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).

На транспортном уровне работают 2 протокола: TCP и UDP.

UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм. Является ненадежным протоколом передачи данных, потому что он не устанавливает и не поддерживает соединения с удаленными узлами. То есть он просто передает данные на нижестоящий уровень и дальнейшая судьба этих данных его не интересует.
Кроме того, он не исправляет ошибки в принятых данных. Если будут обнаружены ошибки, то данные сегменты будут просто уничтожены и без запроса повторной передачи.

Для чего тогда такой протокол нужен?

Он очень полезен там, где передаваемые данные очень критичны к задержкам. Например, при передаче видео и голоса. Там недопустимы задержки, но можно пожертвовать несколькими пакетами в случае обнаружения ошибок - человеческие ухо и глаз не способны заметить потерю нескольких пакетов (если, конечно, число таких пакетов не слишком велико).
Однако для передачи чувствительных данных он совсем не годится, например, при передаче файлов - в данном случае задержки допустимы, но файл должен быть доставлен целостным.

Протокол добавляет следующий заголовок к передаваемым данным

Порт отправителя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое хочет общаться с таким же или другим приложением по сети. Например, Skype использует порт 80. Хотя может использовать и другие порты в зависимости от настроек. То есть, если Алиса пишет сообщение Кате по Skype, то компьютер Кати, приняв сообщение, сможет по номеру порта отправителя определить какое приложение отправило данное сообщение.


Порт получателя - идентифицирует приложение прикладного уровня, которое принимает сообщения от удаленных узлов. Иными словами, приложение “слушает” сеть на этом порту. Например, тот же Skype может принимать сообщение на порту 80. То есть, если Алиса отправит сообщение Кате на порт 80, то компьютер Кати его примет (при условии, что Skype будет в это время работать). Однако если, Алиса отправит на порт 100, а Катя слушает на порту 80, то компьютер Кати просто cбросит принятое сообщение.


А сколько всего может быть таких портов?

Всего насчитывается 65535 портов. Из них с 0 по 1023 зарезервированы под стандартные приложения, такие как FTP, SMTP, SNMP и другие. Остальные порты с 1024 и по 65535 могут быть использованы для любых других приложений. Эти порты еще называют динамическими, потому что у них нет жесткой привязки к определенному приложению и могут меняться от сеанса к сеансу.


Длина дейтаграммы - определяет длину всего сегмента, включая и сам заголовок.


Контрольная сумма - используется для проверки на наличие ошибок.


Как работает проверка?

Способ довольно примитивный. Передающий компьютер вычисляет контрольную сумму всего сегмента по специальному алгоритму и помещает это значение в поле Checksum. Затем принимающий компьютер вычисляет контрольную сумму данного сегмента и сравнивает с суммой в поле Checksum . Если значения совпадают, то сегмент принимается, в противном случае уничтожается.

Ничего, UDP не заботится о дальнейшей судьбе потерянных данных.

TCP (Transmission Control Protocol) - Протокол Управления Передачей. Надежный протокол передачи данных. С помощью него устанавливается и поддерживается связь с удаленными узлами, управляется скорость передачи данных, контролируются ошибки при передаче данных.


Вот как выглядит заголовок сегмента TCP


С некоторыми полями мы уже знакомы. Опишем новые поля.


Порядковый номер - каждый байт в отправленном сегменте нумеруется для того, чтобы на приеме правильно собрать все сегменты в единый поток. Кроме того, с помощью номера контролируется весь поток данных и исправляются поврежденные сегменты.


Номер подтверждения - чтобы убедиться, что все переданные сегменты достигли адресата используются номера подтверждения. Например, узел А отправил сегмент с порядковым номером 45 узлу В. Когда узел В примет сегмент с номером 45, то отправит узлу А пустой сегмент с подтверждающим номером 46. Узел А будет знать, что все в порядке и отправит следующий сегмент под номером 46.


Флаги - специальные знаки-сигналы, указывающие на состояние сессии. Например, запрос на установление соединения или запрос на разрыв соединения.


Размер окна - определяет количество байт для отправки за один раз. Принимающий узел отправит подтверждение только для последнего байта в сегменте. Таким образом не нужно отправлять подтверждение за каждый байт, экономя тем самым время и канал связи. Например, если размер окна равен 500, то передающий узел сразу же отправит 500 байт данных в сегменте. Принимающий узел, получив все 500 байт, отправит лишь одно подтверждение. Размер окна может меняться в течении всего сеанса связи для регулирования скорости передачи.


А кто устанавливает размер окна?

Оба участника соединения. Например, принимающий узел сообщает передающему узлу размер окна исходя из того, как быстро принимающий узел справляется с поступающими данными. Если он не успевает обработать данные, то уменьшает размер и окна и передающий узел обязан уменьшить объем передаваемых данных.
Чтобы лучше понять назначение всех этих полей рассмотрим принцип работы протокола на примере установления соединения.


Установление соединения (Трехэтапное квитирование)

Процесс установления связи осуществляется в 3 этапа.


Этап 1

Когда сторона А хочет установить связь со стороной В, то сторона А отправляет запрос с установленным флагом SYN. После этого узел А переходит в состояние SYN SENT. Узел В остается в состоянии LISTEN:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP (для упрощения восприятия некоторые данные опущены):



Генерируется порядковый номер ISNa = 1 и формируется запрос на установление соединения. Если по истечении таймаута со стороны В не поступает никакого ответа, то узел А снова отправит запрос узлу В.


Этап 2

Когда сторона В принимает запрос SYN, то тоже генерируется порядковый номер ISNb = 200 (в реальности номер может принимать другие значения) для своего сегмента. Для формирования ответа стороне А, узел В устанавливает 2 флага: SYN и ACK. Причем в качестве номера подтверждения берется порядковый номер сегмента стороны А и увеличивается на 1, то есть 1 + 1. Это означает, что запрос успешно принят и ожидается следующий сегмент с номером 2. После того, как сегмент отправлен, узел В переходит в состояние SYN-RECEIVED, узел А остается в состоянии SYN SENT:


Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:


Если по истечении таймаута от узла А не поступит подтверждения, то узел В снова отправит свой запрос.


Этап 3

После того, как узел А примет сразу 2 флага SYN и ACK, причем ACK будет на 1 больше ISN узла А, то сторона А сразу отправит второй сегмент узлу В. ISN будет увеличен на 1. Флаг будет установлен на ACK со значением ISNb + 1, то есть 200 + 1

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:

Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:

После этого соединение считается успешно установленным, то есть помечается как ESTABLISHED.

Отказ в установлении соединения

Если сторона В по каким-то причинам не может установить соединение со стороной А, то генерируется ответ с флагом RST, которой информирует о прекращении попыток установления связи:

Вот какие данные устанавливаются в заголовке TCP:


Вот как выглядит запрос в сетевом анализаторе:


Завершение связи

Когда одна из сторон желает завершить сеанс связи, то формирует запрос FIN и переходит в состояние FIN_WAIT 1


Сторона В подтверждает запрос отправкой ACK и переходит в состояние CLOSE_WAIT. Сразу же вслед посылается запрос FIN. После этого узел В переходит в состояние LAST_ACK:

Сторона А подтверждает отправкой ACK и переходит в состояние CLOSED. Когда узел В примет ACK, то также перейдет в состояние CLOSED. На этом сеанс связи завершен:

Контроль над искаженными и потерянными данными

Концепция TCP такова, что передатчик ожидает от приемника получение подтверждения успешного принятия байта. Пока передатчик не убедится, что данные успешно доставлены получателю он не будет передавать следующую порцию данных.
Однако подтверждать каждый переданный байт слишком дорогое удовольствие - растет нагрузка на сеть, значительно замедляется работа протокола.
Поэтому передатчик отправляет сразу несколько сегментов и ждет подтверждения от приемника. Приемнику в свою очередь достаточно отправить одно подтверждение на последний полученный сегмент.
Передатчик поймет, что все отправленные сегменты успешно получены и сразу же отправит очередной набор сегментов


Для реализации данного механизма и используются порядковые и подтверждающие номера. Каждый сегмент нумеруется первым байтом полезной нагрузки. Затем приемник посылает подтверждающий сегмент, где указывает номер первого байта следующего сегмента. Например, первый сегмент имеет 100 байт полезной нагрузки (заголовок не учитывается), второй сегмент - 200 байт. Первому байту первого сегмента присваивается номер 1, у первого байта второго сегмента номер соответственно равен 101 (100 + 1) и так далее


Теперь посмотрим как будет проходить передача сегментов


Вот как это выглядит в сетевом анализаторе:


Если сложить ISN = 2155299270 первого сегмента с длиной данных Len = 711, то получится ISN = 2155299981 второго сегмента. Таким способом приемник формирует ACK SN для 3-го сегмента.


С этим разобрались. Но что произойдет, если данные потеряны или искажены в процессе передачи?

Представим, что сегмент дошел до получателя, однако содержит ошибки. Это проверяется с помощью контрольной суммы. Тогда приемник сбросит искаженный сегмент и отправит подтверждение только за предпоследний сегмент. Передатчик поймет, что первые 2 сегмента получены без ошибок и снова отправит 3-й сегмент


Теперь посмотрим, что произойдет, если один сегмент не дойдет до получателя. В данном случае приемник вышлет подтверждение только за принятые сегменты. А о 3-ем сегменте он вообще ничего не знает, поэтому ничего не отправит.
Передатчик будет ждать определенное время и не дождавшись подтверждения за 3-й сегмент отправит его снова


Вот так и достигается контроль над ошибками данных.


Контроль за передачей данными (Метод скользящего окна)

Протокол TCP является дуплексным, то есть может одновременно работать на прием и передачу. Для этого на приеме и передаче устанавливаются буферы.
Передающий буфер содержит переданные, но еще не подтвержденные байты, а также байты готовые для передачи.
Приемный буфер содержит принятые байты для последующей обработки.


Но для чего нужны буферы, разве не может приемник сразу же обработать поступивший сегмент?

Буферы необходимы для постановки в очередь принятые и передаваемые данные, так как производительность приёмной и передающей систем, а также самой сети разные, то велика вероятность, что система не сможет на “лету” обработать большой объем данных.


Мы знаем, что передатчик может сразу отправить несколько сегментов данных, не дожидаясь подтверждения на каждый сегмент.
Но что делать, если передатчик передает данные с большой скоростью, а буфер приемника не успевает их всех вместить?

Тогда приемник просто сбросит новые поступающие данные и отправит подтверждения только на полученные и обработанные сегменты.
Передатчику придется повторно отправлять данные, пока не получит подтверждения успешного получения.


В данной ситуации приемник работает на пределе своих возможностей, а сеть постоянно загружена. Поэтому в TCP предусмотрен механизм контроля за передачей данных с помощью метода скользящего окна.


И как работает данный механизм?

В TCP заголовке имеется поле “Размер окна (Window size )”, которое указывает на то, сколько байт приемник способен принять. Иными словами это говорит о доступности буфера и наличии в нем свободного пространства для поступающих данных.
После установления соединения приемник сообщает передатчику размер окна. Например, приемник сообщил, что окно равно 5 байтам. Передатчик передаст 5 байт информации и ждет подтверждения:

В буфере передатчика в очереди на отправку стоят следующие байты, но они не будут отправлены, пока не будут подтверждены уже отправленные байты. Приемник посылает подтверждение и уведомляет о размере окна равным 5, то есть говорит: “В моем буфере есть 5 свободных мест. Пришли мне еще 5 байт.”

Окно в передающем буфере сместится на 5 байт и новая порция данных будет передана приемнику:

Теперь посмотрим, что произойдет, если приемник не успевает обработать все полученные данные и в его буфере свободное место только для 2-х байт:

Передатчик готов передать следующие 5 байт информации, так как получил подтверждение от приемника. Однако приемник также уведомил передатчик, что в приемном буфере свободно только для 2-х байт, то есть сообщает следующее: “Снижай скорость передачи. Готов принять пока 2 байта.”


И передатчик уменьшает окно и передает только 2 байта

В процессе передачи данных размер окна может постоянно меняться. Это зависит от загруженности сети и производительности передатчиков/приемников.


Что происходит, когда в буфере приемника совсем нет места?

Тогда приемник установит размер окна равным 0. Это означает прекратить передачу данных.


Как же передатчик узнает, что буфер приемника снова готов к работе?

После получения нулевого размера окна передатчик запускает специальный таймер, по истечении которого передатчик отправит пробный сегмент. Если буфер свободен, то приемник ответит на этот пробный сегмент и укажет новый размер окна, в противном случае снова укажет нулевое окно.


Итак подведем краткие итоги.
В таблице представлены сравнение протоколов UDP и TCP, а также функции, возложенные на транспортный уровень

Функции TCP UDP
Управление потоком Да Нет
Контроль над ошибками Да Нет
Скорость Медленный Быстрый
Установление соединения Да Нет
Использование в приложениях чувствительных к задержкам данных Нет (иногда допустимо) Да
Использование в приложениях менее чувствительных к задержкам данных Да Да (но не всегда)
Регулирование скорости передачи данных Да Нет
Запрос на повторную передачу потерянного или искаженного сегмента Да Нет
Многоканальный Да Да Назад

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

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) представляет собой стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и других подобных сетей (например, данный протокол используется и в ЛВС). Название TCP/IP произошло от двух наиболее важных протоколов:

  • IP (интернет протокол) - отвечает за передачу пакета данных от узла к узлу. IP пересылает каждый пакет на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-адрес).
  • TCP (протокол управления передачей) - отвечает за проверку корректной доставки данных от клиента к серверу. Данные могут быть потеряны в промежуточной сети. TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных данных и, как следствие, возможность запросить повторную передачу, до тех пор, пока данные корректно и полностью не будут получены.

Основные характеристики TCP/IP:

  • Стандартизованные протоколы высокого уровня, используемые для хорошо известных пользовательских сервисов.
  • Используются открытые стандарты протоколов, что дает возможность разрабатывать и дорабатывать стандарты независимо от программного и аппаратного обеспечения;
  • Система уникальной адресации;
  • Независимость от используемого физического канала связи;

Принцип работы стека протоколов TCP/IP такой же как и в модели OSI, данные верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней.

Если пакет продвигается по уровню сверху вниз - на каждом уровне добавляется к пакету служебная информация в виде заголовка и возможно трейлера (информации помещенной в конец сообщения). Этот процесс называется . Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере. Ее формат и интерпретация определяются протоколами данного уровня.

Если пакет продвигается по уровню снизу вверх - он разделяется на заголовок и данные. Анализируется заголовок пакета, выделяется служебная информация и в соответствии с ней данные перенаправляются к одному из объектов вышестоящего уровня. Вышестоящий уровень, в свою очередь, анализирует эти данные и также их разделяет их на заголовок и данные, далее анализируется заголовок и выделяется служебная информация и данные для вышестоящего уровня. Процедура повторяется заново пока пользовательские данные, освобожденные от всей служебной информации, не дойдут до прикладного уровня.

Не исключено, что пакет так и не дойдет до прикладного уровня. В частности, если компьютер работает в роли промежуточной станции на пути между отправителем и получателем, тогда объект, на соответствующем уровне, при анализе служебной информации определит, что пакет на этом уровня адресован не ему, в следствии чего, объект проведет необходимые мероприятия для перенаправления пакета к пункту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке. Но так или иначе не будет осуществлять продвижение данных на верхний уровень.

Пример инкапсуляции можно представить следующим образом:

Рассмотрим каждые функции уровней

Прикладной уровень

Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции представительного уровня и частично сеансового уровня модели OSI.

Распространенными примерами приложений являются программы:

  • Telnet
  • HTTP
  • Протоколы электронной почты (SMTP, POP3)

Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного модуля.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных меду двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные, с помощью транспортного уровня идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта.

Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняется номером порта. Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя по какому из прикладных процессов направленны данные и передает эти данные к соответствующему прикладному процессу.

Номер порта получателя и отправителя записывается в заголовок транспортным модулем отправляющим данные. Заголовок транспортного уровня содержит также и некоторую другую служебную информацию, и формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

Средства транспортного уровня представляют собой функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи:

  • обеспечение доставки данных между конкретными программами, функционирующими, в общем случае, на разных узлах сети;
  • обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера.

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола – UDP , обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами, и TCP , обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения.

Сетевой (межсетевой) уровень

Основным протоколом этого уровня является протокол IP, который доставляет блоки данных (дейтаграммы) от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-х битным идентификатором компьютера, точнее его сетевого интерфейса. Данные для дейтаграммы передаются IP модулю транспортным уровнем. IP модуль добавляет к этим данным заголовок, содержащий IP-адрес отправителя и получателя, и другую служебную информацию.

Таким образом, сформированная дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи, для отправки по каналу передачи данных.

Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом, часто чтобы передать дейтаграмму по назначению требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или ному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.

Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP адрес назначения, если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня, если же адрес назначения дейтаграммы чужой, то модуль IP может принять два решения:

  • Уничтожит дейтаграмму;
  • Отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования, так поступают промежуточные станции – маршрутизаторы .

Также может потребоваться на границе сетей, с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать их в единое целое на компьютере получателя. Это также задача протокола IP.

Также протокол IP может отправлять сообщения – уведомления с помощью протокола ICMP , например, в случае уничтожения дейтаграммы. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения или доставки, предварительного соединения в протоколе нет, эти задачи возложены на транспортный уровень.

Уровень доступа к среде

Функции этого уровня следующие:

  • Отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол ARP ;
  • Инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров, при этом не требуется какого-либо контроля безошибочной передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису SAP, это поле содержащее код протокола;
  • Определение метода доступа к среде передачи, т.е. способа, с помощью которого компьютеры устанавливает свое право на передачу данных;
  • Определение представления данных в физической среде;
  • Пересылка и прием кадра.

Рассмотрим инкапсуляцию на примере перехвата пакета протокола HTTP с помощью сниффера wireshark, который работает на прикладном уровне протокола TCP/IP:


Помимо самого перехваченного протокола HTTP, на основании стека TCP/IP сниффер описывает каждый нижележащий уровень. HTTP инкапсулируется в TCP, протокол TCP в IPv4, IPv4 в Ethernet II.

  • Системное администрирование ,
  • Стандарты связи

    • 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: 192.168.30.3

    Важно 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:
    1. 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.
    2. 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» .
    3. 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.
    Из-за чего при большом количестве компьютеров снижается скорость сети? - причина проста: из-за большого количества широковещательных сообщений (ШС). ШС - это сообщение, которое, приходя на коммутатор, отправляется всем хостам сети. Или, грубо говоря, всем компьютерам, находящимся в вашей подсети. Если компьютеров в сети 5, то каждый компьютер будет принимать по 4 ШС. Если их будет 200, то каждый компьютер в такой большой сети будет принимать по 199 ШС.

    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.