Протоколы TCP/IP основа работы глобальной сети Интернет. Если быть более точным, то TCP/IP это список или стек протоколов, а по сути, набор правил по которым происходит обмен информации (реализуется модель коммутации пакетов).
В этой статье разберем принципы работы стека протоколов TCP/IP и попробуем понять принципы их работы.
Примечание: Зачастую, обревиатурой TCP/IP называют всю сеть, работающую на основе этих двух протоколов, TCP и IP.
В модель такой сети кроме основных протоколов TCP (транспортный уровень) и IP (протокол сетевого уровня) входят протоколы прикладного и сетевого уровней (смотри фото). Но вернемся непосредственно к протоколам TCP и IP.
Что такое протоколы TCP/IP
TCP — Transfer Control Protocol . Протокол управления передачей. Он служит для обеспечения и установление надежного соединения между двумя устройствами и надежную передачу данных. При этом протокол TCP контролирует оптимальный размер передаваемого пакета данных, осуществляя новую посылку при сбое передачи.
IP — Internet Protocol. Интернет протокол или адресный протокол — основа всей архитектуры передачи данных. Протокол IP служит для доставки сетевого пакета данных по нужному адресу. При этом информация разбивается на пакеты, которые независимо передвигаются по сети до нужного адресата.
Форматы протоколов TCP/IP
Формат IP протокола
Существуют два формата для IP адресов IP протокола.
Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.
Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.
Как работают протоколы TCP/IP
Если удобно представьте передаче пакетов данных в сети, как отправку письма по почте.
Если неудобно, представьте два компьютера соединенных сетью. Причем сеть соединения может быть любой как локальной, так и глобальной. Разницы в принципе передачи данных нет. Компьютер в сети также можно считать хостом или узлом.
Протокол IP
Каждый компьютер в сети имеют свой уникальный адрес. В глобальной сети Интернет, компьютер имеет этот адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address).
По аналогии с почтой, IP- адрес это номер дома. Но номера дома для получения письма недостаточно.
Передаваемая по сети информация передается не компьютером, как таковым, а приложениями, установленными на него. Такими приложениями являются сервер почты, веб-сервер, FTP и т.п. Для идентификации пакета передаваемой информации, каждое приложение прикрепляется к определенному порту. Например: веб-сервер слушает порт 80, FTP слушает порт 21, почтовый SMTP сервер слушает порт 25, сервер POP3 читает почту почтовых ящиков на порте 110.
Таким образом, в адресном пакете в протоколе TCP/IP, в адресатах появляется еще одна строка: порт. Аналог с почтой — порт это номер квартиры отправителя и адресата.
Пример:
Source address (Адрес отправителя):
IP: 82.146.47.66
Destination address (Адресполучателя):
IP: 195.34.31.236
Стоит запомнить: IP адрес + номер порта — называется «сокет». В примере выше: с сокета 82.146.47.66:2049 пакет отправляется на сокет 195.34.31.236: 53.
Протокол TCP
Протокол TCP это протокол следующего после протокола IP уровня. Предназначен этот протокол для контроля передачи информации и ее целостности.
Например, Передаваемая информация разбивается на отдельные пакеты. Пакеты доставят получателю независимо. В процессе передачи один из пакетов не передался. Протокол TCP обеспечивает повторные передачи, до получения этого пакета получателем.
Транспортный протокол TCP скрывает от протоколов высшего уровня (физического, канального, сетевого IP все проблемы и детали передачи данных).
Предположим, что вы плохо владеете сетевыми технологиями, и даже не знаете элементарных основ. Но вам поставили задачу: в быстрые сроки построить информационную сеть на небольшом предприятии. У вас нет ни времени, ни желания изучать толстые талмуды по проектированию сетей, инструкции по использованию сетевого оборудования и вникать в сетевую безопасность. И, главное, в дальнейшем у вас нет никакого желания становиться профессионалом в этой области. Тогда эта статья для вас.
Вторая часть этой статьи, где рассматривается практическое применение изложенных здесь основ:
Понятие о стеке протоколов
Задача - передать информацию от пункта А в пункт В. Её можно передавать непрерывно. Но задача усложняется, если надо передавать информацию между пунктами A<-->B и A<-->C по одному и тому же физическому каналу. Если информация будет передаваться непрерывно, то когда С захочет передать информацию в А - ему придётся дождаться, пока В закончит передачу и освободит канал связи. Такой механизм передачи информации очень неудобен и непрактичен. И для решения этой проблемы было решено разделять информацию на порции.На получателе эти порции требуется составить в единое целое, получить ту информацию, которая вышла от отправителя. Но на получателе А теперь мы видим порции информации как от В так и от С вперемешку. Значит, к каждой порции надо вписать идентификационный номер, что бы получатель А мог отличить порции информации с В от порций информации с С и собрать эти порции в изначальное сообщение. Очевидно, получатель должен знать, куда и в каком виде отправитель приписал идентификационные данные к исходной порции информации. И для этого они должны разработать определённые правила формирования и написания идентификационной информации. Далее слово «правило» будет заменяться словом «протокол».
Для соответствия запросам современных потребителей, необходимо указывать сразу несколько видов идентификационной информации. А так же требуется защита передаваемых порций информации как от случайных помех (при передаче по линиям связи), так и от умышленных вредительств (взлома). Для этого порция передаваемой информации дополняется значительным количеством специальной, служебной информацией.
В протоколе Ethernet находятся номер сетевого адаптера отправителя (MAC-адрес), номер сетевого адаптера получателя, тип передаваемых данных и непосредственно передаваемые данные. Порция информации, составленная в соответствии с протоколом Ethernet, называется кадром. Считается, что сетевых адаптеров с одинаковым номером не существует. Сетевое оборудование извлекает передаваемые данные из кадра (аппаратно или программно), и производит дальнейшую обработку.
Как правило, извлечённые данные в свою очередь сформированы в соответствии с протоколом IP и имеют другой вид идентификационной информации - ip адрес получателя (число размером в 4 байта), ip адрес отправителя и данные. А так же много другой необходимой служебной информации. Данные, сформированные в соответствии с IP протоколом, называются пакетами.
Далее извлекаются данные из пакета. Но и эти данные, как правило, ещё не являются изначально отправляемыми данными. Этот кусок информации тоже составлен в соответствии определённому протоколу. Наиболее широко используется TCP протокол. В нём содержится такая идентификационная информация, как порт отправителя (число размером в два байта) и порт источника, а так же данные и служебная информация. Извлечённые данные из TCP, как правило, и есть те данные, которые программа, работающая на компьютере В, отправляла «программе-приёмнику» на компьютере A.
Вложность протоколов (в данном случае TCP поверх IP поверх Ethernet) называется стеком протоколов.
ARP: протокол определения адреса
Существуют сети классов A, B, C, D и E. Они различаются по количеству компьютеров и по количеству возможных сетей/подсетей в них. Для простоты, и как наиболее часто встречающийся случай, будем рассматривать лишь сеть класса C, ip-адрес которой начинается на 192.168. Следующее число будет номером подсети, а за ним - номер сетевого оборудования. К примеру, компьютер с ip адресом 192.168.30.110 хочет отправить информацию другому компьютеру с номером 3, находящемуся в той же логической подсети. Это значит, что ip адрес получателя будет такой: 192.168.30.3Важно понимать, что узел информационной сети - это компьютер, соединённый одним физическим каналом с коммутирующим оборудованием. Т.е. если мы отправим данные с сетевого адаптера «на волю», то у них одна дорога - они выйдут с другого конца витой пары. Мы можем послать совершенно любые данные, сформированные по любому, выдуманному нами правилу, ни указывая ни ip адреса, ни mac адреса ни других атрибутов. И, если этот другой конец присоединён к другому компьютеру, мы можем принять их там и интерпретировать как нам надо. Но если этот другой конец присоединён к коммутатору, то в таком случае пакет информации должен быть сформирован по строго определённым правилам, как бы давая коммутатору указания, что делать дальше с этим пакетом. Если пакет будет сформирован правильно, то коммутатор отправит его дальше, другому компьютеру, как было указано в пакете. После чего коммутатор удалит этот пакет из своей оперативной памяти. Но если пакет был сформирован не правильно, т.е. указания в нём были некорректны, то пакет «умрёт», т.е. коммутатор не будет отсылать его куда либо, а сразу удалит из своей оперативной памяти.
Для передачи информации другому компьютеру, в отправляемом пакете информации надо указать три идентификационных значения - mac адрес, ip адрес и порт. Условно говоря, порт - это номер, который, выдаёт операционная система каждой программе, которая хочет отослать данные в сеть. Ip адрес получателя вводит пользователь, либо программа сама получает его, в зависимости от специфики программы. Остаётся неизвестным mac адрес, т.е. номер сетевого адаптера компьютера получателя. Для получения необходимой данной, отправляется «широковещательный» запрос, составленный по так называемому «протоколу разрешения адресов ARP». Ниже приведена структура ARP пакета.
Сейчас нам не надо знать значения всех полей на приведённой картинке. Остановимся лишь на основных.
В поля записываются ip адрес источника и ip адрес назначения, а так же mac адрес источника.
Поле «адрес назначения Ethernet» заполняется единицами (ff:ff:ff:ff:ff:ff). Такой адрес называется широковещательным, и такой фрейм будер разослан всем «интерфейсам на кабеле», т.е. всем компьютерам, подключённым к коммутатору.
Коммутатор, получив такой широковещательный фрейм, отправляет его всем компьютерам сети, как бы обращаясь ко всем с вопросом: «если Вы владелец этого ip адреса (ip адреса назначения), пожалуйста сообщите мне Ваш mac адрес». Когда другой компьютер получает такой ARP запрос, он сверяет ip адрес назначения со своим собственным. И если он совпадает, то компьютер, на место единиц вставляет свой mac адрес, меняет местами ip и mac адреса источника и назначения, изменяет некоторую служебную информацию и отсылает пакет обратно коммутатору, а тот обратно - изначальному компьютеру, инициатору ARP запроса.
Таким образом ваш компьютер узнаёт mac адрес другого компьютера, которому вы хотите отправить данные. Если в сети находится сразу несколько компьютеров, отвечающих на этот ARP запрос, то мы получаем «конфликт ip адресов». В таком случае необходимо изменить ip адрес на компьютерах, что бы в сети не было одинаковых ip адресов.
Построение сетей
Задача построения сетей
На практике, как правило, требуется построить сети, число компьютеров в которой будет не менее ста. И кроме функций файлообмена, наша сеть должна быть безопасной и простой в управлении. Таким образом, при построении сети, можно выделить три требования:- Простота в управлении. Если бухгалтера Лиду переведут в другой кабинет, ей по-прежнему понадобится доступ к компьютерам бухгалтеров Анны и Юлии. И при неправильном построении своей информационной сети, у администратора могут возникнуть трудности в выдаче Лиде доступа к компьютерам других бухгалтеров на её новом месте.
- Обеспечение безопасности. Для обеспечения безопасности нашей сети, права доступа к информационным ресурсам должны быть разграничены. Так же сеть должна быть защищена от угроз раскрытия, целостности и отказа в обслуживании. Подробнее читайте в книге «Атака на Internet» автора Илья Давидович Медведовский, глава «Основные понятия компьютерной безопасности» .
- Быстродействие сети. При построении сетей есть техническая проблема - зависимость скорости передачи от количества компьютеров в сети. Чем больше компьютеров - тем ниже скорость. При большом количестве компьютеров, быстродействие сети может стать настолько низким, что она станет неприемлемой заказчику.
Существует большое множество приложений, программных модулей и сервисов, которые, для своей работы отправляют в сеть широковещательные сообщения. Описанный в пункте ARP: протокол определения адреса лишь один из множества ШС, отправляемый вашим компьютером в сеть. Например, когда вы заходите в «Сетевое окружение» (ОС Windows), ваш компьютер посылает ещё несколько ШС со специальной информацией, сформированной по протоколу NetBios, что бы просканировать сеть на наличие компьютеров, находящихся в той же рабочей группе. После чего ОС рисует найденные компьютеры в окне «Сетевое окружение» и вы их видите.
Так же стоит заметить, что во время процесса сканирования той или иной программой, ваш компьютер отсылает ни одно широковещательное сообщение, а несколько, к примеру для того, что бы установить с удалёнными компьютерами виртуальные сессии или ещё для каких либо системных нужд, вызванных проблемами программной реализации этого приложения. Таким образом, каждый компьютер в сети для взаимодействия с другими компьютерами вынужден посылать множество различных ШС, тем самым загружая канал связи не нужной конечному пользователю информацией. Как показывает практика, в больших сетях широковещательные сообщения могут составить значительную часть трафика, тем самым замедляя видимую для пользователя работу сети.
Виртуальные локальные сети
Для решения первой и третьей проблем, а так же в помощь решения второй проблемы, повсеместно используют механизм разбиения локальной сети на более маленькие сети, как бы отдельные локальные сети (Virtual Local Area Network). Грубо говоря, VLAN - это список портов на коммутаторе, принадлежащих одной сети. «Одной» в том смысле, что другой VLAN будет содержать список портов, принадлежащих другой сети.Фактически, создание двух VLAN-ов на одном коммутаторе эквивалентно покупке двух коммутаторов, т.е. создание двух VLAN-ов - это всё равно, что один коммутатор разделить на два. Таким образом происходит разбиение сети из ста компьютеров на более маленькие сети, из 5-20 компьютеров - как правило именно такое количество соответствует физическому местонахождению компьютеров по надобности файлообмена.
- При разбиении сети на VLAN-ы достигается простота управления. Так, при переходе бухгалтера Лиды в другой кабинет, администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой. Подробнее это рассмотрено в пункте VLAN-ы, теория.
- VLAN-ы помогают решить одно из требований к безопасности сети, а именно разграничение сетевых ресурсов. Так, студен из одной аудитории не сможет проникнуть на компьютеры другой аудитории или компьютер ректора, т.к. они находятся в фактически разных сетях.
- Т.к. наша сеть разбита на VLAN-ы, т.е. на маленькие «как бы сети», пропадает проблема с широковещательными сообщениями.
VLAN-ы, теория
Возможно, фраза «администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой» могла оказаться непонятной, поэтому поясню её подробнее. Порт в данном случае - это не номер, выдаваемый ОС приложению, как было рассказано в пункте Стек протоколов, а гнездо (место) куда можно присоединить (вставить) коннектор формата RJ-45. Такой коннектор (т.е. наконечник к проводу) прикрепляется к обоим концам 8-ми жильного провода, называемого «витая пара». На рисунке изображён коммутатор Cisco Catalyst 2950C-24 на 24 порта:Как было сказано в пункте ARP: протокол определения адреса каждый компьютер соединён с сетью одним физическим каналом. Т.е. к коммутатору на 24 порта можно присоединить 24 компьютера. Витая пара физически пронизывает все помещения предприятия - все 24 провода от этого коммутатора тянутся в разные кабинеты. Пусть, к примеру, 17 проводов идут и подсоединяются к 17-ти компьютерам в аудитории, 4 провода идут в кабинет спецотдела и оставшиеся 3 провода идут в только что отремонтированный, новый кабинет бухгалтерии. И бухгалтера Лиду, за особые заслуги, перевели в этот самый кабинет.
Как сказано выше, VLAN можно представлять в виде списка принадлежащих сети портов. К примеру, на нашем коммутаторе было три VLAN-а, т.е. три списка, хранящиеся во flash-памяти коммутатора. В одном списке были записаны цифры 1, 2, 3… 17, в другом 18, 19, 20, 21 и в третьем 22, 23 и 24. Лидин компьютер раньше был присоединён к 20-ому порту. И вот она перешла в другой кабинет. Перетащили её старый компьютер в новый кабинет, или она села за новый компьютер - без разницы. Главное, что её компьютер присоединили витой парой, другой конец которой вставлен в порт 23 нашего коммутатора. И для того, что бы она со своего нового места могла по прежнему пересылать файлы своим коллегам, администратор должен удалить из второго списка число 20 и добавить число 23. Замечу, что один порт может принадлежать только одному VLAN-у, но мы нарушим это правило в конце этого пункта.
Замечу так же, что при смене членства порта в VLAN, администратору нет никакой нужды «перетыкать» провода в коммутаторе. Более того, ему даже не надо вставать с места. Потому что компьютер администратора присоединён к 22-ому порту, с помощью чего он может управлять коммутатором удалённо. Конечно, благодаря специальным настройкам, о которых будет рассказано позже, лишь администратор может управлять коммутатором. О том, как настраивать VLAN-ы, читайте в пункте VLAN-ы, практика [в следующей статье].
Как вы, наверное, заметили, изначально (в пункте Построение сетей) я говорил, что компьютеров в нашей сети будет не менее 100. Но к коммутатору можно присоединить лишь 24 компьютера. Конечно, есть коммутаторы с большим количеством портов. Но компьютеров в корпоративной сети/сети предприятия всё равно больше. И для соединения бесконечно большого числа компьютеров в сеть, соединяют между собой коммутаторы по так называемому транк-порту (trunk). При настройки коммутатора, любой из 24-портов можно определить как транк-порт. И транк-портов на коммутаторе может быть любое количество (но разумно делать не более двух). Если один из портов определён как trunk, то коммутатор формирует всю пришедшую на него информацию в особые пакеты, по протоколу ISL или 802.1Q, и отправляет эти пакеты на транк-порт.
Всю пришедшую информацию - имеется в виду, всю информацию, что пришла на него с остальных портов. А протокол 802.1Q вставляется в стек протоколов между Ethernet и тем протоколом, по которому были сформированные данные, что несёт этот кадр.
В данном примере, как вы, наверное, заметили, администратор сидит в одном кабинете вместе с Лидой, т.к. витая пора от портов 22, 23 и 24 ведёт в один и тот же кабинет. 24-ый порт настроен как транк-порт. А сам коммутатор стоит в подсобном помещении, рядом со старым кабинетом бухгалтеров и с аудиторией, в которой 17 компьютеров.
Витая пара, которая идёт от 24-ого порта в кабинет к администратору, подключается к ещё одному коммутатору, который в свою очередь, подключён к роутеру, о котором будет рассказано в следующих главах. Другие коммутаторы, которые соединяют другие 75 компьютеров и стоят в других подсобных помещениях предприятия - все они имеют, как правило, один транк-порт, соединённый витой парой или по оптоволокну с главным коммутатором, что стоит в кабинете с администратором.
Выше было сказано, что иногда разумно делать два транк-порта. Второй транк-порт в таком случае используется для анализа сетевого трафика.
Примерно так выглядело построение сетей больших предприятий во времена коммутатора Cisco Catalyst 1900. Вы, наверное, заметили два больших неудобства таких сетей. Во первых, использование транк-порта вызывает некоторые сложности и создаёт лишнюю работу при конфигурировании оборудования. А во вторых, и в самых главных - предположим, что наши «как бы сети» бухгалтеров, экономистов и диспетчеров хотят иметь одну на троих базу данных. Они хотят, что бы та же бухгалтерша смогла увидеть изменения в базе, которые сделала экономистка или диспетчер пару минут назад. Для этого нам надо сделать сервер, который будет доступен всем трём сетям.
Как говорилось в середине этого пункта, порт может находиться лишь в одном VLAN-е. И это действительно так, однако, лишь для коммутаторов серии Cisco Catalyst 1900 и старше и у некоторых младших моделей, таких как Cisco Catalyst 2950. У остальных коммутаторов, в частности Cisco Catalyst 2900XL это правило можно нарушить. При настройке портов в таких коммутаторах, каждый пор может иметь пять режимов работы: Static Access, Multi-VLAN, Dynamic Access, ISL Trunk и 802.1Q Trunk. Второй режим работы именно то, что нам нужно для выше поставленной задачи - дать доступ к серверу сразу с трёх сетей, т.е. сделать сервер принадлежащим к трём сетям одновременно. Так же это называется пересечением или таггированием VLAN-ов. В таком случае схема подключения может быть такой.
Взаимодействие между компьютерами в интернете осуществляется посредством сетевых протоколов, представляющих собой согласованный набор определенных правил, в соответствии с которыми разные устройства передачи данных обмениваются информацией. Существуют протоколы для форматов для контроля ошибок и другие виды протоколов. В глобальном межсетевом взаимодействии чаще всего используется протокол TCP-IP.
Что же это за технология? Название TCP-IP произошло от двух сетевых протоколов: TCP и IP. Конечно, этими двумя протоколами построение сетей не ограничивается, но они являются базовыми в том, что касается именно организации передачи данных. Фактически, TCP-IP есть набор протоколов, позволяющих индивидуальным сетям объединяться для образования
Протокол TCP-IP, описание которого невозможно обозначить только определениями IP и TCP, включает в себя также протоколы UDP, SMTP, ICMP, FTP, telnet, и не только. Эти и другие протоколы TCP-IP обеспечивают наиболее полноценную работу сети Интернет.
Ниже приведем развернутую характеристику каждому протоколу, входящему в общее понятие TCP-IP.
. Интернет-протокол (IP) отвечает за непосредственную передачу информации в сети. Информация делится на части (другими словами, пакеты) и передается получателю от отправителя. Для точной адресации нужно задать точный адрес или координаты получателя. Такие адреса состоят из четырех байт, которые отделены друг от друга точками. Адрес каждого компьютера уникален.
Однако использования одного лишь IP-протокола может быть недостаточно для корректной передачи данных, так как объем большей части пересылаемой информации более 1500 символов, что уже не вписывается в один пакет, а некоторые пакеты могут быть потеряны в процессе передачи или присланы не в том порядке, что требуется.
. Протокол управления передачей (TCP) используется на более высоком уровне, чем предыдущий. Основываясь на способности IP-протокола переносить информацию от одного узла другому, TCP-протокол позволяет пересылать большие объемы информации. TCP отвечает также за разделение передаваемой информации на отдельные части - пакеты - и правильное восстановление данных из пакетов, полученных после передачи. При этом данный протокол автоматически повторяет передачу пакетов, которые содержат ошибки.
Управление организацией передачи данных в больших объемах может осуществляться с помощью ряда протоколов, имеющих специальное функциональное назначение. В частности, существуют следующие виды TCP-протоколов.
1. FTP (File Transfer Protocol) организует перенос файлов и используется для передачи информации между двумя узлами Internet с использованием TCP-соединений в виде бинарного или же простого текстового файла, как поименованной области в памяти компьютера. При этом не имеет никакого значения, где данные узлы расположены и как соединяются между собой.
2. Протокол пользовательских дейтаграмм , или User Datagram Protocol, не зависит от подключений, он передает данные пакетами, которые называют UDP-дейтаграммами. Однако этот протокол не так надежен, как TCP, потому что отравитель не получает данных о том, был ли принят пакет в действительности.
3. ICMP (Internet Control Message Protocol) существует для того, чтобы передавать сообщения об ошибках, возникающих в процессе обмена данными в сети Internet. Однако при этом ICMP-протокол только лишь сообщает об ошибках, но не устраняет причины, которые привели к возникновению этих ошибок.
4. Telnet - который используется для реализации текстового интерфейса в сети с помощью транспорта TCP.
5. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - это специальный электронными сообщениями, определяющий формат сообщений, которые пересылаются с одного компьютера, называемого SMTP-клиентом, на другой компьютер, на котором запущен SMTP-сервер. При этом данная пересылка может быть отложена на некоторое время до тех пор, пока не активируется работа как клиента, так и сервера.
Схема передачи данных по протоколу TCP-IP
1. Протокол TCP разбивает весь объем данных на пакеты и нумерует их, упаковывая в TCP-конверты, что позволяет восстановить порядок получения частей информации. При помещении данных в такой конверт происходит вычисление контрольной суммы, которая записывается потом в TCP-заголовок.
3. Затем с помощью протокола TCP происходит проверка того, все ли пакеты получены. Если во время приема вычисленная заново не совпадает с указанной на конверте, это свидетельствует о том, что часть информации была утеряна или искажена при передаче, протокол TCP-IP заново запрашивает пересылку этого пакета. Также требуется подтверждение прихода данных от получателя.
4. После подтверждения получения всех пакетов протокол TCP упорядочивает их соответствующим образом и собирает заново в единое целое.
Протоколом TCP используются повторные передачи данных, периоды ожидания (или таймауты), что обеспечивает надежность доставки информации. Пакеты могут передаваться в двух направлениях одновременно.
Тем самым протокол TCP-IP снимает необходимость использования повторных передач и ожиданий для прикладных процессов (таких, как Telnet и FTP).
Если вкратце, то это набор правил, которые регулируют «общение» компьютеров между собой по сети. Их существует около десятка, и каждый из них определяет правила передачи отдельного типа данных. Но для удобства в обращении их все объединяют в так называемый «стек», называя его именем самого важного протокола - протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol и Internet Protocol). Слово «стек» подразумевает, что все эти протоколы представляют собой как бы «стопку протоколов», в которой протокол верхнего уровня не может функционировать без протокола нижнего уровня.
Стек TCP/IP включает 4 уровня:
1. Прикладной - протоколы HTTP, RTP, FTP, DNS. Самый верхний уровень; отвечает за работу прикладных приложений, например почтовых сервисов, отображение данных в браузере и прочее.
2. Транспортный - протоколы TCP, UDP, SCTP, DCCP, RIP. Данный уровень протоколов обеспечивает правильное взаимодействие компьютеров между собой и является проводником данных между разными участниками сети.
3. Сетевой - протокол IP. Этот уровень обеспечивает идентификацию компьютеров в сети, раздавая каждому из них уникальный цифровой адрес.
4. Канальный - протоколы Ethernet, IEEE 802.11, Wireless Ethernet. Самый низкий уровень; он взаимодействует с физическим оборудованием, описывает среду передачи даннных и ее характеристики.
Следовательно, для отображения этой статьи ваш компьютер использует стек протоколов «HTTP - TCP - IP - Ethernet».
Как передается информация по интернету
Каждый компьютер в сети называется хостом и с помощью одноименного протокола получает уникальный IP-адрес. Этот адрес записывается в следующей форме: четыре числа от 0 до 255, разделенных точкой, например, 195.19.20.203. Для успешного обмена информацией по сети IP-адрес также должен включать номер порта. Поскольку информацией обмениваются не сами компьютеры, а программы, каждый тип программы должен также иметь собственный адрес, который и отображается в номере порта. Например, порт 21 отвечает за работу FTP, порт 80 - за работу HTTP. Общее количество портов у компьютера ограничено и равно 65536 с нумерацией от 0 до 65535. Номера портов от 0 до 1023 зарезервированы серверными приложениями, а нишу портов с 1024 по 65535 занимают клиентские порты, которыми программы вольны распоряжаться как угодно. «Клиентские порты» назначаются динамически.
Комбинация IP-адреса и номера порта называется «сокет» . В нем значения адреса и порта разделяются двоеточием, например, 195.19.20.203:110
Таким образом, чтобы удаленный компьютер с IP 195.19.20.203 получил электронную почту, нужно всего лишь доставить данные на его порт 110. А, поскольку, этот порт денно и нощно «слушает» протокол POP3 , который отвечает за прием электронных писем, значит дальнейшее — «дело техники».
Все данные по сети для удобства разбиваются на пакеты. Пакет - это файл размером 1-1,5 Мб, который содержит адресные данные отправителя и получателя, передаваемую информацию, плюс служебные данные. Разбиение файлов на пакеты позволяет намного снизить нагрузку на сеть, т.к. путь каждого из них от отправителя к получателю не обязательно будет идентичным. Если в одном месте в сети образуется «пробка», пакеты смогут ее оминуть, используя другие пути сообщения. Такая технология позволяет максимально эффективно использовать интернет: если какая-то транспортная часть его обрушится, информация сможет и дальше передаваться, но уже по другим путям. Когда пакеты достигают целевой компьютер, он начинает собирать их обратно в цельный файл, используя служебную информацию, которую они содержат. Весь процесс можно сравнить с неким большим паззлом, который, в зависимости от размеров передаваемого файла, может достигать воистину огромных размеров.
Как уже было сказано ранее, IP-протокол выдает каждому участнику сети, в том числе, сайтам уникальный числовой адрес. Однако запомнить миллионы IP-адресов никакому человеку не под силу! Поэтому был создан сервис доменных имен DNS (Domain Name System), который занимается тем, что переводит цифровые IP-адреса в буквенно-цифровые имена, которые гораздо легче запомнить. Например, вместо того, чтобы набирать каждый раз ужасное число 5.9.205.233, можно набрать в адресной строке браузера www.сайт.
Что же происходит, когда мы набираем в браузере адрес искомого сайта? С нашего компьютера отправляется пакет с запросом DNS-серверу на порт 53. Этот порт зарезервирован службой DNS, которая, обработав наш запрос, возвращает IP-адрес, соответствующий буквенно-цифровому имени сайта. После этого наш компьютер соединяется с сокетом 5.9.205.233:80 компьютера 5.9.205.233, на котором расположен HTTP-протокол, отвечающий за отображение сайтов в браузере, и посылает пакет с запросом на получение страницы www.сайт. Нам нужно установить соединение именно на 80-й порт, поскольку именно он соответствует Веб-серверу. Можно, при большом желании, указать 80-й порт и прямо в адресной строке браузера — http://www.сайт:80. Веб-сервер обрабатывает полученный от нас запрос и выдает несколько пакетов, содержащих текст HTML, который отображает наш браузер. В результате мы видим на экране главную страницу
Интернет – глобальная система взаимосвязанных компьютерных, локальных и других сетей, которые взаимодействуют друг с другом посредством стека протоколов TCP/IP (рис. 1.).
Рисунок 1 – Обобщенная схема сети Интернет
Интернет обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к нему. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют.
Основные ячейки Интернета – локальные вычислительные сети (LAN – Local Area network). Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Интернету, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к нему. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Интернету. Они называются хост-компьютерами (host – хозяин).
Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.
Важной особенностью сети Интернет является то, что она, объединяя различные сети, не создает при этом никакой иерархии - все компьютеры, подключенные к сети, равноправны.
Еще одной отличительной особенностью Интернета является высокая надежность. При выходе из строя части компьютеров и линий связи сеть будет продолжать функционировать. Такая надежность обеспечивается тем, что в Интернете нет единого центра управления. Если выходят из строя некоторые линии связи или компьютеры, то сообщения могут быть переданы по другим линиям связи, так как всегда имеется несколько путей передачи информации.
Интернет не является коммерческой организацией и никому не принадлежит. Пользователи Интернета имеются практически во всех странах мира.
Пользователи подключаются к сети через компьютеры специальных организаций, которые называются поставщиками услуг Интернета. Соединение с Интернетом может быть постоянным или временным. Поставщики услуг Интернета имеют множество линий для подключения пользователей и высокоскоростные линии для связи с остальной частью Интернета. Часто мелкие поставщики подключены к более крупным, которые, в свою очередь, подключены к другим поставщикам.
Организации, соединенные друг с другом самыми скоростными линиями связи, образуют базовую часть сети, или хребет Интернета Backbon [Бэкбон]. Если поставщик подключен непосредственно к хребту, то скорость передачи информации будет максимальной.
В действительности разница между пользователями и поставщиками услуг Интернета достаточно условна. Любой человек, подключивший свой компьютер или свою локальную вычислительную сеть к Интернету и установивший необходимые программы, может предоставлять услуги подключения к сети другим пользователям. Одиночный пользователь, в принципе, может подключиться скоростной линией непосредственно к хребту Интернета.
В общем случае, Интернет осуществляет обмен информацией между любыми двумя компьютерами, подключенными к сети. Компьютеры, подключенные к Интернету, часто называютузлами Интернета, или сайтами, от английского слова site, которое переводится как место, местонахождение. Узлы, установленные у поставщиков услуг Интернета, обеспечивают доступ пользователей к Интернету. Существуют также узлы, специализирующиеся на предоставлении информации. Например, многие фирмы создают узлы в Интернете, с помощью которых они распространяют информацию о своих товарах и услугах.
Как же осуществляется передача информации? В Интернете используются два основных понятия: адрес и протокол . Свой уникальный адрес имеет любой компьютер, подключенный к Интернету. Так же, как почтовый адрес однозначно определяет местонахождение человека, адрес в Интернете однозначно определяет местонахождение компьютера в сети. Адреса в Интернете являются важнейшей его частью, и ниже о них будет подробно рассказано.
Данные, пересылаемые с одного компьютера на другой с использованием Интернета, разбивается на пакеты. Они перемещаются между компьютерами, составляющими узлы сети. Пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Каждый пакет имеет свою маркировку, что обеспечивает правильную сборку документа на компьютере, которому адресовано сообщение.
Что такое протокол? Как ранее было сказано, протокол - это правила взаимодействия. Например, дипломатический протокол предписывает, как поступать при встрече зарубежных гостей или при проведении приема. Так же сетевой протокол предписывает правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Стандартные протоколы заставляют разные компьютеры "говорить на одном языке". Таким образом осуществляется возможность подключения к Интернету разнотипных компьютеров, работающих под управлением различных операционных систем.
Базовыми протоколами Интернета является стек протоколов TCP/IP. Прежде всего требуется уточнить, что, в техническом понимании TCP/IP - это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях сетевой модели (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP - протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача данных. Протокол IP - адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.
Протокол TCP. Согласно Протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.
Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке, когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество ТСР-пакетов от многочисленных клиентов.
Когда мы работаем в Интернете, то по одной единственной телефонной линии можем одновременно принимать документы из Америки, Австралии и Европы. Пакеты каждого из документов поступают порознь, с разделением во времени, и по мере поступления собираются в разные документы.
Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (Internet Protocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IP-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР-пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто - четырьмя числами, например: 195.38.46.11. Структуру IP-адреса мы подробнее рассмотрим позже. Она организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного числа перебросок ТСР-пакет достигает адресата.
Слово «ближе» взято в кавычки не случайно. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства - маршрутизаторы. Роль маршрутизаторов в сети обычно выполняют специализированные компьютеры, но это могут быть и специальные программы, работающие на узловых серверах сети.
Стек протоколов TCP/IP
Стек протоколов TCP/IP - набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства - Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте.
Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack , стопка) - это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.
Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня:
- прикладной уровень (application layer),
- транспортный уровень (transport layer),
- сетевой уровень (internet layer),
- канальный уровень (link layer).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI (таблица 1). На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.
Таблица 1 – Сравнение стека протоколов TCP/IP и эталонной модели OSI
Прикладной уровень
На прикладном уровне (Application layer) работает большинство сетевых приложений.
Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:
- HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
- FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
- запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.
Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).
TCP (IP идентификатор 6) - «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.
И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.
Сетевой уровень
Сетевой уровень (Internet layer) изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).
ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий - транспортный - уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.
Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число - уникальный IP-номер протокола . ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.
Канальный уровень
Канальный уровень (Link layer) описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.
Примеры протоколов канального уровня - Ethernet, Wi-Fi, Frame Relay, Token Ring, ATM и др.
Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня - LLC и MAC.
Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Инкапсуляция
Инкапсуляция – упаковка, или вложение, пакетов высокого уровня (возможно, разного протокола) в пакеты одного протокола (нижнего уровня), включая адрес.
Например, когда приложению требуется послать сообщение с помощью TCP, то производится следующая последовательность действий (рис. 2):
Рисунок 2 – Процесс инкапсуляции
- в первую очередь, приложение заполняет специальную структуру данных, в которой указывает информацию о получателе (сетевой протокол, IP-адрес, порт TCP);
- передаёт сообщение, его длину и структуру с информацией о получателе обработчику протокола TCP (транспортный уровень);
- обработчик TCP формирует сегмент, в котором в качестве данных выступает сообщение, а в заголовках находится TCP-порт получателя (а также другие данные);
- обработчик TCP передаёт сформированный сегмент обработчику IP (сетевой уровень);
- обработчик IP рассматривает переданный TCP сегмент как данные и предваряет их своим заголовком (в котором, в частности, находится IP-адрес получателя, взятый из той же структуры данных приложения, и номер верхнего протокола;
- полученный пакет обработчик IP передаёт на канальный уровень, который опять-таки рассматривает данный пакет как «сырые» данные;
- обработчик канального уровня, аналогично предыдущим обработчикам, добавляет в начало свой заголовок (в котором так же указывается номер протокола верхнего уровня, в нашем случае это 0x0800(IP)) и, в большинстве случаев, добавляет конечную контрольную сумму, тем самым формируя кадр;
- далее полученный кадр передаётся на физический уровень, который осуществляет преобразование битов в электрические или оптические сигналы и посылает их в среду передачи.
На стороне получателя для распаковки данных и предоставления их приложению производится обратный процесс (снизу вверх), называемый декапсуляцией.
Похожая информация.
