Для чего необходимы протоколы коммуникации
Обновлено: 19.05.2024
Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.
Основы TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть — интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую, с целью обеспечить такую возможность был разработан стек интернет-протоколов также известный как TCP/IP.
Разработкой этих протоколов занималось Министерство обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:
Уровневая модель TCP/IP
Три верхних уровня — прикладной, транспортный и сетевой — присутствуют как в RFC, так и у Таненбаума и других авторов. А вот стоит ли говорить только о канальном или о канальном и физическом уровнях — нет единого мнения. В RFC они объединены, поскольку выполняют одну функцию. В статье мы придерживаемся официального интернет-стандарта RFC и не выделяем физический уровень в отдельный. Далее мы рассмотрим четыре уровня модели.
Канальный уровень (link layer)
Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.
Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, но мы рассмотрим его на примере в конце статьи.
Межсетевой уровень (internet layer)
Каждая индивидуальная сеть называется локальной, глобальная сеть интернет позволяет объединить все локальные сети. За объединение локальных сетей в глобальную отвечает сетевой уровень. Он регламентирует передачу информации по множеству локальных сетей, благодаря чему открывается возможность взаимодействия разных сетей.
Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.
Маска подсети и IP-адреса
Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.
Протокол интернета — IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Он имеет два подвида, первым был принят IPv4 (IP version 4, версии 4) в 1983 году.
IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2 32 ). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает его класс, классов всего 4: A, B, C, D.
IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:
Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по следующим правилам: ведущие нули допускается опускать, например в адресе выше :00FF: позволяется записывать как :FF:, группы нулей, идущие подряд тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие, например, 2DAB:FFFF::01AA:00FF:DD72:2C4A. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6.
IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации, он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.
ICMP и IGMP
ICMP никогда не вызывается сетевыми приложениями пользователя, кроме случаев диагностики сети, к примеру, пинг (ping) или traceroute (tracert). ICMP не передает данные, это отличает его от транспортных TCP и UDP, расположенных на L3, которые переносят любые данные. ICMP работает только с IP четвертой версии, с IPv6 взаимодействует ICMPv6.
Сетевые устройства объединяются в группы при помощи IGMP, используемый хостами и роутерами в IPv4 сетях. IGMP организует multicast-передачу информации, что позволяет сетям направлять информацию только хостам, запросившим ее. Это удобно для онлайн-игр или потоковой передаче мультимедиа. IGMP используется только в IPv4 сетях, в сетях IPv6 используется MLD (Multicast Listener Discovery, протокол поиска групповых слушателей), инкапсулированный в ICMPv6.
Транспортный уровень (transport layer)
Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.
TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум хостам производить обмен пакетами через установку соединения. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.
UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.
UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.
Протоколы L3 не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.
Прикладной уровень (application layer)
В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.
Зачем нужен порт и что означает термин сокет
IP присваивается каждому компьютеру межсетевым уровнем, но обмен данными происходит не между компьютерами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP, для идентификации приложений применяют порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом или гнездом (socket). Поэтому обмен информацией происходит между сокетами. Нередко слово сокет употребляют как синоним для хоста или пользователя, также сокетом называют гнездо подключения процессора.
Из привилегий у приложений на прикладном уровне можно выделить наличие собственных протоколов для обмена данными, а также фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.
Процесс, кодирования данных на прикладном уровне, передача их на транспортном, а затем на межсетевом и, наконец, на канальном уровне называется инкапсуляцией данных. Обратная передача битов информации по иерархии, с канального на прикладной уровни, называют декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.
Стек протоколов, снова канальный уровень
После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.
На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.
Point-to-Point протоколы
Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости, PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).
У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.
PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.
Заключение
Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием в здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.
Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.
Читайте также: