Операционная система UNIX

Робачевский Андрей Михайлович

Реализация TCP/IP

Прежде чем перейти к описанию функционирования модулей протоколов TCP/IP, рассмотрим еще одну структуру данных, называемую управляющим блоком протокола (Protocol Control Block, PCB), который в случае TCP/IP называется Internet PCB, и представлен структурой

inpcb

, определенной в файле <netinet/in_pcb.h>. Вид структуры

inpcb

показан на рис. 6.28.

Рис. 6.28. Структуры данных протоколов TCP/IP

Эта структура создается

для каждого активного сокета TCP или UDP и содержит информацию, необходимую для текущих транзакций протокола, такую как IP-адреса источника и получателя (

inp_laddr

и

inp_faddr

), номера портов (

inp_lport

и

inp_fport

), маршрутизационной информации (

inp_route

). TCP создает дополнительный управляющий блок, где хранятся данные, необходимые для работы этого протокола (такие как порядковые номера, номера подтверждений и т.д.)

Управляющие блоки размещаются в виде связанного списка, отдельного для TCP и UDP. Модули протокола имеют в своем распоряжении набор функций для создания, поиска и удаления управляющего блока. Модуль IP демультиплексирует сообщения на основании номера протокола, указанного в заголовке датаграммы, а протокол транспортного уровня, в свою очередь, производит поиск требуемого управляющего блока для доставки данных протоколам более высокого уровня (приложений).

Перейдем теперь к описанию взаимодействия рассмотренных модулей в сетевой подсистеме BSD UNIX (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Сетевая подсистема BSD UNIX

Модуль IP

Сетевой интерфейс получает пакеты данных из сети и передает их соответствующему модулю сетевого уровня на основании информации, содержащейся в заголовке кадра уровня канала. В данном разделе мы не будем рассматривать поддержку различных сетевых протоколов, а остановимся только на взаимодействии с протоколом IP. В этом случае полученные пакеты помещаются в очередь приема модуля IP. После этого с помощью программного прерывания вызывается процедура

ip_input

, которая поочередно извлекает пакеты из очереди и обрабатывает их. После обработки на основании информации заголовка IP-датаграммы данные либо передаются протоколу транспортного уровня, либо уничтожаются, если в данных обнаружена ошибка, либо передаются другому интерфейсу для последующей отправки фактическому адресату. В последнем случае система выполняет роль шлюза.

Датаграмма считается адресованной данному хосту, если адрес получателя совпадает с одним из адресов интерфейса данного хоста, или адрес получателя является широковещательным (или групповым) адресом данной сети. В случае получения фрагментированной датаграммы модуль производит ее реассемблирование. Для этого отдельные фрагменты собираются в специально организованной очереди, пока не будет сформирована исходная датаграмма. После этого данные передаются транспортному протоколу. Для демультиплексирования модуль IP использует поле

Protocol

заголовка, которое по существу является индексом таблицы, каждый элемент которой представлен коммутатором протокола, рассмотренного ранее в этой главе. Соответственно модуль IP имеет возможность непосредственно вызвать функцию

pr_input

требуемого протокола следующего уровня.

В случае, когда полученная датаграмма не содержит ошибок, но не адресована данному хосту, она, возможно, должна быть передана на другой сетевой интерфейс для последующей передачи фактическому адресату. Эта процедура носит название шлюзования (forwarding) и включает выполнение следующих шагов:

 Производится проверка разрешения шлюзования. [87] В случае отрицательного результата хост не может выполнять функции шлюза и данные уничтожаются.

87

Возможность передачи на другой интерфейс определяется установкой соответствующего флага при конфигурации сетевой подсистемы (модуля IP). Например, в операционной системе SCO UNIX за это отвечает настраиваемый параметр ядра

ip_forwarding

.

 Производится проверка адреса получателя. Если адрес датаграммы не принадлежит адресному пространству сетей класса А, В или С, такие данные не могут быть переданы. [88]

 Определяется дальнейший маршрут передачи датаграммы.

 Если дальнейший путь датаграммы проходит через тот же интерфейс, с которого она была получена, и хост-отправитель расположен в той же сети, ему отправляется сообщение ICMP REDIRECT.

 Производится вызов функции

ip_output

, выполняющей передачу датаграммы хосту-адресату или соседнему шлюзу для дальнейшей передачи.

88

Адреса сетей класса D — групповые (multicast) адреса — используются для создания специальных наложенных сетей (Multicast backbone, Mbone), предназначенных для таких приложений, как видео-, аудиоконференции и т.п. Обработка таких датаграмм выполняется, как правило, специальными демонами отдельно от стандартных функций шлюзования. Если в системе включена поддержка групповых адресов, данные с указанными адресами будут передаваться этим демонам, которые и выполнят логическое шлюзование/передачу.

При выполнении этих функций модуль IP может обнаружить несколько ошибочных ситуаций, например, отсутствие маршрута для датаграммы или невозможность передачи данных из-за переполнения в сети. В этих случаях модуль формирует соответствующее сообщение ICMP и передает его отправителю датаграммы. Эти сообщения ICMP и причины их отправки приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9. Сообщения ICMP

Сообщение	Причина
DESTINATION UNREACHABLE	Невозможно доставить датаграмму. Причин может быть несколько: 1. Отсутствует маршрут к сети 2. Отсутствует маршрут к хосту 3. Для передачи необходима фрагментация, но в заголовке установлен флаг DF (Don't Fragment)
SOURCE QUENCH	Переполнение сети. Шлюз передает это сообщение, запрашивая отправителя на уменьшение скорости передачи данных
TIME EXCEEDED	Тайм-аут. Причины могут быть две: 1. Истекло время жизни датаграммы в сети (TTL=0) 2. Произошел тайм-аут реассемблирования, т.е. через определенный промежуток времени получены не все фрагменты датаграммы

При вызове функции

ip_output

ей передается датаграмма, которую необходимо отправить, указатель на маршрут (структура

route

, хранящаяся в управляющем блоке), а также флаги (например, указание не использовать маршрутизационные таблицы). Передача маршрута не является обязательной. Если функции не передан указатель на маршрут, будет использован маршрут из таблицы маршрутизации. В противном случае будет произведена проверка переданного маршрута, и при необходимости его значение будет обновлено для последующего использования.

Функция

ip_output

может быть вызвана и модулем транспортного протокола (UDP или TCP). Каким образом это происходит, описано в следующем разделе.

Модуль UDP

Вернемся к рассмотрению ситуации, когда датаграмма адресована нашему хосту, не содержит ошибок (по крайней мере, с точки зрения IP) и должна быть передана транспортному протоколу. Поскольку целью данного раздела является иллюстрация схемы взаимодействия между модулями, рассмотрим более простой протокол UDP.