В электронной книге кратко и просто описывается язык HTML. Прочитав ее, вы научитесь создавать собственные веб-страницы, причем не только простые, но и содержащие сложные таблицы, анимации Flash, коды javascript, апплеты Java, видеофрагменты и звук. Помимо непосредственно HTML, в электронной книге излагаются базовые вопросы таких технологий, как XHTML, CSS, javascript, PHP, иметь представление о которых просто необходимо любому, кто хочет сам создавать HTML-страницы. В последней главе электронной книги приводится обзор как коммерческих, так и бесплатных инструментальных средств, позволяющих разрабатывать веб-сайты без набора кода «вручную».

Эта книга отличается от множества других книг по языку Java. В то время как другие книги обучают основам языка, эта книга показывает, как использовать язык наиболее эффективно, с большей пользой и отдачей для решения запутанных задач программирования. На страницах книги постепенно раскрывается мощь, универсальность и элегантность языка Java. Как и можно ожидать, несколько описанных приложений связаны непосредственно с Internet.
Многие главы посвящены анализу кода, который иллюстрирует выразительные возможности Java независимо от Internet. Легкость, с которой эти программы могут быть написаны на языке Java, подтверждает гибкость и элегантность языка. В каждой главе рассматриваются фрагменты кода, который можно использовать "как есть". Например, синтаксический анализатор может послужить отличным дополнением для многих разработок. Однако наибольшую пользу от этих программ можно получить, если их использовать как базовые для разработки собственных приложений. Например, Web-червь, подробное описание которого приводится в книге, может послужить основой для разработки архиватора Web-сайта или детектора разрыва связи. Книга рассчитана на студентов, преподавателей и специалистов в области компьютерных технологий.

Книга посвящена аспектам дезассемблирования кода BIOS материнской платы и BIOS плат расширения. На практических примерах рассматриваются вопросы разработки специализированного кода BIOS и методы его внедрения в двоичные файлы BIOS, а также необходимый дли этого инструментарий. Подробно описаны все аспекты реализации BIOS материнской платы и BIOS плат расширения, в том числе и новейшие шинные протоколы HyperTransport и PCI Express. Особое внимание уделено безопасности BIOS, в том числе методам эксплуатации уязвимостей и защите BIOS от несанкционированных модификаций. Освещаются вопросы разработки кода для встроенных систем х86. Дается обзор дальнейших перспектив развития технологий BIOS.
Прилагаемый диск содержит примеры исходного кода, фрагменты дизассемблированных листингов, а также все иллюстрации, приведенные в книге.
Для системных программистов и специалистов в области компьютерной безопасности.

Мы предполагаем, что вы на базовом уровне знакомы с HTML, Java и web-серверами и у вас имеется доступ к компьютеру, на котором можно установить небольшой web-сервер, стандартный компилятор Java и другие служебные программы. Редактировать данные XML можно с помощью любого текстового редактора, либо вы можете использовать один из многочисленных коммерческих или находящихся в свободном доступе специализированных редакторов XML. Если эти требования выполнены, то практически любой человек, который работает с данными в той или иной форме, потенциально является пользователем XML. Трудно представить себе такую область человеческой деятельности, для которой в Интернете не нашлось бы ни одного относящегося к ней проекта, использующего язык XML.
В нашей книге мы будем использовать сервлеты [Так, по-видимому, по аналогии с апплетами авторы называют программы, написанные на языке Java и выполняющиеся на сервере — Примеч ред. ] Java и JSP-страницы (JavaServer Pages) для создания web-приложений, работающих с данными XML. Сервлеты выполняются на web-сервере, осуществляя те функции, которые ранее возлагались на сценарии CGI. JSP-страницы позволяют объединять элементы разметки HTML и фрагменты кода Java. Технология сервлетов и JSP-страниц развивается примерно так же быстро, как язык XML.

У всех, кто когда-либо начинал более или менее серьёзно заниматься созданием вебстраниц, обязательно возникала мысль - а как неплохо бы было, если бы повторяющиеся фрагменты HTML-кода можно было бы писать только по одному разу - чтобы затем они вставлялись бы в нужные места страниц автоматически. Самые продвинутые пытались воспользоваться Java-скриптами, чтобы добиться этого - но тогда страницы начинали растекаться жиром на десятки килобайт, а браузеры посетителей захлёбывались в сложном и обьёмном коде скриптов.

Между тем решение проблемы давно уже было - правда клиентам бесплатных хостингов оно не было доступно. На Webservis.ru оно есть и зовут его "SSI" - "Server Side Includes". Перевести это можно, в принципе, как «сборкой страниц занимается вебсервер».

Сам термин «фоторобот» и метод был придуман еще в 1952 году во Франции криминалистом Пьером Шабо. Первый фторобот предполагаемого преступника был сделан из фрагментов разных фотографий и переснятый в отдельный снимок. Постепенно фотографии заменили на рисунки.

Конечно же вы попадали в такую ситуацию, когда приложение, разработанное вами ранее, могло быть снова использовано в рамках другого проекта. Вначале вы конечно же подумали, что это не создаст никаких проблем. Всего-то необходимо скопировать код из одного каталога в другой! Со временем вы осознали, что проекты могут различаться между собой различными параметрами, пусть даже самыми незначительными. Например, это может быть e-mail адрес на который отсылаются сообщения. В таком случае вам ничего не остается, как открыть множество файлов в редакторе и изменить их содержимое, вставляя нужный e-mail при помощи функции найти/заменить. Эта статья расскажет вам о том, как можно избавить себя от подобной работы, а так же порекомендует ряд дополнительных средств для создания и чтения конфигурационных файлов.

Повторное использование кода

Компьютер был изобретен для того, чтобы избавить человека от лишней работы. Развитие компьютерных технологий привело к тому, что человек стал стремиться все меньше времени проводить за компьютером. Допустим, вы программист. Не будь компьютера, вы бы остались без работы. Но в то же время вы стараетесь с помощью компьютера упростить свою ежедневную работы, с этой целью вы используете, например, функцию автозавершения кода в редакторе. Мы хотим подвести вас к той мысли, что код созданный вами, должен быть организован так, чтобы работы по его модификации были сведены к минимуму. Чаще всего это удается, когда вы создаете код, автоматизирующий рутинные операции, такие как создание и прорисовка формы, а так же отправка e-mail. Однако не стоит забывать, что функции для выполнения рутинных операций никогда не бывают на 100% идентичными в различных приложениях. Один формуляр не похож на другой, а сообщения электронной почты предназначены разным адресатам. Однако логика на уровне приложения остается прежней, функции различаются между собой только некоторыми параметрами. Таким образом, вы должны ясно представлять свою цель – разработать код, параметры которого можно было бы определять извне.

Модульная организация

Для решения этой задачи, планируя структуру приложения, вы должны позаботиться о модульности. То есть вам необходимо поместить часто используемые функции или классы в отдельный файл, который будет подключаться через require_once. В этом случае файлы приложения не будут наполнены избыточным кодом. Допустим, вы часто осуществляете запись в лог-файл. В таком случае было бы неплохо код, выполняющий эту операцию, заключить в рамки класса или функции. Будет еще лучше, если вы воспользуетесь уже готовым классом, взятым из какой-нибудь библиотеки исходных кодов, например PEAR.

Параметры процедурального кода

После того, как вы проанализировали код, выделили повторяющиеся фрагменты, распределили их по классам и функциям, необходимо подумать о выделении необходимых параметров, значения которых будут устанавливаться извне. Если речь идет о процедуральном коде, самым простым решением является использование глобальных переменных, которые необходимо определить в отдельном файле. Это позволит в дальнейшем без проблем изменять их значения.

Листинг 1 демонстрирует функцию, которая занимается отправкой e-mail. В ее теле содержится только одна php-функция - mail(). Таким образом, мы избавляемся от необходимости каждый раз указывать получателя при отправке сообщения. Следующая переменная, которую мы определяем, обозначает префикс, предшествующий теме сообщения. Конфигурационный файл, подключаемый через require_once, мог бы выглядеть следующим образом.

Listing 1

PHP - Код

$to = 'webmaster@localhost';
  $prefix = '[Testinstallation] ';

PHP - Код

function sendMail( $subject, $body )
  {
    global $to, $prefix;
    $subject = $prefix . $subject;
    return mail( $to, $subject, $body );
  }
  require_once 'config1.php';
  sendMail( 'Test', 'Это тестовое сообщение.' );

Есть способ лучше

Даже если рассмотренный выше способ и является действенным, однако это не самое лучшее решение. По мере того как код вашего приложения будет усложняться, вырастет и число опций, тогда могут возникнуть следующие проблемы:

Глобальные переменные, которые мы используем, могут породить конфликты в пространстве имен.

В том случае, если конфигурационные файлы редактируются не программистом, а дилетантом, в системе могут возникнуть синтаксические ошибки, например из-за незакрытых кавычек.

Для того, чтобы получить доступ к различным переменным, необходимо обращаться к массиву $_GLOBALS.

Вместо php-модулей существуют другие форматы, которые могут быть легко поняты и изменены дилетантами, а так же php-скриптами. Мы имеем в виду два формата: этого широко используемые операционной системой Windows ini-файлы, а так же формат XML.

PHP уже содержит функцию parse_ini_file(), которая без проблем читает ini-файлы. Такой файл имеет очень простую структуру. Каждой опции может быть присвоено только одно значение, а в качестве оператора присваивания используется знак равенства. Конфигурационный файл из предыдущего примера выглядел бы следующим образом в ini-формате.

PHP - Код

to = "webmaster@localhost"
prefix = "[Testinstallation] "

После считывания ini-файла, имя которого передается в качестве параметра функции parse_ini_file(), мы получаем ассоциативный массив, имеющий вид:

PHP - Код

Array
(
  [to] => webmaster@localhost
  [prefix] => [Testinstallation]
)

В листинге 2 находится функция отправки почты, основанная на ini-файлах:

Listing 2

PHP - Код

function sendMail( $subject, $body )
  {
    $config = parse_ini_file( 'config1.ini' );
    $to = $config['mail_to'];
    $prefix = $config['mail_prefix'];
    $subject = $prefix . $subject;
    return mail( $to, $subject, $body );
  }
  sendMail( 'Test', 'Это тестовое письмо.' );

Если вы уже прочитали документацию по функции parse_ini_file(), вы кончено же заметили, что она может принимать и второй параметр. Он необходим, если вы хотите разделить ini-файл на несколько разделов или секций. Предположим, вам необходимо сохранить несколько настроек электронной почты. Тогда ini-файл будет выглядеть следующим образом:

PHP - Код

[errors]
to = "webmaster@localhost"
prefix = "[Testinstallation] "

[contact]
to = "kunde@test.de"
prefix = "[Contact]

"

Если вы при вызове parse_ini_file() передаете true в качестве второго параметра, в этом случае php будет искать в файле секции, а затем вернет многомерный массив, в котором каждой секции (errors и contact) будет соответствовать определенный набор значений:

PHP - Код

Array
(
  [errors] => Array
  (
    [to] => webmaster@localhost
    [prefix] => [Testinstallation]
  )
  [contact] => Array
  (
    [to] => kunde@test.de
    [prefix] => [Testinstallation]
  )
)

Особые значения в ini-файлах

При использовании ini-файлов вы должны иметь в виду, что некоторые особые значения могут быть представлены строками. Допустим, вы определяете значение опции как true или yes (без кавычек), в таком случае они автоматически конвертируются в число 1, а false или no – в пустую строку. К сожалению, при этом не генерируется никакой ошибки. Поэтому не пытайтесь использовать no для сокращенного обозначения Норвегии.

Listing 3

PHP - Код

$config = parse_ini_file( 'config2.ini', true );
  echo '<pre>';
  print_r( $config );
  echo '</pre>';

Безопасность

Вы должны понимать то, что если конфигурационный файл используется для хранения важных данных, например паролей, необходимо позаботиться о том, чтобы содержимое такого файла не попало в web-браузер. Простейший выход из положения заключается в том, чтобы хранить конфигурационные файлы вне корневой директории сайта, например здесь: /etc/myApp/config

Если этого сделать нельзя, в таком случае можно изменить расширение файла. Для конфигурационного файла в формате модуля php необходимо всегда выбирать расширение .php. В этом случае сервер проанализирует php-файл, а пользователь увидит пустую страницу. С ini-файлами такое не пройдет, однако сервер Apache предоставляет возможность защитить данные. Просто поместите в каталог, где хранятся ini файл с именем .htaccess В него нужно поместить следующие строки:

Код

<Files *.ini>
Order deny,allow
Deny from all
</Files>

Теперь сервер перестанет выдавать файлы с расширением ini, а опции приложения будут скрыты от пользователей.
Другие средства

Кончено же вы не являетесь единственным разработчиком, который сталкивается с проблемой обеспечения гибкости настроек веб-приложения. Поэтому некоторые программисты уже разработали библиотеки классов, которые переводят работу с конфигурационными файлами на абстрактный уровень, а так же упрощают запись и чтение различных форматов конфигурационных файлов.
PEAR::Config

Одним из классов, который может пригодится при чтении и записи конфигурационных файлов является PEAR::Config [3]. Как и все классы PEAR, PEAR::Config инсталлируется при помощи PEAR-Installer по команде

Код

pear install Config

Этот класс является многоформатным, поскольку работает с конфигурационными файлами в форматах XMIL, ini, Apach-Style (гибрид XML и ini), а также php-массивами. Достоинством данного класса является то, что API для взаимодействия со всеми форматами одинаков. Т.е. логика работы с конфигурационными файлами в формате XML ничем не отличается от логики работы с ini-файлами. Вследствие этого необходимо, чтобы все форматы имели одинаковую структуру. Конфигурационные файлы, с которыми работает PEAR::Config, состоят, как и ini-файлы из секций.

Изменим снова наш пример. Сначала мы создаем объект Config, а затем вызываем его метод parseConfig(). Поскольку метод позволяет считывать различные форматы файлов, при вызове его необходимо передавать параметр, уточняющий формат. Для конфигурационных файлов в формате ini в качестве такого параметра используется строка iniFile. После считывания файла, мы не получаем опции в виде массива, вместо этого создается объект-контейнер, который дает доступ ко всем настройкам. Хотя во многих случаях бывает желательно получить опции в форме массива. Для этого используется метод toArray(). Листинг 4 демонстрирует считывание ini-файла:

Listing 4

PHP - Код


  require_once 'Config.php';

  $config = new Config();
  $root =& $config->parseConfig('config2.ini', 'IniFile');

  $settings = $root->toArray();

  echo "<pre>";
  print_r( $settings );
  echo "</pre>";

С первого взгляда это может показаться несколько запутанным. Однако преимущество данного подхода заключается в том, что один и тот же метод используется для чтения всех форматов файлов, поддерживаемых PEAR::Config. Измененные опции могут быть также сохранены в любом формате:

PHP - Код

$root->writeDatasrc( 'config2.conf', 'Apache' );

Листинг 5 содержит код, где серия опций помещается в массив, который затем сохраняется в формате XML. Если вы хотите побольше узнать о PEAR::Config необходимую информацию вы сможете найти в документации по PEAR[5] или в DevShed-Tutorial [6].

Listing 5

PHP - Код

require_once 'Config.php';

  $settings = array(
    'errors' => array(
      'email' => 'webmaster@localhost',
      'prefix' => '[ERRORS]',
    )
  );

  $config = new Config();
  $root =& $config->parseConfig($settings, 'PHPArray');
  $root->writeDatasrc( 'config2.xml', 'XML' );

patConfiguration

Альтернативным классом для работы с конфигурационными файлами является patConfiguration[7], однако он предназначен исключительно для работы с файлами в формате XML. После скачивания архива, его необходимо распаковать. Сам класс находится в директории include. patConfiguration предварительно определяет Tag-Set, который затем наполняется данными. К тому же этот класс предоставляет возможность указать тип опции: целое число, число с плавающей точкой, булевское значение. Типичный конфигурационный файл, созданный patConfiguration, имеет следующую структуру:

Код

<configuration>
<path name="fehler">
<configValue name="email" type="string">webmaster@localhost</configValue>
<configValue name="priority" type="float">100</configValue>
</path>
</configuration>

После создания объекта класса, может быть вызван метод parseConfigFile(). Доступ к опциям осуществляется через getConfigValue(). В качестве параметра этот метод может принимать путь к нужной опции. Вернемся к нашему примеру. Допустим, мы хотим получить e-mail адрес, на который высылается сообщение об ошибке. В этом случае используется путь errors.email. Если путь не указан, тогда все параметры передаются в массив. Листинг 6 демонстрирует код, который можно использовать для считывания файлов.
patConfiguration 2.0.0

В данный момент многоформатная версия patConfiguration находится в стадии разработки. Возможно, при публикации статьи эта версия уже станет доступной. Впрочем, самую новую версию для разработчиков вы можете скачать с сайта snaps.php-tools.net/downloaden.

В этом примере вы уже заметили, что внутри тега указывается тип значения. Названия типов идентичны тем, что используются в php-функции settype(). Если тип не указан, тогда значение интерпретируется как строка. Для часто используемых опций можно определить отдельный тег.

Код

<configuration>
<define tag="priority" type="float"/>
<define tag="email" type="string"/>
<path name="fehler">
<email>webmaster@localhost</email>
<priority>100</priority>
</path>
</configuration>

Наряду с функцией getConfigValue, существует функция setConfigValue(), с помощью которой можно изменить значение опции. Затем конфигурационный файл может быть заново записан с помощью writeConfigFile() (см листинг 7).

patConfiguration предлагает также серию дополнительных возможностей. Например, наряду с тегами, существует возможность определять атрибуты и пространства имен (Namespace), а к тегу можно привязать внешний файл, таким образом, опции будут распределены по нескольким файлам. Кроме этого patConfiguration включает систему кэширования, благодаря которой пропадает необходимость в многократном считывании конфигурационного файла.

Дополнительную информацию вы сможете найти на PHP Application Tools-Homepage и в patConfiguration-Tutorial на DevShed [8].

Listing 7

PHP - Код

require_once 'include/patConfiguration.php';

  $config = new patConfiguration(
     array(
       "configDir" =>"./",
       "errorHandling" =>"nice_die"
     )
  );
  $config->parseConfigFile( 'config6.xml' );
  $config->setConfigValue( 'errors.email', 'errors@localhost' );
  $config->writeConfigFile( 'config6_new.xml', 'xml', array( 'mode' => 'pretty' ) );

Заключение

Забота о гибкости настроек приложения может сберечь много времени, особенно если его компоненты предполагается использовать в других проектах. Вы потратите еще меньше времени, если доверите работу с конфигурационными файлами одному из готовых классов. Выбор между PEAR::Config и patConfiguration зависит от задачи. Преимуществом PEAR::Config является поддержка различных форматов конфигурационных файлов, в то время как patConfiguration прекрасно работает с XML, так же предоставляет ряд дополнительных возможностей. Однако с появлением версии 2.0.0 этот пакет будет иметь одинаковый API для считывания ini и wddx файлов. PHP-массив поддерживаются уже в текущей версии.

В этой статье я попытаюсь дать оценку быстродействию файловых систем, используемых в операционных системах WindowsNT/2000. Статья не содержит графиков и результатов тестирований, так как эти результаты слишком сильно зависят от случая, методик тестирования и конкретных систем, и не имеют почти никакой связи с реальным положением дел. В этом материале я вместо этого постараюсь описать общие тенденции и соображения, связанные с производительностью файловых систем. Прочитав данный материал, вы получите информацию для размышлений и сможете сами сделать выводы, понять, какая система будет быстрее в ваших условиях, и почему. Возможно, некоторые факты помогут вам также оптимизировать быстродействие своей машины с точки зрения файловых систем, подскажут какие-то решения, которые приведут к повышению скорости работы всего компьютера.

В данном обзоре упоминаются три системы - FAT (далее FAT16), FAT32 и NTFS, так как основной вопрос, стоящий перед пользователями Windows2000 - это выбор между этими вариантами. Я приношу извинение пользователям других файловых систем, но проблема выбора между двумя, внешне совершенно равнозначными, вариантами со всей остротой стоит сейчас только в среде Windows2000. Я надеюсь, всё же, что изложенные соображения покажутся вам любопытными, и вы сможете сделать какие-то выводы и о тех системах, с которыми вам приходится работать.

Данная статья состоит из множества разделов, каждый из которых посвящен какому-то одному вопросу быстродействия. Многие из этих разделов в определенных местах тесно переплетаются между собой. Тем не менее, чтобы не превращать статью в кашу, в соответствующем разделе я буду писать только о том, что имеет отношение к обсуждаемый в данный момент теме, и ни о чем более. Если вы не нашли каких-то важных фактов в тексте - не спешите удивляться: скорее всего, вы встретите их позже. Прошу вас также не делать никаких поспешных выводов о недостатках и преимуществах той или иной системы, так как противоречий и подводных камней в этих рассуждениях очень и очень много. В конце я попытаюсь собрать воедино всё, что можно сказать о быстродействии систем в реальных условиях.

Теория

Самое фундаментальное свойство любой файловой системы, влияющее на быстродействие всех дисковых операций - структура организации и хранения информации, т.е. то, как, собственно, устроена сама файловая система. Первый раздел - попытка анализа именно этого аспекта работы, т.е. физической работы со структурами и данными файловой системы. Теоретические рассуждения, в принципе, могут быть пропущены - те, кто интересуется лишь чисто практическими аспектами быстродействия файловых систем, могут обратиться сразу ко второй части статьи.

Для начала хотелось бы заметить, что любая файловая система так или иначе хранит файлы. Доступ к данным файлов - основная и неотъемлемая часть работы с файловой системой, и поэтому прежде всего нужно сказать пару слов об этом. Любая файловая система хранит данные файлов в неких объемах - секторах, которые используются аппаратурой и драйвером как самая маленькая единица полезной информации диска. Размер сектора в подавляющем числе современных систем составляет 512 байт, и все файловые системы просто читают эту информацию и передают её без какой либо обработки приложениям. Есть ли тут какие-то исключения? Практически нет. Если файл хранится в сжатом или закодированном виде - как это возможно, к примеру, в системе NTFS - то, конечно, на восстановление или расшифровку информации тратится время и ресурсы процессора. В остальных случаях чтение и запись самих данных файла осуществляется с одинаковой скоростью, какую файловую систему вы не использовали бы.

Обратим внимание на основные процессы, осуществляемые системой для доступа к файлам:

Поиск данных файла

Выяснение того, в каких областях диска хранится тот или иной фрагмент файла - процесс, который имеет принципиально разное воплощение в различных файловых системах. Имейте в виду, что это лишь поиск информации о местоположении файла - доступ к самим данным, фрагментированы они или нет, здесь уже не рассматривается, так как этот процесс совершенно одинаков для всех систем. Речь идет о тех "лишних" действиях, которые приходится выполнять системе перед доступом к реальным данным файлов.

На что влияет этот параметр: на скорость навигации по файлу (доступ к произвольному фрагменту файла). Любая работа с большими файлами данных и документов, если их размер - несколько мегабайт и более. Этот параметр показывает, насколько сильно сама файловая система страдает от фрагментации файлов.

NTFS способна обеспечить быстрый поиск фрагментов, поскольку вся информация хранится в нескольких очень компактных записях (типичный размер - несколько килобайт). Если файл очень сильно фрагментирован (содержит большое число фрагментов) - NTFS придется использовать много записей, что часто заставит хранить их в разных местах. Лишние движения головок при поиске этих данных, в таком случае, приведут к сильному замедлению процесса поиска данных о местоположении файла.

FAT32, из-за большой области самой таблицы размещения будет испытывать огромные трудности, если фрагменты файла разбросаны по всему диску. Дело в том, что FAT (File Allocation Table, таблица размещения файлов) представляет собой мини-образ диска, куда включен каждый его кластер. Для доступа к фрагменту файла в системе FAT16 и FAT32 приходится обращаться к соответствующей частичке FAT. Если файл, к примеру, расположен в трех фрагментах - в начале диска, в середине, и в конце - то в системе FAT нам придется обратиться к фрагменту FAT также в его начале, в середине и в конце. В системе FAT16, где максимальный размер области FAT составляет 128 Кбайт, это не составит проблемы - вся область FAT просто хранится в памяти, или же считывается с диска целиком за один проход и буферизируется. FAT32 же, напротив, имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт, а на больших дисках - даже несколько мегабайт. Если файл расположен в разных частях диска - это вынуждает систему совершать движения головок винчестера столько раз, сколько групп фрагментов в разных областях имеет файл, а это очень и очень сильно замедляет процесс поиска фрагментов файла.

Вывод: Абсолютный лидер - FAT16, он никогда не заставит систему делать лишние дисковые операции для данной цели. Затем идет NTFS - эта система также не требует чтения лишней информации, по крайней мере, до того момента, пока файл имеет разумное число фрагментов. FAT32 испытывает огромные трудности, вплоть до чтения лишних сотен килобайт из области FAT, если файл разбросан разным областям диска. Работа с внушительными по размеру файлами на FAT32 в любом случае сопряжена с огромными трудностями - понять, в каком месте на диске расположен тот или иной фрагмент файла, можно лишь изучив всю последовательность кластеров файла с самого начала, обрабатывая за один раз один кластер (через каждые 4 Кбайт файла в типичной системе). Стоит отметить, что если файл фрагментирован, но лежит компактной кучей фрагментов - FAT32 всё же не испытывает больших трудностей, так как физический доступ к области FAT будет также компактен и буферизован.

Поиск свободного места

Данная операция производится в том случае, если файл нужно создать с нуля или скопировать на диск. Поиск места под физические данные файла зависит от того, как хранится информация о занятых участках диска.

На что влияет этот параметр: на скорость создания файлов, особенно больших. Сохранение или создание в реальном времени больших мультимедийных файлов (.wav, к примеру), копирование больших объемов информации, т.д. Этот параметр показывает, насколько быстро система сможет найти место для записи на диск новых данных, и какие операции ей придется для этого проделать.

Для определения того, свободен ли данный кластер или нет, системы на основе FAT должны просмотреть одну запись FAT, соответствующую этому кластеру. Размер одной записи FAT16 составляет 16 бит, одной записи FAT32 - 32 бита. Для поиска свободного места на диске может потребоваться просмотреть почти всего FAT - это 128 Кбайт (максимум) для FAT16 и до нескольких мегабайт (!) - в FAT32. Для того, чтобы не превращать поиск свободного места в катастрофу (для FAT32), операционной системе приходится идти на различные ухищрения.

NTFS имеет битовую карту свободного места, одному кластеру соответствует 1 бит. Для поиска свободного места на диске приходится оценивать объемы в десятки раз меньшие, чем в системах FAT и FAT32.

Вывод: NTFS имеет наиболее эффективную систему нахождения свободного места. Стоит отметить, что действовать "в лоб" на FAT16 или FAT32 очень медленно, поэтому для нахождения свободного места в этих системах применяются различные методы оптимизации, в результате чего и там достигается приемлемая скорость. (Одно можно сказать наверняка - поиск свободного места при работе в DOS на FAT32 - катастрофический по скорости процесс, поскольку никакая оптимизация невозможна без поддержки хоть сколь серьезной операционной системы).

Работа с каталогами и файлами

Каждая файловая система выполняет элементарные операции с файлами - доступ, удаление, создание, перемещение и т.д. Скорость работы этих операций зависит от принципов организации хранения данных об отдельных файлах и от устройства структур каталогов.

На что влияет этот параметр: на скорость осуществления любых операций с файлом, в том числе - на скорость любой операции доступа к файлу, особенно - в каталогах с большим числом файлов (тысячи).

FAT16 и FAT32 имеют очень компактные каталоги, размер каждой записи которых предельно мал. Более того, из-за сложившейся исторически системы хранения длинных имен файлов (более 11 символов), в каталогах систем FAT используется не очень эффективная и на первый взгляд неудачная, но зато очень экономная структура хранения этих самих длинных имен файлов. Работа с каталогами FAT производится достаточно быстро, так как в подавляющем числе случаев каталог (файл данных каталога) не фрагментирован и находится на диске в одном месте.
Единственная проблема, которая может существенно понизить скорость работы каталогов FAT - большое количество файлов в одном каталоге (порядка тысячи или более). Система хранения данных - линейный массив - не позволяет организовать эффективный поиск файлов в таком каталоге, и для нахождения данного файла приходится перебирать большой объем данных (в среднем - половину файла каталога).

NTFS использует гораздо более эффективный способ адресации - бинарное дерево, о принципе работы которого можно прочесть в другой статье (Файловая система NTFS). Эта организация позволяет эффективно работать с каталогами любого размера - каталогам NTFS не страшно увеличение количества файлов в одном каталоге и до десятков тысяч.
Стоит заметить, однако, что сам каталог NTFS представляет собой гораздо менее компактную структуру, нежели каталог FAT - это связано с гораздо большим (в несколько раз) размером одной записи каталога. Данное обстоятельство приводит к тому, что каталоги на томе NTFS в подавляющем числе случаев сильно фрагментированы. Размер типичного каталога на FAT-е укладывается в один кластер, тогда как сотня файлов (и даже меньше) в каталоге на NTFS уже приводит к размеру файла каталога, превышающему типичный размер одного кластера. Это, в свою очередь, почти гарантирует фрагментацию файла каталога, что, к сожалению, довольно часто сводит на нет все преимущества гораздо более эффективной организации самих данных.

Вывод: структура каталогов на NTFS теоретически гораздо эффективнее, но при размере каталога в несколько сотен файлов это практически не имеет значения. Фрагментация каталогов NTFS, однако, уверенно наступает уже при таком размере каталога. Для малых и средних каталогов NTFS, как это не печально, имеет на практике меньшее быстродействие.

Преимущества каталогов NTFS становятся реальными и неоспоримыми только в том случае, если в одно каталоге присутствуют тысячи файлов - в этом случае быстродействие компенсирует фрагментированность самого каталога и трудности с физическим обращением к данным (в первый раз - далее каталог кэшируется). Напряженная работа с каталогами, содержащими порядка тысячи и более файлов, проходит на NTFS буквально в несколько раз быстрее, а иногда выигрыш в скорости по сравнению с FAT и FAT32 достигает десятков раз.

Практика

К сожалению, как это часто бывает во всевозможных компьютерных вопросах, практика не очень хорошо согласуется с теорией. NTFS, имеющая, казалось бы, очевидные преимущества в структуре, показывает не настолько уж фантастические результаты, как можно было бы ожидать. Какие еще соображения влияют на быстродействие файловой системы? Каждый из рассматриваемых далее вопросов вносит свой вклад в итоговое быстродействие. Помните, однако, что реальное быстродействие - результат действия сразу всех факторов, поэтому и в этой части статьи не стоит делать поспешных выводов.

Объем оперативной памяти (кэширование)

Очень многие данные современных файловых систем кэшируются или буферизируются в памяти компьютера, что позволяет избежать лишних операций физического чтения данных с диска. Для нормальной (высокопроизводительной) работы системы в кэше приходится хранить следующие типы информации:

Данные о физическом местоположении всех открытых файлов. Это, прежде всего, позволит обращаться к системным файлам и библиотекам, доступ к которым идет буквально постоянно, без чтения служебной (не относящейся к самим файлам) информации с диска. Это же относится к тем файлам, которые исполняются в данный момент - т.е. к выполняемым модулям (.exe и .dll) активных процессов в системе. В эту категорию попадают также файлы системы, с которыми производится работа (прежде всего реестр и виртуальная память, различные .ini файлы, а также файлы документов и приложений).

Наиболее часто используемые каталоги. К таковым можно отнести рабочий стол, меню "пуск", системные каталоги, каталоги кэша интернета, и т.п.

Данные о свободном месте диска - т.е. та информация, которая позволит найти место для сохранения на диск новых данных.

В случае, если этот базовый объем информации не будет доступен прямо в оперативной памяти, системе придется совершать множество ненужных операций еще до того, как она начнет работу с реальными данными. Что входит в эти объемы в разных файловых системах? Или, вопрос в более практической плоскости - каким объемом свободной оперативной памяти надо располагать, чтобы эффективно работать с той или иной файловой системой?

FAT16 имеет очень мало данных, отвечающих за организацию файловой системы. Из служебных областей можно выделить только саму область FAT, которая не может превышать 128 Кбайт (!) - эта область отвечает и за поиск фрагментов файлов, и за поиск свободного места на томе. Каталоги системы FAT также очень компактны. Общий объем памяти, необходимый для предельно эффективной работы с FAT-ом, может колебаться от сотни килобайт и до мегабайта-другого - при условии огромного числа и размера каталогов, с которыми ведется работа.

FAT32 отличается от FAT16 лишь тем, что сама область FAT может иметь более внушительные размеры. На томах порядка 5 - 10 Гбайт область FAT может занимать объем в несколько Мбайт, и это уже очень внушительный объем, надежно кэшировать который не представляется возможным. Тем не менее, область FAT, а вернее те фрагменты, которые отвечают за местоположение рабочих файлов, в подавляющем большинстве систем находятся в памяти машины - на это расходуется порядка нескольких Мбайт оперативной памяти.

NTFS, к сожалению, имеет гораздо большие требования к памяти, необходимой для работы системы. Прежде всего, кэширование сильно затрудняет большие размеры каталогов. Размер одних только каталогов, с которыми активно ведет работу система, может запросто доходить до нескольких Мбайт и даже десятков Мбайт! Добавьте к этому необходимость кэшировать карту свободного места тома (сотни Кбайт) и записи MFT для файлов, с которыми осуществляется работа (в типичной системе - по 1 Кбайт на каждый файл). К счастью, NTFS имеет удачную систему хранения данных, которая не приводит к увеличению каких-либо фиксированных областей при увеличении объема диска. Количество данных, с которым оперирует система на основе NTFS, практически не зависит от объема тома, и основной вклад в объемы данных, которые необходимо кэшировать, вносят каталоги. Тем не менее, уже этого вполне достаточно для того, чтобы только минимальный объем данных, необходимых для кэширования базовых областей NTFS, доходил до 5 - 8 Мбайт.

[pagebreak]

К сожалению, можно с уверенностью сказать: NTFS теряет огромное количество своего теоретического быстродействия из-за недостаточного кэширования. На системах, имеющих менее 64 Мбайт памяти, NTFS просто не может оказаться быстрее FAT16 или FAT32. Единственное исключение из этого правила - диски FAT32, имеющие объем десятки Гбайт (я бы лично серьезно опасался дисков FAT32 объемом свыше, скажем, 30 Гбайт). В остальных же случаях - системы с менее чем 64 мегабайтами памяти просто обязаны работать с FAT32 быстрее.

Типичный в настоящее время объем памяти в 64 Мбайта, к сожалению, также не дает возможности организовать эффективную работу с NTFS. На малых и средних дисках (до 10 Гбайт) в типичных системах FAT32 будет работать, пожалуй, немного быстрее. Единственное, что можно сказать по поводу быстродействия систем с таким объемом оперативной памяти - системы, работающие с FAT32, будут гораздо сильнее страдать от фрагментации, чем системы на NTFS. Но если хотя бы изредка дефрагментировать диски, то FAT32, с точки зрения быстродействия, является предпочтительным вариантом. Многие люди, тем не менее, выбирают в таких системах NTFS - просто из-за того, что это даст некоторые довольно важные преимущества, тогда как типичная потеря быстродействия не очень велика.

Системы с более чем 64 Мбайтами, а особенно - со 128 Мбайт и более памяти, смогут уверенно кэшировать абсолютно всё, что необходимо для работы систем, и вот на таких компьютерах NTFS, скорее всего, покажет более высокое быстродействие из-за более продуманной организации данных. В наше время этим показателям соответствует практически любой компьютер.

Быстродействие накопителя

Влияют ли физические параметры жесткого диска на быстродействие файловой системы? Да, хоть и не сильно, но влияют. Можно выделить следующие параметры физической дисковой системы, которые по-разному влияют на разные типы файловых систем:

Время случайного доступа (random seek time). К сожалению, для доступа к системным областям на типичном диске более сложной файловой системы (NTFS) приходится совершать, в среднем, больше движений головками диска, чем в более простых системах (FAT16 и FAT32). Гораздо большая фрагментация каталогов, возможность фрагментации системных областей - всё это делает диски NTFS гораздо более чувствительными к скорости считывания произвольных (случайных) областей диска. По этой причине использовать NTFS на медленных (старых) дисках не рекомендуется, так как высокое (худшее) время поиска дорожки дает еще один плюс в пользу систем FAT.

Наличие Bus Mastering. Bus Mastering - специальный режим работы драйвера и контроллера, при использовании которого обмен с диском производится без участия процессора. Стоит отметить, что система запаздывающего кэширования NTFS сможет действовать гораздо более эффективно при наличии Bus Mastering, т.к. NTFS производит отложенную запись гораздо большего числа данных. Системы без Bus Mastering в настоящее время встречаются достаточно редко (обычно это накопители или контроллеры, работающие в режиме PIO3 или PIO4), и если вы работаете с таким диском - то, скорее всего, NTFS потеряет еще пару очков быстродействия, особенно при операциях модификации каталогов (например, активная работа в интернете - работа с кэшем интернета).

Кэширование как чтения, так и записи на уровне жестких дисков (объем буфера HDD - от 128 Кбайт до 1-2 Мбайт в современных дорогих дисках) - фактор, который будет более полезен системам на основе FAT. NTFS из соображений надежности хранения информации осуществляет модификацию системных областей с флагом "не кэшировать запись", поэтому быстродействие системы NTFS слабо зависит от возможности кэширования самого HDD. Системы FAT, напротив, получат некоторый плюс от кэширования записи на физическом уровне. Стоит отметить, что, вообще говоря, всерьез принимать в расчет размер буфера HDD при оценке быстродействия тех или иных файловых систем не стоит.

Подводя краткий итог влиянию быстродействия диска и контроллера на быстродействия системы в целом, можно сказать так: NTFS страдает от медленных дисков гораздо сильнее, чем FAT.

Размер кластера

Хотелось бы сказать пару слов о размере кластера - тот параметр, который в файловых системах FAT32 и NTFS можно задавать при форматировании практически произвольно. Прежде всего, надо сказать, что больший размер кластера - это практически всегда большее быстродействие. Размер кластера на томе NTFS, однако, имеет меньшее влияние на быстродействие, чем размер кластера для системы FAT32.

Типичный размер кластера для NTFS - 4 Кбайта. Стоит отметить, что при большем размере кластера отключается встроенная в файловую систему возможность сжатия индивидуальных файлов, а также перестает работать стандартный API дефрагментации - т.е. подавляющее число дефрагментаторов, в том числе встроенный в Windows 2000, будут неспособны дефрагментировать этот диск. SpeedDisk, впрочем, сможет - он работает без использования данного API. Оптимальным с точки зрения быстродействия, по крайней мере, для средних и больших файлов, считается (самой Microsoft) размер 16 Кбайт. Увеличивать размер далее неразумно из-за слишком больших расходов на неэффективность хранения данных и из-за мизерного дальнейшего увеличения быстродействия. Если вы хотите повысить быстродействие NTFS ценой потери возможности сжатия - задумайтесь о форматировании диска с размером кластера, большим чем 4 Кбайта. Но имейте в виду, что это даст довольно скромный прирост быстродействия, который часто не стоит даже уменьшения эффективности размещения файлов на диске.

Быстродействие системы FAT32, напротив, можно довольно существенно повысить, увеличив размер кластера. Если в NTFS размер кластера почти не влияет на размер и характер данных системных областей, то в системе FAT увеличивая кластер в два раза, мы сокращаем область FAT в те же два раза. Вспомните, что в типичной системе FAT32 эта очень важная для быстродействия область занимает несколько Мбайт. Сокращение области FAT в несколько раз даст заметное увеличение быстродействия, так как объем системных данных файловой системы сильно сократиться - уменьшается и время, затрачиваемое на чтение данных о расположении файлов, и объем оперативной памяти, необходимый для буферизирования этой информации. Типичный объем кластера для систем FAT32 составляет тоже 4 Кбайт, и увеличение его до 8 или даже до 16 Кбайт - особенно для больших (десяток и более гигабайт) дисков - достаточно разумный шаг.

Другие соображения

NTFS является достаточно сложной системой, поэтому, в отличие от FAT16 и FAT32, имеются и другие факторы, которые могут привести к существенному замедлению работы NTFS:

Диск NTFS был получен преобразованием раздела FAT16 или FAT32 (команда convert). Данная процедура в большинстве случаев представляет собой тяжелый случай для быстродействия, так как структура служебных областей NTFS, скорее всего, получится очень фрагментированной. Если есть возможность - избегайте преобразования других систем в NTFS, так как это приведет к созданию очень неудачного диска, которому не поможет даже типичный (неспециализированный) дефрагментатор, типа Diskeeper-а или встроенного в Windows 2000.

Активная работа с диском, заполненным более чем на 80% - 90%, представляет собой катастрофический для быстродействия NTFS случай, так как фрагментация файлов и, самое главное, служебных областей, будет расти фантастически быстро. Если ваш диск используется в таком режиме - FAT32 будет более удачным выбором при любых других условиях.

Выводы

В данной заключительной части "одной строчкой" собраны ключевые особенности быстродействия этих трех файловых систем.

FAT - плюсы:

Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.

Быстрая работа с малыми и средними каталогами.

Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).

Эффективная работа на медленных дисках.

FAT - минусы:

Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).

Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.

Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.

NTFS - плюсы:

Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы - работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.

Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.

Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).

Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) - весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).

NTFS - минусы:

Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт - абсолютный минимум, лучше - больше).

Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.

Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.

Диск, долго работающий в заполненном на 80% - 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что на практике основной фактор, от которого зависит быстродействие файловой системы - это, как ни странно, объем памяти машины. Системы с памятью 64-96 Мбайт - некий рубеж, на котором быстродействие NTFS и FAT32 примерно эквивалентно. Обратите внимание также на сложность организации данных на вашей машине. Если вы не используете ничего, кроме простейших приложений и самой операционной системы - может случиться так, что FAT32 сможет показать более высокое быстродействие и на машинах с большим количеством памяти.

NTFS - система, которая закладывалась на будущее, и это будущее для большинства реальных применений сегодняшнего дня еще, к сожалению, видимо не наступило. На данный момент NTFS обеспечивает стабильное и равнодушное к целому ряду факторов, но, пожалуй, всё же невысокое - на типичной "игровой" домашней системе - быстродействие. Основное преимущество NTFS с точки зрения быстродействия заключается в том, что этой системе безразличны такие параметры, как сложность каталогов (число файлов в одном каталоге), размер диска, фрагментация и т.д. В системах FAT же, напротив, каждый из этих факторов приведет к существенному снижению скорости работы.

Только в сложных высокопроизводительных системах - например, на графических станциях или просто на серьезных офисных компьютерах с тысячами документов, или, тем более, на файл-серверах - преимущества структуры NTFS смогут дать реальный выигрыш быстродействия, который порой заметен невооруженным глазом. Пользователям, не имеющим большие диски, забитые информацией, и не пользующимся сложными программами, не стоит ждать от NTFS чудес скорости - с точки зрения быстродействия на простых домашних системах гораздо лучше покажет себя FAT32.

GPRS (General Packet Radio Service) - это новая перспективная технология, стандартизация которой началась в 1993 году в European Telecommunication Standards Institute (http://www.etsi.org/), позволяющая работать в сети Internet, используя обычный мобильный телефон. С помощью GPRS, пользователи могут работать со своей электронной почтой, с обычными Web-серверами (а не со специальными WAP-версиями) и т.д. Основное достоинство GPRS-сетей состоит в том, что пользователь оплачивает только объем передаваемой/получаемой информации, а не время нахождения в сети.

---

До разработки технологии GPRS (http://www.gsmworld.com/technology/gprs/index.shtml), абонент оплачивал все время соединения независимо от того, использовал он установленный канал передачи данных. Иными словами, ресурсы сети задействованы только во время непосредственной передачи данных от телефона. Во время пауз (например, просмотр полученной электронной почты) ресурсы сети предоставляются в распоряжение других абонентов. Кроме того, технология GPRS является промежуточным этапом при переходе от сетей 2 поколения (GSM) к 3-му (UMTS). В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с - это почти в 12 раз быстрее работы передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 Кбит/с). Однако на данный момент скорости не так высоки - обычно 30-40 Кбит/с. В настоящее время три крупнейших сотовых сети России (МТС, БиЛайн, Мегафон) предлагают своим абонентам услуги GPRS. Потенциальное число абонентов технологии GPRS в России - 17,8 миллионов человек, именно такое количество абонентов сотовой связи насчитывалось в России к концу 2002 года. Реальное же число желающих воспользоваться преимуществами этой технологии пока не так велико. В частности, к началу декабря 2002 года в БиЛайне, пионере GPRS в России, насчитывалось всего 25000 абонентов.

Архитектура GPRS

Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то технология работы GPRS выглядит следующим образом. Архитектура GPRS расширяет стандартные компоненты GSM новыми или обновленными элементами. В целом, таких элементов всего 4, из которых только 2 не были известны в технологии GSM.

Мобильная станция

MS (mobile station) - это мобильная станция, в качестве которой может выступать переносной или карманный компьютер, мобильный телефон или иное устройство, поддерживающее технологию GPRS. Функционально данный элемент состоит из 2-х компонентов, которые могут быть выполнены как в виде единого устройства (например, мобильный телефон Sony Ericsson T68i), так и в виде самостоятельных устройств:

терминальное оборудование (terminal equipment, TE), например, переносной компьютер;

мобильный терминал (mobile terminal, MT), например, модем.

В зависимости от типа оборудования и возможностей сети данная станция может работать в одном из 3-х режимов работы:

Класс A - позволяет мобильной станции в одно и то же время передавать как данные, так и голос, т.е. одновременно работать в GSM- и GPRS-сетях.

Класс B - позволяет мобильной станции передавать и данные и голос, но в разные моменты времени, т.е. не одновременно.

Класс C - позволяет мобильной станции работать только в режиме GPRS.

При подключении к сети GPRS, мобильная станция (а точнее элемент TE) получает IP-адрес, который не меняется до момента отключения мобильного терминала (MT); больше того, мобильная станция может даже и не "подозревать" о том, что она является мобильной. Мобильная станция устанавливает соединение с узлом обслуживания абонентов GPRS, описываемым далее.

Базовая станция

BSS (base station system) - это базовая станция, которая принимает радиосигнал от мобильной станции и, в зависимости от того, что передается (голос или данные), транслирует трафик:

на центр коммутации (mobile switching center, MSC), являющийся стандартным элементом сети GSM, или на узел SGSN, отвечающий за обработку входящих/исходящих данных GPRS.

Узел обслуживания абонентов GPRS

Обслуживающий узел (serving GPRS support node, SGSN) является основным компонентом GPRS-сети. Он транслирует IP-пакеты, посылаемые/получаемые мобильной станцией. По своей сути, это такой же центр коммутации, как и MSC в GSM, но в отличие от последнего, он коммутирует пакеты, а не каналы. Как правило, такой узел построен на базе ОС Unix и имеет свой IP-адрес. С точки зрения безопасности, на SGSN возложены функции:

Проверки разрешений абонентов на пользование запрашиваемых услуг (аутентификация). Механизм аутентификации GPRS совпадает с аналогичным механизмом в GSM.

Мониторинг активных абонентов.

Регистрация новых абонентов.

Шифрование данных. Алгоритм шифрования в технологии GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) отличаются от алгоритмов шифрования в GSM (A5/1, A5/2, A5/3), но разработаны на их основе.

Узел маршрутизации GPRS

Узел маршрутизации (gateway GPRS support node, GGSN), также является важнейшим элементом технологии GPRS и отвечает за прием/передачу данных из внешних сетей, например, Internet или GPRS-сети другого оператора связи. С точки зрения внешней сети GGSN - это обычный маршрутизатор (как и SGSN, построенный на базе Unix), который принимает данные для всех подписчиков услуг GPRS. Помимо маршрутизации, GGSN отвечает за выдачу IP-адресов и тарификацию услуг.

Другие элементы GPRS-сети

Home Location Register (HLR) - это реестр собственных абонентов сети, которая хранит информацию о каждом человеке, оплатившем услуги оператора GPRS именно данной сети. В частности, HLR хранит информацию о дополнительных услугах, параметрах аутентификации, IP-адресе и т.д. Обмен данной информацией происходит между HLR и SGSN.

Visitor Location Register (VLR) - это реестр перемещений, которая хранит информацию о каждой мобильной станции, находящейся в данный момент в зоне действия SGSN. В VLR хранится та же информация об абоненте, что и в HLR, но только до тех пор, пока абонент не покинет географическую зону, обслуживаемую этим реестром перемещений.

Equipment Identity Register (EIR) - это реестр идентификационных данных оборудования, который содержит информацию, позволяющую блокировать вызовы от украденных, мошеннических или иных неавторизованных устройств.

Механизмы безопасности GPRS

Если посмотреть внимание на рис.1, то можно выделить следующие фрагменты GPRS-сети, на безопасность которых необходимо обратить соответствующее внимание:

безопасность мобильной станции

безопасность соединения между мобильной станцией и узлом обслуживания SGSN

безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

безопасность данных в процессе их передачи между различными операторами GPRS-услуг

безопасность данных в процессе их передачи в сети открытого доступа, например, Internet.

Безопасность мобильной станции

Наибольший интерес вызывает безопасность мобильного телефона, который в терминах GPRS является мобильной станцией. Его безопасность складывается из двух составляющих:

SIM-карта

сам телефон

SIM-карта (Subscriber Identity Module) - это модуль идентификации абонента. В SIM-карте содержится информация о сервисах, предоставляемых абоненту, независимая от типа используемого мобильного оборудования. Эта карта может вставляться в любой другой GSM терминал, при этом абонент получает возможность использовать этот терминал для получения всех сервисов системы, на которые он подписан. С точки зрения безопасности SIM-карта отвечает за идентификацию абонента и аутентификацию мобильного телефона в GPRS-сети. Она содержит идентификатор IMSI, индивидуальный ключ аутентификации абонента длиной 128 бит Ki, алгоритм генерации ключей шифрования A8 и алгоритм аутентификации A3 и разумеется PIN-код для доступа к функциям карты. Алгоритм A5 наряду с IMEI включен в состав программного обеспечения телефона и обеспечивает его защиту. Каждый абонент в GPRS-сети имеет уникальный международный идентификатор мобильного абонента (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), хранимый в SIM-карте. IMSI состоит из 3 элементов:

трехразрядный код страны (для России - 250)

двухразрядный код сети (для МТС - 01, для Билайн - 99, для СМАРТС - 07 и т.д.)

десятиразрядный код абонента (Mobile Subscriber Identity Number, MSIN).

[pagebreak]

Алгоритм A8 отвечает за генерацию ключей шифрования, который, используя случайное число, передаваемое на мобильный терминал в момент соединения с сетью, и ключ Ki генерит 64-битный ключ шифрования трафика. Так как индивидуальный ключ Ki имеется не только у абонента, но и хранится в реестрах HLR и VLR, то и абонент и оборудование сети создают одинаковый ключ шифрования, который и используется для защиты передаваемых данных.

Алгоритм A3, отвечающий за аутентификацию абонента, похож на алгоритм A8 и также использует случайное число, получаемое в момент подключения к сети и индивидуальный ключ абонента. Для доступа к функциям SIM-карты необходимо использовать специальный персональный код (другими словами, пароль) PIN (Personal Identification Number), после 3-х неправильных попыток ввода которого, SIM-карта блокируется.

Безопасность самого телефона, как уже было сказано выше, обеспечивается двумя механизмами:

алгоритмом шифрования A5, который обеспечивает защиту данных, циркулируемых между мобильной станцией и узлом SGSN.

Уникальным 14-тиразрядным международным идентификатором аппаратуры мобильной связи (International Mobile Equipment Identity, IMEI), который однозначно идентифицирует телефон. Узнать этот номер очень просто - достаточно набрать на телефоне комбинацию *#06#. Если высвеченное число не совпадает с тем, что указано на задней крышке телефона, то вероятнее всего вы пользуетесь взломанным аппаратом. Именно эти номера хранятся в реестре EIR. Данный реестр ведет три типа списков IMEI:

"белый" список, содержащий идентификаторы всех разрешенных аппаратов.

"серый" список, содержащий идентификаторы всех незапрещенных аппаратов, но используемых для различных целей, например, тестирования и т.п.

"черный" список, содержащий идентификаторы всех запрещенных аппаратов. Как заявил в одном из интервью вице-президент МТС (http://www.mts.ru/press/speech9.html) Михаил Сусов "Сейчас между операторами (в России - А.Л.) проводятся переговоры о создании единого "черного списка" краденых телефонов".

Надо понимать, что идентификаторы IMEI и IMSI - независимы между собой. Более того - они решают различные задачи: IMEI идентифицирует мобильный терминал, а IMSI - абонента.

Безопасность соединения мобильной станции с узлом SGSN

В процессе подключения мобильной станции, описываемом далее, между ней и узлом SGSN происходит выбор версии используемого в дальнейшем алгоритма шифрования GPRS-A5. В 3-м квартале 2002 года началось внедрение третьей версии этого алгоритма (A5/3), которая может использоваться не только в GSM-, но и в GPRS-, HSCSD- и EDGE-сетях. Данный алгоритм разработан на базе алгоритма "Казуми" (Kasumi), в свою очередь разработанного на базе алгоритма MISTY компании Мицубиси. Как утверждается в пресс-релизе Ассоциации GSM (http://www.gsmworld.com/news/press_2002/press_15.shtml), A5/3 обеспечивает на сегодняшний день практически 100-процентную защиту передаваемых данных. Однако не стоить безоглядно верить этому утверждению. Аналогичные заявления делались и для предыдущих версий алгоритма A5, история которого начинается с 1987 года, однако они были успешно взломаны.

В сетях GPRS используются алгоритмы семейства A5 - GEA1 и GEA2, а после разработки A5/3 - начинается внедрение созданного на его базе алгоритма GEA3.

Безопасность данных в процессе их передачи по сети GPRS

Все данные между узлами поддержки (SGSN и GGSN) передаются с помощью специального протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol), который инкапсулирует в себя любые пользовательские протоколы, например, HTTP, Telnet, FTP и т.д. По умолчанию GTP-трафик не шифруется. Кроме того, опорная сеть строится на базе частных IP-адресов, описанных в RFC 1918 (http://www.ietf.org/rfc/rfc1918.txt), что обеспечивает невозможность прямого доступа к сетевому оборудованию из внешних сетей.

Безопасность в процессе взаимодействия с различными операторами GPRS-услуг

Безопасность возлагается на устройства, называемые пограничными шлюзами (border gateway, BG), которые очень похожи на обычные межсетевые экраны, защищающие корпоративные сети от посягательств злоумышленников. В частности, этот шлюз защищает оператора от атак, связанных с подменой адреса (IP Spoofing).

Настройка такого шлюза включает в себя создание правил, разрешающих входящий/исходящий пользовательский трафик, данные биллинговой системы, аутентификацию роуминговых абонентов и т.п. Дополнительно на пограничный шлюз может быть установлено программное обеспечение, организующее VPN между различными GPRS-операторами.

Помимо встроенных в пограничный шлюз защитных механизмов, существует возможность использования продуктов третьих фирм. Первым таким решением стал межсетевой экран Firewall-1 GX компании CheckPoint Software (http://www.checkpoint.com/products/solutions/firewall-1gx.html), который, будучи установлен на пограничном шлюзе или узле GGSN повышает защищенность сети GPRS-оператора от возможных несанкционированных действий.

Безопасность в процессе взаимодействия с Internet

Основные механизмы безопасности реализованы на узле GGSN, в состав которого входит межсетевой экран, который определяет тип входящего и исходящего GPRS-трафика. Задача межсетевого экрана, входящего в состав GGSN, защитить мобильную станцию от атак внешних (из Internet) хакеров. Защита от атак с других мобильных станций возлагается на узел SGSN. Для предотвращения доступа к сетевому оборудованию опорной сети от внешних злоумышленников используется трансляция адресов (network address translation). Все остальные механизмы защиты могут быть взяты из классической практики обеспечения информационной безопасности Internet-сетей и устройств, например, аутентификация при помощи серверов RADIUS или защита трафика с помощью IPSec.

Процедура подключения мобильной станции

Упрощенно процесс подключения абонента, желающего воспользоваться услугами GPRS, выглядит следующим образом: Мобильная станция посылает запрос (Attach Request) на получение доступа к сети, который содержит ряд параметров, в т.ч. и IMSI.

Узел SGSN, получив такой запрос, проверяет наличие аутентифицирующей данного абонента информации в своей базе. Если такая информация отсутствует, то SGSN посылает запрос в реестр HLR, который возвращает т.н. аутентификационный триплет, содержащий:

Случайное число, используемое в алгоритмах A3 и A8 для выработки ключа шифрования и аутентификации абонента.

32-хразрядный ключ аутентификации абонента, который вырабатывается на основе индивидуального ключа, хранящегося как на мобильной станции, так и в реестре HLR.

Ключ шифрования данных, получаемый также на базе индивидуального ключа абонента.

Полученное случайное число передается на мобильную станцию, которая на его основе вырабатывает ключ шифрования и ключ аутентификации. Т.к. индивидуальные ключи, хранящиеся в реестре HLR и на мобильной станции совпадают, то и ключи шифрования и аутентификации также должны совпадать, что и является фактом правомочности запроса данным абонентом оплаченных GPRS-услуг.

После идентификации абонента осуществляется идентификация оборудования, которое посылает на SGSN идентификатор IMEI. Узел SGSN в свою очередь проводит проверку данного оборудования по реестру EIR.

После аутентификации абонента и оборудования происходит процедура определения местоположения абонента (с использованием реестров HLR и VLR), после чего происходит завершение процедуры подключения мобильной станции к сети GPRS. В том случае, если мобильная станция не смогла пройти аутентификацию, то SGSN посылает на нее сообщение Attach Reject.

Заключение

В заключение хочу добавить, что, при создании технологии GPRS (как и при создании многих современных сетевых технологий) вопросам безопасности внимания уделялось недостаточно. Многие аспекты не описаны и отданы на откуп операторам, которые далеко не всегда уделяет безопасности первостепенное внимание, что приводит к печальным последствиям. Специалистами найдено уже немало недостатков технологии GPRS, но это уже тема другой статьи