Иерархия протоколов

Тема 1.3. Сетевое программное обеспечение

Когда собирались первые сети, то основное внимание уделялось аппаратуре, а вопросы программного обеспечения откладывались на будущее. Подобная стратегия больше не работает. Сегодняшнее сетевое программное обеспечение в высокой степени структурировано. В следующих разделах мы узнаем, как осуществляется эта структуризация.

Иерархия протоколов

Для упрощения структуры большинство сетей организуются в наборы уровней или слоев, каждый последующий возводится над предыдущим. Количество уровней, их названия, содержание и назначение разнятся от сети к сети. Однако во всех сетях целью каждого уровня является предоставление неких сервисов для вышестоящих уровней. При этом от них скрываются детали реализации предоставляемого сервиса.

Такая концепция не нова и используется в вычислительной технике уже давно. Ее вариации известны как сокрытие информации, абстрактные типы данных, свойство инкапсуляции и объектно-ориентированное программирование. Фундаментальной идеей является предоставление неким программным или аппаратным уровнем сервисов своим пользователям без раскрытия деталей своего внутреннего состояния и подробностей алгоритмов.

Уровень n одной машины поддерживает связь с уровнем n другой машины. Правила и соглашения, используемые в данном общении, называются протоколом уровня n. По сути, протокол является договоренностью общающихся сторон о том, как должно происходить общение. По аналогии, когда женщину представляют мужчине, она может протянуть ему свою руку. Он, в свою очередь, может принять решение либо пожать, либо поцеловать эту руку, в зависимости от того, является ли эта женщина американским адвокатом на деловой встрече или же европейской принцессой на официальном балу. Нарушение протокола создаст затруднения в общении, а может и вовсе сделает общение невозможным.

На рис. 1.11 показана пятиуровневая сеть. Объекты, включающие в себя соответствующие уровни на разных машинах, называются равноранговыми или равноправными узлами сети. Именно они общаются при помощи протокола.

В действительности, данные не пересылаются с уровня n одной машины на уровень n другой машины. Вместо этого каждый уровень передает данные и управление уровню, лежащему ниже, пока не достигается самый нижний уровень. Ниже первого уровня располагается физическая среда, по которой и производится обмен информацией. На рис. 1.11 виртуальное общение показано пунктиром, тогда как физическое — сплошными линиями.

Между каждой парой смежных уровней находится интерфейс, определяющий набор примитивных операций, предоставляемых нижним уровнем верхнему. Когда разработчики сетей решают, сколько уровней включить в сеть и что должен делать каждый уровень, одной из важнейших задач является определение ясных интерфейсов между уровнями. Подобная задача требует, в свою очередь, чтобы каждый уровень выполнял особый набор хорошо понятных функций. В дополнение к минимизации количества информации, передаваемой между уровнями, ясно разграниченные интерфейсы также значительно упрощают изменение реализации уровня на совершенно другой протокол или реализацию (например, замену всех телефонных линий спутниковыми каналами), так как при этом всего лишь требуется, чтобы новый протокол или реализация предоставляла такой же набор услуг вышестоящему уровню, что и предыдущая. Вполне нормальное явление — использование хостов, принадлежащих к разным реализациям, одного и того же протокола (часто написанного различными

компаниями). Фактически может изменяться сам протокол уровня, так что уровней выше и ниже это не затронет.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. Спецификация архитектуры должна содержать достаточно информации для написания программного обеспечения или создания аппаратуры для каждого уровня, чтобы они корректно выполняли требования протокола. Ни детали реализации, ни спецификации интерфейсов не являются частями архитектуры, так как они спрятаны внутри машины и не видны снаружи. При этом даже не требуется, чтобы интерфейсы на всех машинах сети были одинаковыми, лишь бы каждая машина правильно применяла все протоколы. Список протоколов, используемых системой, по одному протоколу на уровень, называется стеком протоколов.

Чтобы было проще понять идею многоуровневого общения, можно воспользоваться следующей аналогией. Представьте себе двух философов (одноранговый процесс уровня 3), один из которых говорит на урду и английском, а другой — на китайском и французском. Поскольку нет общего языка, на котором они смогли бы общаться, каждый из них использует переводчика (одноранговый процесс уровня 2), каждый из которых, в свою очередь, нанимает секретаршу (одноранговый процесс уровня 1). ­Философ 1 желает выразить своему собеседнику свою привязанность к виду oryctolagus cuniculus. Для этого он передает сообщение (на английском) по интерфейсу 2/3 своему переводчику, говоря «я люблю кроликов», как изображено на рис. 1.12. Переводчики договорились общаться на нейтральном языке, голландском, таким образом,­ сообщение преобразуется к виду «Ik hou van konijnen». Выбор языка является­ протоколом второго уровня и осуществляется одноранговыми процессами уровня 2.

Затем переводчик отдает сообщение секретарю для передачи, например, по электронной почте (протокол первого уровня). Когда сообщение получено другим секретарем, оно переводится на французский и через интерфейс 2/3 передается философу 2. Заметим, что каждый протокол полностью независим от других, поскольку интерфейсы одинаковы с каждой стороны. Переводчики могут переключиться с голландского, скажем, на финский, при условии, что оба будут согласны, при этом в интерфейсах второго уровня с первым или с третьим уровнем ничего не изменится. Подобным же образом секретари могут сменить факс на электронную почту или телефон, не затрагивая (и даже не информируя) другие уровни. Каждое изменение добавит лишь обмен информацией на своем уровне. Эта информация не будет передаваться на более высокий уровень.

Теперь рассмотрим более технический пример: как обеспечить общение для верхнего уровня пятиуровневой сети на рис. 1.13. Сообщение M производится приложением, работающим на уровне 5, и передается уровню 4 для передачи. Уровень 4 добавляет к сообщению заголовок для идентификации сообщения и передает результат уровню 3. Заголовок включает управляющую информацию, например адреса, позволяющие уровню 4 принимающей машины доставить сообщения. Другими примерами управляющей информации, используемой в некоторых уровнях, являются порядковые номера (в случае если нижний уровень не сохраняет порядок сообщения), размеры и время.

Во многих сетях сообщения, передаваемые на уровне 4, не ограничиваются по размеру, однако подобные ограничения почти всегда накладываются на протокол третьего уровня. Соответственно, уровень 3 должен разбить входящие сообщения на более мелкие единицы — пакеты, предваряя каждый пакет заголовком уровня 3. В данном примере сообщение M разбивается на две части, M1 и M2.

Уровень 3 решает, какую из выходных линий использовать, и передает пакеты уровню 2. Уровень 2 добавляет не только заголовки к каждому пакету, но также и завершающую последовательность с контрольной суммой (trailer), после чего передает результат уровню 1 для физической передачи. На получающей машине сообщение двигается по уровням вверх, при этом заголовки убираются на каждом уровне по мере продвижения сообщения. Заголовки нижних уровней более высоким уровням не передаются.

Необходимо понять соотношение между виртуальным и реальным общением и разницу между протоколом и интерфейсом. Одноранговые процессы уровня 4, например, считают свое общение горизонтальным, использующим протокол 4-го уровня. У каждого из них имеется процедура с названием вроде SendToOtherSide (Отправить другой стороне) и GetFromOtherSide (Получить от другой стороны), даже если на самом деле эти процедуры общаются не друг с другом, а с нижними уровнями при помощи интерфейсов 3/4.

Абстракция одноранговых процессов является ключевой для проектирования сетей. С ее помощью невыполнимая задача разработки целой сети может быть разбита на несколько меньших по размеру и вполне разрешимых проблем разработки, а именно разработки индивидуальных уровней.

Хотя этот раздел называется «Сетевое программное обеспечение», следует отметить, что нижние уровни в иерархии протоколов часто реализуются аппаратно или программно-аппаратно. Тем не менее при этом используются сложные алгоритмы протоколов, хотя они и внедряются в аппаратуру частично или целиком.