Что такое TCP/IP и зачем они нужны
В одной из предыдущих статей мы выяснили, что такое как таковой протокол в ИТ и зачем он нужен. Кратко так:
- Компьютеры могут общаться между собой.
- Для этого им нужно договориться о языке общения — это и есть протокол.
- Протоколы бывают физическими — какие вольты, амперы, радиочастоты и модуляции использовать оборудованию.
- Протоколы бывают логическими — как понимать сигналы, закодированные в этих вольтах и модуляциях.
- Существует целый стек протоколов — как многослойный пирог. В фундаменте там вольты и амперы, потом основы языка, потом сложные конструкции языка и на самой верхушке — как должны общаться приложения. Этот стек (или модель) называют OSI — Open Systems Interconnection Model.
Сегодня поговорим о протоколах TCP/IP — именно они отвечают за работу всего интернета и позволяют нам отправлять запросы на сервер в другой стране и получать в ответ гифки, музыку и всё остальное.
Коротко: что такое и зачем нужны TCP/IP
- TCP/IP — это названия протоколов, которые лежат в основе интернета. Благодаря им компьютеры обмениваются данными, не мешая друг другу.
- Оба протокола отвечают за передачу данных, но IP просто отправляет их в сеть, а TCP ещё следит за тем, чтобы эти данные попали по нужному адресу.
- В TCP встроено подтверждение получения, поэтому при хорошей связи данные точно дойдут до получателя.
Что такое TCP/IP
TCP/IP — общее стандартное название двух протоколов, TCP и IP. Они стоят рядом потому, что протокол TCP работает поверх IP, а вместе эти протоколы образуют универсальный стек протоколов передачи данных.
TCP — это протокол управления передачей (Transmission Control Protocol). Его задача — управлять отправкой данных и следить за тем, чтобы они были гарантированно приняты получателем. Именно гарантия получения данных и сделала этот протокол таким востребованным. Про гарантированную доставку расскажем чуть позже.
IP — протокол, который отвечает за адресацию: чтобы нужные данные долетели до нужного компьютера. Его основная задача — логически соединить компьютеры между собой, чтобы можно было отправлять данные от одного к другому. Для этого он выделяет IP-адреса, строит маршруты доставки пакетов, а главное — умеет организовать передачу данных с помощью пакетов.
- IP-протокол знает, ЧТО нужно сделать, чтобы доставить данные от одного компьютера к другому;
- а TCP-протокол знает, КАК это сделать и при этом убедиться, что получатель точно получил все свои пакеты.
Пакетная передача данных
Когда один компьютер хочет передать что-то другому, то он не отправляет байт за байтом по очереди. Вместо этого он отправляет данные мелкими порциями, а получатель собирает из них исходные данные. Этим как раз занимаются протоколы — разбивают всё на части и склеивает заново, потому что каждый пакет пронумерован.
Пакет может быть размером от 1 до 64 килобайт, но в нём всегда есть несколько обязательных полей — по ним протокол понимает, кому какие данные нужно передать.
Гарантированная доставка пакетов
Протокол TCP следит за тем, пришли к получателю отправленные данные или нет и нужно ли их отправить заново. Для этого в нём есть механизм подтверждения: после очередной порции данных получатель отправляет сигнал, что данные получены, а отправитель дожидается этого сигнала.
Если сигнала подтверждения нет, то протокол отправляет этот же пакет данных ещё раз — мало ли что. Если подтверждения нет несколько раз подряд, то протокол выдаёт сообщение об ошибке и закрывает соединение.
Но если подтверждать получение каждого пакета, то на это будет уходить очень много времени: при скорости сети в 100 мегабит в секунду реальная скорость передачи данных будет около 50 килобит в секунду. А всё потому, что отправитель не будет передавать новые данные, пока не получит подтверждение по предыдущему пакету. В итоге почти всё время сеть будет занята не передачей данных, а подтверждениями и подтверждениями подтверждений.
Чтобы не было таких задержек, в протоколе предусмотрели кумулятивное и выборочное подтверждение:
- В кумулятивном получатель подтверждает приём последнего пакета и всех предыдущих.
- В выборочном — подтверждает диапазон пакетов, которые он получил. Если какого-то пакета нет в подтверждении, отправитель посылает его заново. Это одна из оптимизаций работы протокола, и в TCP таких оптимизаций много — благодаря им у нас шустрый интернет с быстрыми подтверждениями.
По умолчанию используется кумулятивное подтверждение, например, каждых 100 пакетов:
И что с того?
Связка протоколов TCP/IP делает так, чтобы мы могли отправить данные куда-то в интернет и они точно дошли. Всё это происходит быстро, незаметно для нас, где-то в глубинах наших компьютеров и телефонов.
При этом связка TCP/IP — не единственная, которая бывает. Например, есть ещё UDP/IP, которая чаще используется в онлайн-играх и видеосозвонах — там нет подтверждения получения пакетов, просто данные льются без конца.
Если вы не инженер или не разработчик сетевых систем, вам не нужно в этом разбираться — вы просто пользуетесь этим каждый день. Но зато теперь вы знаете, как это работает.
Если интересно делать быстрые высоконагруженные системы, посмотрите на программу курса «Яндекс Практикума». Понятная теория, тренажеры, поддержка ревьюеров и обучение в группе, всё как надо.
Пакет. Структура пакета
Назначение любой сети – обмен данными (информацией) между компьютерами.
Данные обычно содержатся в больших по размерам файлах (блоках). Однако сети не будут нормально работать, если компьютер посылает этот блок данных целиком. Существуют две причины, замедляющие работу сети при передаче по кабелю больших блоков данных.
Во-первых, такой блок, посылаемый одним компьютером, заполняет кабель и «связывает» работу всей сети, т.е. препятствует взаимодействию остальных сетевых компонентов до окончания передачи.
Во-вторых, возникновение ошибок при передаче крупных блоков приведет к повторной передаче всего блока. А если поврежден небольшой блок данных, то требуется повторная передача именно этого небольшого блока, что значительно экономит время.
Разбиение данных на небольшие управляемые блоки позволяет ускорить передачу и обеспечить практически одновременную передачу информации несколькими компьютерами. При этом компьютеры не тратят время на ожидание.
Эти небольшие блоки называются пакетами (кадрами). Пакет – основная единица информации в компьютерных сетях.
При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает настолько, что каждый компьютер в сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными компьютерами.
Разбиение данных на пакеты осуществляет компьютер-отправитель (источник). На компьютере-получателе пакеты накапливаются и выстраиваются в должном порядке для восстановления исходного вида данных.
Пакеты могут содержать несколько типов данных:
— информацию (например, сообщения или файлы);
— определенные виды данных и команд, управляющих компьютером (например, запросы к службам);
— коды управления сеансом (например, запрос на повторную передачу для исправления ошибки).
При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию. Она обеспечивает:
— передачу исходных данных небольшими блоками;
— сбор данных при получении в исходном порядке;
— проверку данных после сборки на наличие ошибок.
Структура пакета. Любой пакет состоит из 3-х обязательных компонентов:
Заголовок. Заголовок содержит:
— адрес источника, идентифицирующий компьютер – отправитель;
— адрес место назначения, идентифицирующий компьютер получатель;
— инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;
— информацию компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде.
Данные. Эту часть пакета составляет информация, которую необходимо передавать. В зависимости от типа сети её размер составляет от 512 байтов до 4(Кб).
Так как обычно размер исходных данных гораздо больше 4 Кб, для помещения в пакет их необходимо разбивать на мелкие блоки. При передаче объемного файла может потребоваться много пакетов.
Трейлер. Трейлер содержит информацию для проверки ошибок, обеспечивающую корректность передачи. Эта информация носит название циклический избыточный код (CRC). Это число, получаемое в результате математических преобразований над пакетом с исходной информацией. Когда пакет достигает место назначения, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с CRC, – пакет принят без ошибок. В противном случае необходимо повторить передачу пакета, поскольку при передаче данные изменились.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: