Размещено на http://www.allbest.ru/

Домашнее задание

по курсу «Операционные системы»

по теме: Функционирование и реализация именованных каналов и почтовых ящиков в Windows 2000/XP

Вариант 9

Содержание

• Введение
• Сетевая архитектура Windows
• Сетевые компоненты Windows
• Именованные каналы и почтовые ящики
• Функционирование именованных каналов
• Функционирование почтового ящика
• Реализация именованных каналов и почтовых ящиков
• Заключение
• Используемая литература


Введение

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.

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.

Сетевые компоненты Windows

* 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.

* 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). Таким образом, 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.

* 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».

Рис.1 Модель OSI и сетевые компоненты Windows

Для поддержки унаследованных приложений и для совместимости с промышленными стандартами в Windows реализован целый набор сетевых API. Важно иметь в виду, что выбор API для приложения определяется характеристиками API: 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. Существуют следующие сетевые API:

* Windows Sockets (Winsock);

* Remote Procedure Call (RPC);

* API доступа к Web;

* именованные каналы (named pipes) и почтовые ящики (mailslots);

* NetBIOS:

* прочие сетевые API.

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 -- поддержка 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.

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: \\Cepвep\Pipe\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-имени канала -- \\MyComputer\Pipe\MyServerApp\ ConnectionPipe.

Для создания именованного канала сервер использует Windows-функцию CreateNamedPipe. Одним из входных параметров этой функции является указатель на имя канала в форме \\.\Рiре\ИмяКанала, 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).

Для подключения к серверу клиенты именованного канала используют Windows-функцию CreateFile или CallNamedPipe, указывая при вызове имя созданного сервером канала. Если сервер вызывает функцию ConnectNamedPipe, профиль защиты клиента и запрошенные им права доступа к каналу (для чтения или записи) сравниваются с дескриптором защиты канала. Если клиенту разрешен доступ к именованному каналу, он получает описатель, представляющий клиентскую сторону именованного канала, и функция ConnectNamedPipe, вызванная сервером, завершается. почтовый ящик именованный канал

После того как соединение по именованному каналу установлено, клиент и сервер могут использовать его для чтения и записи данных через Windows-функции ReadFile и WriteFile. Именованные каналы поддерживают как синхронную, так и асинхронную передачу сообщений. Взаимодействие клиента и сервера через именованный канал показано на рис. 2.

Уникальная особенность API именованного канала заключается в том, что он позволяет серверу олицетворять клиент с помощью функции ImpersonateNamedPipeClient.

Функционирование почтового ящика

Почтовые ящики предоставляют механизм ненадежного одностороннего широковещания. Одним из примеров приложений, использующих этот тип коммуникационной связи, является сервис синхронизации времени, который каждые несколько секунд широковещательно рассылает в пределах домена сообщение с эталонным временем. Такие сообщения не критичны для работы компьютеров в сети, поэтому они рассылаются через почтовые ящики.

Как и именованные каналы, почтовые ящики интегрированы с Windows API. Сервер почтового ящика создает почтовый ящик вызовомCreateMailslot. Входным параметром этой функции является имя в форме «\\.\Mailslot\ИмяПочтовогоЯщика». Сервер может создавать почтовые ящики только на той машине, на которой он работает, а назначаемые им имена почтовых ящиков могут включать подкаталоги. CreateMailslot также принимает необязательный дескриптор защиты, контролирующий доступ клиента к почтовому ящику. Описатели, возвращаемые CreateMailslot, являются перекрытыми.

Это означает, что операции с использованием таких описателей (например, рассылка и получение сообщений) выполняются асинхронно.

Поскольку почтовые ящики поддерживают одностороннюю ненадежную передачу, число параметров CreateMailslot меньше, чем уCreateNamedPipe. После создания почтового ящика сервер просто отслеживает поступающие клиентские сообщения, вызывая функцию ReadFile и указывая описатель, представляющий почтовый ящик.

Клиенты почтового ящика используют формат именования, аналогичный применяемому клиентами именованных каналов, за исключением вариаций, необходимых для широковещательной передачи сообщений всем почтовым ящикам с данным именем в домене клиента или в другом указанном домене. Чтобы послать сообщение в определенный экземпляр почтового ящика, клиент вызывает функцию CreateFile, указывая имя, специфичное для компьютера, например «\\Сервер\Mailslot\ИмяПочтовогоЯщика» (для представления локального компьютера клиент задает «\\.\»). Если клиент хочет получить описатель, представляющий все почтовые ящики с заданным именем в домене, членом которого он является, он указывает имя в формате «\\*\Mailslot\ ИмяПочтовогоЯщика». Для широковещательной передачи во все почтовые ящики с заданным именем в другом домене используется имя в формате «\\ИмяДомена\Mailslot\ИмяПочтовогоЯщика».

Получив описатель, представляющий клиентскую сторону почтового ящика, клиент посылает сообщения через функцию WriteFile. Реализация почтовых ящиков допускает широковещательную передачу сообщений длиной не более 425 байтов. Если длина сообщения превышает 425 байтов, почтовый ящик использует механизм надежной коммуникационной связи, требующий соединения клиента с сервером по типу «один к одному», что исключает возможность широковещательной передачи. Другая особенность почтовых ящиков -- урезание сообщений с исходной длиной в 425 или 426 байтов до 424 байтов. Таким образом, почтовые ящики непригодны для рассылки сообщений, длина которых превышает 424 байта. Ha рис. 3 показан пример широковещательной передачи клиентского сообщения на несколько серверов почтовых ящиков в пределах домена.

Реализация именованных каналов и почтовых ящиков

O тесной интеграции функций именованных каналов и почтовых ящиков с Windows свидетельствует тот факт, что все они реализованы в Kernel32.dll. ReadFile и WriteFile, используемые приложениями для обмена сообщениями через именованные каналы и почтовые ящики, являются основными Windows-функциями ввода-вывода. CreateFile, с помощью которой клиент открывает именованный канал или почтовый ящик, также является стандартной Windows-функцией ввода-вывода. Однако имена, указываемые приложениями при использовании именованных каналов и почтовых ящиков, относятся к пространству имен под управлением драйверов файловых систем именованных каналов (\Windows\System32\Drivers\Npfs.sys) и почтовых ящиков (\Windows\System32\Drivers\Msfs.sys), как показано на рис. 4. Драйвер файловой системы именованных каналов создает объект «устройство» \Device\NamedPipe и символьную ссылку на этот объект с именем \Global??\Pipe (\??\Pipe в Windows 2000), а драйвер файловой системы почтовых ящиков создает объект «устройство» \Device\Mailslot и символьную ссылку \Global??\Mailslot (\??\Mailslot в Windows 2000), которая указывает на этот объект. (O каталоге \Global?? диспетчера объектов см. главу 3.) Префикс «\\.\» в именах «\\.\Pipe\…» и «\\.\Mailslot\…», передаваемых CreateFile, транслируется в «\Global??\», чтобы эти имена разрешались через символьную ссылку на объект «устройство». Специальные функции CreateNamedPipe и CreateMailslot используют соответствующие функции ядра NtCreateNamed-PipeFile и NtCreateMailslotFile.

Однако, когда именованный канал либо почтовый ящик создается сервером или открывается клиентом, в конечном счете вызывается соответствующий драйвер файловой системы (FSD) на той машине, где находится именованный канал или почтовый ящик. Именованные каналы и почтовые ящики реализованы в виде FSD режима ядра по нескольким причинам. Основной из них является интеграция с пространством имен диспетчера объектов, что позволяет использовать объекты «файл» для представления открытых именованных каналов и почтовых ящиков. Подобная интеграция дает следующие преимущества:

* Используя функции защиты режима ядра, FSD реализуют для именованных каналов и почтовых ящиков стандартную защиту Windows;

* Поскольку FSD интегрированы с пространством имен диспетчера объектов, приложения могут открывать именованный канал или почтовый ящик вызовом функции CreateFile;

* Приложения могут взаимодействовать с именованными каналами и почтовыми ящиками через Windows-функции вроде ReadFile и WriteFile;

* FSD полагаются на диспетчер объектов в поддержке счетчиков описателей и ссылок для объектов «файл», представляющих именованные каналы и почтовые ящики;

* FSD могут реализовать собственные пространства имен каналов и почтовых ящиков, допускающие указание подкаталогов.

Так как взаимодействие через сеть при разрешении имен именованных каналов и почтовых ящиков осуществляется через редиректор, FSD при этом неявно используют протокол CIFS (Common Internet File System). Поскольку CIFS способен работать с TCP/IP, TCP/IP с IPv6 и IPX, именованные каналы и почтовые ящики доступны приложениям, выполняемым в системах, где установлен хотя бы один общий такой протокол.

Заключение

Именованные каналы обеспечивают надежное двунаправленное взаимодействие между двумя процессами, независимо от того, является ли принимающая сторона локальной или удаленной. Почтовые ящики выполняют аналогичные функции, однако, вместо обеспечения канала «один к одному» между принимающей и передающей сторонами, они предоставляют ненадежную однонаправленную передачу данных типа «один ко многим» и «многие к одному». Почтовые ящики полезны для посылки широковещательных сообщений произвольному числу процессов. Именованные каналы предоставляют абстрактный и удобный сетевой интерфейс. Вместо того чтобы иметь дело с маршрутизацией и пересылкой данных, программист, использующий именованные каналы, может просто открыть канал и поместить в него данные. Пользователь именованного канала открывает его и считывает данные. Передача данных между компьютерами выполняется автоматически и один вызов именованного канала эквивалентен нескольким операциям на уровне транспорта. Все функции именованных каналов и почтовых ящиков реализованы в DLL клиентской части подсистемы Win32 - kernel32.dll (рис. 4). Однако имена, задаваемые приложениями, использующими именованные каналы и почтовые ящики, определяют системное пространство имен, управляемое драйвером файловой системы именованных каналов (Named Pipes File System, NPFS.sys) и драйвером файловой системы почтовых ящиков (Mail Slots File System, MSFS.sys). Драйвер файловой системы именованных каналов создает объект-устройство, называемое \Device\NamedPipe, и символическую ссылку к этому объекту, называемую \??\Pipe, а драйвер файловой системы почтовых ящиков создает объект-устройство, называемое \Device\Mailslot, и символическую ссылку \??\Mailslot, указывающую на этот объект. Имена, передаваемые функции CreateFile вида \Y\Pipe\.... и \V\Mailslot\...., имеют префикс \\.\, преобразуемый в \??\, так что имена разрешаются через символическую ссылку к объекту-устройству.

Рис.4 Интерфейс именованных каналов и почтовых ящиков

Используемая литература

1. М.Руссинович, Д.Соломон. Внутреннее устройство Microsoft Windows: Windows Server 2003, Windows XP, Windows 2000. Мастер-класс. Пер. с англ.- СПб.: Питер; М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2004. - 746 стр.: ил.

2. Иллюстрированный самоучитель по программированию систем безопасности

3. Столлингс, Вильям. Операционные системы, 4-е издание. : Пер. с англ. Издательский дом «Вильямс», 2002. - 848 с.

4. А. В. Гордеев, А.Ю. Молчанов. Системное программное обеспечение. Учебник. «Питер», 2001. - 736 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru