Проблема, возникающая на всех уровнях: как не допустить, чтобы быстрый отправитель перегрузил данными медленного получателя. Для ее решения часто используется обратная связь от получателя отправителю. Это называется управлением потоком (flow control). Иногда в сети возникает проблема перегрузки (congestion), поскольку множество компьютеров отправляет слишком большой объем трафика и сеть не может обеспечить его доставку. Решить проблему можно путем сокращения всеми компьютерами запроса ресурсов (то есть полосы пропускания). Этот способ можно использовать на всех уровнях.

Стоит обратить внимание, что сети обладают и другими ресурсами помимо полосы пропускания. Например, при онлайн-трансляции видео важную роль играет своевременность доставки. Большинству сетей приходится одновременно предоставлять услуги и приложениям, требующим доставки в реальном времени, и приложениям, которым нужна высокая пропускная способность. Способ согласования подобных разнонаправленных требований носит название QoS.

Способность к развитию

Еще одна задача проектирования связана с эволюцией сети. С течением времени сеть растет и возникают новые элементы, требующие подключения к ней. В последнее время применяется ключевой механизм поддержки изменений, работающий за счет разбиения общей задачи на составные части и сокрытия нюансов реализации, — разделение протокола на уровни (protocol layering). Разработчикам сетей доступно также множество других стратегий.

Поскольку в сети содержится множество компьютеров, на каждом уровне необходим механизм идентификации отправителей и получателей конкретных сообщений. Этот механизм называется адресацией (addressing) и именованием (naming) на низшем и высшем уровне соответственно.

При росте сетей возникает проблема различных ограничений у разных сетевых технологий. Например, не все каналы связи сохраняют порядок отправляемых по ним сообщений, поэтому сообщения приходится нумеровать. Еще одна проблема — несовпадение максимального размера сообщений, которые могут быть переданы в разных сетях. Вследствие этого приходится создавать механизмы для разбиения сообщений на части, передачи и последующей их сборки. Это называется организацией межсетевого взаимодействия (internetworking).

Безопасность

Наконец, важная задача — обеспечить безопасность сети путем защиты ее от разнообразных угроз. Одна из таких угроз, перехват данных, уже была упомянута ранее. От этой угрозы защищают механизмы обеспечения секретности информации (confidentiality), используемые на многих уровнях. Также существуют механизмы аутентификации (authentication), гарантирующие, что никто не сможет выдать себя за кого-то другого. Они позволяют отличить поддельные сайты банков от настоящих, а сотовая сеть с их помощью может проверить, что звонок действительно поступил с вашего телефона, чтобы выставить вам счет. Механизмы обеспечения целостности (integrity) предотвращают внесение скрытых изменений в сообщения, например, замену сообщения «Списать с моего счета $10» на «Списать с моего счета $1000». Все эти возможности основаны на криптографии, которая будет рассмотрена в главе 8.

1.5.2. Разделение протокола на уровни

Для упрощения архитектуры большинство сетей организованы в виде пирамиды уровней (levels), или слоев (layers), каждый из которых построен на основе нижележащего. Количество, названия, содержимое и функции каждого уровня различаются в зависимости от сети. Задача каждого уровня состоит в предоставлении определенных служб вышележащим уровням, при одновременном сокрытии от них деталей фактической реализации служб. В определенном смысле каждый уровень представляет собой некую виртуальную машину, предлагающую службы расположенному выше уровню.

Эта концепция не нова и используется повсеместно под разными названиями: сокрытие информации, абстрактные типы данных, инкапсуляция данных и объектно-ориентированное программирование. Основная идея состоит в том, что конкретный элемент программного (или аппаратного) обеспечения предоставляет своим пользователям некую службу, но скрывает от них подробности относительно своего внутреннего состояния и нюансы реализации алгоритмов.

Правила и соглашения, касающиеся обмена информацией между уровнем n одного устройства и уровнем n другого, известны под общим названием «протокол уровня n». По сути, протокол представляет собой соглашение о том, как должно происходить взаимодействие между участниками обмена данными. Приведем аналогию. Когда женщину представляют мужчине, она может протянуть ему руку. Он же, в свою очередь, может эту руку либо пожать, либо поцеловать, в зависимости от того, является ли она американским юристом на деловой встрече или европейской принцессой на официальном балу. Нарушение протокола затрудняет общение, а то и вовсе делает его невозможным.

На илл. 1.25 приведена пятиуровневая сеть. Сущности, образующие соответствующие уровни на различных компьютерах, называются пирами (peers). Пиры могут быть программными процессами, аппаратными устройствами и даже людьми. Именно они взаимодействуют друг с другом с помощью протокола.

Илл. 1.25. Уровни, производители данных и интерфейсы

На самом деле никакие данные не передаются напрямую с уровня n одного устройства на уровень n другого. Вместо этого каждый уровень отправляет данные и управляющую информацию на уровень, лежащий непосредственно под ним, пока не будет достигнут самый низший уровень. Под уровнем 1 располагается физическая среда (physical medium), через которую происходит фактический обмен информацией. На илл. 1.25 виртуальный обмен информацией показан пунктирными линиями, а фактический — сплошными.

Каждая пара смежных уровней связана интерфейсом. Он определяет, какие базовые операции и службы предоставляет низший уровень высшему. После того как архитекторы сети задали количество и функции уровней сети, одна из важнейших задач — создание понятных интерфейсов между ними. Для этого необходимо, чтобы каждый уровень выполнял конкретный набор четко определенных функций. Помимо минимизации объемов передаваемой между уровнями информации, четко заданные интерфейсы упрощают перевод уровня на совершенно другой протокол или реализацию. Например, можно представить себе замену всех телефонных линий спутниковыми каналами, поскольку единственное, что требуется от нового протокола (или реализации), — предоставление «соседу» сверху прежнего набора служб. Хосты нередко используют разные реализации одного протокола (зачастую написанные различными компаниями). На самом деле протокол на каком-либо уровне может поменяться совершенно незаметно для уровней над и под ним.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети. Спецификация архитектуры должна включать достаточное количество информации. Тогда тот, кто будет заниматься внедрением, сможет написать программу или создать аппаратное обеспечение для каждого уровня, должным образом следующие соответствующему протоколу. Впрочем, ни нюансы реализации, ни спецификация интерфейсов не являются составными частями архитектуры, поскольку они скрыты внутри устройств и не видны извне. Интерфейсы на всех компьютерах сети даже могут быть разными, главное, чтобы каждый компьютер мог правильно использовать все протоколы. Список используемых конкретной системой протоколов, по одному на уровень, называется стеком протоколов (protocol stack). Архитектуры сетей, стеки протоколов и сами протоколы являются основными темами данной книги.

Можно пояснить идею многоуровневой связи с помощью аналогии. Представьте себе двух философов (одноранговые процессы на уровне 3), один из которых разговаривает на урду и русском, а второй — на китайском и французском. Поскольку общего языка у них нет, они оба нанимают переводчиков (процесс на уровне 2), каждый из которых, в свою очередь, связывается с секретарем (процесс