Книга: UNIX: разработка сетевых приложений

20.3. Направленная и широковещательная передачи

20.3. Направленная и широковещательная передачи

Прежде чем рассматривать широковещательную передачу, необходимо уяснить, что происходит, когда дейтаграмма UDP отправляется на адрес направленной передачи. На рис. 20.2 представлены три узла Ethernet.

Рис. 20.2. Пример направленной передачи дейтаграммы UDP

Адрес подсети Ethernet — 192.168.42/24. 24 разряда адреса относятся к маске сети, а 8 разрядов — к идентификатору узла. Приложение на узле, изображенном слева, вызывает функцию sendto для сокета UDP, отправляя дейтаграмму на адрес 192.168.42.3, порт 7433. Уровень UDP добавляет в начало дейтаграммы заголовок UDP и передает дейтаграмму UDP уровню IP. IP добавляет заголовок IPv4 и определяет исходящий интерфейс. В случае использования сети Ethernet активизируется протокол ARP для определения адреса Ethernet, соответствующего IP-адресу получателя: 08:00:20:03:f6:42. Затем пакет посылается как кадр Ethernet с 48-разрядным адресом получателя Ethernet. Поле типа кадра Ethernet будет равно 0x0800, что соответствует пакету IPv4. Тип кадра для пакета IPv6 — 0x86dd.

Интерфейс Ethernet на узле, изображенном в центре, видит проходящий кадр и сравнивает адрес получателя Ethernet со своим собственным адресом Ethernet (02:60:8c:2f:4e:00). Поскольку они не равны, интерфейс игнорирует кадр. Поскольку кадр является кадром направленной передачи, этот узел не тратит на его обработку никаких ресурсов. Интерфейс игнорирует кадр.

Интерфейс Ethernet на узле, изображенном справа, также видит проходящий кадр, и когда он сравнивает адрес получателя Ethernet со своим собственным адресом Ethernet, они оказываются одинаковыми. Этот интерфейс считывает весь кадр, возможно, генерирует аппаратное прерывание при завершении считывания кадра и драйвер устройства читает кадр из памяти интерфейса. Поскольку тип кадра — 0x0800, пакет помещается в очередь ввода IP.

Когда уровень IP обрабатывает пакет, он сначала сравнивает IP-адрес получателя (192.168.42.3) со всеми собственными IP-адресами. (Вспомним, что узел может иметь несколько сетевых интерфейсов. Также вспомним наше обсуждение модели системы с жесткой привязкой (strong end system model) и системы с гибкой привязкой (weak end system model) в разделе 8.8.) Поскольку адрес получателя — это один из собственных IP-адресов узла, пакет принимается.

Затем уровень IP проверяет поле протокола в заголовке IPv4. Его значение для UDP равно 17, поэтому далее дейтаграмма IP передается UDP.

Уровень UDP проверяет порт получателя (и, возможно, также порт отправителя, если сокет UDP является присоединенным) и в нашем примере помещает дейтаграмму в соответствующий приемный буфер сокета. При необходимости процесс возобновляется для чтения вновь полученной дейтаграммы.

Ключевым моментом на этом рисунке является то, что дейтаграмма IP при направленной передаче принимается только одним узлом, заданным с помощью IP-адреса получателя. Другие узлы подсети не задействуются в этом процессе.

Теперь мы рассмотрим похожий пример в той же подсети, но при этом приложение будет отправлять дейтаграмму UDP на широковещательный адрес для подсети 192.168.42.255. Этот пример представлен на рис. 20.3.

Рис. 20.3. Пример широковещательной дейтаграммы UDP

Когда узел, изображенный слева, отправляет дейтаграмму, он замечает, что IP-адрес получателя — это широковещательный адрес подсети, и сопоставляет ему адрес Ethernet, состоящий из 48 единичных битов: ff:ff:ff:ff:ff:ff. Это заставляет каждый интерфейс Ethernet в подсети получить кадр. Оба узла, изображенные на правой части рисунка, работающие с IPv4, получат кадр. Поскольку тип кадра Ethernet — 0800, оба узла передают пакет уровню IP. Так как IP-адрес получателя совпадает с широковещательным адресом для каждого из двух узлов, и поскольку поле протокола — 17 (UDP), оба узла передают пакет UDP.

Узел, изображенный справа, передает дейтаграмму UDP приложению, связанному с портом UDP 520. Приложению не нужно выполнять никаких специальных действий, чтобы получить широковещательную дейтаграмму UDP — оно лишь создает сокет UDP и связывает номер приложения порта с сокетом. (Предполагается, как обычно, что связанный IP-адрес — INADDR_ANY.)

Но на узле, изображенном в центре, с портом UDP 520 не связано никакое приложение. UDP этого узла игнорирует полученную дейтаграмму. Узел не должен отправлять сообщение ICMP о недоступности порта, поскольку это может вызвать лавину широковещательных сообщений (broadcast storm): ситуацию, в которой множество узлов сети генерируют ответы приблизительно в одно и то же время, в результате чего сеть просто невозможно использовать в течение некоторого времени. Кроме того, не совсем понятно, что должен предпринять получатель сообщения об ошибке: что, если некоторые получатели будут сообщать об ошибках, а другие — нет?

В этом примере мы также показываем дейтаграмму, которую изображенный слева узел доставляет сам себе. Это свойство широковещательных сообщений: по определению широковещательное сообщение идет к каждому узлу подсети, включая отправляющий узел [128, с. 109–110]. Мы также предполагаем, что отправляющее приложение связано с портом, на который оно отправляет дейтаграммы (порт 520), поэтому оно получит копию каждой отправленной им широковещательной дейтаграммы. (Однако в общем случае не требуется, чтобы процесс связывался с портом UDP, на который он отправляет дейтаграммы.)

Этот пример отражает фундаментальную проблему, связанную с широковещательной передачей: каждый узел IPv4 в подсети, даже не выполняющий соответствующего приложения, должен полностью обрабатывать широковещательную дейтаграмму UDP при ее прохождении вверх по стеку протоколов, включая уровень UDP, прежде чем сможет ее проигнорировать. (Вспомните наше обсуждение следом за листингом 8.11). Более того, каждый не-IP-узел в подсети (скажем, узел, на котором работает IPX Novell) должен также получать целый кадр на канальном уровне, перед тем как он сможет проигнорировать этот кадр (в данном случае мы предполагаем, что узел не поддерживает кадры определенного типа — для дейтаграммы IPv4 тип равен 0x0800). Если приложение генерирует дейтаграммы IP с большой скоростью (например, аудио- или видеоданные), то такая ненужная обработка может серьезно повлиять на остальные узлы подсети. В следующей главе мы увидим, как эта проблема решается с помощью многоадресной передачи.

Оглавление книги