TCP/IP: просто о сложном OTUS

Содержание

Передача информации и документов по Интернету осуществляется за счет специальных технологий. Данные распространяются при помощи так называемых протоколов. Широко распространена сетевая модель передачи данных TCP/IP. Она позволяет передавать данные на большие расстояния.

Далее предстоит получше познакомиться с TCP/IP, а также с принципами работы этих протоколов. Предложенная информация пригодится как начинающим системным администраторам, так и обычным пользователям.

Определение

Модель TCP/IP – стек протоколов, задающих правила передачи данных. Им управляют одноименные компоненты – TCP и IP.

TCP/IP – модель передачи цифровой информации. Соответствующие протоколы описывают правила переноса данных, стандарты связи между компьютерами. Они включают в себя соглашения о маршрутизации и межсетевом взаимодействии.

Чтобы лучше понимать определение стека, необходимо разобраться с каждым протоколом:

TCP. Transmission Control Protocol отвечает за обмен информацией. Данный протокол манипулирует отправкой данных, а также следит за тем, чтобы они дошли до получателя в полном объеме. TCP имеет гарантии того, что операция пройдет успешно.
IP или Internet Protocol – используется для адресации. Задача этого протокола – связать друг с другом устройства, затем – разделить информацию на пакеты для более удобной отправки. Быстрый поиск маршрута от компьютера к компьютеру обеспечивается за счет IP-адреса. Им выступает уникальный идентификатор. IP-адрес поддерживается на всех компьютерах в Сети.

Соответствующие элементы успешно функционируют в связке: IP строит маршрут, а TCP контролирует правильную передачу информации.

Рассматриваемая модель не ограничивается только упомянутыми протоколами. Она может включать в себя HTTP, UDP, FTP и другие. Все они используются для строго определенных задач. Пример – HTTP используется для формирования браузерных запросов, FTP – для загрузки файлов, UDP – для быстрой передачи документов, но с вероятными потерями по пути.

Принцип работы

Разобраться в том, как работает TCP/IP, нетрудно. Как только пользователь кликнет на ссылку в Интернете, браузер отправит запрос на сервер, где хранится страница. Для этого создается HTTP-запрос. В нем описывается все, что должен передать сервер. Серверная часть модели получает команду и обрабатывает ее. В качестве ответа направляет браузеру (клиенту) HTTP-ответ с запрошенными сведениями. Соответствующие операции осуществляются до тех пор, пока пользователь не завершит работу с сайтом.

Это принцип работы TCP/IP. Сами HTTP-запросы – это текстовые сообщения. Они не знают, как обнаруживать сервер с необходимыми материалами, а также кому передавать их. Для реализации соответствующих задач используется стек TCP/IP.

Когда IP обнаруживает сервер и получает от него необходимую страницу, происходит разбиение информации на небольшие пакеты объемом от 1 до 64 Кб. Внутри расположены как непосредственные данные, так и служебная информация:

номер пакета;
адрес отправителя;
адрес получателя;
иные важные сведения.

Чтобы пакеты без потерь дошли от серверной части до пользовательской (клиентской), подключается протокол TCP. В нем предусматривается механизм подтверждения: когда сервер отправляет пакет, стек спрашивает у устройства пользователя, все ли прошло нормально. Если «да», протокол отправляет следующую часть пакета, в противном случае – возобновляет попытку передачи данных.

Как только все пакеты получены, браузер формирует из них полноценную страницу. Она отображается на экране у пользователя.

Краткий алгоритм

Если кратко представить работу стека TCP/IP, то она будет выглядеть так:

Пользователь вводит адрес сайта в браузерной строке или нажимает на готовую гиперссылку.
Браузер формирует HTTP-запрос к серверу. Это необходимо для того, чтобы серверная сторона отправила те или иные данные.
Протокол IP за счет DNS-системы обнаруживает сервер, где находится страница и разбивает ее на отдельные пакеты.
Далее начинает работать TCP – он устанавливает надежное соединение между компьютером и сервером, а затем следит, чтобы пакеты были доставлены до получателя в целости и сохранности.
Браузер после получения всех пакетов соединяет их в единое целое и рендерит страницу.

Соответствующий алгоритм применяется к статическим файлам – таким, которые загружаются всего один раз. Они будут доступны для дальнейшего многократного использования.

Если хочется посмотреть видео – придется использовать протокол UDP. Он не гарантирует целостность материалов. В процессе обмена информацией может произойти ее утрата. Соответствующий недостаток перекрывается скоростью передачи по Интернету. Именно поэтому на экране появляются пиксели при просмотре видео во время слабого подключения к Сети.

Какие операции возможны

За счет TCP/IP Protocol возможна реализация следующих операций:

печать документов по удаленной системе управления;
выполнение удаленных команд;
отправка сообщений на устройства других пользователей;
управление сетевыми подключениями;
вход в удаленные системы;
передача цифровых материалов между несколькими устройствами.

Рассматриваемый стек – то, без чего невозможно представить работу Интернета и обмен цифровыми материалами.

Уровни

Чтобы лучше понимать устройство сетевой модели, необходимо рассмотреть возможные уровни TCP/IP. Глобально поддерживается классификация на 4 «ступени». TCP/IP базируется на OSI и, как и предшественник, включает в себя уровни, формирующие его архитектуру.

Модуль выделяет следующие уровни TCP/IP:

канальный уровень – отвечает за взаимодействие сетевого оборудования (пример – Ethernet-кабель или Wi-Fi);
межсетевой уровень – обеспечивает «общение» между отдельными сетями;
транспортный уровень – отвечает за непосредственную передачу данных между имеющимся оборудованием;
прикладной уровень – помогает программам взаимодействовать друг с другом за счет API или интерфейсов.

Каждый уровень поддерживает собственные протоколы, обеспечивающие надежную передачу информации по Сети. У TCP/IP таких элементов имеется более сотни.

Выше можно увидеть схематичную структуру модели TCP/IP. Каждый ее уровень будет далее рассмотрен более подробно. Эта информация поможет понять, как работает концепция на каждом этапе реализации.

Канальный (сетевой интерфейс)

Это физический уровень. Он необходим для физического соединения между устройствами в локальной сети при помощи проводов и радиоволн. Иногда называется аппаратным уровнем. Обеспечивает взаимодействие сетевого оборудования Wi-Fi и Ethernet.

Соответствует физическому уровню ISO. Здесь ключевой целью становится кодирование информации, а также ее деление на отдельные пакеты (фреймы) с последующей отправкой по необходимому каналу. На канальном уровне TCP/IP измеряются параметры сигнала – расстояния между хостами или задержки ответов.

Чтобы понять, куда отправлять фреймы, используется адресация канального уровня – MAC-адреса. Так называются физические уникальные адреса устройств. По ним протоколы канального уровня определяют получателей и отправителей.

Выше – графическое представление состава фрейма. Еще одной важной задачей канального уровня становится проверка безошибочности передачи информации. Для этого используются собственные средства:

если возникает ошибка, устройство отправляет фрейм обратно, а второе оборудование будет передавать его повторно;
при успешной передаче фрейм переходит на другой уровень для последующей обработки.

Других функций канальный уровень TCP/IP не выполняет.

Межсетевой (Internet Layer)

Регламентирует взаимодействие между отдельными подсетями Сети. Маршрутизация производится за счет обращения к определенному IP-адресу с использованием маски.

На этом «этапе» IP протокол вычисляет местонахождение оборудование по адресам-идентификаторам, а затем строит до них оптимальные (кратчайшие) пути. Информация снова делится на пакеты.

Для определения нахождения получателя и оптимальной маршрутизации IP будет обращаться к DNS-системе: она знает IP-адреса всех устройств в Сети. После получения адреса передаваемый документ разбивается на небольшие части – пакеты.

После этого система передает пакеты по маршрутизаторам и коммутаторам. Если хосты расположены в одной подсети с одинаковой маской, информация по протоколам TCP IP будет передаваться напрямую. В противном случае цифровые сведения проходят множество промежуточных звеньев до достижения конечной точки.

IP-адрес назначается в соответствие со стандартами. На данный момент широко используются два варианта – IPv4 и IPv6.

Транспортный уровень (Transport Layer)

Модель TCP IP имеет транспортный уровень. Он отвечает за контроль доставки – чтобы не возникали повторы пакетов. При обнаружении потерь или ошибок сведения будут запрашиваться у сервера (отправителя) повторно. Соответствующая концепция позволяет полностью автоматизировать процессы независимо от скорости и качества связи между отдельными участками Интернета/подсети.

Transport Layer простыми словами работает так: он устанавливает надежное соединение между оборудованием, а затем следит за корректностью передачи информации, исправляя возникающие ошибки.

На уровне работают два протокола:

TCP – гарантирует передачу всей информации без потерь. Используется чаще всего для отправки текстовый файлов.
UDP (User Datagram Protocol) – гарантии передачи файлов и документов без потерь отсутствуют. Протокол обеспечивает хорошую скорость обмена информацией. Особо полезен при прослушивании музыки и просмотре видеороликов в Сети.

Но есть еще один уровень, задействованный в передаче данных через Интернет. Он называется прикладным.

Прикладной уровень (Application Layer)

Объединил в себе 3 уровня модели OSI: прикладной, представления и сеансовый. На этом уровне исполняются задачи поддержки сеанса связи, преобразования данных, взаимодействия с пользователями и Сетью. Application Layer использует стандарты API-интерфейса. С его помощью удается передавать команды для выполнения определенных задач.

Прикладной уровень протоколов используется для настройки связи между приложениями. Пример – между серверными программами и браузером. Он использует разнообразные протоколы и сервисы, помогающие обмениваться файлами по Сети.

На прикладном уровне будут храниться протоколы всего, что нужно непосредственному пользователю: отправка почты, передача файлов, удаленный доступ. Вот наиболее распространенные протоколы уровня:

HTTP – наиболее популярный стек для информационного обмена по Сети;
FTP – еще один известный протокол, но использующийся для передачи файлов/документов;
SMTP – используется для отправки электронных писем.

Application Layer нужен для того, чтобы упрощать пользователям обмен цифровыми материалами. Именно с его помощью администраторы, программисты и обычные пользователи могут взаимодействовать с моделью TCP IP.

Уровень допускает использование «производных» протоколов. Подобный подход упрощает разработку, снижает нагрузку на Сеть и увеличивает скорость обработки команд/обмена цифровыми материалами.

Сокеты

Изучая TCP IP Protocol, необходимо обратить внимание на некоторые связанные с моделью компоненты. Пример – сокеты.

Сокет – это специальный программный механизм, отвечающий за обеспечение сетевого взаимодействия. Он позволяет передавать информацию от одного устройства до другого. Включает в себя IP-адрес и номер порта.

Сокеты были придуманы для того, чтобы упростить разработку программного обеспечения и сайтов. Программы, в которых работают программисты, сами создают соответствующие элементы. Все информационные массы будут отправляться и приниматься непосредственно в сокете. Само приложение отвечает за передачу данных.

Ключевое предназначение сокетов – передача информации через Сеть с обеспечением связи между различными приложениями.

Если sockets настроены в двух разных программах, обмен информацией можно осуществлять без дополнительного софта. Пример – для получения данных из мобильного приложения сервер запустит сокет связи с ним. Сама программа тоже откроет сокет – для установки соединения. После этого произойдет информационный обмен между приложением и сервером.

В сокетах моделей TCP IP IP-адрес у каждого устройства уникален. Порт обычно фиксирован для каждого отдельного типа программ: получение почты осуществляется через 110 порт, передача данных по FTP – 21, открытие страниц в Интернете – 80.

Порты

При работе сетей TCP IP необходимо помнить о портах. Они представляют собой 16-битное число от 1 до 65 535, определяющее назначение информационных пакетов в пределах одного хоста. Порты нужны для организации передачи цифровых материалов конкретного вида. Все хосты будут передавать информацию за счет IP-адресов. После подключения к Сети порты определяют, к какой программе относятся соответствующие документы.

К основным приложениям относят:

Web-серверы – используются для отображения веб-страниц;
почтовые серверы – нужны для обмена электронной почтой;
FTP-сервер – передает документы.

Порты обеспечивают доступ в Интернете не только полезному программному обеспечению, но и вирусам. Вредоносные программы умеют открывать порты без пользовательского согласия, а затем считывать информацию на компьютере клиента.

С портами в системе TCP IP можно выполнять различные операции:

Открывать. Команда помогает понять, куда направлять данные, пришедшие по адресу порта.
Закрывать. Операция прекращает информационный обмен.
Пробросить. Если запрос пришел на порт 1020, отправить его на 2020.
Просканировать. В этом случае происходит проверка чисел от 0 до 65 535 на ответ от одного из них. Если он обнаружен, значит, на соответствующем порту работает приложение. Команда помогает искать уязвимости и вредоносные приложения.
Заблокировать. Позволяет не допускать посторонних к открытым портам.

Также можно выполнить операцию «Задать». Если для функционирования приложения нужен заблокированный у клиента порт, его можно поменять на другой.

Настройка подключения

Что собой представляет сетевой стек TCP/IP, понятно. Теперь можно рассмотреть несколько вариантов его настройки. Далее будут приведены краткие инструкции для Windows и MacOS.

В Windows

Настройка модели TCP/IP осуществляется в разделе основных параметров компьютера. Чтобы установить соответствующее «соединение», потребуется:

Перейти в раздел «Сеть и Интернет» меню «Пуск» в Windows.
Зайти в «Ethernet»–«Настройка параметров адаптера».
Снова выбрать «Ethernet», кликнув по нему правой кнопкой мыши.
Щелкнуть по строке «Свойства».
Дважды нажать левой кнопкой мыши, выбрав IP версии 4.
Поставить отметки около «Получить IP-адрес автоматически» и «Получить адрес DNS-сервера автоматически». Если Интернет не работает, можно написать соответствующие сведения самостоятельно.
В разделе «Альтернативная конфигурация» установить отметку около пункта «Автоматический частный IP».

Остается нажать на «Ок». Настройки Ethernet TCP/IP будут сохранены в Windows.

В MacOS

Настроить соответствующую сеть можно и в MacOS. Для этого необходимо:

В меню Apple открыть «Системные настройки»–«Сеть».
В левой части окна выбрать сетевую службу, которой пользуется клиент.
Нажать на «Подробнее».
Перейти в «TCPIP».
Для IPv4 кликнуть по всплывающему меню «Конфигурация IPv4». Выбрать здесь один из вариантов, а затем ввести адрес IPv4, маску подсети и адрес маршрутизатора.
Для IPv6 нажать на меню «Конфигурация IPv6».
Выбрать один из доступных вариантов, ввести адрес маршрутизатора, адрес IPv6 и длину префикса.
Если у пользователя есть ID клиента DHCP, записать его.

Теперь необходимо подтвердить настройки, чтобы они вступили в силу. Сетевые протоколы TCP IP будут работать на MacOS.

P. S. Интересуют компьютерные сети, сетевые технологии, протоколы передачи данных? Обратите внимание на следующие курсы в Otus: