В уроке постараюсь коротко и просто рассказать о принципе обмена информацией по технологии клиент-сервер.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Дальнейшие распределенные вычислительные системы мы будем создавать с использованием технологии клиент-сервер. Эта технология обеспечивает единый подход к обмену информацией между устройствами, будь это компьютеры, расположенные на разных континентах и связанные через интернет или платы Ардуино, лежащие на одном столе и соединенные витой парой.

 

В дальнейших уроках я планирую рассказывать о создании информационных сетей с использованием:

• контроллеров локальной сети Ethernet;
• WiFi модемов;
• GSM модемов;
• Bluetooth модемов.

Все эти устройства осуществляют обмен данными, используя модель клиент-сервер. По такому же принципу происходит передача информации в сети Интернет.

Я не претендую на полное освещение этой объемной темы. Я хочу дать минимум информации, необходимой для понимания последующих уроков.

 

Технология клиент-сервер.

Клиент и сервер это программы, расположенное на разных компьютерах, в разных контроллерах и других подобных устройствах. Между собой они взаимодействуют через вычислительную сеть с помощью сетевых протоколов.

Программы-серверы являются поставщиками услуг. Они постоянно ожидают запросы от программ-клиентов и предоставляют им свои услуги (передают данные, решают вычислительные задачи, управляют чем-либо и т.п.). Сервер должен быть постоянно включен и “прослушивать” сеть. Каждая программа-сервер, как правило, может выполнять запросы от нескольких программ-клиентов.

Программа-клиент является инициатором запроса, который может произвести в любой момент. В отличие от сервера клиент не должен быть постоянно включен. Достаточно подключиться в момент запроса.

Итак, в общих чертах система клиент-сервер выглядит так:

• Есть компьютеры, контроллеры Ардуино, планшеты, сотовые телефоны и другие интеллектуальные устройства.
• Все они включены в общую вычислительную сеть. Проводную или беспроводную - не важно. Они могут быть подключены даже к разным сетям, связанным между собой через глобальную сеть, например через интернет.
• На некоторых устройствах установлены программы-серверы. Эти устройства называются серверами, должны быть постоянно включены, и их задача обрабатывать запросы от клиентов.
• На других устройствах работают программы-клиенты. Такие устройства называются клиентами, они инициируют запросы серверам. Их включают только в моменты, когда необходимо обратиться к серверам.

Например, если вы хотите с сотового телефона по WiFi включать утюг, то утюг будет сервером, а телефон – клиентом. Утюг должен быть постоянно включен в розетку, а управляющую программу на телефоне вы будете запускать по необходимости. Если к WiFi сети утюга подключить компьютер, то вы сможете управлять утюгом и с помощью компьютера. Это будет еще один клиент. WiFi микроволновая печь, добавленная в систему, будет сервером. И так систему можно расширять бесконечно.

 

Передача данных пакетами.

Технология клиент-сервер в общем случае предназначена для использования с объемными информационными сетями. От одного абонента до другого данные могут проходить сложный путь по разным физическим каналам и сетям. Путь доставки данных может меняться в зависимости от состояния отдельных элементов сети. Какие-то компоненты сети могут не работать в этот момент, тогда данные пойдут другим путем. Может изменяться время доставки. Данные могут даже пропасть, не дойти до адресата.

Поэтому простая передача данных в цикле, как мы передавали данные на компьютер в некоторых предыдущих уроках, в сложных сетях совершенно невозможна. Информация передается ограниченными порциями – пакетами. На передающей стороне информация разбивается на пакеты, а на приемной “склеивается” из пакетов в цельные данные. Объем пакетов обычно не больше нескольких килобайт.

Пакет это аналог обычного почтового письма. Он также, кроме информации, должен содержать адрес получателя и адрес отправителя.

Пакет состоит из заголовка и информационной части. Заголовок содержит адреса получателя и отправителя, а также служебную информацию, необходимую для “склейки” пакетов на приемной стороне. Сетевое оборудование использует заголовок для определения, куда передавать пакет.

 

Адресация пакетов.

На эту тему в интернете есть много подробной информации. Я хочу рассказать как можно ближе к практике.

Уже в следующем уроке для передачи данных с использованием клиент-серверной технологии нам придется задавать информацию для адресации пакетов. Т.е. информацию, куда доставлять пакеты данных. В общем случае нам придется задавать следующие параметры:

• IP-адрес устройства;
• маску подсети;
• доменное имя;
• IP-адрес сетевого шлюза;
• MAC-адрес;
• порт.

Давайте разбираться, что это такое.

 

IP-адреса.

Технология клиент-сервер предполагает, что все абоненты всех сетей мира подключены к единой глобальной сети. На самом деле во многих случаях это так и есть. Например, большинство компьютеров или  мобильных устройств подключено к интернету. Поэтому используется формат  адресации, рассчитанный на такое громадное количество абонентов. Но даже если технология клиент-сервер применяется в локальных сетях, все равно сохраняется  принятый формат адресов, при явной избыточности.

Каждой точке подключения устройства к сети присваивается уникальный номер – IP-адрес (Internet Protocol Address). IP-адрес присваивается не устройству (компьютеру), а интерфейсу подключения. В принципе устройства могут иметь несколько точек подключения, а значит несколько различных IP-адресов.

IP-адрес это 32х разрядное число или 4 байта. Для наглядности принято записывать его в виде 4 десятичных чисел от 0 до 255, разделенных точками. Например, IP-адрес моего сервера 31.31.196.216.

Для того чтобы сетевому оборудованию было проще выстраивать маршрут доставки пакетов в формат IP-адреса введена логическая адресация. IP-адрес разбит на 2 логических поля: номер сети и номер узла. Размеры этих полей зависят от значения первого (старшего) октета IP-адреса и разбиты на 5 групп – классов. Это так называемый метод классовой маршрутизации.

Класс	Старший октет	Формат (С-сеть, У-узел)	Начальный адрес	Конечный адрес	Количество сетей	Количество узлов
A	0	С.У.У.У	0.0.0.0	127.255.255.255	128	16777216
B	10	С.С.У.У	128.0.0.0	191.255.255.255	16384	65534
C	110	С.С.С.У	192.0.0.0	223.255.255.255	2097152	254
D	1110	Групповой адрес	224.0.0.0	239.255.255.255	-	228
E	1111	Резерв	240.0.0.0	255.255.255.255	-	227

Класс A предназначен для применения в больших сетях. Класс B используется в сетях средних размеров. Класс C предназначен для сетей с небольшим числом узлов. Класс D используется для обращения к группам узлов, а адреса класса E зарезервированы.

Существуют ограничения на выбор IP-адресов. Я посчитал главными для нас следующие:

• Адрес 127.0.0.1 называется loopback и используется для тестирования программ в пределах одного устройства. Данные посланы по этому адресу не передаются по сети, а возвращаются программе верхнего уровня, как принятые.
• “Серые” адреса – это IP-адреса разрешенные только для устройств, работающих в локальных сетях без выхода в Интернет. Эти адреса никогда не обрабатываются маршрутизаторами. Их используют в локальных сетях.
  • Класс A: 10.0.0.0 – 10.255.255.255
  • Класс B: 172.16.0.0 – 172.31.255.255
  • Класс C: 192.168.0.0 – 192.168.255.255
• Если поле номера сети содержит все 0, то это означает, что узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

 

Маски подсетей.

При классовом методе маршрутизации число битов адресов сети и узла в IP-адресе задается типом класса. А классов всего 5, реально используется 3.  Поэтому метод классовой маршрутизации в большинстве случаях не позволяет оптимально выбрать размер сети. Что приводит к неэкономному использованию пространства IP-адресов.

В 1993 году был введен бесклассовый способ маршрутизации, который в данный момент является основным. Он позволяет гибко, а значит и рационально выбирать требуемое количество узлов сети. В этом методе адресации применяются маски подсети переменной длины.

Сетевому узлу присваивается не только IP-адрес, но и маска подсети. Она имеет такой же размер, как и IP-адрес, 32 бит. Маска подсети и определяет, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая к узлу.

Каждый бит маски подсети соответствует биту IP-адреса в том же разряде. Единица в бите маски говорит о том, что соответствующий бит IP-адреса принадлежит сетевому адресу, а бит маски со значением 0 определяет принадлежность бита IP-адреса к узлу.

При передаче пакета, узел с помощью маски выделяет из своего IP-адреса сетевую часть, сравнивает ее с адресом назначения, и если они совпадают, то это означает, что передающий и приемный узлы находятся в одной сети. Тогда пакет доставляется локально. В противном случае пакет передается через сетевой интерфейс в другую сеть. Подчеркиваю, что маска подсети не является частью пакета. Она влияет только на логику маршрутизации узла.

По сути, маска позволяет одну большую сеть разбить на несколько подсетей. Размер любой подсети (число IP-адресов) должен быть кратным степени числа 2. Т.е.  4, 8, 16 и т.д. Это условие определяется тем, что биты полей адресов сети и узлов должны идти подряд. Нельзя задать, например,  5 битов - адрес сети, затем 8 битов – адрес узла, а затем опять биты адресации сети.

Пример формы записи сети с четырьмя узлами выглядит так:

Сеть  31.34.196.32, маска 255.255.255.252

Маска подсети всегда состоит из подряд идущих единиц (признаков адреса сети) и подряд идущих нулей (признаков адреса узла). Основываясь на этом принципе, существует другой способ записи той же адресной информации.

Сеть  31.34.196.32/30

/30 это число единиц в маске подсети. В данном примере остается два нуля, что соответствует 2 разрядам адреса узла или четырем узлам.

Мне кажется подсчитать нетрудно, но можно использовать простую таблицу.

Размер сети (количество узлов)	Длинная маска	Короткая маска
4	255.255.255.252	/30
8	255.255.255.248	/29
16	255.255.255.240	/28
32	255.255.255.224	/27
64	255.255.255.192	/26
128	255.255.255.128	/25
256	255.255.255.0	/24

 

• Последнее число первого адреса подсети должно делиться без остатка на размер сети.
• Первый и последний адреса подсети – служебные, их использовать нельзя.

 

Доменное имя.

Человеку неудобно работать с IP-адресами. Это наборы чисел, а человек привык читать буквы, еще лучше связно написанные буквы, т.е. слова. Для того, чтобы людям было удобнее работать с сетями используется другая система идентификации сетевых устройств.

Любому IP-адресу может быть присвоен буквенный идентификатор, более понятный человеку. Идентификатор называется доменным именем или доменом.

Доменное имя это последовательность из двух или более слов, разделенных точками. Последнее слово это домен первого уровня, предпоследнее – домен второго уровня и т.д. Думаю, об этом знают все.

Связь между IP-адресами и доменными именами происходит через распределенную базу данных, с использованием DNS-серверов. DNS-сервер должен иметь каждый владелец домена второго уровня. DNS-серверы объединены в сложную иерархическую структуру и способны обмениваться между собой данными о соответствии IP-адресов и доменных имен.

Но это все не так важно. Для нас главное, что любой клиент или сервер может обратиться к DNS-серверу с DNS-запросом, т.е. с запросом о соответствии IP-адрес – доменное имя или наоборот доменное имя – IP-адрес. Если DNS-сервер обладает информацией о соответствии IP-адреса и домена, то он отвечает. Если не знает, то ищет информацию на других DNS-серверах и после этого сообщает клиенту.

 

Сетевые шлюзы.

Сетевой шлюз это аппаратный маршрутизатор или программа для сопряжения сетей с разными протоколами. В общем случае его задача конвертировать протоколы одного типа сети в протоколы другой сети. Как правило, сети имеют разные физические среды передачи данных.

Пример – локальная сеть из компьютеров, подключенная к Интернету. В пределах своей локальной сети (подсети) компьютеры связываются без необходимости в каком-либо промежуточном устройстве. Но как только компьютер должен связаться с другой сетью, например выйти в Интернет, он использует маршрутизатор, который выполняет функции сетевого шлюза.

Роутеры, которые есть у каждого, кто подключен к проводному интернету, являются одним из примеров сетевого шлюза. Сетевой шлюз это точка, через которую обеспечивается выход в Интернет.

В общем случае использование сетевого шлюза выглядит так:

• Допустим у нас система из нескольких плат Ардуино, подключенных через локальную сеть Ethernet к маршрутизатору, который в свою очередь подключен к Интернету.
• В локальной сети мы используем ”серые” IP-адреса (выше об этом написано), которые не допускают выхода в Интернет. У маршрутизатора два интерфейса: нашей локальной сети с “серым” IP-адресом и интерфейс для подключения к Интернету с ”белым” адресом.
• В конфигурации узла мы указываем адрес шлюза, т.е. “белый” IP-адрес интерфейса маршрутизатора, подключенного к Интернету.
• Теперь, если маршрутизатор получает от устройства с ”серым” адресом пакет с запросом на получение информации из Интернета, он заменяет в заголовке пакета ”серый” адрес на свой  ”белый” и отправляет его в глобальную сеть. Получив из Интернета ответ, он заменяет ”белый” адрес на запомненный при запросе ”серый” и передает пакет локальному устройству.

 

MAC-адрес.

MAC-адрес это уникальный идентификатор устройств локальной сети. Как правило, он записывается на заводе-производителе оборудования в постоянную память устройства.

Адрес состоит из 6 байтов. Принято записывать его в шестнадцатеричной системе исчисления в следующих форматах: c4-0b-cb-8b-c3-3a или c4:0b:cb:8b:c3:3a. Первые три байта это уникальный идентификатор организации-производителя. Остальные байты называются ”Номер интерфейса” и их значение является уникальным для каждого конкретного устройства.

IP-адрес является логическим и устанавливается администратором. MAC-адрес – это физический, постоянный адрес. Именно он используется для адресации фреймов, например, в локальных сетях Ethernet. При передаче пакета по определенному IP-адресу компьютер определяет соответствующий MAC-адрес с помощью специальной ARP-таблицы. Если в таблице отсутствуют данные о MAC-адресе, то компьютер запрашивает его с помощью специального протокола. Если MAC-адрес определить не удается, то пакеты этому устройству посылаться не будут.

 

Порты.

С помощью IP-адреса сетевое оборудование определяет получателя данных. Но на устройстве, например сервере, могут работать несколько приложений. Для того чтобы определить какому приложению предназначены данные в заголовок добавлено еще одно число – номер порта.

Порт используется для определения процесса приемника пакета в пределах одного IP-адреса.

Под номер порта выделено 16 бит, что соответствует числам от 0 до 65535. Первые 1024 портов зарезервированы под стандартные процессы, такие как почта, веб-сайты и т.п. В своих приложениях их лучше не использовать.

 

Статические и динамические IP-адреса. Протокол DHCP.

IP-адреса могут назначаться вручную. Достаточно утомительная операция для администратора. А в случае, когда пользователь не обладает нужными знаниями, задача становится трудноразрешимой. К тому же не все пользователи находятся постоянно подключенными к сети, а выделенные им статические адреса другие абоненты использовать не могут.

Проблема решается применением динамических IP-адресов. Динамические адреса выдаются клиентам на ограниченное время, пока они непрерывно находятся в сети. Распределение динамических адресов происходит под управлением протокола DHCP.

DHCP – это сетевой протокол, позволяющий устройствам автоматически получать IP-адреса и другие параметры, необходимые для работы в сети.

На этапе конфигурации устройство-клиент обращается к серверу DHCP, и получает от него необходимые параметры. Может быть задан диапазон адресов, распределяемых среди сетевых устройств.

 

Просмотр параметров сетевых устройств с помощь командной строки.

Существует много способов, как узнать IP-адрес или MAC-адрес своей сетевой карты. Самый простой – это использовать CMD команды операционной системы. Я покажу, как это делать на примере Windows 7.

В папке Windows\System32 находится файл cmd.exe. Это интерпретатор командной строки. С помощь него можно получать системную информацию и конфигурировать систему.

Открываем окно выполнить. Для этого выполняем меню Пуск -> Выполнить или нажимаем комбинацию клавиш Win + R.

Набираем cmd и нажимаем OK или Enter. Появляется окно интерпретатора команд.

Теперь можно задавать любые из многочисленных команд. Пока нас интересуют команды для просмотра конфигурации сетевых устройств.

Прежде всего, это команда ipconfig, которая отображает настройки сетевых плат.

Подробный вариант ipconfig/all.

Только MAC-адреса показывает команда getmac.

Таблицу соответствия IP и MAC адресов (ARP таблицу) показывает команда arp –a.

Проверить связь с сетевым устройством можно командой ping.

• ping доменное имя
• ping IP-адрес

Сервер моего сайта отвечает.

 

Основные сетевые протоколы.

Я коротко расскажу о протоколах, необходимых нам  в дальнейших уроках.

Сетевой протокол это набор соглашений, правил, которые определяют обмен данными в сети. Мы не собираемся реализовывать эти протоколы на низком уровне. Мы намерены использовать готовые аппаратные и программные модули, которые реализуют сетевые протоколы. Поэтому нет необходимости подробно разбирать форматы заголовков, данных и т.п. Но, зачем нужен каждый протокол, чем он отличается от других, когда используется знать надо.

 

Протокол IP.

Inernet Protocol (межсетевой протокол) доставляет пакеты данных от одного сетевого устройства к другому. IP протокол объединяет локальные сети в единую глобальную сеть, обеспечивая передачу пакетов информации между любыми устройствами сетей. Из представленных в этом уроке протоколов IP находится на самом низком уровне. Все остальные протоколы используют его.

IP протокол работает без установления соединений. Он просто пытается доставить пакет по указанному IP-адресу.

IP обрабатывает каждый пакет данных, как отдельную независимую единицу, не связанную с другими пакетами. Невозможно используя только IP протокол,  передать значительный объем связанных данных. Например, в сетях Ethernet максимальный объем данных одного IP-пакета составляет всего 1500 байт.

В протоколе IP нет механизмов, позволяющих контролировать достоверность конечных данных. Контрольные коды используются только для защиты целостности данных заголовка. Т.е. IP не гарантирует, что данные в полученном пакете будут правильными.

Если во время доставки пакета произошла ошибка, и пакет был потерян, то IP не пытается заново послать пакет. Т.е. IP не гарантирует, что пакет будет доставлен.

Коротко о протоколе IP можно сказать, что:

• это протокол без установления соединений;
• он доставляет небольшие (не более 1500 байт) отдельные пакеты данных между IP-адресами;
• он не гарантирует, что доставленные данные будут правильными;
• он не гарантирует, что данные вообще будут доставлены;
• он не сообщит отправителю, были ли доставлены данные и не повторит передачу пакета;
• нет упорядоченности пакетов, порядок доставки сообщений не определен.

 

Протокол TCP.

Transmission Control Protocol (протокол управления передачей) основной протокол передачи данных Интернета. Он использует способность IP протокола доставлять информацию от одного узла другому. Но в отличии от IP он:

• Позволяет переносить большие объемы информации. Разделение данных на пакеты и “склеивание” данных на приемной стороне обеспечивает TCP.
• Данные передаются с предварительной установкой соединения.
• Производит контроль целостности данных.
• В случае потери данных инициирует повторные запросы потерянных пакетов, устраняет дублирование при получении копий одного пакета.

По сути, протокол TCP снимает все проблемы доставки данных. Если есть возможность, он их доставит. Не случайно это основной протокол передачи данных в сетях.  Часто используют терминологию TCP/IP сети.

 

Протокол UDP.

User Datagram Protokol (протокол пользовательских датаграмм) простой протокол для передачи данных без установления соединения. Данные отправляются в одном направлении без проверки готовности приемника и без подтверждения доставки. Объем данных пакета может достигать 64 кБайт, но на практике многие сети поддерживают размер данных только 1500 байт.

Главное достоинство этого протокола – простата и высокая скорость передачи. Часто применяется в приложениях критичных к скорости доставки данных, таких как видеопотоки. В подобных задачах предпочтительнее потерять несколько пакетов, чем ждать отставшие.

Протоколу UDP свойственно:

• это протокол без установления соединений;
• он доставляет небольшие отдельные пакеты данных между IP-адресами;
• он не гарантирует, что данные вообще будут доставлены;
• он не сообщит отправителю, были ли доставлены данные и не повторит передачу пакета;
• нет упорядоченности пакетов, порядок доставки сообщений не определен.

 

Протокол HTTP.

Скорее всего, об этом протоколе в следующих уроках буду писать подробнее. А сейчас коротко скажу, что это протокол передачи гипертекста (Hyper Text Transfer Protocol). Он используется для получения информации с веб-сайтов. При этом веб-браузер выступает в роли клиента, а сетевое устройство в качестве веб-сервера.

 

В следующем уроке будем применять технологию клиент-сервер на практике, используя сеть Ethernet.

 

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок