Xerox Network Systems (XNS): Протоколы компьютерных сетей Xerox

Введение

Набор компьютерных сетевых протоколов, разработанный компанией Xerox.

Xerox Network Systems (XNS) — это набор компьютерных сетевых протоколов, разработанный компанией Xerox в рамках архитектуры сетевых систем Xerox. Он обеспечивал сетевые коммуникации общего назначения, межсетевую маршрутизацию и доставку пакетов, а также функции более высокого уровня, такие как надежный поток данных и удаленный вызов процедур. XNS предшествовал и оказал влияние на разработку сетевой модели Open Systems Interconnection (OSI) и был весьма влиятельным в проектах локальных сетей в 1980-х годах. XNS был разработан отделом разработки систем Xerox в начале 1980-х годов с целью коммерциализации исследований, проводимых в Xerox PARC. XNS базировался на более раннем (и не менее влиятельном) наборе протоколов PARC Universal Packet (PUP) конца 1970-х годов. Некоторые протоколы в наборе XNS были незначительно модифицированными версиями протоколов из набора PUP. XNS ввел понятие сетевого номера, что позволило создавать более крупные сети из нескольких меньших, используя маршрутизаторы для управления потоком информации между ними. Спецификации набора протоколов XNS были опубликованы в общественном достоянии в 1977 году. Это способствовало тому, что XNS стал каноническим протоколом для локальных сетей, и его принципы в той или иной степени были заимствованы практически всеми сетевыми системами, использовавшимися в 1990-х годах. XNS использовался без изменений в системах 3Com's 3+Share и Ungermann Bass's Net/One. Он также использовался с модификациями в качестве основы для Novell NetWare и Banyan VINES. XNS послужил основой для системы AppleNet, однако она так и не была коммерциализирована; ряд решений XNS для распространенных проблем были использованы в замене AppleNet – AppleTalk.

Общая конструкция

По сравнению с 7 уровнями модели OSI, XNS является пятиуровневой системой, как и более поздний интернет-протокольный стек. Физический и канальный уровни модели OSI соответствуют физическому уровню (уровень 0) в XNS, который был разработан для использования транспортных возможностей базового оборудования и не разделял канальный уровень. В частности, физический уровень XNS фактически представляет собой систему локальной сети Ethernet, которая также разрабатывалась компанией Xerox в то же время, и ряд его конструктивных решений отражает этот факт. Система была спроектирована таким образом, чтобы позволить заменить Ethernet другой системой, но это не было определено протоколом (и не требовалось). Основной частью XNS является определение внутреннего транспортного уровня (уровень 1), который соответствует сетевому уровню OSI, и именно здесь определяется основной протокол межсетевого взаимодействия – IDP. XNS объединила сеансовый и транспортный уровни OSI в единый уровень межпроцессных коммуникаций (уровень 2). Уровень 3 – управление ресурсами, аналогично презентационному уровню OSI. Наконец, над обеими моделями находится прикладной уровень, хотя эти уровни не были определены в стандарте XNS.

Базовый протокол сети Интернет

Основным протоколом межсетевого уровня является протокол интернет-датаграмм (IDP). IDP является прямым потомком межсетевого протокола Pup и приблизительно соответствует уровню протокола Интернет (IP) в наборе протоколов Интернет. IDP использует 48-битный адрес Ethernet в качестве основы для собственной сетевой адресации, обычно используя MAC-адрес машины в качестве основного уникального идентификатора. К этому добавляется еще 48-битный раздел адреса, предоставляемый сетевым оборудованием: 32 бита предоставляются маршрутизаторами для идентификации сетевого номера в межсети, а остальные 16 битов определяют номер сокета для выбора службы внутри одного хоста. Часть сетевого номера адреса также включает специальное значение, означающее "эта сеть", для использования хостами, которые (пока) не знают свой сетевой номер. В отличие от TCP/IP, номера сокетов являются частью полного сетевого адреса в заголовке IDP, поэтому протоколам верхнего уровня не требуется реализовывать мультиплексирование; IDP также предоставляет типы пакетов (опять же, в отличие от IP). IDP также содержит контрольную сумму, охватывающую весь пакет, но она является необязательной, а не обязательной. Это отражает тот факт, что локальные сети обычно имеют низкий уровень ошибок, поэтому XNS исключил коррекцию ошибок из протоколов нижнего уровня для повышения производительности. Коррекцию ошибок можно было опционально добавить на более высоких уровнях стека протоколов, например, в собственном протоколе SPP XNS. XNS широко считался более быстрым, чем IP, благодаря этой особенности конструкции. В соответствии с низкими задержками в LAN-соединениях, для которых он предназначен, XNS использует небольшой размер пакета, что повышает производительность при низком уровне ошибок и коротком времени отклика. Пакеты IDP имеют длину до 576 байт, включая 30-байтовый заголовок IDP. Для сравнения, IP требует, чтобы все хосты поддерживали как минимум 576 байт, но поддерживает пакеты размером до 65 КБ. Отдельные пары хостов XNS в конкретной сети могут использовать большие пакеты, но маршрутизатор XNS не обязан их обрабатывать, и не определен механизм для определения, поддерживают ли промежуточные маршрутизаторы большие пакеты. Кроме того, пакеты не могут быть фрагментированы, как это возможно в IP. Протокол маршрутной информации (RIP), потомок протокола Gateway Information Protocol от Pup, используется в качестве системы обмена информацией между маршрутизаторами и (немного модифицированный для соответствия синтаксису адресов других наборов протоколов) до сих пор используется в других наборах протоколов, таких как набор протоколов Интернет. XNS также реализует простой протокол эхо на межсетевом уровне, аналогичный ping в IP, но работающий на более низком уровне в стеке сетевых протоколов. Вместо добавления данных ICMP в качестве полезной нагрузки в IP-пакете, как в ping, XNS's echo помещал команду непосредственно в базовый пакет IDP. Того же можно достичь в IP, расширив поле протокола ICMP в заголовке IP.

The main internetwork layer protocol is the Internet Datagram Protocol (IDP). IDP is a close descendant of Pup's internetwork protocol, and roughly corresponds to the Internet Protocol (IP) layer in the Internet protocol suite. IDP uses Ethernet's 48 bit address as the basis for its own network addressing, generally using the machine's MAC address as the primary unique identifier. To this is added another 48 bit address section provided by the networking equipment; 32 bits are provided by routers to identify the network number in the internetwork, and another 16 bits define a socket number for service selection within a single host. The network number portion of the address also includes a special value which meant "this network", for use by hosts which did not (yet) know their network number. Unlike TCP/IP, socket numbers are part of the full network address in the IDP header, so that upper layer protocols do not need to implement demultiplexing; IDP also supplies packet types (again, unlike IP). IDP also contains a checksum covering the entire packet, but it is optional, not mandatory. This reflects the fact that LANs generally have low error rates, so XNS removed error correction from the lower level protocols in order to improve performance. Error correction could be optionally added at higher levels in the protocol stack, for instance, in XNS's own SPP protocol. XNS was widely regarded as faster than IP due to this design note. In keeping with the low latency LAN connections it runs on, XNS uses a short packet size, which improves performance in the case of low error rates and short turnaround times. IDP packets are up to 576 bytes long, including the 30 byte IDP header. In comparison, IP requires all hosts to support at least 576, but supports packets of up to 65K bytes. Individual XNS host pairs on a particular network might use larger packets, but no XNS router is required to handle them, and no mechanism is defined to discover if the intervening routers support larger packets. Also, packets can not be fragmented, as they can in IP. The Routing Information Protocol (RIP), a descendant of Pup's Gateway Information Protocol, is used as the router information exchange system, and (slightly modified to match the syntax of addresses of other protocol suites), remains in use today in other protocol suites, such as the Internet protocol suite. XNS also implements a simple echo protocol at the internetwork layer, similar to IP's ping, but operating at a lower level in the networking stack. Instead of adding the ICMP data as payload in an IP packet, as in ping, XNS's echo placed the command directly within the underlying IDP packet. The same might be achieved in IP by expanding the ICMP Protocol field of the IP header.

Курьер РПК

В оригинальной концепции Xerox протоколы приложений, такие как удаленная печать, хранение файлов и рассылка сообщений, использовали протокол удаленного вызова процедур под названием Courier. Courier содержал примитивы для реализации большинства функций вызовов функций языка программирования Mesa от Xerox. Приложениям приходилось вручную сериализовать и десериализовать вызовы функций в Courier; не было автоматического механизма для преобразования стека активации функции в RPC (то есть не было "компилятора RPC"). Поскольку Courier использовался всеми приложениями, в документации по протоколам приложений XNS указывались только интерфейсы вызовов функций Courier и пары "модуль+функция". В Courier была предусмотрена специальная возможность для отправки и получения больших объемов данных при вызове функции. Изначально поиск служб XNS осуществлялся посредством широковещательных удаленных вызовов процедур с использованием серии расширяющихся кольцевых трансляций (в консультации с локальным маршрутизатором для получения информации о сетях на возрастающих расстояниях). Позже была создана служба каталогов уровня 3 протокола Clearinghouse для поиска служб, а расширяющиеся кольцевые трансляции использовались только для обнаружения первоначального Clearinghouse. Из-за тесной интеграции с Mesa как базовой технологии, многие традиционные протоколы более высокого уровня не входили в состав самой системы XNS. Это означало, что все поставщики, использующие протоколы XNS, разрабатывали собственные решения для обмена файлами и поддержки принтеров. Хотя многие из этих сторонних продуктов теоретически могли взаимодействовать друг с другом на уровне пакетов, возможности вызова сервисов друг друга были ограничены или отсутствовали. Это привело к полной фрагментации рынка XNS, и это было названо одной из причин, по которой IP легко его вытеснил.

Аутентификация

Протоколы XNS также включали протокол аутентификации и службу аутентификации для его поддержки. Его "Надежные учетные данные" были основаны на том же протоколе Needham–Schroeder, который позже использовался Kerberos. После обращения к службе аутентификации за учетными данными, этот протокол предоставлял простой способ цифровой подписи вызовов процедур Courier, позволяя получателям проверять подпись и аутентифицировать отправителей в сети XNS, не обращаясь повторно к службе аутентификации на протяжении всего сеанса связи. Этот протокол, с помощью отладчика "nub", мог заморозить рабочую станцию, а затем просматривать и изменять различные области памяти, менять переменные и возобновлять выполнение. Если были доступны символы отладки, вышедшую из строя машину можно было удаленно отладить из любой точки мира.

Истоки Ethernet и PUP

В последний год обучения в Гарвардском университете Боб Меткалф начал проходить собеседования в нескольких компаниях и был тепло встречен Джерри Элкиндом и Бобом Тейлором в Xerox PARC, которые только начинали работу над сетевыми компьютерными рабочими станциями, впоследствии ставшими Xerox Alto. Он согласился присоединиться к PARC в июле, после защиты диссертации. В 1970 году, во время пребывания на конференции в доме Стива Крокера, Меткалф взял со стола экземпляр "Процессов объединенной осенней компьютерной конференции" с намерением заснуть во время чтения. Вместо этого он увлекся статьей об ALOHAnet – более ранней системе широкозонной сети. К июню он разработал собственные теории сетевого взаимодействия и представил их своим профессорам, которые отвергли их, и его, как он выразился, "выставили за дверь". Несмотря на неудачную диссертацию, Меткалфа приняли в PARC, и он вскоре приступил к разработке того, что тогда называлось "ALOHAnet по проводам". Он объединился с Дэвидом Боггсом для помощи в электронной реализации, и к концу 1973 года они создавали рабочее оборудование со скоростью 3 Мбит/с. Затем они начали работу над простым протоколом для этой системы. Это привело к разработке системы PARC Universal Packet (Pup), и к концу 1974 года Pup успешно работал на Ethernet. Они подали заявку на патент на эту концепцию, добавив по инициативе Меткалфа имена других разработчиков, которых он считал достойными упоминания, а затем представили статью в Communications of the ACM под названием "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks", опубликованную в июле 1976 года.

PUP к XNS

К 1975 году, задолго до завершения PUP, Меткалф уже испытывал раздражение от жесткого управления Xerox. Он считал, что компания должна немедленно запустить Ethernet в производство, но не встретил должного интереса со стороны высшего руководства. Важным событием стало обращение профессоров из знаменитой Лаборатории искусственного интеллекта MIT к Xerox в 1974 году с намерением приобрести Ethernet для использования в их лаборатории. Руководство Xerox отказало, полагая, что Ethernet лучше использовать для продвижения собственного оборудования. В ответ Лаборатория ИИ создала собственную версию Ethernet – Chaosnet. В конечном итоге Меткалф покинул Xerox в ноябре 1975 года, перейдя в Transaction Technology, подразделение Citibank, занимавшееся разработкой передовых продуктов. Однако, через семь месяцев Дэвид Лиддл, недавно организовавший Отдел разработки систем в Xerox специально для вывода на рынок разработок PARC, переманил его обратно. Меткалф немедленно приступил к перепроектированию Ethernet для работы на скорости 20 Мбит/с и начал работу над переписыванием Pup в версии, пригодной для промышленного производства. В поисках помощи с Pup, Меткалф обратился к Йогену Далалу, который в то время завершал докторскую диссертацию под руководством Винта Серфа в Стэнфордском университете. Далалом также активно интересовалась команда ARPANET Боба Кана (работающая над TCP/IP), но после ухода Серфа в DARPA, Далал согласился перейти в PARC и начал работу там в 1977 году. Далал сформировал команду, в которую вошли Уильям Кроутер и Хэл Мюррей, и начал с тщательного анализа Pup. Далал также пытался продолжать участвовать в разработке TCP в DARPA, но в итоге отказался от этого и полностью сосредоточился на Pup. Он объединил свой опыт работы с ARPANET с концепциями Pup, и к концу 1977 года они опубликовали первый проект спецификации сетевой системы Xerox. По сути, это была версия Pup с абсолютными 48-битными идентификаторами узлов и трехсторонним обменом (handshake) TCP в протоколе последовательных пакетов. К началу 1978 года новая система заработала, но руководство по-прежнему не предпринимало никаких шагов для ее коммерциализации. Как выразился Меткалф:

By 1975, long before PUP was complete, Metcalfe was already chafing under the stiff Xerox management. He believed the company should immediately put Ethernet into production, but found little interest among upper management. A seminal event took place when professors from MIT's famed Artificial Intelligence Laboratory approached Xerox in 1974 with the intention of buying Ethernet for use in their lab. Xerox management declined, believing Ethernet was better used to help sell their own equipment. The AI Lab would then go on to make their own version of Ethernet, Chaosnet. Metcalfe eventually left Xerox November 1975 for Transaction Technology, a division of Citibank tasked with advanced product development. However, he was lured back to Xerox seven months later by David Liddle, who had recently organized the Systems Development Division within Xerox specifically to bring PARCs concepts to market. Metcalfe immediately began re designing Ethernet to work at 20 Mbit/s and started an effort to re write Pup in a production quality version. Looking for help on Pup, Metcalfe approached Yogen Dalal, who was at that time completing his PhD thesis under Vint Cerf at Stanford University. Dalal was also being heavily recruited by Bob Kahn's ARPANET team (working on TCP/IP), but when Cerf left to join DARPA, Dalal agreed to move to PARC and started there in 1977. Dalal built a team including William Crowther and Hal Murray, and started with a complete review of Pup. Dalal also attempted to remain involved in the TCP efforts underway at DARPA, but eventually gave up and focussed fully on Pup. Dalal combined his experience with ARPANET with the concepts from Pup and by the end of 1977 they had published the first draft of the Xerox Network System specification. This was essentially a version of Pup with absolute 48 bit host IDs, and TCP's 3 Way handshake in the Sequenced Packet Protocol. By early 1978 the new system was working, but management was still not making any move to commercialize it. As Metcalfe put it:

Когда я вернулся в Xerox в 1976 году, до начала отгрузки продукта оставалось примерно два с половиной года, а в 1978 году – все те же два с половиной года. Когда дальнейших действий не последовало, Меткалф покинул компанию в конце 1978 года.

Влияние

В последний раз использовалась Xerox для связи с издательской системой DocuTech 135, XNS больше не используется из-за повсеместного распространения IP. Однако она сыграла важную роль в развитии сетевых технологий в 1980-х годах, побудив производителей программного и аппаратного обеспечения всерьез задуматься о необходимости поддержки вычислительными платформами нескольких стеков сетевых протоколов одновременно. Множество проприетарных сетевых систем были напрямую основаны на XNS или предлагали незначительные вариации этой концепции. Среди них – Net/One, 3+, Banyan VINES и IPX/SPX от Novell. Эти системы добавляли собственные функции поверх системы адресации и маршрутизации XNS; VINES, например, добавил службу каталогов и другие сервисы, а Novell NetWare – ряд пользовательских сервисов, таких как печать и файловый обмен. AppleTalk использовал аналогичную XNS маршрутизацию, но применял несовместимые, более короткие адреса. XNS также помогла подтвердить правильность архитектуры сетевой подсистемы 4.2BSD, предоставив второй набор протоколов, существенно отличавшийся от интернет-протоколов; реализовав оба стека в одном ядре, исследователи из Беркли продемонстрировали, что эта архитектура подходит не только для IP. Впоследствии потребовались дополнительные модификации BSD для поддержки полного спектра протоколов Open Systems Interconnection (OSI).