ГЛABA 13 Поддержка сетей
ГЛABA 13 Поддержка сетей
Windows создавалась с учетом необходимости работы в сети, поэтому в операционную систему включена всесторонняя поддержка сетей, интегрированная с подсистемой ввода-вывода и Windows API. K четырем базовым типам сетевого программного обеспечения относятся сервисы, API, протоколы и драйверы устройств сетевых адаптеров. Все они располагаются один над другим, образуя сетевой стек. Для каждого уровня в Windows предусмотрены четко определенные интерфейсы, поэтому в дополнение к большому набору API-функций, протоколов и драйверов адаптеров, поставляемых с Windows, сторонние разработчики могут создавать собственные компоненты, расширяющие сетевую функциональность операционной системы.
B этой главе будет рассмотрен весь сетевой стек Windows — снизу доверху. Сначала мы поговорим о том, как сетевые компоненты Windows соотносятся с уровнями эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection). Далее мы кратко опишем сетевые API, доступные в Windows, и покажем, как они реализованы. Вы узнаете, что делают редиректоры, как происходит разрешение имен сетевых ресурсов и как устроены драйверы протоколов. Познакомившись с реализацией драйверов устройств сетевых адаптеров, мы расскажем о привязке, в ходе которой сервисы и стеки протоколов связываются с сетевыми адаптерами.
Сетевая архитектура Windows
Задача сетевого программного обеспечения состоит в приеме запроса (обычно на ввод-вывод) от приложения на одной машине, передаче его на другую, выполнении запроса на удаленной машине и возврате результата на первую машину. B ходе этих операций запрос неоднократно трансформируется. Высокоуровневый запрос вроде «считать x байтов из файла у на машине z» требует, чтобы программное обеспечение определило, как достичь машины z и какой коммуникационный протокол она понимает. Затем запрос должен быть преобразован для передачи по сети — например, разбит на короткие пакеты данных. Когда запрос достигнет другой стороны, нужно проверить его целостность, декодировать и послать соответствующему компоненту операционной системы. По окончании обработки запрос должен быть закодирован для обратной передачи по сети.
Эталонная модель OSI
Чтобы помочь поставщикам в стандартизации и интеграции их сетевого программного обеспечения, международная организация по стандартизации (ISO) определила программную модель пересылки сообщений между компьютерами. Эта модель получила название эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection). B ней определено семь уровней программного обеспечения (рис. 13-1).
Эталонная модель OSI — идеал, точно реализованный лишь в очень немногих системах, но часто используемый при объяснении основных принципов работы сети. Каждый уровень на одной из машин считает, что он взаимодействует с тем же уровнем на другой машине. Ha данном уровне обе машины «разговаривают» на одном языке, или протоколе. Ho в действительности сетевой запрос должен сначала пройти до самого нижнего уровня на первой машине, затем он передается по несущей среде и уже на второй машине вновь поднимается до уровня, который его поймет и обработает.
Задача каждого уровня в том, чтобы предоставлять сервисы более высоким уровням и скрывать от них конкретную реализацию этих сервисов. Подробное обсуждение каждого сетевого уровня выходит за рамки нашей книги, но мы все же дадим их краткое описание.
• Прикладной уровень (application layer) Обрабатывает передачу данных между двумя сетевыми приложениями, включая проверку прав доступа, идентификацию взаимодействующих машин и инициацию обмена данными.
• Презентационный уровень (presentation layer) Отвечает за форматирование данных, в том числе решает, должны ли строки заканчиваться парой символов «возврат каретки/перевод строки» (CR/LF) или только символом «возврат каретки» (CR), надо ли сжимать данные, кодировать и т. д.
• Сеансовый уровень (session layer) Управляет соединением взаимодействующих приложений, включая высокоуровневую синхронизацию и контроль за тем, какое из них «говорит», а какое «слушает».
• Транспортный уровень (transport layer) Ha передающей стороне разбивает сообщения на пакеты и присваивает им порядковые номера, гарантирующие прием пакетов в должном порядке. Кроме того, изолирует сеансовый уровень от влияния изменений в составе оборудования.
• Сетевой уровень (network layer) Создает заголовки пакетов, отвечает за маршрутизацию, контроль трафика и взаимодействие с межсетевой средой. Это самый высокий из уровней, который понимает топологию сетей, т. е. физическую конфигурацию машин в них, ограничения пропускной способности этих сетей и т. д.
• Канальный уровень (data-link layer) Пересылает низкоуровневые кадры данных, ждет подтверждений об их приеме и повторяет передачу кадров, потерянных в ненадежных линиях связи.
• Физический уровень (physical layer) Передает биты по сетевому кабелю или другой физической несущей среде.
Как уже говорилось, каждый сетевой уровень считает, что он взаимодействует с эквивалентным уровнем на другой машине, который использует тот же протокол. Набор протоколов, передающих запросы по сетевым уровням, называется стеком протоколов.
Сетевые компоненты Windows
Ha рис. 13-2 представлена общая схема сетевых компонентов Windows, их соответствие уровням модели OSI, а также протоколы, используемые различными уровнями. Как видите, между уровнями OSI и реальными сетевыми компонентами нет точного соответствия. Некоторые компоненты охватывают несколько уровней. Ниже приводится список сетевых компонентов с кратким описанием.
• Сетевые API Обеспечивают независимое от протоколов взаимодействие приложений через сеть. Сетевые API реализуются либо в режиме ядра и пользовательском режиме, либо только в пользовательском режиме. Некоторые сетевые API являются оболочками других API и реализуют специфическую модель программирования или предоставляют дополнительные сервисы. (Термином «сетевые API» обозначаются любые программные интерфейсы, предоставляемые сетевым программным обеспечением.)
• Клиенты TDI (Transport Driver Interface) Драйверы устройств режима ядра, обычно реализующие ту часть сетевого API, которая работает в режиме ядра. Клиенты TDI называются так из-за того, что пакеты запросов ввода-вывода (IRP), которые они посылают драйверам протоколов, форматируются по стандарту Transport Driver Interface (документированному в DDK). Этот стандарт определяет общий интерфейс программирования драйверов устройств режима ядра. (Об IRP см. главу 9)
• Транспорты TDI Представляют собой драйверы протоколов режима ядра и часто называются транспортами, NDlS-драйверами протоколов или драйверами протоколов. Они принимают IRP от клиентов TDI и обрабатывают запросы, представленные этими IRP Обработка запросов может потребовать взаимодействия через сеть с другим равноправным компьютером; в таком случае транспорт TDI добавляет к данным IRP заголовки, специфичные для конкретного протокола (TCP, UDP, IPX), и взаимодействует с драйверами адаптеров через функции NDIS (также документированные в DDK). B общем, транспорты TDI связывают приложения через сеть, выполняя такие операции, как сегментация сообщений, их восстановление, упорядочение, подтверждение и повторная передача.
• Библиотека NDIS (Ndis.sys) Инкапсулирует функциональность для драйверов адаптеров, скрывая от них специфику среды Windows, работающей в режиме ядра. Библиотека NDIS экспортирует функции для транспортов TDI, а также функции поддержки для драйверов адаптеров.
Рис. 13-2. Модель OSI и сетевые компоненты Windows
• Минипорт-драйверы NDIS Драйверы режима ядра, отвечающие за организацию интерфейсов между транспортами TDI и конкретными сетевыми адаптерами. Минипорт-драйверы NDIS пишутся так, чтобы они были заключены в оболочку библиотеки NDIS. Такая инкапсуляция обеспечивает межплатформенную совместимость с потребительскими версиями Microsoft Windows. Минипорт-драйверы NDIS не обрабатывают IRP, а регистрируют интерфейс таблицы вызовов библиотеки NDIS, которая содержит указатели на функции, соответствующие функциям, экспортируемым библиотекой NDIS для транспортов TDI. Минипорт-драйверы NDIS взаимодействуют с сетевыми адаптерами, используя функции библиотеки NDIS, которые вызывают соответствующие функции HAL. Фактически четыре нижних сетевых уровня часто обозначают собирательным термином «транспорт», а компоненты, расположенные на трех верхних уровнях, — термином «пользователи транспорта».
Далее мы подробно рассмотрим сетевые компоненты, показанные на рис. 13-2 (равно как и не показанные на нем), обсудим их взаимосвязи и то место, которое они занимают в Windows.
Сетевые API
Для поддержки унаследованных приложений и для совместимости с промышленными стандартами в Windows реализован целый набор сетевых API. B этом разделе мы расскажем о сетевых API и поясним, как они используются приложениями. Важно иметь в виду, что выбор API для приложения определяется характеристиками APL поверх каких протоколов он может работать, поддерживает ли он надежную и двустороннюю связь, а также переносим ли он на другие Windows-платформы, на которых может работать данное приложение. Мы обсудим следующие сетевые APL
• Windows Sockets (Winsock);
• Remote Procedure Call (RPC);
• API доступа к Web;
• именованные каналы (named pipes) и почтовые ящики (mailslots);
• NetBIOS:
• прочие сетевые API.
Windows Sockets
Изначально Windows Sockets (Winsock) версии 1.0 был Microsoft-реализацией BSD (Berkeley Software Distribution) Sockets, программного интерфейса, с 80-х годов прошлого века ставшего стандартом, на основе которого UNIX-системы взаимодействовали через Интернет. Поддержка сокетов в Windows существенно упрощает перенос сетевых приложений из UNIX в Windows. Современные версии Winsock включают большую часть функциональности BSD Sockets, а также содержат специфические расширения от Microsoft, развитие которых продолжается. Winsock поддерживает как надежные коммуникации, ориентированные на логические соединения, так и ненадежные коммуникации, не требующие логических соединений. Windows предоставляет Winsock 2.2 — для устаревших версий Windows он доступен в виде надстройки. Функциональность Winsock 2.2 выходит далеко за рамки спецификации BSD Sockets, и, в частности, он поддерживает функции, использующие средства асинхронного ввода-вывода в Windows, что обеспечивает гораздо более высокую производительность и масштабируемость, чем исходный BSD Sockets.
Winsock обеспечивает:
• ввод-вывод по механизму «scatter/gather» и асинхронный ввод-вывод;
• поддержку Quality of Service (QoS) — если нижележащая сеть поддерживает QoS, приложения могут согласовывать между собой максимальные задержки и полосы пропускания;
• расширяемость — Winsock можно использовать не только с протоколами, которые он поддерживает в Windows, но и с другими;
• поддержку интегрированных пространств имен, отличных от определенных протоколом, который используется приложением вместе с Winsock. Например, сервер может опубликовать свое имя в Active Directory, а клиент, используя расширения пространств имен, — найти адрес сервера в Active Directory;
• поддержку многоадресных сообщений, передаваемых из одного источника сразу нескольким адресатам.
Далее мы рассмотрим принципы работы Winsock и опишем способы его расширения.
Функционирование Winsock на клиентской стороне
Первый шаг Winsock-приложения — инициализация Winsock API вызовом инициализирующей функции. B Windows 2000 такое приложение должно затем создать сокет, представляющий конечную точку коммуникационного соединения. Приложение получает адрес сервера, к которому ему нужно подключиться, вызовом gethostbyname. Winsock не зависит от конкретного протокола, поэтому адрес может быть указан по любому установленному в системе протоколу, поверх которого работает Winsock (TCP/IP, TCP/IP с IP версии 6, IPX). Получив адрес сервера, клиент, ориентированный на логические соединения (connection-oriented client), пытается подключиться к этому серверу, вызывая функцию connect и передавая ей адрес сервера.
B Windows XP и Windows Server 2003 приложение должно получить адрес сервера через getaddrinfo, а не gethostbyname. Функция getaddrinfo возвращает список адресов, назначенных серверу, и клиент пытается поочередно подключиться по каждому из них до тех пор, пока ему не удастся установить соединение. Это гарантирует, что клиент, поддерживающий, например, только IP версии 4 (IPv4), соединится с сервером, которому могли быть назначены как IPv4-, так и IPv6-адpeca, по соответствующему IPv4-адpecy.
Установив соединение, клиент может посылать и принимать данные через свой сокет, используя, например, recv и send. Клиент, не ориентированный на логические соединения (connectionless client), указывает удаленный адрес через эквивалентные функции API, не ориентированного на логические соединения; в данном случае — через sendto и recvfrom соответственно.
Функционирование Winsock на серверной стороне
Последовательность операций серверного приложения отличается от таковой для клиентского. После инициализации Winsock API сервер создает сокет и выполняет его привязку к локальному адресу через bind. Как и в случае клиентского приложения, тип адреса (по TCP/IP, TCP/IP с IP версии 6 или какому-то другому протоколу) выбирается серверным приложением.
Если сервер ориентирован на логические соединения, он выполняет на сокете операцию listen, указывая число соединений, которое он может поддерживать на этом сокете. Далее он выполняет операцию accept, чтобы клиент мог подключиться к сокету. При наличии ждущего запроса на соединение вызов accept завершается немедленно. B ином случае он завершается лишь после поступления запроса на соединение. После того как соединение установлено, функция accept возвращает новый сокет, представляющий серверную сторону соединения. Сервер может выполнять операции приема и передачи данных с помощью таких функций, как, например, recv и send. Рис. 13-3 иллюстрирует коммуникационную связь между клиентом и сервером Winsock, ориентированными на логические соединения.
После привязки к адресу сервер, не требующий логических соединений, ничем не отличается от аналогичного клиента: он посылает и получает данные через сокет, просто указывая удаленный адрес для каждой операции. Большинство протоколов, не ориентированных на логические соединения, ненадежны и, как правило, не позволяют определить, получил ли адресат отправленные ему пакеты данных — дейтаграммы (datagrams). Такие протоколы идеальны для передачи коротких сообщений, когда надежность доставки не играет определяющей роли (впрочем, приложение может само реализовать соответствующие средства поверх протокола).
Расширения Winsock
C точки зрения программирования для Windows, сильной стороной Winsock API является его интеграция с механизмом Windows-сообщений. Winsock-приложение может использовать преимущества такой интеграции для выполнения асинхронных операций с сокетом и приема уведомления о завершении операции через стандартное Windows-сообщение или функцию обратного вызова. Это упрощает разработку Windows-приложений, поскольку позволяет отказаться от многопоточности и синхронизирующих объектов для поддержки сетевого ввода-вывода и реакции на пользовательский ввод или запросы диспетчера окон на обновление окон приложения.
Кроме вспомогательных функций, прямо соответствующих функциям, реализованным в BSD Sockets, Microsoft добавила несколько функций, не входящих в стандарт Winsock. Две из них, AcceptEx и TransmitFile, стоят того, чтобы привести здесь их описание, так как благодаря им многие Web-серверы под управлением Windows достигают высокой производительности. AcceptEx является версией функции accept, которая в процессе установления соединения с клиентом возвращает адрес и первое сообщение клиента. AcceptEx дает возможность серверному приложению подготовиться к серии операций accept для последующей обработки множества входящих соединений. A это позволяет Web-серверу избежать выполнения сразу нескольких Winsock-функций.
Установив соединение с клиентом, Web-сервер обычно посылает ему файл, например Web-страницу. Реализация функции TransmitFile интегрирована с диспетчером кэша, что позволяет серверу посылать файл непосредственно из кэша файловой системы. Такая пересылка данных называется нулевым копированием (zero-сору), поскольку в этом случае серверу не приходится обращаться к файловым данным: он просто указывает описатель файла и диапазон пересылаемых байтов. Кроме того, функция TransmitFile позволяет серверу присоединять к началу или концу файла дополнительные данные. Это дает ему возможность посылать заголовочную информацию, например имя Web-сервера и поле, в котором указывается размер посылаемого сообщения. Internet Information Services (IIS), входящая в комплект поставки Windows, использует как AcceptEx, так и TransmitFile.
B Windows XP и Windows Server 2003 добавлен целый набор других, многофункциональных API-функций, в том числе ConnectEx, DisconnectEx и TransmitPackets. ConnectEx устанавливает соединение и посылает первое сообщение по этому соединению. DisconnectEx закрывает соединение и разрешает повторное использование описателя сокета, представляющего данное соединение, в вызове AcceptEx или ConnectEx. Наконец, TransmitPackets — полный аналог TransmitFile с тем исключением, что позволяет передавать не только файловые данные, но и данные, находящиеся в памяти.
Принципы расширения Winsock
Winsock является расширяемым API, поскольку сторонние разработчики могут добавлять провайдеры транспортных сервисов (transport service providers, TSP), организующие интерфейсы Winsock и другими протоколами или уровнями поверх существующих протоколов (это позволяет реализовать такую функциональность, как поддержка прокси). Сторонние разработчики также могут добавлять провайдеры пространств имен (namespace service providers), дополняющие механизмы разрешения имен в Winsock. Такие компоненты подключаются к Winsock через его интерфейс провайдеров сервисов (service provider interface, SPI). Если какой-то TSP регистрируется в Winsock, последний реализует на его основе функции сокета (вроде connect и accepf) для тех типов адресов, которые указаны этим провайдером как поддерживаемые. Никаких ограничений на то, как TSP реализует функции, не налагается, но такая реализация обычно требует взаимодействия с драйвером транспорта в режиме ядра.
Требование к любому клиент-серверному приложению, использующему Winsock, заключается в следующем: сервер должен сделать свой адрес доступным клиентам, чтобы они могли подключаться к серверу. Для стандартных сервисов, выполняемых в TCP/IP, с этой целью используются так называемые общеизвестные адреса. Если браузер знает имя компьютера, на котором работает Web-сервер, он может подключиться к нему, указав общеизвестный адрес Web-сервера (к IP-адресу сервера добавляется строка «:80» — номер HTTP-порта). Провайдеры пространств имен позволяют серверам регистрировать свое присутствие и другими способами. Например, провайдер пространства имен мог бы на серверной стороне регистрировать адрес сервера в Active Directory, а на клиентской — искать его в Active Directory. Провайдеры пространств имен обеспечивают эту функциональность Winsock, реализуя такие стандартные Winsock-функции разрешения имен, как getaddrinfo (заменяет gethostbyname) и getnameinfo.
ЭКСПЕРИМЕНТ: просмотр провайдеров сервисов Winsock
Утилита Windows Sockets Configuration (Sporder.exe), входящая в Platform SDK, показывает зарегистрированные в Winsock провайдеры транспортных сервисов и пространств имен и позволяет изменять порядок перечисления TSP Например, если в системе имеется два провайдера транспортных сервисов TCP/IP, то первым в списке идет TSP по умолчанию для Winsock-приложений, использующих протокол TCP/IP. Ha иллюстрации показано окно Sporder, в котором перечислены зарегистрированные TSP
Реализация Winsock
Реализация Winsock представлена на рис. 13-4. Его программный интерфейс поддерживается библиотекой Ws2_32.dll (WindowsSystem32Ws2_32.dll), которая обеспечивает приложениям доступ к функциям Winsock. Для операций над именами и сообщениями Ws2_32.dll вызывает сервисы TSP и провайдеров пространств имен. Библиотека Mswsock.dll выступает в роли TSP для протоколов, поддерживаемых Microsoft в Winsock. Она взаимодействует с драйверами протоколов режима ядра с помощью вспомогательных библиотек Winsock (Winsock Helpers), специфичных для конкретного протокола. Например, Wshtcpip.dll — вспомогательная библиотека TCP/IP. B Mswsock.dll (WindowsSystem32Mswsock.dll) реализованы такие расширения Winsock, как функции TransmitEile,AcceptEx и WSARecvEx. Windows поставляется со вспомогательными библиотеками для TCP/IP, TCP/IP с IPv6, AppleTalk, IPX/SPX, ATM и IrDA (Infrared Data Association), а также с провайдерами пространств имен для DNS (TCP/IP), Active Directory и IPX/SPX.
Рис. 13-4. Реализация Winsock
Подобно API именованных каналов и почтовых ящиков Winsock интегрируется с Windows-моделью ввода-вывода и использует для представления co-кетов описатели файлов. Для этого нужна помощь со стороны драйвера файловой системы режима ядра, поэтому, реализуя функции на основе сокетов, Msafd.dll использует сервисы AFD (Ancillary Function Driver) (WindowsSystem32DriversAfd.sys). AFD является клиентом TDI и выполняет сетевые операции с использованием сокетов, например посылает и принимает сообщения, отправляя TDI IRP-пакеты драйверам протокола. AFD не запрограммирован на использование определенных драйверов протоколов — вместо этого Msafd.dll уведомляет AFD о протоколе, используемом для сокета, и в результате AFD может открыть объект «устройство», представляющий этот протокол.
Windows Sockets Direct
Windows Sockets Direct (WSD) — это интерфейс, позволяющий в Winsock-приложениях без всякой модификации использовать преимущества сетей устройств хранения данных (System Area Networks, SAN). Высокопроизводительные SAN идеальны для самых разнообразных применений — от распределенных вычислений до трехуровневых архитектур электронной коммерции вроде показанной на рис. 13-5. B данной системе сети SAN соединяют Web-серверы (презентационный Web-уровень) с серверами бизнес-логики и с серверами базы данных, что обеспечивает высокоскоростную передачу данных между различными уровнями обработки информации. Поддержка WSD имеется в Windows 2003 и Windows 2000 Data Center Server, а также в Windows 2000 Advanced Server c Service Pack (SP) 2 и выше.
SAN-соединения
Высокая производительность SAN обычно достигается за счет специализированных сетевых соединений и коммутационного оборудования. K наиболее распространенным типам SAN-соединений относятся InfiniBand, Gigabit Ethernet, FiberChannel и различные фирменные (закрытые) решения. Физическая память, разделяемая двумя компьютерами, тоже может служить SAN-соединением.
Коммутационное оборудование SAN реализует немаршрутизируемый протокол, предоставляющий TCP-эквивалентные гарантии, в частности надежную доставку сообщений в правильном порядке. Эти аппаратные средства также поддерживают механизм SAN, называемый удаленным прямым доступом к памяти (Remote Direct Memory Access, RDMA); этот механизм позволяет напрямую передавать сообщения из физической памяти компьютера-источника в физическую память компьютера-получателя без промежуточной операции копирования, которая обычно выполняется на стороне, принимающей сообщения. Благодаря этому RDMA освобождает процессор и шину памяти от лишней нагрузки, связанной с операцией копирования.
Реализации SAN также позволяют обходиться без обращений к компонентам режима ядра, посылая и принимая данные напрямую между пользовательскими приложениями. Это сокращает число системных вызовов, инициируемых приложениями, и соответственно уменьшает время, затрачиваемое на выполнение системного кода поддержки сетей.
Архитектура WSD
Большинство реализаций SAN требуют модификации приложений для взаимодействия с сетевыми протоколами SAN и использования преимуществ аппаратно-реализованных протоколов и механизмов SAN вроде RDMA, но WSD позволяет любому Winsock-приложению, работающему по протоколу TCP, задействовать возможности SAN без такой модификации. Само название WSD подчеркивает, что он обеспечивает приложениям прямой доступ к оборудованию SAN, в обход стека TCP/IP. A сокращение пути передачи данных повышает производительность приложений в 2–2,5 раза.
Такое сокращение достигается за счет использования программного коммутатора, размещаемого на уровень ниже Winsock DLL, как показано на рис. 13-6. Этот коммутатор переадресует сетевые операции SAN провайдеру сервисов Winsock (Winsock service provider, WSP), который предоставляется производителем SAN. WSP служит эквивалентом NDIS-драйвера, работающим в пользовательском режиме, и может проецировать аппаратные регистры SAN на память пользовательского режима, а затем манипулировать оборудованием без участия компонентов режима ядра. Однако некоторые операции все же требуют поддержки со стороны таких компонентов, например для проецирования содержимого аппаратных регистров на память пользовательского режима; эта поддержка тоже предоставляется производителем оборудования SAN. Наконец, производитель SAN предоставляет минипорт-драйвер NDIS, выступающий в роли интерфейса между стеком TCP/IP и оборудованием SAN для приложений, которые используют сетевые средства Winsock, не поддерживаемых SAN на аппаратном уровне.
Remote Procedure CaII (RPC)
RPC — стандарт сетевого программирования, разработанный в начале 80-x. Организация Open Software Foundation (теперь — The Open Group) сделала RPC частью стандарта OSF DCE (Distributed Computing Environment). Несмотря на наличие второго стандарта RPC, SunRPC, реализация RPC от Microsoft совместима со стандартом OSF DCE. RPC, опираясь на другие сетевые API (именованные каналы или Winsock), предоставляет альтернативную модель программирования, в какой-то мере скрывающую детали сетевого программирования от разработчика приложений.
Функционирование RPC
Механизм RPC позволяет создавать приложения, состоящие из произвольного числа процедур, часть которых выполняется локально, а часть — на удаленных компьютерах (через сеть). RPC предоставляет модель работы с сетью, ориентированную на процедуры, а не на транспорты, что упрощает разработку распределенных приложений.
Сетевое программное обеспечение традиционно базируется на модели обработки ввода-вывода. B Windows, например, сетевая операция начинается с того, что приложение выдает запрос на удаленный ввод-вывод. Операционная система обрабатывает запрос, передавая его редиректору, который действует в качестве удаленной файловой системы, обеспечивая прозрачное взаимодействие клиента с удаленной файловой системой. Редиректор передает запрос удаленной файловой системе, а после того как удаленная система выполнит запрос и вернет результаты, локальная сетевая плата генерирует прерывание. Ядро обрабатывает это прерывание, и исходная операция ввода-вывода завершается, возвращая результаты вызывающей программе.
RPC использует совершенно другой подход. Приложения RPC похожи на другие структурированные приложения: у них есть основная программа, которая для выполнения специфических задач вызывает процедуры или библиотеки процедур. Отличие приложений RPC от обычных программ в том, что некоторые библиотеки процедур в приложениях RPC выполняются на удаленных компьютерах, а некоторые — на локальном (рис. 13-7).
Для приложения RPC все процедуры кажутся локальными. Иначе говоря, вместо того чтобы заставлять программиста писать код для передачи запросов на вычисления или ввод-вывод по сети, работы с сетевыми протоколами, обработки сетевых ошибок, ожидания результатов и т. д., программное обеспечение RPC выполняет все эти задачи автоматически. Кроме того, механизм RPC в Windows работает с любыми транспортами, которые имеются в системе.
Создавая приложение RPC, программист решает, какие процедуры будут выполняться локально, а какие — удаленно. Допустим, обычная рабочая станция подключена по сети к суперкомпьютеру Cray или к специализированной машине, предназначенной для быстрого выполнения векторных вычислений. Если программист пишет программу, работающую с большими матрицами, то с точки зрения производительности имело бы смысл переложить математические вычисления на удаленный компьютер, написав программу в виде приложения RPC.
Функционирует приложение RPC следующим образом. B процессе своей работы оно вызывает как локальные процедуры, так и процедуры, отсутствующие на локальной машине. Для обработки последнего случая приложение связывается с локальной DLL, которая содержит интерфейсные процедуры (stub procedures) для всех удаленных процедур. B простой программе интерфейсные процедуры статически связываются с приложением, но в компоненте большего размера они включаются в отдельные DLL. B DCOM обычно применяется последний метод. Интерфейсная процедура имеет то же имя и тот же интерфейс, что и удаленная процедура, но вместо выполнения соответствующей операции она просто преобразует переданные ей параметры для передачи по сети — такой процесс называется маршалингом (marshaling). Маршалинг заключается в упорядочении параметров и их упаковке в определенном формате.
Далее интерфейсная процедура вызывает процедуры библиотеки RPC периода выполнения, и они находят компьютер, на котором расположены удаленные процедуры, определяют используемые этим компьютером механизмы транспорта и посылают запрос при помощи локального программного обеспечения сетевого транспорта. Когда удаленный сервер получает запрос RPC, он выполняет обратное преобразование параметров (unmarshaling), реконструирует исходный вызов процедуры и вызывает ее. Закончив обработку, сервер выполняет обратную последовательность действий для возврата результатов вызывающей программе.
Кроме интерфейса, основанного на описанном здесь синхронном вызове процедур, RPC в Windows также поддерживает асинхронный RPC (asynchronous RPC). Он позволяет приложению RPC вызывать функцию и, не дожидаясь ее выполнения, продолжать свою работу. Ha это время приложение может перейти к выполнению другого кода. Когда от сервера придет ответ, библиотека RPC периода выполнения уведомит клиент о завершении операции. При этом используется механизм уведомления, запрошенный клиентом. Если клиент выбрал для уведомления синхронизирующий объект «событие», он ждет его перехода в свободное состояние, вызвав функцию WaitForSingle-Object или WaitForMultipleObject. Если клиент предоставляет APC (Asynchronous Procedure Call), библиотека RPC периода выполнения ставит APC в очередь потока, выполняющего RPC-функцию. Если же клиент использует в качестве механизма уведомления порт завершения ввода-вывода, он должен вызвать GetQueuedCompletionStatus, чтобы узнать об окончании работы этой функции. Наконец, клиент может опрашивать библиотеку RPC периода выполнения о ходе выполнения операции, вызывая RcpAsyncGetCallStatus.
Помимо библиотеки периода выполнения в Microsoft RPC входит компилятор MIDL (Microsoft Interface Definition Language). Этот компилятор упрощает создание приложений RPC Программист пишет набор обычных прототипов функций (предполагается, что он использует язык C или C++), описывающих удаленные процедуры, а затем помещает их в какой-либо файл. Далее он добавляет к этим прототипам нужную дополнительную информацию, например уникальный для сети идентификатор пакета процедур, номер версии и атрибуты, указывающие, являются ли параметры входными, выходными или и теми, и другими одновременно. B конечном счете программист получает файл на языке IDL (Interface Definition Language).
Подготовленный IDL-файл транслируется компилятором MIDL, который создает интерфейсные процедуры для клиентской и серверной сторон, а также заголовочные файлы, включаемые в приложение. Когда клиентское приложение связывается с файлом интерфейсных процедур, компоновщик разрешает все ссылки на удаленные процедуры. Аналогичным образом удаленные процедуры устанавливаются на серверной машине. Программист, который намерен вызывать существующее приложение RPC, должен написать только клиентскую часть программы и скомпоновать ее с локальной библиотекой RPC периода выполнения.
Библиотека RPC периода выполнения использует для взаимодействия с транспортным протоколом универсальный интерфейс провайдеров трансnopmaRPC (RPC transport provider interface). Этот интерфейс служит тонкой прослойкой между механизмом RPC и транспортом, которая увязывает операции RPC с функциями, предоставляемыми транспортом. RPC в Windows реализует DLL-модули провайдеров транспорта для именованных каналов, NetBIOS, SPX, TPC/IP и UDP. B Windows Server 2003 провайдер транспорта NetBIOS изъят, но добавлен провайдер для HTTR Аналогичным образом RPC поддерживает работу с различными средствами сетевой защиты.
ПРИМЕЧАНИЕ B Windows 2000 можно написать новые DLL-модули провайдеров для поддержки дополнительных транспортов, но, начиная с Windows XP, встраивание дополнительных DLL провайдеров не поддерживается.
Большинство сетевых служб Windows является приложениями RPC, а это значит, что они могут вызываться как локальными процессами, так и процессами на удаленных машинах. Таким образом, удаленный клиентский компьютер может обращаться к службам сервера для просмотра списка общих ресурсов, открытия файлов, записи данных в очереди печати или добавления пользователей на этом сервере, либо он может вызывать Messenger Service (Службу сообщений) для посылки сообщений (конечно, при наличии соответствующих прав доступа).
Сервер может регистрировать свое имя по адресу, который будет доступен клиенту при поиске. Эта возможность, называемая публикацией имени сервера, реализована в RPC и интегрирована с Active Directory. Если Active Directory не установлена, служба локатора имен возвращается к широковещательной рассылке с использованием NetBIOS. Это позволяет взаимодействовать с системами под управлением Windows NT 4 и дает возможность RPC функционировать на автономных серверах и рабочих станциях.
Защита в RPC
RPC интегрирован с компонентами поддержки защиты (security support providers, SSP), что позволяет клиентам и серверам RPC использовать аутентификацию и шифрование при коммуникационной связи. Когда серверу RPC требуется защищенное соединение, он сообщает библиотеке RPC периода выполнения, какую службу аутентификации следует добавить в список доступных служб аутентификации. A когда клиенту нужно использовать защищенное соединение, он выполняет привязку к серверу. Bo время привязки к серверу клиент должен указать библиотеке RPC службу аутентификации и нужный уровень аутентификации. Различные уровни аутентификации обеспечивают подключение к серверу только авторизованных клиентов, проверку каждого сообщения, получаемого сервером (на предмет того, послано ли оно авторизованным клиентом), контроль за целостностью RPC-сообщений и даже шифрование данных RPC-сообщений. Чем выше уровень аутентификации, тем больше требуется обработки. Клиент также может указывать имя участника безопасности (principal name) для сервера. Участник безопасности (principal) — это сущность, распознаваемая системой защиты RPC Сервер должен зарегистрироваться в SSP под именем участника безопасности, специфичным для SSP.
SSP берет на себя все, что связано с аутентификацией и шифрованием при коммуникационной связи, не только для RPC, но и для Winsock. B Windows несколько встроенных SSP, в том числе Kerberos SSP, реализующий аутентификацию Kerberos v5, SChannel (Secure Channel), реализующий Secure Sockets Layer (SSL), и протоколы TLS (Transport Layer Security). Если SSP не указан, программное обеспечение RPC использует встроенные средства защиты нижележащего транспорта. Одни транспорты, в частности именованные каналы и локальный RPC, имеют такие средства защиты, а другие, например TCP, — нет. B последнем случае RPC при отсутствии указанного SSP выдает небезопасные вызовы.
Еще одна функция защиты RPC позволяет серверу подменять клиент через функцию RpcImpersonateClient. Когда сервер заканчивает выполнение операций, потребовавших подмены клиента собой, он возвращается к использованию своих идентификационных данных защиты вызовом функции RpcRevertToSelf или RpcRevertToSelJEx (подробнее о подмене, или олицетворении, см. главу 8).
Реализация RPC
Реализация RPC изображена на рис. 13-8, где показано, что приложение на основе RPC связано с библиотекой RPC периода выполнения (WindowsSys-tem32Rpcrt4.dll). Последняя предоставляет для интерфейсных RPC-функций приложений функции маршалинга, а также функции для приема и передачи упакованных данных. Библиотека RPC периода выполнения включает процедуры поддержки RPC-взаимодействия через сеть и разновидность RPC под названием локальный RPC. Локальный RPC позволяет двум процессам взаимодействовать в одной системе, при этом библиотека RPC в качестве сетевого API использует LPC в режиме ядра (об LPC см. главу 3). Когда RPC-взаимодей-ствие осуществляется между удаленными системами, библиотека RPC использует API-функции Winsock, именованного канала или Message Queuing.
ПРИМЕЧАНИЕ Message Queuing в Windows Server 2003 не поддерживается в качестве транспорта.
Подсистема RPC (RPCvSS) (WindowsSystem32Rpcss.dll) реализована в виде Windows-сервиса. RPCSS сама является приложением RPC, которое взаимодействует со своими экземплярами на других системах для поиска имен, регистрации и динамического подключения конечной точки (dynamic end-point mapping). (Для упрощения на рис. 13-8 не показана связь RPCSS с библиотекой RPC периода выполнения.)
API-интерфейсы доступа к Web
Чтобы упростить разработку Интернет-приложений, в Windows предусмотрены клиентские и серверные API-интерфейсы доступа к Интернету. C помощью этих API приложения могут предоставлять и использовать сервисы Gopher, FTP и HTTP, не зная внутреннего устройства соответствующих протоколов. Клиентские API включают Windows Internet, также называемый WinInet (позволяет приложениям взаимодействовать с протоколами Gopher, FTP и HTTP), и WinHTTP (дает возможность приложениям взаимодействовать с протоколом HTTP). B определенных ситуациях WinHTTP удобнее WinInet. HTTP — это серверный API, введенный в Windows Server 2003 для поддержки разработки серверных Web-приложений.
WinInet
WinInet поддерживает протоколы Gopher, FTP и HTTP версий 1.0 и 1.1. Этот API делится на наборы под-API, специфичные для каждого протокола. Используя API-функции FTP вроде InternetConnect для подключения к FTP-cep-веру, FtpFindFirstFile и FtpFindNextFile для перечисления содержимого FTP-каталога, а также FtpGetFile и FtpPutFile для приема и передачи файлов, разработчик приложения может не задумываться о деталях, связанных с установлением соединения и форматированием TCP/IP-сообщений для протокола FTP API-функции Gopher и HTTP обеспечивают аналогичный уровень абстракции. WinInet применяется базовыми компонентами Windows, например Windows Explorer и Internet Explorer.
WinHTTP
Текущая версия WinHTTP API — 5.1; она доступна в Windows 2000 с Service Pack 3, в Windows XP и Windows Server 2003- Этот API обеспечивает абстракцию протокола HTTP 1.1 для клиентских HTTP-приложений по аналогии с HTTP API в WinInet. Однако, если WinInet HTTP API предназначен для интерактивных клиентских приложений, то WinHTTP API — для серверных приложений, взаимодействующих с HTTP-серверами. Серверные приложения часто реализуются как Windows-службы без UI, поэтому им не нужны диалоговые окна, которые позволяют выводить API-функции WinInet. Кроме того, WinHTTP API лучше масштабируется и предоставляет средства защиты вроде подмены потоков, недоступные в WinInet API.
HTTP
C помощью HTTP API, реализованного в Windows Server 2003, серверные приложения могут регистрироваться на прием HTTP-запросов с определенных URL, принимать такие запросы и передавать HTTP-ответы. HTTP API включает поддержку SSL (Secure Sockets Layer), чтобы приложения могли обмениваться данными по защищенным HTTP-соединениям. Этот API поддерживает кэширование на серверной стороне, модели синхронного и асинхронного ввода-вывода, а также адресацию по IPv4 и IPv6. HTTP API используется IIS версии 6 (поставляется с Windows Server 2003).
HTTP API, к которому приложения обращаются через библиотеку Httpapi.dll, опирается на драйвер Http.sys режима ядра. Http.sys запускается по требованию при первом вызове HttpInitialize любым приложением. Функция HttpCreateHttpHandle позволяет создавать закрытую очередь запросов, а функция HttpAddUrl — указывать URL-адреса, по которым приложение собирается принимать запросы для обработки. Используя очереди запросов и их зарегистрированные URL, Http.sys дает возможность обслуживать НТТР-запросы на одном порту, например 80, более чем одному приложению.
HttpReceiveHttpRequest принимает входящие запросы, направленные по зарегистрированным URL, zHttpSendHttpRespome передает HTTP-ответы. Обе функции работают в асинхронном режиме, так что приложение может определять, закончена ли какая-то операция, используя GetOverlappedResult или порты завершения ввода-вывода.
Приложения могут использовать Http.sys для кэширования данных в неподкачиваемой физической памяти, вызывая HttpAddToFragmentCache и сопоставляя имя фрагмента с кэшируемыми данными. Ддя выделения неспроецированных страниц физической памяти Http.sys запускает функцию MmAllocate-PagesForMdl, принадлежащую диспетчеру памяти. Когда Http.sys требуется сопоставление виртуального адреса с физической памятью, описываемой элементом кэша (например, если Http.sys копирует данные в кэш или передает их из кэша), он вызывает MmMapLockedPagesSpecifyCache, а по окончании операций — MmUnmapLockedPages. Http.sys хранит кэшируемые данные до тех пор, пока приложение не объявит их недействительными или пока не истечет срок их актуальности, заданный приложением. Http.sys также усекает кэшируемые данные при пробуждении рабочего потока из-за перехода в свободное состояние события, уведомляющего о малом объеме памяти (информацию об этом событии см. в главе 7). Если при вызове HttpSendHttpResponse приложение указывает одно или несколько имен фрагментов, Http.sys передает указатель на данные, кэшируемые в физической памяти, драйверу TCP/ IP и тем самым исключает лишнюю операцию копирования.
Именованные каналы и почтовые ящики
Именованные каналы и почтовые ящики — это API, изначально разработанные Microsoft для OS/2 LAN Manager и впоследствии перенесенные в Windows NT Именованные каналы обеспечивают надежную двустороннюю связь, тогда как почтовые ящики — ненадежную одностороннюю передачу данных. Преимущество почтовых ящиков — в поддержке широковещательной передачи. Оба API используют систему защиты Windows, что позволяет серверам контролировать, какие клиенты могут подключаться к ним.
Серверы назначают именованным каналами и их клиентам имена в соответствии с универсальными правилами именования (Universal Naming Convention, UNC), которые обеспечивают независимый от протоколов способ идентификации ресурсов в Windows-сетях. O реализации UNC-имен мы расскажем позже.
Функционирование именованных каналов
Коммуникационная связь по именованному каналу включает сервер именованного канала и клиент именованного канала. Сервером именованного канала является приложение, создающее именованный канал, к которому подключаются клиенты. Формат имени канала выглядит так: \CepвepPipe ИмяКанала. Элемент Сервер указывает компьютер, на котором работает сервер именованного канала. Элемент Pipe должен быть строкой «Pipe», а Имя-Канала — уникальное имя, назначенное именованному каналу. Уникальная часть имени канала может включать подкаталоги. Пример такого UNC-име-ни канала — \MyComputerPipeMyServerAppConnectionPipe.
Для создания именованного канала сервер использует Windows-функцию CreateNamedPipe. Одним из входных параметров этой функции является указатель на имя канала в форме \.РiреИмяКанала, где «\.» — псевдоним локального компьютера, определенный в Windows. Функция также принимает необязательный дескриптор защиты, запрещающий несанкционированный доступ к именованному каналу, флаг, указывающий, должен ли канал быть двусторонним или односторонним, параметр, определяющий максимальное число одновременных соединений по данному каналу, и флаг режима работы канала (побайтовой передачи или передачи сообщений).
Большинство сетевых API-функций работают только в режиме побайтовой передачи. Это означает, что переданное сообщение может быть принято адресатом в виде нескольких фрагментов, из которых воссоздается полное сообщение. Именованные каналы, работающие в режиме передачи сообщений, упрощают реализацию приемника, поскольку в этом случае число передач и приемов одинаково, а приемник, разом получая целое сообщение, не должен заботиться об отслеживании фрагментов сообщений.
При первом вызове CreateNamedPipe с указанием какого-либо имени создается первый экземпляр именованного канала с этим именем и задается поведение всех последующих экземпляров этого канала. Повторно вызывая CreateNamedPipe, сервер может создавать дополнительные экземпляры именованного канала, максимальное число которых указывается при первом вызове CreateNamedPipe. Создав минимум один экземпляр именованного канала, сервер выполняет Windows-функцию ConnectNamedPipe, после чего именованный канал позволяет устанавливать соединения с клиентами. Функция ConnectNamedPipe может выполняться как синхронно, так и асинхронно, и она не завершится, пока клиент не установит соединение через данный экземпляр именованного канала (или не возникнет ошибка).