Интернет – неотъемлемая часть современной жизни. Данный тип связи представляет собой соединение огромного количества компьютеров и других устройств (смартфонов, планшетов, «умной» техники) в единую сеть. Обеспечить соответствующую связь получается через сетевые протоколы.
Дальше на них предстоит остановиться более детально. Предложенные в статье материалы и данные помогут разобраться с принципами функционирования Интернета, а также с обменом данными между несколькими устройствами. Эти сведения пригодятся как обычным пользователям, так и IT-специалистам самых разных направлений.
Ключевые понятия и термины
Перед тем как разобраться в том, что такое протоколы и для чего они предназначены в Сети, нужно запомнить несколько ключевых определений:
- Сеть – логически и физически соединенные друг с другом цифровые устройства и системы. Используются такие связи для обмена данными. В качестве сетевых компонентов может выступать самое разное оборудование – от обычных компьютеров и смартфонов до «умной» техники и лампочек. Размер Сети разнообразен. Минимально он составляет 2 устройства, которые соединяются друг с другом кабелем. Данные, передаваемые по сетям, формируются в пакеты – небольшие информационные блоки. Они создаются, руководствуясь правилами специальных протоколов.
- Сетевой узел – одна из основных составляющих компьютерной сети. Выражена отдельным оборудованием. Узлы бывают промежуточными и оконечными.
- Оконечный узел – узел, который занимается отправкой или принятием данных. Обычно представлен устройством, которое или получает, или отправляет информацию.
- Промежуточный узел – узел, соединяющий оконечные узлы друг с другом.
- Сетевая среда – среда, в которой производится передача данных. В качестве этого элемента могут выступать провода, кабели, оптоволокно, воздушная среда. Если воспользоваться медной проволокой в качестве среды, данные будут передаваться за счет электрических импульсов. Когда речь идет об оптоволокне, информация будет передаваться за счет световых импульсов. Если кабелей и проводов нет, сведения передаются по беспроводным технологиям – радиоволнами.
Все это лучше и быстрее поможет понять протоколы сетевого взаимодействия. Перед более детальным их изучением необходимо обратить внимание на еще одну особенность – виды сетей. Они зависят от расположения узлов и их итогового количества.
Виды сетей
Сети встречаются трех видов:
- Глобальная. Это – сеть, которая охватывает весь мир. Она объединяет устройства в самых разных странах. Примером может служить Интернет.
- Локальная. Сеть, которая представляет связь устройств на небольшом расстоянии друг от друга: в пределах организации, офиса, квартиры, торгового центра. Если дома у человека есть беспроводная связь, то с ее помощью можно объединить в локальную сеть ноутбуки, компьютеры и гаджеты человека. Роутер (промежуточный узел) выступит в качестве «моста» к глобальной сети – Интернету.
- Распределенная. Сеть, в которой узлы разделены по территориальному признаку. Они могут находиться в определенных городах, районах и областях.
Другие сети на данный момент неизвестны. Чаще всего пользователям и администраторам приходится работать с глобальными и локальными сетями.
Интернет-протокол – это…
Основные виды сетей рассмотрены – теперь можно изучить более подробно протоколы передачи данных. Это некоторый перечень соглашений интерфейсов логического типа, определяющих особенности обмена между устройствами и программным обеспечением. С их помощью удается добиться единого принципа передачи сообщений и обработки ошибок, возникающих в процессе установленного соединения в рамках той или иной сети.
Стандартный протокол обмена данными дает возможность создавать интерфейсы (на физическом уровне), у которых отсутствует привязка к определенным производителям или оборудованию (Bluetooth, USB и так далее).
Интернет-протокол – набор правил и действий (очередности действий), предоставляющий возможность соединить два и более устройства в сети и обеспечить между ними обмен данными.
Сетевые протоколы задают принципы функционирования компьютеров и устройств, подключенных к одной «сетке». Они базируются на многоуровневом принципе. Протокол некоторого уровня будет отвечать за определение одного из технических правил связи. Сейчас для интернет протоколов используется модель OSI.
Модель OSI
Когда сети только появлялись, модели определения общих стандартов их работы отсутствовали. Каждая компания реализовывала собственные идеи, которые не могли функционировать с решениями конкурентов.
Такая ситуация привела к определенным проблемам передачи данных. В 1977 году компания ISO (международная организация стандартизации) решила взяться за ее устранение. В течение 7-ми лет корпорация изучала сетевые реализации и в 1984 году представила OSI-модель.
OSI – аббревиатура от Open Systems Interconnection. Она переводится как «Взаимодействие открытых систем». Включает в себя 7 сетевых уровней, у каждого из которых – своя роль и спектр задач:
- Протокол физического уровня. Здесь решаются вопросы, связанные с физическими аспектами передачи данных. Метод передачи информации, характеристики сетевой среды, модуляция сигналов – все это относится к физическому уровню.
- Канальный уровень. Он работает в рамках локальной сети. Формирует полученный с физического уровня поток битов в кадр: обнаруживает конец и начало сообщения. На канальном уровне решаются задачи адресации внутри локальных сетей, поиск ошибок, проверка целостности данных. Основными сетевыми протоколами здесь выступают PPP и Ethernet.
- Сетевой уровень. Здесь используются протоколы сетевого характера. Они необходимы для того, чтобы строить крупные сети из отдельных подсетей. На этом уровне вводится общая адресация для идентификации устройств, а также выполняется маршрутизация – выбор оптимального пути передачи данных. Пример – протокол IP, за счет которого каждое устройство в сети имеет уникальный адрес, работающий на сетевом уровне. В данную категорию можно отнести протоколы – IP, ICMP.
- Транспортный уровень. Тут осуществляется непосредственная передача данных между процессами разных компьютеров. Этот уровень называется уровнем сквозной передачи данных. Пакеты на транспортном уровне будут доставляться до определенного адресата на компьютере (процесса). Ему присваивается особый номер – порт. Порты необходимы для того, чтобы данные были получены той службой/процессом, который их запрашивал. Здесь работают протоколы TCP и UDP.
- Сеансовый уровень. Его роль заключается в управлении сеансами связи. Сюда включены такие операции, как установка и разрыв соединения, синхронизация и иные операции.
- Представительный уровень. Его задачей является представление данных в понятном отправителю и получателю виде. Сюда относятся разнообразные варианты представления информации: кодировку текста через UTF-8 или ASCII, спецификации HTML, графические форматы GIF, PNG и JPEG. Представительный уровень отвечает за шифрование и дешифрование данных.
- Прикладной уровень. Это уровень приложений, с которыми будут работать конечные пользователи компьютерной сети. Сюда относятся: электронная почта, приложения для аудио и видео, браузеры, работающие по протоколам HTTP, и так далее.
Теперь понятно, какой уровень протокола в модели OSI отвечает за те или иные операции. Интернет-протоколы здесь не всегда относятся к одному логическому уровню. Иногда они распространяются на несколько уровней. Пример – протокол Ethernet. Он работает и на физическом, и на канальном уровне.
При передаче данных с узла от одного к другому, они последовательно проходят каждый уровень. Данные от прикладного «слоя» переходят на представительный, затем – на сеансовый и так до физического. На каждом этапе протоколы будут формировать информацию и передавать полученные результаты дальше. Это инкапсуляция.
Когда узел получает данные, начинается обратный процесс – от физического «слоя» информация переходит на канальный и так далее. Пропуск уровня недопустим. В конечном итоге данные поступают на прикладной «слой» к приложению, которое должно было их получить. Этот процесс называется деинкапсуляцией.
Сейчас модель OSI в сетях практически не применяется. Она больше подойдет для обучения и понимания, для чего нужны протоколы. Специалисты сегодня чаще всего используют модель TCP/IP.
TCP/IP
TCP/IP (иногда называется DoD) используется для деления архитектуры. У нее имеются четыре «слоя»:
- прикладной уровень;
- транспортный;
- межсетевой (интернет, сетевой);
- канальный.
Принципы у TCP/IP такие же, как и у модели OSI. Три первых уровня OSI объединены в прикладной у TCP/IP. Два нижних уровня (физический и канальный) тоже были совмещены. Далее предстоит изучить каждый «слой» и его протоколы.
Канальный слой
TCP/IP объединяет два «слоя» OSI – канальный и физический. Самым популярным протоколом модели служит Ethernet.
Ethernet
Данные в этом протоколе представляются в виде Ethernet-кадров. Он является старым – появился в 1973 году. За годы своего существования протокол много раз совершенствовался и менял свои форматы. Вот один из примеров формата кадра:
Его основные элементы:
- преамбула – область, в которой прописывается начало кадра;
- MAC-адрес получателя – адрес оборудования-получателя;
- MAC-адрес источника – адрес устройства-отправителя;
- тип (длина) – в этом поле указывается сетевой протокол (пример – IPv4);
- SNAP/LLC и данные – полезная нагрузка, минимальный размер кадра требуется для устранения коллизий;
- FCS – контрольная сумма, по которой можно понять, побился ли кадр.
MAC-адрес – это уникальный идентификатор сетевого устройства, который состоит из 48 битов. Если он не уникален, в процессе работы могут возникнуть проблемы.
Сетевой слой
Пусть будет дана локальная сеть из 4-х компьютеров. В ней добавляется маршрутизатор и еще одна подсеть. Выглядеть это будет так:
Две сети соединяются маршрутизатором. Это оборудование выполняет роль промежуточного узла. Оно требуется для того, чтобы устройство из одной канальной среды могло обратиться к гаджету в другой канальной сети.
Чтобы понять, что узел пытается отправить данные узлу в другой подсети, необходимо обратить внимание на параметр маски подсети. Накладывая ее на IP-адрес узла, можно выяснить, относится ли он к той же подсети. Уточнить маску подсети в Windows для дальнейшей работы с протоколами сети можно через команду ipconfig.
Здесь маска – это 255.255.255.0. Она имеет точно такой же вид, как и IP-адрес – 4 октета, разделенные друг от друга точкой. Если применить маску подсети к адресу узла, можно получить адрес подсети. Для этого осуществляется поразрядная конъюнкция. Это операция побитового «И».
Представленная маска – самая простая. Если первые 3 октета двух узлов совпадают, то это узлы находятся в одной подсети.
Протокол IP
Протокол IP компьютерной сети – это Internet Protocol, который появился в 80-х годах. Использовался он для объединения компьютерных сетей. На данный момент известны две версии этого протокола – IPv4 и IPv6:
- IPv4 – отвечает за регулировку межсетевого взаимодействия за счет 32-битного поля адресов. В этом протоколе адресное пространство будет ограничено.
- IPv6 – более совершенный стандарт. Для адресной маршрутизации в этом протоколе используется 128-битное поле. Оно определяет IPv6-адрес принимающего узла.
Обе версии протокола используются для одних и тех же целей. IPv6 – это альтернатива IPv4, которая создана из-за того, что IP-адреса стали заканчиваться. На данный момент подобная проблема решается за счет технологии NAT.
Транспортный слой
Самые популярные протоколы в модели TCP/IP транспортного «слоя» – TCP и UDP. Они используются для доставки данных определенному приложению. Принимающая программа определяется по номеру порта.
UDP
UDP имеет пять компонентов:
- порт источника;
- порт назначения;
- длина заголовка;
- контрольная сумма;
- данные с вышестоящего «слоя».
Протокол UDP проверяет кадр и работает с портами. Из-за своей простоты он не может обеспечить контроль доставки данных. Не запрашивает повторно побитые данные у отправителя.
TCP
Пакеты протоколов сети TCP называются сегментами. Они включают в себя:
- порты источника и получателя;
- порядковый номер сегмента;
- номер подтверждения – используется при ожидании отправки/подтверждении доставки;
- длина заголовка;
- флаг под специальные нужды;
- флаги установления и разрыва сессии;
- размер окна – здесь указывается, на сколько сегментов требовать подтверждение;
- контрольная сумма;
- указатель важности;
- опции – устанавливают дополнительные параметры;
- данные с вышестоящего «слоя».
TCP гарантирует доставку данных. Для этого между оконечными узлами устанавливается соединение, которое разрывается при невозможности гарантировать доставку информации целиком.
Прикладной слой
Здесь распространены разные стандарты:
- DNS – система дополнительных доменных имен. Она сообщает IP-адрес через вызов запроса с доменом.
- HTTP – отвечает за клиент-серверное взаимодействие. Он передает гипертексты внутри WWW.
- HTTPS – более совершенный вариант протокола HTTP. Обладает дополнительной функцией защиты данных – шифрованием веб-сайтов.
DNS используют алгоритмы UDP и являются менее надежными в плане передачи данных. Среди других известных протоколов выделяют:
- FTP – отвечает за управление обменом файлами;
- POP3 – использует почтовый клиент и служит для работы с электронными письмами от серверов;
- IMAP – отвечает за интернет-доступ к электронной почте.
Лучше разбираться в протоколах передачи данных помогут дистанционные компьютерные курсы. На них научат не только настраивать компьютерные сети, но и грамотно работать с имеющимися стандартами и моделями.
P. S. Интересуют компьютерные сети, сетевые технологии, протоколы передачи данных? Обратите внимание на следующие курсы в Otus:
