Subsections

2 Podział oprogramowania sieciowego na warstwy

Złożone systemy przesyłania danych nie korzystają z pojedynczego protokołu do obsługi wszystkich zadań związanych z transmisją, lecz wymagają istnienia zestawu współpracujących protokołów. Comer [Comer 97a] wyszczególnia najważniejsze problemy, z którymi muszą sobie radzić protokoły sieciowe.

Zawodność sprzętu. Należy wykrywać awarie sieci, ruterów lub innych elementów sprzętowych i radzić sobie z nimi, jeżeli to możliwe.
Przeciążenie sieci. Sieci mają skończoną przepustowość, której nie można przekroczyć. Oprogramowanie protokołów musi zapewnić sposoby na to, aby przeciążony komputer mógł zlikwidować nadmierny ruch.
Gubienie pakietów i przychodzenie pakietów z opóźnieniem. Oprogramowanie sieciowe musi dowiadywać się o zagubionych pakietach i dostosowywać się do dużych opóźnień w ich dostarczaniu.
Uszkodzenie danych. Elektryczne i magnetyczne zakłócenia oraz błędy interfejsów sprzętowych mogą spowodować błędy w transmisji powodujące uszkodzenie przesyłanych danych. Protokoły powinny wykrywać takie błędy i obsługiwać je w jakiś sposób.
Powielanie danych i błędy w kolejności napływania danych. Sieci, w których dane mogą wędrować wieloma różnymi trasami, mogą dostarczać dane nie w kolejności, a także powodować powielanie pakietów. Protokoły muszą porządkować pakiety i pozbywać się dodatkowych kopii.

Trudno jest napisać jeden protokół, który poradzi sobie z tymi wszystkimi problemami. Dlatego zadanie komunikacji sieciowej jest dzielone na podzadania, rozwiązywane przez osobne moduły oprogramowania. Moduły te można traktować tak, jakby były ułożone na stosie składającym się z warstw. Każda warstwa jest odpowiedzialna za obsługę części problemu.

Wysłanie komunikatu od programu użytkowego na jednej maszynie do programu użytkowego na drugiej oznacza przesłanie tego komunikatu w dół przez kolejne warstwy oprogramowania sieciowego maszyny nadawcy, transmisję komunikatu przez sieć oraz przesłanie komunikatu w górę przez kolejne warstwy oprogramowania protokołów na maszynie odbiorcy.

W każdej warstwie może być zaimplementowanych wiele protokołów, pozwalających wykonać na różne sposoby takie samo zadanie. Przykładem może być tu komputer wyposażony w kilka interfejsów sieciowych różnego typu i w oprogramowanie, które implementuje protokoły komunikacji z każdym z tych interfejsów.

Istnieje wiele schematów podziału oprogramowania sieciowego na warstwy. Niezależnie od wybranego schematu i od zadań poszczególnych warstw, działanie podzielonych na warstwy protokołów jest oparte na jednej podstawowej idei, zwanej zasadą podziału na warstwy: podział na warstwy jest tak zaprojektowany, aby warstwa n u odbiorcy otrzymywała dokładnie te same obiekty, które wysłała warstwa n u nadawcy. Dzięki tej idei projektant protokołu może skupić uwagę tylko na jednej warstwie, nie martwiąc się o to, jak działają warstwy położone niżej i wyżej.

Wadą podziału na warstwy może być mała wydajność protokołów. Ścisłe przestrzeganie podziału na warstwy często uniemożliwia optymalizację przesyłania, co ma znaczenie przy konstrukcji systemów pracujących z sieciami o dużej przepustowości. Z tego powodu w praktycznych implementacjach zazwyczaj nie stawia się wymagania ścisłej hermetyzacji warstw, np. pozwala się, aby implementacja protokołu TCP wykorzystywała informację o maksymalnej jednostce przesyłu (MTU -- ang. Maximum Transmission Unit) w sieci dla unikania fragmentacji pakietów przez oprogramowanie IP.

1 Model ISO OSI

Wzorcowym sposobem podziału oprogramowania sieciowego na warstwy jest model ISO OSI -- Model Wzorcowy Otwartych Systemów Połączeń Międzysieciowych (ang. Reference Model of Open System Interconnection), opracowany przez organizację ISO (Międzynarodowa Organizacja Standaryzacyjna, ang. International Organization for Standarization). Model ten wyszczególnia 7 warstw, przy czym warstwy o wyższych numerach są ułożone wyżej na stosie ([Comer 97a]).

Warstwa fizyczna (połączenie za pomocą fizycznego sprzętu).
Warstwa łącza danych (interfejs sprzętowy).
Warstwa sieci.
Warstwa transportowa.
Warstwa sesji.
Warstwa reprezentacji danych.
Warstwa programów użytkowych.

2 Stos protokołów TCP/IP w jądrze systemu operacyjnego

Oprogramowanie TCP/IP jest zorganizowane w cztery koncepcyjne warstwy, które stanowią nadbudowę nad warstwą sprzętu. W większości implementacji trzy najniższe warstwy należą do systemu operacyjnego. W systemach badanych w niniejszej pracy wszystkie one są implementowane w jądrze. Oto kolejne warstwy (za [Comer 97a]).

Warstwa interfejsu sieciowego. Odpowiada za przyjmowanie datagramów IP i przesyłanie ich przez daną sieć. Może składać się ze sterownika urządzenia lub ze skomplikowanego podsystemu, który wykorzystuje własny protokół łącza. Odpowiada warstwie łącza danych z modelu ISO OSI⁶.
Warstwa intersieci. Zajmuje się kapsułkowaniem pakietów TCP i UDP w datagramach IP, wyznaczaniem tras pakietów, sprawdzaniem poprawności przychodzących datagramów, obsługą protokołu ICMP. Odpowiada warstwie sieciowej z modelu ISO OSI.
Warstwa transportowa. Zapewnia komunikację między jednym programem użytkownika a drugim. Może regulować przepływ informacji, zapewniać bezbłędność i właściwą kolejność przesyłanych danych. Określa, który program użytkowy powinien otrzymać przychodzące dane. Jej odpowiednik w modelu ISO OSI nosi tę samą nazwę.
Warstwa programów użytkowych. Odpowiada wszystkim warstwom powyżej transportowej z modelu ISO OSI.

Warstwy transportu i intersieci bywają łączone w jedną, gdyż obie operują adresami IP, w odróżnieniu od warstwy interfejsu, która używa adresów niskopoziomowych (fizycznych).

Oprogramowanie Net/3 stosuje następujący podział na warstwy (zob. [Stevens 98b]).

Warstwa interfejsu. Zawiera programy obsługi urządzeń, zazwyczaj komunikujące się z urządzeniami sieciowymi -- np. Ethernet, SLIP, pętla zwrotna. Odpowiada warstwie łącza danych z modelu ISO OSI⁷.
Warstwa protokołu. Zawiera implementację czterech rodzin protokołów: TCP/IP, XNS, OSI i domena uniksowa. Każdy zestaw protokołów może mieć własną strukturę wewnętrzną, np. w zestawie protokołów internetowych najniższą warstwą jest IP, powyżej znajdują się dwa protokoły transportowe (TCP i UDP). Odpowiada warstwom sieciowej i transportowej z modelu ISO OSI.
Warstwa gniazd. Stanowi interfejs do położonej niżej warstwy zależnej od protokołu. Wszystkie wywołania systemowe rozpoczynają się w niezależnej od protokołu warstwie gniazd. Kod umieszczony w tej warstwie sprawdza poprawność argumentów wywołania systemowego i uruchamia zależny od protokołu kod w niższej warstwie. W omówionych poprzednio modelach warstwa gniazd nie występuje, gdyż jest ona interfejsem pomiędzy programami użytkownika i jądrem, a nie implementacją protokołu sieciowego.

Warstwa fizyczna z modelu ISO OSI jest implementowana przez sprzęt, natomiast warstwy sesji, prezentacji i aplikacji są obsługiwane przez procesy użytkowe.

Podobnego podziału dokonano w jądrze Linuksa (zob. [Beck 99]). Tak jak w kodzie Net/3, występują tutaj warstwy gniazd i interfejsu, natomiast warstwie protokołu dla TCP/IP odpowiadają 3 warstwy.

Warstwa protokołu sieciowego. Implementuje protokół IP.
Warstwa protokołu transportowego. Implementuje protokoły TCP i UDP, dla gniazd surowych nie występuje.
Warstwa gniazd INET. Podobna do warstwy gniazd, ponieważ pełni rolę administracyjną. Różnica polega na tym, że warstwa gniazd INET operuje na danych związanych z protokołami TCP/IP, zgromadzonych w strukturze sock i jej podstrukturach. Leżąca powyżej warstwa gniazd jest niezależna od protokołu.

Podział na warstwy protokołu sieciowego i transportowego nie jest ścisły: implementacja TCP różni się w zależności od tego, czy ma działać z protokołem IP w wersji 4, czy w wersji 6. Z drugiej strony w kodzie systemów BSD można dostrzec podział jednolitej warstwy protokołu na warstwy sieciową i transportową (zob. rozdział 3).

Warto zauważyć, że takie wywołania systemowe jak read() i write() mogą odnosić się nie tylko do plików, lecz również do gniazd. W wyniku takiego wywołania sterowanie nie trafia od razu do warstwy gniazd, lecz przechodzi najpierw przez kod, który może być traktowany jak wyższa warstwa w stosie protokołów. Jego zadaniem jest rozpoznanie, że odwołanie dotyczy gniazda i wywołanie odpowiedniej funkcji z warstwy gniazd. Kod ten może też zajmować się innymi czynnościami, np. badać poprawność argumentów wywołania i dostępność odpowiednich obszarów przestrzeni adresowej. W Linuksie tymi zadaniami zajmuje się warstwa VFS (ang. Virtual Filesystem Switch -- Przełącznik Wirtualnego Systemu Plików). W systemach BSD nie używa się tej terminologii, ale Net/3 również zawiera kod operacji plikowych, który w razie potrzeby przekierowuje wywołania systemowe do warstwy gniazd. W niniejszej pracy przyjmujemy, że ten kod, podobnie jak w Linuksie, należy do warstwy VFS.

Warstwy administracyjne kodu sieciowego: VFS, gniazd i gniazd INET mogą być pomijane w rozważaniach dotyczących działania protokołów sieciowych. Nie można jednak o nich zapominać przy badaniu przebiegu sterowania w jądrze i analizie wydajności kodu sieciowego.

W tabeli 2.1 podsumowano odpowiedniość różnych warstw w przedstawionych modelach.

Dla ścisłości należy wspomnieć, że na poziomie jądra mogą być zaimplementowane takie usługi, jak serwer HTTP czy klient NFS⁸. Obejmują one swoim zakresem protokoły z wyższych warstw: sesji, reprezentacji danych, a nawet aplikacji. Przypadki te nie będą rozważane w niniejszej pracy.

**Tabela 2.1:** Modele podziału kodu sieciowego na warstwy
$\begin{tabular}{\vert p{2.6cm}\vert\vert\vert p{2.6cm}\vert\vert p{3cm}\vert\ver... ...ine {\bf SPRZĘT} & fizyczna & \multicolumn{3}{c}{ } \\ \cline{1-2} \end{tabular}$

Footnotes

... OSI ⁶: Niektóre zadania należące do warstwy łącza danych mogą być wykonywane przez sprzęt. I tak np. karty Ethernet liczą sumy kontrolne wysyłanych i otrzymywanych pakietów; czynność ta niewątpliwie nie należy do zadań warstwy fizycznej.
... OSI ⁷: Z zastrzeżeniem takim, jak w poprzednim przypisie.
... NFS ⁸: Nie da się tego uniknąć, jeśli chcemy, aby system plików NFS był widziany przez warstwę VFS w ten sam sposób, jak inne systemy plików.