Интернет позволяет объединять большое число компьютеров и ноутбуков, а также других устройств («умной» техники, планшетов, смартфонов) по всему миру в единую сеть. Без него тяжело представить работу, обучение и многие другие сферы деятельности человека. За обеспечение массовой связи устройств отвечают на называемые сетевые протоколы.
Далее о них будет рассказано более подробно. Предстоит получше изучить принципы работы Интернета, а также познакомиться с моделью OSI, ее уровнями и существующими протоколами. Эта информация пригодится как IT-специалистам, так и обычным пользователям.
Основные понятия
Более детальное изучение сетевых протоколов и основ передачи данных через Интернет невозможно без понимания ключевых терминов. Вот основные понятия, с которыми должен быть знаком каждый пользователь и IT-специалист:
- Сеть – соединенные друг с другом системы и цифровые устройства. Они могут соединяться логически и физически. Используются для организации обмена данными. Сетевыми элементами может выступать различное оборудование – как обычные компьютеры и телефоны, так и «умная» техника. Размеры Сетей могут отличаться. Минимальное количество устройств в ней – 2 единицы. Они будут соединяться друг с другом при помощи кабеля. Данные, передаваемые по Сети, образовывают пакеты – небольшие блоки информации. Они создаются с учетом правил и принципов специальных протоколов.
- Сетевые узлы – одни из ключевых элементов компьютерных сетей. Представлены отдельным оборудованием. Сетевые узлы бывают оконченными и промежуточными.
- Промежуточный узел – узел, используемый для соединения оконечных узлов друг с другом.
- Оконечный узел – узел, отвечающий за отправку и принятие данные. Чаще всего представляет собой устройство, получающее или отправляющее информацию.
- Сетевая среда – среда, в которой осуществляется передача данных. В виде нее выступают кабели, проводы, оптоволокно и воздушная среда.
Эти определения помогут лучше понять Интернет-протоколы. Перед тем как изучать их более подробно, необходимо рассмотреть существующие виды сетей.
Виды сетей
Сети бывают нескольких типов:
- Глобальные. Сюда относятся сети, охватывающие весь мир. В них объединяются устройства по всему миру. Наиболее успешный пример глобальной сети – Интернет.
- Локальные. Сети, представляющие собой связь оборудования на небольшом расстоянии друг от друга. Чаще всего – в пределах квартиры или офиса/здания.
- Распределенные. Сети, в которых узлы распределяются по территориальным признакам. Они могут быть расположены в определенных районах, городах, а также областях.
Наиболее распространенные из предложенных – глобальные и локальные. Именно с ними чаще всего предстоит иметь дело системным администраторам и обычным пользователям.
Протокол – определение
Сетевой протокол – это набор правил и инструкций, которым следуют подключенные друг к другу сетевые устройства в процессе обмена данными. Протокол может быть охарактеризован как программой, так и встроенной аппаратной частью сетевого оборудования. С помощью такого элемента удается обеспечить единые принципы передачи сообщений, а также обработки ошибок, появляющихся в рамках установленного соединения.
Стандартный протокол обмена данными позволяет создавать на физическом уровне интерфейсы с отсутствием привязки к определенным производителям или оборудованию (USB, Bluetooth и так далее).
Интернет-протокол – некоторый свод правил/действий (их очередности), с помощью которого можно объединить два устройства в сеть и обеспечить между имеющимся оборудованием обмен данными.
С помощью сетевых протоколов удается задать принципы работы устройств и компьютеров, находящихся в одной и той же сети. Они опираются на многоуровневую систему. Протокол некоторого уровня будет отвечать за определение одного из технических правил связи. На данный момент для протоколов Сети используется OSI-модель.
Модель OSI
OSI – это аббревиатура от Open Systems Interconnection. В переводе значит «Взаимодействие открытых систем». OSI представляет собой 7-уровневую сетевую модель. Ее начала разрабатывать компания ISO (международная организация стандартизации) в 1977 году. На разработку соответствующей модели ушло 7 лет.
Сейчас OSI широко используется. Она поддерживает следующие уровни сетевых протоколов:
- Протоколы физического уровня. Тут будут решаться вопросы, связанные с физическими аспектами передачи данных. К физическому уровню можно отнести модуляцию сигналов, а также характеристики имеющейся сетевой среды и методы передачи информации.
- Протоколы канального уровня. Они функционируют в пределах локальных сетей. Отвечают за формирование полученных с физического уровня потоков битов в кадр. Канальный уровень используется для обнаружения начала и конца сообщения. Здесь решаются вопросы, связанные с адресацией внутри локальных сетей, поиском ошибок, а также проверкой информационной целостности. Ключевыми протоколами тут будут выступать Ethernet и PPP.
- Сетевой уровень. Протоколы требуются для выстраивания крупных сетей из отдельных подсетей. На сетевом уровне осуществляется общая адресация для идентификации имеющегося оборудования, выполняется маршрутизация – выбор оптимального пути передачи данных. Сюда можно отнести протоколы IP и ICMP.
- Транспортный уровень. Здесь производится непосредственная передача данных. Этот уровень также называется уровнем сквозной передачи данных. Пакеты здесь доставляются до определенного адресата на компьютере. Ему присваивается особый номер, носящий название порта. Порты требуются для точной передачи данных. Они используются, чтобы гарантировать доставку информации тем службам и процессам, которые их запрашивали ранее. Примеры соответствующих протоколов TCP и UDP. Они будут более подробно изучены далее.
- Сеансовый уровень. Отвечает за непосредственное управление сеансами связи. Сюда можно отнести операции вроде установки и разрыва соединения, синхронизацию.
- Представительный уровень. Отвечает за представление данных в форме, которая будет понятна как отправителю, так и получателю. Сюда можно отнести разнообразные способы отображения информации: кодировку текста, спецификации HTML, различные графические форматы. На представительном уровне осуществляется шифрование и дешифрование данных.
- Прикладной уровень. Называется уровнем приложений. С соответствующими программами работают конечные пользователи. Сюда относят: электронную почту, браузеры, а также приложения для воспроизведения аудио и видео и так далее.
Протоколы соединения не всегда имеют отношение к одному и тому же логическому уровню – иногда они распространяются на несколько из них. Примером может послужить протокол Ethernet. Он одновременно функционирует на канальном и физическом уровнях.
В процессе передачи данных от одного узла к другому соответствующая информация последовательно пройдет каждый из перечисленных уровней OSI-модели. Данные от прикладного уровня перейдут на представительный, а потом – на сеансовый и так далее. Продолжается процедура до тех пор, пока информация не окажется на физическом уровне. На каждом этапе протоколы формируют информацию и передают полученные результаты дальше по модели. Соответствующее явление называется инкапсуляцией.
При получении узлом данных осуществляется обратный процесс – информация переходит от физического уровня до прикладного. Пропуск хотя бы одного «этапа» недопустим. На прикладном уровне осуществляется перенаправление данных приложению-получателю. Подобные манипуляции носят название деинкапсуляции.
Сейчас OSI-модель практически не встречается в реальной жизни, но она активно используется для обучения и понимания принципов функционирования протоколов. Сегодня чаще всего встречается модель TCP/IP.
TCP/IP
Модель TCP/IP – стек протоколов, обеспечивающий связь и передачу данных в пределах компьютерных сетей. Соответствующая модель проще OSI. Она включает в себя всего четыре уровня:
- прикладной (application layer);
- транспортный (transport layer);
- межсетевой (internet layer);
- канальный (link layer).
Работают они точно также, как и в случае с OSI-моделью. Первые три уровня OSI объединяются в прикладной у TCP/IP. Два нижних уровня (канальный и физический) тоже совмещены. На каждом из них предусматриваются отдельные протоколы.
Протоколы передачи данных
Далее будут представлены существующие протоколы передачи данных. Для обмена информацией сейчас чаще всего используются протоколы TCP и UDP. Они будут изучены более подробно.
IP – Internet Protocol
IP – протокол, который первым объединил компьютеры в единые сети. Он является самым простым и наименее надежным. Это связано с тем, что он не подтверждает доставку пакетов получателю и не следит за целостностью данных. По протоколу IP передача информации осуществляется без предварительной установки соединения.
Ключевой задачей IP выступает маршрутизация датаграмм – выбора оптимального пути следования информации по сетевым узлам. Сегодня наиболее популярной версией выступает IPv4 с 32-битными адресами. Существует также IPv6, поддерживающих более 4,29 миллиардов адресов.
FTP
File Transfer Protocol используется для передачи документов. Он не является новым. FTP успешно применялся еще до появления IP. Он используется при организации удаленного доступа к хостингам.
FTP является надежным. Он гарантирует передачу данных, а работает по примеру клиент-серверной архитектуры. Для работы с файловой системой сервера пользователю нужно пройти аутентификацию. После этого «клиент» получит доступ к данным. Анонимное подключение тоже допустимо.
DNS
DNS – это не только система доменных имен, но и протокол, без которого соответствующая система не смогла бы работать. Протокол позволяет клиентским устройствам запрашивать у DNS-серверов IP-адреса сайтом. DNS помогает организовывать обмен данными между серверами. В соответствующей системе используются протоколы UDP и TCP.
HTTP
Изначально HTTP был протоколом передачи HTML-файлов. Теперь он используется для организации передачи произвольных данных в сети. Выступает в качестве протокола клиент-серверного взаимодействия без сохранения промежуточного состояния.
Об HTTP рекомендуется запомнить следующее:
- в качестве клиента чаще всего выступает браузер или поисковый робот;
- при обмене данными протокол HTTP чаще всего задействует TCP/IP;
- HTTP имеет расширение HTTPS с поддержкой шифрования.
Посмотреть, какой тип соединения используется на сайте, поможет левый угол браузерной строки. Наиболее безопасные веб-порталы пользуются HTTPS.
NTP
Network Time Protocol – протокол, используемый для синхронизации локальных часов оборудования со временем в глобальной/локальной сети. NTP использует алгоритм Марзулло. Это приводит к тому, что система определяет и выбирает наиболее точный источник времени.
NTP – протокол, работающий поверх UDP. За счет этого удается добиваться максимальной скорости передачи данных. Этот протокол можно назвать устойчивым к изменениям задержек в глобальной/локальной сети.
SSH
Secure Shell используется для организации удаленного управления операционной системой с применением TCP. В SHH шифруется весь трафик, сохраняя возможность выбора алгоритма шифрования. Это нужно для передачи паролей и иных значимых данных.
SSH позволяет обрабатывать любые другие протоколы информационного обмена. Кроме удаленного управления компьютером, этот протокол позволит пропускать любые файлы, а также видео и аудио. SSH чаще всего встречается при работе с хостингами.
TCP
TCP – технология передачи данных, выступающая одним из главных транспортных протоколов. Иногда называется «протокол сквозной связи». Соответствующая технология появилась еще в 1974 году. С тех пор она претерпела множество трансформаций и стала одним из фундаментальных элементов современного Интернета.
TCP передает данные с пользовательского устройства на веб-сервера. Он является надежным и гарантирует доставку информации до получателя. Такой результат достигается за счет установки стабильного соединения.
TCP не только гарантирует получение, но и отправку сегментов в одном и том же порядке. Каждый пакет получает свой собственный номер, указывающий на позицию данных в потоке.
Здесь допустимо использование Window Size – параметра, отображающего сколько данных готов принять получатель. Отправитель может передавать данные в пределах установленного окна, чтобы избежать перегрузки получателя.
UDP
UDP – более быстрая, но менее надежная технология обмена данными. Ее рекомендуется использовать там, где требуется непрерывный поток. Он появился чуть позже TCP – в 1980 году. С его помощью удастся организовать обмен пакетами по IP-сети без необходимости предварительной установки стабильных каналов или путей передачи данных.
UDP работает при помощи датаграмм – информационных блоков, передаваемых напрямую, без создания выделенного виртуального канала. Этот протокол не подразумевает отправку подтверждений. Часть датаграмм может быть утеряна в процессе информационного обмена. UDP часто используется в сервисах потокового видео, а также онлайн-играх.
Чтобы защитить этот вид передачи данных требуется использовать дополнительные меры. Примеры – прокси или туннельное соединение между пользователем и серверами организации.
Разница между TCP и UDP
За обмен данными по Интернету отвечают в основном TCP и IP. Эта таблица поможет понять разницу между ними:
| Параметр | TCP | UDP |
| Установка соединения | Гарантируется устойчивое соединение перед передачей данных. | Передача информации осуществляется сразу. |
| Гарантии доставки | Обеспечивает гарантированною доставку данных с подтверждением. | Не гарантирует доставку. Здесь также отсутствует подтверждение получения информации. |
| Контроль ошибок | Задействует специальные механизмы для обнаружения и исправления ошибок. | Не предусматривает наличие специальных механизмов. |
| Порядок доставки | Строго правильный | Хаотичный |
| Подтверждение | Обладает механизмами подтверждения доставки и повторной передачи. | Не поддерживает подходящих механизмов. |
| Пропускная способность | Ниже | Выше |
| Примеры протоколов | HTTP, SMTP, FTP | VoIP, DNS |
Теперь понятно, для чего предназначены те или иные протоколы сетевого характера. Лучше разобраться с принципами работы Интернета помогут специальные компьютерные курсы. На них в срок до года можно освоить любое направление IT.
P. S. Интересуют компьютерные сети, сетевые технологии, протоколы передачи данных? Обратите внимание на следующие курсы в Otus:
