Сетевые протоколы: для чего нужны и как устроены
Что это такое? Сетевые протоколы – это своды правил, по которым участники сети взаимодействуют между собой. Причем такие связи могут быть прописаны как на аппаратном уровне, так и на программном.
Какими бывают? Всего сетевых протоколов насчитывается около 7000, но большая их часть применяется для решения узких задач. В целом их можно классифицировать по системам, в которых они работают, а таковых всего две: TCP\IP и OSI.
Понятие сетевого протокола
Все устройства, подключенные к сети, взаимодействуют друг с другом на одном уровне, обмениваясь сообщениями в заданной последовательности и в определенном формате. Сетевой протокол — это именно порядок такого взаимодействия, некая система форм и правил, представленная как набор процедур для каждого уровня сетевой иерархии.
Специалисты этим понятием чаще всего описывают регламент общения двух узлов, расположенных в разных местах сети, но находящихся на одном уровне. Несколько протоколов разных уровней могут работать согласованно и организовывать, таким образом, межсетевое взаимодействие.
Такая система называется стеком протоколов, где протоколы являются средством реализации данного взаимодействия. Здесь можно провести аналогию с неким алгоритмом решения задачи и программой, выполняющей данный алгоритм.
Каждый протокол может быть программно реализован несколькими способами. Так, компания Microsoft для своей системы Windows NT внедрила регламент IPX, представленный в виде ПО NWLink. Этот же протокол реализовала Novell, но он отличается своими характеристиками.
Поэтому сравнивать аналогичные протоколы от разных компаний следует не только по их функциональности, но и по качеству программной реализации. Немаловажно учитывать также и качество стека протоколов. От распределения функций между элементами этой многоуровневой структуры и от определения интерфейсов между ними зависит в итоге эффективность взаимодействия сетевых устройств.
Реализация протоколов обеспечивается не только аппаратными и программными возможностями компьютеров. В этом участвуют и отдельное коммуникационное оборудование. Тип конкретного устройства определяет, какие именно средства встроены в это устройство, чтобы реализовать некий набор протоколов.
Сетевые протоколы Интернета
Компьютерная сеть чаще всего рассматривается как горизонтальная, плоская система. Обычно речь идет о протоколах интернета верхнего уровня и конкретного приложения. Однако установить связь между любыми двумя сетевыми устройствами можно лишь с внедрением вертикальных абстрактных уровней.
А значит, для каждого слоя требуется свой протокол, и для создания соединения эти протоколы должны работать одновременно, друг поверх друга. Данные передаются от нижнего слоя к верхнему, при этом абстрагируясь и упрощаясь, становясь в итоге максимально простыми для восприятия конечным приложением.
Принято выделять 7 таких уровней абстракции, нижние из которых зависят от используемого оборудования. Передаваемая же информация будет всегда иметь один и тот же вид. Передача данных на другое сетевое устройство осуществляется на самом низком уровне, затем эти данные проходят все уровни у получателя в обратном порядке. Каждый абстрактный слой добавляет необходимую информацию для дальнейших операций с полученными пакетами.
OSI (Open Systems Interconnect)
В сетевых протоколах OSI как многоуровневая модель использовалась изначально. В соответствии с ней существует 7 уровней:
На самом верхнем уровне конечный пользователь работает с интернетом через приложения, передавая в сеть данные и не задумываясь о технологии передачи.
Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.
Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!
Скачивайте и используйте уже сегодня:
Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023
Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда
Подборка 50+ ресурсов об IT-сфере
Только лучшие телеграм-каналы, каналы Youtube, подкасты, форумы и многое другое для того, чтобы узнавать новое про IT
ТОП 50+ сервисов и приложений от Geekbrains
Безопасные и надежные программы для работы в наши дни
Передаваемые данные, находясь на более низком уровне, приобретают вид, понятный для программного обеспечения получателя.
Здесь осуществляется подготовка соединения между отправителем и получателем для последующей передачи данных.
На этом уровне OSI данные непосредственно передаются. После этого обоими узлами осуществляется проверка успешной доставки пакетов.
Протоколы сетевого уровня применяются для маршрутизации данных до тех пор, пока данные не будут получены удаленным компьютером. Для этого пакеты иногда разбиваются на более мелкие фрагменты, которые затем собираются обратно получателем.
Определяется способ соединения с удаленным устройством, обеспечивается стабильность этого соединения. Для этого применяются соответствующие аппаратные средства.
Самый нижний физический уровень служит для обработки данных устройствами и программным обеспечением для управления соединением (Ethernet, Wi-Fi).
Итак, прежде чем достичь аппаратного обеспечения, информация проходит через несколько слоев.
TCP/IP
Используемые сетевые протоколы в интернете работают чаще всего по модели TCP/IP. По сравнению с OSI количество уровней здесь сокращено до четырех:
На данном уровне обеспечиваются соединение между двумя компьютерами и передача данных от одного к другому. При этом приложения рассматриваются как установленные локально, даже если они расположены на удаленных системах.
Следующий уровень ответственен за взаимодействие процессов. Выбор целевого приложения для передачи данных и необходимого для этого протокола выполняется с помощью портов.
Этот уровень служит для обеспечения доставки данных от одного узла к другому по интернету, а также для определения IP-адресов. При этом должны быть известны отправитель и получатель, однако сама связь не реализуется.
Здесь непосредственно обеспечивается физическое соединение двух узлов, чтобы конечные устройства могли свободно обмениваться данными вне зависимости от применяемых технологий.
Модель TCP/IP отличается меньшей абстрактностью. Она более понятна и поэтому предпочтительна среди пользователей. Здесь отсутствует какая-либо привязка к программным техническим операциям. Тем не менее, обе рассмотренные модели вполне пригодны для изучения принципов работы конкретной сети.
Идея в том и в другом случае одинакова: данные перед отправкой упаковываются с использованием нескольких протоколов, передаются по нескольким сетевым узлам до получателя и затем распаковываются в обратном порядке. Для конечных приложений сам факт прохождения этой информации через сеть может быть скрыт — данные будто бы просто копируются в пределах одной локальной машины.
Сетевые протоколы транспортного уровня
IP
Глобальный интернет-протокол (IP) объединил все компьютеры в одну сеть. Это самая простая технология, созданная прежде всего для маршрутизации дейтаграмм. Проще говоря, этот протокол определяет маршрут движения пакетов по сетевым узлам. Каждое устройство, подключенное к сети, идентифицируется по IP-адресу для того, чтобы пакеты доходили до нужного адресата. Таким устройством может быть, например, компьютер или удаленный принтер.
Сетевые протоколы канального уровня (в том числе IP), однако, обладают низкой надежностью. Здесь отсутствует обязательная проверка успешной доставки пакетов и целостности этих пакетов. Этот протокол лишь пересылает данные.
Перед отправкой пакетов необходимо определить целевой порт. Специально для этого в данном случае введена отдельная адресная система. Адрес сетевого протокола IP может представлять собой либо 32-битную (для 4 версии), либо 128-битную (для 6 версии) запись. В отправляемый пакет заранее заносится техническая информация: заголовок (header) и сведения для доставки (payload).
Версии протокола отличаются разрядностью: IPv4 состоит из четырех разделов и поддерживает 32 разряда, вмещая до 4 294 967 296 адресов. Используется по умолчанию и отличается простотой. Главным недостатком четвертой версии можно назвать весьма ограниченный адресный ресурс.
Протокол IPv6 является уже 128-битной системой и поддерживает гораздо больший адресный диапазон. Здесь доступно примерно 2 в 128 степени адресов, записываемых как последовательность 32-х шестнадцатеричных чисел, равномерно сгруппированных по 8-ми разделам. Этот протокол, напротив, достаточно сложен для администрирования. Поэтому хостеры предоставляют в аренду серверы с установленным по умолчанию IPv4. Хотя арендаторы обычно вправе попросить изменить протокол на IPv6.
Поверх сетевого протокола IP могут работать и другие. Одним из основных является TCP, поэтому обычно обозначается связка TCP/IP.
TCP
Позволяет узлам интернета обмениваться информацией. С точки зрения модели OSI действует на транспортном уровне.
Передача файлов осуществляется после их дробления, после чего эти файлы на стороне получателя собираются обратно. Поясним это на примере загрузки веб-сайта. После запроса нужной страницы пользователем удаленный сервер отправляет в ответ HTML-файл. Данный процесс происходит по протоколу HTTP. Чтобы установить соединение, HTTP сначала обращается к уровню TCP, а после этого отправляет требуемый файл пользователю. Роль протокола TCP состоит в конвертации отправляемых данных в блоки на стороне сервера, установки соединения и подтверждения получения этих данных на стороне пользователя.
Сетевой протокол TCP обладает следующими функциями:
Система автоматически отслеживает проходящие через узел сегменты и нумерует их по порядку. При этом каждый байт данных, подлежащих передаче, получает свой определенный номер.
В протокол встроена функция ограничения скорости передачи данных отправителем. Необходимость в этом возникает для обеспечения надежной доставки. Адресат постоянно информирует отправителя о возможном объеме получаемых данных.
Эта функция проверяет пересылаемые байты на целостность и призвана повысить таким образом надежность доставки.