Отображение IP-адресов на локальные адреса

Одной из главных задач, которая ставилась при создании протокола IP, являлось обеспечение совместной согласованной работы в сети, состоящей из подсетей, в общем случае использующих разные сетевые технологии. Взаимодействие технологии TCP/IP с локальными технологиями подсетей происходит многократно при перемещении IP-пакета по составной сети. На каждом маршрутизаторе протокол IP определяет, какому следующему маршрутизатору в этой сети надо направить пакет. В результате решения этой задачи протоколу IP становится известен IP-адрес интерфейса следующего маршрутизатора (или конечного узла, если эта сеть является сетью назначения). Чтобы локальная технология сети смогла доставить пакет на следующий маршрутизатор, необходимо:

• упаковать пакет в кадр соответствующего для данной сети формата (например, Ethernet);

• снабдить данный кадр локальным адресом следующего маршрутизатора.

Решением этих задач, как уже отмечалось, занимается уровень сетевых интерфейсов стека TCP/IP.

Протокол разрешения адресов

Как уже было сказано, никакой функциональной зависимости между локальным адресом и его IP-адресом не существует, следовательно, единственный способ установления соответствия — ведение таблиц. В результате конфигурирования сети каждый интерфейс «знает» свои IP-адрес и локальный адрес, что можно рассматривать как таблицу, состоящую из одной строки. Проблема состоит в том, как организовать обмен имеющейся информацией между узлами сети.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адресов (AddressResolutionProtocol, ARP).

Рассмотрим работу протокола ARP в локальных сетях с широковещанием.

На рис. 15.6 показан фрагмент IP-сети, включающий две сети — Ethernetl (из трех конечных узлов А, В и С) и Ethernet2 (из двух конечных узлов D и Е). Сети подключены соответственно к интерфейсам 1 и 2 маршрутизатора. Каждый сетевой интерфейс имеет IP-адрес и МАС-адрес. Пусть в какой-то момент IP-модуль узла С направляет пакет узлу D. Протокол IP узла С определил IP-адрес интерфейса следующего маршрутизатора — это IPi. Теперь, прежде чем упаковать пакет в кадр Ethernet и направить его маршрутизатору, необходимо определить соответствующий МАС-адрес. Для решения этой задачи протокол IP обращается к протоколу ARP. Протокол ARP поддерживает на каждом интерфейсе сетевого адаптера или маршрутизатора отдельную ARP-таблицу, в которой в ходе функционирования сети накапливается информация о соответствии между IP-адресами и МАС-адресами других интерфейсов данной сети. Первоначально, при включении компьютера или маршрутизатора в сеть все его ARP-таблицы пусты.

1. На первом шаге происходит передача от протокола IP протоколу ARP примерно такого сообщения: «Какой МАС-адрес имеет интерфейс с адресом IPi?»

2. Работа протокола ARP начинается с просмотра собственной ARP-таблицы. Предположим, что среди содержащихся в ней записей отсутствует запрашиваемый IP-адрес.

3. В этом случае исходящий IP-пакет, для которого оказалось невозможным определить локальный адрес из ARP-таблицы, запоминается в буфере, а протокол ARP формирует ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола Ethernet и широковещательно рассылает.

4. Все интерфейсы сети Ethernetl получают ARP-запрос и направляют его «своему» протоколу ARP. ARP сравнивает указанный в запросе адрес IPi с IP-адресом интерфейса, на который поступил этот запрос. Протокол ARP, который констатировал совпадение (в данном случае это ARP маршрутизатора 1), формирует ARP-ответ.

Протокол Proxy-ARP

Протокол Proxy-ARP — это одна из разновидностей протокола ARP, позволяющая отображать IP-адреса на аппаратные адреса в сетях, поддерживающих широковещание, даже в тех случаях, когда искомый узел находится за пределами данного домена коллизий. На рис. 15.8 показана сеть, один из конечных узлов которой (компьютер D) работает в режиме удаленного узла. Конечный узел в таком режиме обладает всеми возможностями компьютеров, работающих в основной части сети Ethernet, в частности он имеет IP-адрес (1Рд), относящийся к той же сети. Для всех конечных узлов сети Ethernet особенности подключения удаленного узла (наличие модемов, коммутируемая связь, протокол РРР) абсолютно прозрачны — они взаимодействуют с ним обычным образом. Чтобы такой режим взаимодействия стал возможным, среди прочего, необходим протокол Proxy-ARP. Поскольку удаленный узел подключен к сети по протоколу РРР, то он, очевидно, не имеет МАС-адреса.

Пусть приложение, работающее, например, на компьютере С, решает послать пакет компьютеру D. Ему известен IP-адрес узла назначения (1Рд), однако, как мы уже не раз отмечали, для передачи пакета по сети Ethernet его необходимо упаковать в кадр Ethernet и снабдить МАС-адресом. Для определения МАС-адреса IP-протокол узла С обращается к протоколу ARP, который посылает широковещательное сообщение с ARP-запросом. Если бы в этой сети на маршрутизаторе не был установлен протокол Proxy- ARP, на этот запрос не откликнулся бы ни один узел.

Однако протокол Proxy-ARP установлен на маршрутизаторе и работает следующим образом. При подключении к сети удаленного узла D в таблицу ARP-маршрутизатора заносится запись

IPD - MACi - int2,

которая означает, что:

□ при поступлении ARP-запроса на маршрутизатор относительно адреса IPZ) в ARP-ответ будет помещен аппаратный адрес MACi, соответствующий аппаратному адресу интерфейса 1 маршрутизатора;

□ узел, имеющий адрес 1Рд, подключен к интерфейсу 2 маршрутизатора.

В ответ на посланный узлом С широковещательный ARP-запрос откликается маршрутизатор с установленным протоколом Proxy-ARP. Он посылает «ложный» ARP-ответ, в котором на место аппаратного адреса компьютера D помещает собственный адрес MACi. Узел С, не подозревая «подвоха», посылает кадр с IP-пакетом по адресу MACi. Получив кадр, маршрутизатор с установленным протоколом Proxy-ARP «понимает», что он направлен не ему (в пакете указан чужой IP-адрес) и, следовательно, надо искать адресата в ARP-таблице. Из таблицы видно, что кадр надо направить узлу, подключенному ко второму интерфейсу

3. Интерфейсы подключения периферийных устройств. Классификация интерфейсов, общая характеристика.

Большинство периферийных устройств подключаются через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижних уровнях иерархии подключений (на верхнем уровне — системная шина). Периферийные интерфейсы — самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы). По назначению периферийные интерфейсы можно разделить на специализированные и универсальные, выделенные и разделяемые:

 Специализированные интерфейсы ориентированы на подключение устройств определенного узкого класса, и в них используются сугубо специфические протоколы передачи информации. Примеры — популярнейший интерфейс мониторов VGA, интерфейс накопителя на гибких дисках, традиционные интерфейсы клавиатуры и мыши, IDE/АТА и ряд других.

 Универсальные интерфейсы имеют более широкое назначение, их протоколы обеспечивают доставку данных, не привязываясь к специфике передаваемой информации. Примеры — коммуникационные порты (СОМ), интерфейс SCSI, шины USB и FireWire.

 Выделенные интерфейсы позволяют подключить к одному порту (точке подключения) адаптера (контроллера) лишь одно устройство; число подключаемых устройств ограничено числом портов. Примеры — СОМ-порт, интерфейс VGA-монитора, порт AGP, интерфейс Serial SCSI.

 Разделяемые интерфейсы позволяют подключить к одному порту адаптера множество устройств. Варианты физического подключения разнообразны: шина (жесткая, как ISA или PCI; кабельная шина SCSI и IDE/ATA), цепочка (daisy chain) устройств (SCSI, IEEE 1284.3), логическая шина на хабах (USB) или встроенных повторителях (IEEE 1394 FireWire).

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:           

1) пропускной способностью интерфейса — количеством информации которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2) максимальной частотой передачи информационных сигналов через интерфейс;

3) информационной шириной интерфейса — числом бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс;

4) максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

5) динамическими параметрами интерфейса — временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6) общим числом проводов (линий) в интерфейсе.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 15

1. Функции ОС по управлению памятью. Что понимают под памятью? Роль памяти. Функции ОС по управлению памятью. Алгоритмы распределения памяти. Свопинг и виртуальная память.

В отличие от памяти жесткого диска, которую называют внешней, оперативной памяти требуется постоянное электропитание. Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления, со стороны ОС особая роль памяти объясняется тем, что процессор может выполнить инструкции программы только в том случае, если они находятся в оперативной памяти. В ранних ОС управление памяти сводилось просто к загрузке программы из внешнего накопителя в ОЗУ. С появлением мультипрограммной ОС решались новые задачи связанные с распределением памяти между несколькими одновременно выполняемыми программами. Функциями ОС по управлению памятью в мультипрограммной системе являются: 1 отслеживание свободной и занятой памяти; 2выделение памяти процессам и освобождение памяти по завершении процессов; 3 вытеснение кодов и данных процессов из оперативной памяти на диск (полное или частичное), когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место; 4 настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Методы распределения памяти:Без использования внешней памяти ( фиксированными разделами, динамическими разделами, перемещаемыми разделами) С использованием внешней памяти (Страничное распределение, Сегментное распределение, Сегментно-страничное распределение) Распределение памяти фиксированными разделами Простейший способ управления оперативной памятью состоит в том, что память разбивается на несколько областей фиксированной величины, называемых разделами. Такое разбиение может быть выполнено вручную оператором во время старта системы или во время ее установки. После этого границы разделов не изменяются. Очередной новый процесс, поступивший на выполнение, помещается либо в общую очередь, либо в очередь к некоторому разделу. ОС выполняет следующие задачи: 1 Сравнивает объем памяти, требуемый для вновь поступившего процесса, с размерами свободных разделов и выбирает подходящий раздел; 2 Осуществляет загрузку программы в один из разделов и настройку адресов. Уже на этапе трансляции разработчик программы может задать раздел, в котором ее следует выполнять. Это позволяет сразу, без использования перемещающего загрузчика, получить машинный код, настроенный на конкретную область памяти. Распределение памяти динамическими разделамиВ этом случае память машины не делится заранее на разделы. Сначала вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. Перемещаемые разделы Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших или младших адресов, так, чтобы вея свободная память образовала единую свободную область. В дополнение к функциям, которые выполняет ОС при распределении памяти динамическими разделами в данном случае она должна еще время от времени копировать содержимое разделов из одного места памяти в другое, корректируя таблицы свободных и занятых областей. Эта процедура называется сжатием. Сжатие может выполняться либо при каждом завершении процесса, либо только тогда, когда для вновь создаваемого процесса нет свободного раздела достаточного размера. В первом случае требуется меньше вычислительной работы при корректировке таблиц свободных и занятых областей, а во втором — реже выполняется процедура сжатия. Свопинг и виртуальная память. В мультипрограммном режиме помимо активного процесса, то есть процесса, коды которого в настоящий момент интерпретируются процессором, имеются приостановленные процессы, находящиеся в ожидании завершения ввода-вывода или освобождения ресурсов, а также процессы в состоянии готовности, стоящие в очереди к процессору. Образы таких неактивных процессов могут быть временно, до следующего цикла активности, выгружены на диск. Несмотря на то что коды и данные процесса отсутствуют в оперативной памяти, ОС «знает» о его существовании и в полной мере учитывает это при распределении процессорного времени и других системных ресурсов. К моменту, когда подходит очередь выполнения выгруженного процесса, его образ возвращается с диска в оперативную память. Если при этом обнаруживается, что свободного места в оперативной памяти не хватает, то на диск выгружается другой процесс. Такая подмена (виртуализация) оперативной памяти дисковой памятью позволяет повысить уровень мультипрограммирования. Виртуализация памяти может быть осуществлена на основе двух различных подходов:

 свопинг (swapping) — образы процессов выгружаются на диск и возвращаются в оперативную память целиком;

 виртуальная память (virtual memory) — между оперативной памятью и диском перемещаются части (сегменты, страницы и т. п.) образов процессов.

 Свопинг представляет собой частный случай виртуальной памяти и, следовательно, более простой в реализации способ совместного использования оперативной памяти и диска.

2. Система DNS. Плоские символьные имена. Иерархические символьные имена. Схема работы DNS. Обратная зона.

Плоские символьные имена

В операционных системах, которые первоначально разрабатывались для локальных сетей, таких как Microsoit Windows или IBM OS/2, пользователи всегда работали с символьными именами компьютеров. Так как локальные сети состояли из небольшого числа компьютеров, применялись так называемые плоские имена, состоящие из последовательности символов, не разделенных на части. Примерами таких имен являются: NW1_1, mail2, MOSCOW_SALES_2. Для установления соответствия между символьными именами и MAC-адресами в этих операционных системах применялся механизм широковещательных запросов, подобный механизму запросов протокола ARP. Так, широковещательный способ разрешения имен реализован в протоколе NetBIOS, на котором были построены многие локальные ОС. Так называемые NetBIOS-имена стали на долгие годы одним из основных типов плоских имен в локальных сетях.

Для стека TCP/IP, рассчитанного в общем случае на работу в больших территориально распределенных сетях, подобный подход оказывается неэффективным.