Введение в протоколы TCP/IP
Протоколы – это специальные наборы правил, которые помогают упорядочить обмен данными между компьютерами. Сегодня наиболее распространенным набором протоколов является TCP/IP. С их помощью поддерживается передача файлов, удаленный вход в систему и даже электронная почта. Разберемся, что представляет собой семейство протоколов TCP/IP, в чем его особенности и преимущества.
Что это такое
Протоколы данного типа позволяют реализовать модель соединения пакетов. По сути, они являются основой работы всего Интернета. И чаще всего при использовании термина TCP/IP подразумевают всю сеть, которая работает на основе 2 отдельных протоколов – TCP и IP.
Набор протоколов включает в себя ряд соглашений о межсетевом взаимодействии и маршрутизации. С помощью такого инструмента удается наладить связь между пользователями из университетов, исследовательских центров, промышленных предприятий и госучреждений.
TCP – аббревиатура, которая расшифровывается как Transfer Control Protocol. То есть по сути это специальный протокол, который управляет передачей. Он создан для установки и поддержания надежного соединения между устройствами. Именно он отвечает за передачу данных, контролирует объем передаваемых файлов и выполняет новую отправку при возникновении сбоев.
Характеристики протокола TCP заключаются в следующем:
- Реализация взаимодействия на уровне логического соединения.
- Организация потоковой отсылки данных.
- Двунаправленная взаимосвязь.
- Функция отправки отдельных пакетов данных.
- Использование принципа «скользящего окна» для увеличения скорости передачи.
Другой протокол – IP – расшифровывается как «Интернет протокол». Он является базовым для архитектуры передачи файлов и необходим для отправки сетевого пакета по необходимому адресу. Все данные предварительно делятся на несколько пакетов, которые отправляются независимо друг от друга до конечного адресата.
Основными характеристиками протокола IP является следующее:
- Реализация обмена данных при помощи сегментов.
- Взаимодействие устройств без использования логического соединения.
- Фрагментация IP-сегментов в случае необходимости.
- Отсутствие средств для управления скоростью передачи сегментов.
Стек сетевых протоколов требуется для поддержания связи компьютеров (хостов), которые подключены к сети. Главная особенность такого набора – аппаратная независимость, которую невозможно получить при использовании других сетевых технологий. То есть TCP/IP не зависит от характеристик аппаратного обеспечения, что позволяет организовать обмен данными между сетями с разными технологиями передачи. За счет использования IP-адресов поддерживается соединение между двумя любыми устройствами.
В протоколах предусмотрено выполнение ряда команд. Например:
- Передача файлов в другую систему.
- Выполнение команд в удаленном режиме.
- Отправка сообщений удаленным пользователям.
- Печать файлов в удаленном режиме.
- Вход в удаленную систему.
- Управление системой и др.
По сути стек протоколов TCP/IP является сетевой моделью, в которой описывается весь процесс передачи цифровых данных. До появления этого набора (в 70-е годы прошлого века) передача информации из одной сети в другую была невозможна. Разработка стека помогла решить эту проблему.
Разрабатывалось семейство протоколов под руководством Министерства обороны США, поэтому иногда его называют DoD-системой. Многие специалисты отмечают сходство системы с протоколами OSI, так как обе они строятся по принципу деления на уровни и выполнение отдельных функций на каждом из них.
Общие термины и понятия
Отдельно стоит поговорить о понятиях, которые в той или иной мере связаны с TCP/IP. Для начала разберемся в понятии стека. По сути – это гибкое средство для организации сетевого взаимодействия, с помощью которого каждый пользователь может применить собственные настройки.
Для использования протоколов потребуется установка TCP/IP. Это – специальное программное обеспечение, необходимое для настройки сети. Оно устанавливается вместе с базовой операционной системой, то есть дополнительных программ не потребуется.
Настройка протоколов подразумевает процесс установки базовой ОС и не требует от пользователя дополнительных действий.
Еще один термин, который вы можете встретить при изучении темы – это карта сетевых адаптеров. Она представляет собой физическое устройство, которое подключается к сетевому кабелю.
Отдельно стоит рассказать про сетевые интерфейсы стека. TCP/IP на уровне сетевого интерфейса создает пакеты из IP-дейтаграмм, которые передаются при помощи сетевых технологий. В этой модели протоколов применяется схема IP-адресации, при помощи которой удается однозначно идентифицировать хосты и сети, с которыми компьютер устанавливает соединение.
Еще один термин, который нельзя не упомянуть, это демоны TCP/IP (то есть серверы). Они представляют собой процессы, работающие в фоновом режиме и выполняющие запросы других процессов.
Назначение протокола TCP/IP
Процесс передачи данных между устройствами требует, чтобы оба компьютера использовали одинаковый протокол.
Каждый протокол применяет свои способы борьбы с ошибками, которые могут возникнуть при передаче данных, однако принципиальная схема исправления одна и та же. Как мы уже отметили, передаваемый файл разбивается на отдельные пакеты, которые передаются на конечное устройства и соединяются в определенной последовательности. Каждый пакет дополнительно содержит контрольный байт, который позволяет убедиться в отсутствии ошибок. Если компьютер обнаруживает ошибку при передаче данных, то пакет запрашивается заново.
Такая процедура уменьшает объем информации, которую можно передавать в единицу времени, однако позволяет добиться надежности передачи.
Модель TCP/IP считается наиболее совершенной, так как позволяет настроить взаимодействие компьютеров и подключить к ним различные сетевые устройства. По сути основное назначение TCP/IP заключается в обеспечении трафика для крупных сетей и поддержание функционирования всего Интернета.
Форматы протоколов
Теперь поговорим о том, что такое IP-протокол. Как мы уже отмечали, этот межсетевой протокол в стеке используется для определения адресации сетевого уровня. Существует два основных формата протокола, которые применяется для IP адресов:
- IPv4. Представляет собой 32-битное число. Представление адресов в такой форме достаточно удобное – оно представляет собой 4 группы десятичных чисел (но строго от 0 до 255), которые разделяются точками. Например: 188.227.9.194.
- IPv6. Такой формат подразумевает использование 128-битного числа. Адреса формируются в виде 8 групп, в каждой из которых имеется 4 шестнадцатеричные цифры. Разделяются группы двоеточием. Например: 2001:0058:0db8:0074:1c60:2c18:1025:2b5f.
Уровневая модель протоколов
При рассмотрении модели TCP/IP нельзя обойти внимание и уровни, на которые она разделена. Интересно, что количество уровней регламентируется стандартом RFC. Этот стандарт выделяет 4 уровня (или ступени):
- канальный;
- сетевой (или межсетевой);
- транспортный;
- прикладной.
Ряд экспертов делят начальный уровень на канальный и физический, однако до сих пор не существует единого мнения о целесообразности такой классификации. Мы рассмотрим 4 основных уровня, которые выделяют чаще всего.
1. Канальный.
Его предназначение – описать то, как происходит обмен сведениями на ступени сетевых устройств. Также канальный уровень определяет, как именно информация будет передаваться от одной машины к другой. Данные на link layer обязательно кодируются, затем делятся на несколько пакетов и отправляются по выбранному каналу передачи.
На этом уровне определяется максимально допустимое расстояние для передачи данных, а также такие параметры, как задержка ответа, частота сигнала и т. д. То есть, все физические характеристики системы. Наиболее распространенным протоколом на этом уровне является Ethernet.
2. Межсетевой.
Этот уровень стека протоколов TCP/IP занимается соединением существующих локальных сетей в глобальную. В этом случае под локальными сетями понимают индивидуальные сети на каждом устройстве. Internet layer регламентирует передачу данных по множеству сетей, что позволяет наладить взаимодействие между разными системами.
Именно межсетевое взаимодействие является одним из ключевых принципов функционирования Интернета. Локальные сети объединяются в общую, глобальную, а благодаря пограничным и магистральным маршрутизаторам между ними осуществляется передача файлов.
3. Транспортный.
На этой ступени функционируют протоколы TCP и UDP, которые отвечают за отправку и доставку данных.
Первый протокол – TCP – управляет передачей, проверяет, все ли файлы дошли, насколько полным является полученный объем и не произошло ли ошибок во время процедуры. Протокол помогает двум компьютерам выполнять обмен пакетами при помощи установки специального соединения. Дополнительно TCP позволяет повторно запросить потерянные данные, устранить дублирующиеся пакеты и регулировать загрузку сети. Именно такой протокол отвечает за сборку полученных пакетов в правильном порядке.
А вот протокол UDP, используемый на transport layer, является менее надежным. Занимается он отправкой автономных датаграмм, однако не гарантирует их 100% получение. Данные могут быть утеряны или доставлены в неверном порядке. По этой причине UDP не используется в тех случаях, когда необходима надежная передача. Применение этого протокола допустимо только тогда, когда потеря данных не будет критичной для работы приложения. Также UDP требуется в тех случаях, когда невозможно по каким-либо причинам сделать повторный запрос данных.
4. Прикладной.
Последний уровень, который присутствует в протоколе типа TCP/IP – это прикладной. В отличие от той же системы OSI, отсутствуют промежуточные уровни (например, сеансовый), поэтому форматированием и разбивкой данных занимается программный интерфейс приложений. Приложение обращается к API, а в ответ получает набор действий или инструкцию по их выполнению.
Application layer существует для большинства программ, которые обмениваются файлами с нижними уровнями по уже существующим соединениям. Чаще всего для приложений создаются новые протоколы: например, HTTP – для отправки гипертекста, FTP – для отправки файлов и т. д.
Что такое стек
Теперь вернемся к вопросу о том, что такое «стек». Почти каждому пользователю знаком протокол Ethernet. В нем каждое устройство и адресат снабжаются MAC-адресом – он является идентификатором машины. Этот адрес объединяется с типом используемых данных и самими файлами. Фрагмент этих данных называют фреймом (frame). Стоит отметить, что MAC-адрес всегда уникален и не повторяется ни на одном устройстве, так как дубли могут привести к возникновению серьезных сетевых проблем.
Изучая уровневую структуру, становится очевидным, что выполнить передачу данных между двумя устройствами напрямую – невозможно. То есть, сначала все фрагменты файлов должны попасть на межсетевой уровень, где каждый компьютер получает IP-адрес. Далее на транспортном уровне происходит передача отдельных частей информации при помощи протокола TCP или UDP.
На каждом отдельном уровне к имеющимся файлам присоединяется и различная служебная информация. Например, она содержит указание порта на прикладном уровне, который служит для распознавания приложения. Дополнительную информацию могут добавлять разные протоколы: Ethernet, IP, TCP и т. д. Именно такая вложенность данных и называется стеком, а само название семейства протоколов TCP/IP – образовано по аббревиатурам двух основных протоколов.
Если обобщить понятие стека, то это – комплект сетевых протоколов с иерархической структурой. Главное условие его создания – это достаточный набор правил для организации взаимодействия устройств в сети. Все протоколы должны работать одновременно, без конфликтов, сбоев и незавершенных операций. Именно поэтому стек делится на отдельные уровни, каждый из которых направлен на решение определенной задачи: например, подготовку данных к отправке или их непосредственную передачу.
Изначально стек протоколов «ТСП/ИП» разработан в 1972 году на основе Network Control Protocol, но только спустя 4 года создана передача данных с применением протокола TCP. К концу 80-х было выделено две отдельные функции – TCP и IP. И уже к 1983 году удалось полностью перейти на современный протокол, что и считается отправной точкой развития Интернета.
Сравнение с моделью OSI
Многие сравнивают стек TCP/IP с моделью OSI, но стоит понимать, что между системами существует ряд принципиальных различий.
В OSI различают три начальных уровня – приложения, представления и сеансовый, – когда как в TCP/IP все это выделяется в прикладной уровень.
Ряд экспертов считают, что в первый уровень OSI намного шире и охватывает более широкие проблемы. Некоторые исследователи и вовсе включают первые слои OSI в модель TCP/IP, так как их можно встретить в современных стандартах. Но в большинстве случаев канальный уровень TCP/IP равняется канальному и физическому уровню в OSI.
Выводы
Стек модели TCP/IP контролирует взаимодействие различных уровней системы. Ключевыми в нем являются сами протоколы, которые встраиваются друг в друга и обеспечивают передачу данных. Однако если сравнивать модель с OSI, то ее архитектура более простая. Также стоит отметить, что стандарты протоколов постоянно обновляются, в то время как принцип действия TCP/IP остается неизменным.
Надеемся, что вы разобрались в том, что такое TCP/IP и в чем заключаются принципы его работы. Если у вас остались вопросы по теме, то специалисты Xelent обязательно ответят на них.
