады может иметь такое имя:

hockey.guelph.ca

Общее число кодов стран – 300; компьютерные сети существуют приблизительно в 170 из них.

Окончательный план расширения системы присвоения имён ресурсов в Internet был наконец-то объявлен комитетом IAHC (International Ad Hoc Committee).[3] Согласно новым решениям, к доменам высшего уровня, включающим сегодня com, net, org, прибавятся:

· firm                – для деловых ресурсов Сети;

· store                – для торговли;

· web – для организаций, имеющих отношение к регулированию деятельности в WWW;

· arts                  – для ресурсов гуманитарного образования;

· rec                   – игры и развлечения;

· info                 – предоставление информационных услуг;

· nom                 – для индивидуальных ресурсов, а также тех, кто ищет свои пути реализации, которые отсутствуют в приведённом убогом списке.

                Кроме того, в решениях IAHC сказано, что учреждается 28 уполномоченных агентств по присвоению имён во всём мире. Как заявлено, новая система позволит успешно преодолеть монополию, которая была навязана единственным уполномоченным – компанией Network Solutions. Все новые домены будут распределены между новыми агентствами, а прежние будут отслеживаться совместно Network Solutions и National Science Foundation до конца 1998 года.

                В настоящее время ежемесячно регистрируется примерно 85 тысяч новых имён. Годовая оплата имени составляет 50 долларов. Новые регистрационные агентства должны будут представлять семь условных географических регионов. Для претендентов на роль агентств из каждого региона будут устроены лотереи. Компании, желающие участвовать в них, должны внести вступительный взнос в размере 20 тысяч долларов и иметь страховку на сумму не менее 500 тысяч долларов на случай неспособности справиться с ролью регистратора доменных имён.

Поиск доменных имён.

                Теперь, когда понятно, как домены связаны между собой и как создаются имена, можно задуматься и над тем, как же применить эту чудесную систему. Вы используете её автоматически всякий раз, когда задаёте какое-то имя «знакомому» с ней компьютеру. Вам не нужно ни искать это имя вручную, ни давать для поиска нужного компьютера специальную команду, хотя при желании это также можно сделать. Все компьютеры в Internet могут пользоваться доменной системой, и большинство из них это делают.

                Когда Вы используете имя, например, ux.cso.uiuc.edu, компьютер должен преобразовать его в адрес. Чтобы это сделать, Ваш компьютер начинает просить помощи у серверов (компьютеров) DNS, начиная с правой части имени и двигаясь влево. Сначала она просит локальные серверы DNS найти адрес. Здесь существуют три возможности:

· Локальный сервер знает адрес, потому что этот адрес находится в той части всемирной базы данных, которую курирует данный сервер. Например, если Вы работаете в НГТУ, то у Вашего локального сервера, вероятно, есть информация обо всех компьютерах НГТУ.

· Локальный сервер знает адрес, потому что кто-то недавно уже спрашивал о нём. Когда Вы спрашиваете об адресе, сервер DNS некоторое время держит его «под рукой» на тот случай, если чуть позже о нём спросит ещё кто-нибудь. Это значительно повышает эффективность работы системы.

"1.9 Звуковые платы" - тут тоже много полезного для Вас.

· Локальный сервер не знает адрес, но знает, как его определить.

                Как локальный сервер определяет адрес? Его программное обеспечение знает, как связаться с корневым сервером, который знает адреса серверов имён домена высшего уровня (крайней правой части имени, например, edu). Ваш сервер запрашивает у корневого сервера адрес компьютера, отвечающего за домен edu. Получив информацию, он связывается с этим компьютером и запрашивает у него адрес сервера uiuc. После этого Ваше программное обеспечение устанавливает контакт с этим компьютером и спрашивает у него адрес сервера домена cso. Наконец, от сервера cso он получает адрес ux, компьютера, который и был целью данной прикладной программы.

                Некоторые компьютеры до сих пор имеют конфигурацию, рассчитанную на использование старомодного файла hosts. Если Вы работаете на одном из них, Вам, возможно, придётся попросить его администратора найти нужный Вам адрес вручную (либо сделать это самому). Администратор должен будет ввести имя нужного компьютера в локальный файл hosts. Намекните ему, что не мешало бы поставить на компьютер программное обеспечение DNS, чтобы избежать подобных осложнений в дальнейшем.

---

[1] Провести границу между подадресом сети и подадресом компьютера довольно сложно. Эта граница устанавливается по соглашению между соседними маршрутизаторами. К счастью, как пользователю, Вам никогда не придётся беспокоиться об этом. Это имеет значение только при создании сети.

[2] Допустим, Вы передаёте необработанные цифровые данные 8-ми битовыми порциями или байтами. Самый простой вариант контрольной суммы – сложить значения этих байтов и поместить в конец этой порции информации дополнительный байт, содержащий эту сумму. (Или хотя бы ту её часть, которая помещается в 8-ми битах.) Принимающий TCP выполняет такой же расчёт. Если в процессе передачи какой-нибудь байт изменится, то контрольные суммы не будут совпадать, и Вы узнаете об ошибке. Конечно, при наличии двух ошибок они могут компенсировать друг друга, но такие ошибки можно выявить более сложными вычислениями.

[3] Данные от 24 февраля 1997 года.