Стек протоколов tcp/ip: структура, уровни, настройка. интернет-протоколы

Стек протоколов, снова канальный уровень

О канальном уровне модели TCP/IP мы рассказали меньше всего, давайте вернемся еще раз к началу, чтобы рассмотреть инкапсуляцию протоколов и, что значит «стек».

Большинству пользователей знаком протокол Ethernet. В сети, по стандарту Ethernet, устройства отправителя и адресата имеют определенный MAC-адрес — идентификатор «железа». MAC-адрес инкапсулируется в Ethernet вместе с типом передаваемых данных и самими данными. Фрагмент данных, составленных в соответствии с Ethernet называется фреймом или кадром (frame).

MAC-адрес каждого устройства уникален и двух «железок» с одинаковым адресом не должно существовать, хотя порой такое случается, что приводит к сетевым проблемам. Таким образом, при получении сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации из кадра и ее дальнейшей обработкой.

После ознакомления с уровневой структурой модели становится понятно, что информация не может передаваться между двумя компьютерами напрямую. Сначала кадры передаются на межсетевой уровень, где компьютеру отправителя и компьютеру получателя назначается уникальный IP. После чего, на транспортном уровне, информация передается в виде TCP-фреймов либо UDP-датаграмм.

На каждом этапе, подобно снежному кому, к уже имеющейся информации добавляется служебная информация, например, порт на прикладном уровне, необходимый для идентификации сетевого приложения. Добавление служебной информации к основной обеспечивают разные протоколы — сначала Ethernet, поверх него IP, еще выше TCP, над ним порт, означающий приложение с делегированным ему протоколом. Такая вложенность называется стеком, названным TCP/IP по двум главным протоколам модели.

Что такое IP-адрес

У всех он есть, но не все имеют представление что за адрес такой и почему вообще без него нельзя. Рассказываю.

IP-адрес  — 32-х битное число, используемое для идентификации компьютера в сети. Адрес принято записывать десятичными значениями каждого октета этого числа с разделением полученных значений точками. Например, 192.168.101.36

IP-адреса уникальны, — это значит, что каждый компьютер имеет свое собственное сочетание цифр, и в сети не может быть двух компьютеров с одинаковыми адресами. IP-адреса распределяются централизованно, интернет-провайдеры делают заявки в национальные центры в соответствии со своими потребностями. Полученные провайдерами диапазоны адресов распределяются дальше между клиентами. Клиенты, в свою очередь, сами могут выступать в роли провайдера и распределять полученные IP-адреса между субклиентами и т.д. При таком способе распределения IP-адресов компьютерная система точно знает «расположение» компьютера, имеющего уникальный IP-адрес; — ей достаточно переслать данные в сеть «владельца», а провайдер в свою очередь проанализирует пункт назначения и, зная, кому отдана эта часть адресов, отправит информацию следующему владельцу поддиапазона IP-адресов, пока данные не поступят на компьютер назначения.

Для построения же локальных сетей выделены спец.диапазоны адресов. Это адреса 10.x.x.x, 192.168.x.x, 10.x.x.x, c 172.16.x.x по 172.31.x.x, 169.254.x.x, где под x- имеется ввиду любое число это от 0 до 254. Пакеты, передаваемые с указанных адресов, не маршрутизируется, иными словами, попросту не пересылаются через Интернет, а поэтому в различных локальных сетях компьютеры могут иметь совпадающие адреса из указанных диапазонов. Т.е., в компании ООО «Рога и копыта» и ООО «Вася и компания» могут находится два компьютера с адресами 192.168.0.244, но не могут, скажем, с адресами 85.144.213.122, полученными от провайдера интернета, т.к. в интернете не может быть два одинаковых IP-адреса. Для пересылки информации с таких компьютеров в Интернет и обратно используются спец.программы и устройства, которые заменяют локальные адреса реальными при работе с интернетом. Иными словами, данные в Сеть пересылаются с реального IP-адреса, а не с локального. Этот процесс происходит не заметно для пользователя и называется трансляцией адресов. Хочется так же упомянуть, что в рамках одной сети, скажем, компании, ООО «Рога и копыта», не может быть два компьютера с одним локальным IP-адресом, т.е., в указанном выше примере имелось ввиду, что один компьютер с адресом 192.168.0.244 в одной компании, второй с таким же адресом — в другой. В одной же компании два компьютера с адресом 192.168.0.244 попросту не уживутся.

Вы наверняка слышали такие термины как внешний IP и внутренний IP, постоянный (статический IP) и переменный (динамический) IP. В двух словах о них:

• внешний IP — это как раз тот самый IP, который выдает Вам провайдер, т.е. Ваш уникальный адрес в интернете, например, — 85.144.24.122
• внутренний IP, — это локальный IP, т.е. Ваш IP в локальной сети, например, — 192.168.1.3
• статический IP — это IP, который не меняется с каждым подключением, т.е. закреплен за Вами твердо и навсегда
• динамический IP, — это плавающий IP-адрес, который меняется с каждым подключением

Тип Вашего IP (статический или динамический) зависит от настроек провайдера.

TCP/IP vs OSI

Модель OSI определяет принципы передачи данных. Уровни стека протоколов TCP/IP прямо соответствуют этой модели. В отличие от четырехуровневого TCP/IP имеет 7 уровней:

1. Физический (Physical).
2. Канальный (Data Link).
3. Сетевой (Network).
4. Транспортный (Transport).
5. Сеансовый (Session).
6. Представительский (Presentation).
7. Прикладной (Application).

В данный момент не стоит сильно углубляться в эту модель, но необходимо хотя бы поверхностное понимание.

Прикладной уровень в модели TCP/IP соответствует трем верхним уровням OSI. Все они работают с приложениями, поэтому можно отчетливо проследить логику такого объединения. Такая обобщенная структура стека протоколов TCP/IP способствует облегченному пониманию абстракции.

Транспортный уровень остается без изменений. Выполняет одинаковые функции.

Сетевой уровень также не изменен. Выполняет ровно те же задачи.

Канальный уровень в TCP/IP соответствует двум последним уровням OSI. Канальный уровень устанавливает протоколы передачи данных через физическую среду.

Физический представляет собой собственно физическую связь — провода, кабели, электрические сигналы, коннекторы и т.п. В стеке протоколов TCP/IP было решено объединить эти два уровня в один, так как они оба работают с физической средой.

Назначение TCP

TCP/IP — это средство для обмена информацией между компьютерами, объединенными в сеть. Не имеет значения, составляют ли они часть одной и той же сети или подключены к отдельным сетям. Не играет роли и то, что один из них может быть компьютером Cray, а другой Macintosh. TCP/IP — это не зависящий от платформы стандарт, который перекидывает мосты через пропасть, лежащую между разнородными компьютерами, операционными системами и сетями. Это протокол, который глобально управляет Internet, и в значительной мере благодаря сети TCP/IP завоевал свою популярность.

Основными протоколами стека, давшими ему название, являются протоколы IР и ТСР. Эти протоколы в терминологии модели 051 относятся к сетевому и транспортному уровням соответственно. IР обеспечивает продвижение пакета по составной сети, а ТСР гарантирует надежность его доставки.

Причина, по которой TCP/IP столь важен сегодня, заключается в том, что он позволяет самостоятельным сетям подключаться к Internet или объединяться для создания частных интрасетей. Вычислительные сети, составляющие интрасеть, физически подключаются через устройства, называемые маршрутизаторами или IP-маршрутизаторами.

Маршрутизатор — это компьютер, который передает пакеты данных из одной сети в другую. В интрасети, работающей на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся «близкими родственниками». По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. Точно так же, как подключения к сети Ethernet распознаются по 48-разрядным идентификаторам Ethernet, подключения к интрасети идентифицируются 32-разрядными IP-адресами, которые мы выражаем в форме десятичных чисел, разделенных точками (например, 128.10.2.3). Взяв IP-адрес удаленного компьютера, компьютер в интрасети или в Internet может отправить данные на него, как будто они составляют часть одной и той же физической сети.

TCP/IP дает решение проблемы данными между двумя компьютерами, подключенными к одной и той же интрасети, но принадлежащими различным физическим сетям. Решение состоит из нескольких частей, причем каждый член семейства протоколов TCP/IP вносит свою лепту в общее дело. IP — самый фундаментальный протокол из комплекта TCP/IP — передает IP-дейтаграммы по интрасети и выполняет важную функцию, называемую маршрутизацией, по сути дела это выбор маршрута, по которому дейтаграмма будет следовать из пункта А в пункт B, и использование маршрутизаторов для «прыжков» между сетями.

Особенности TCP

Поскольку стек ТСР/IР изначально создавался для глобальной сети Internet он имеет много особенностей, дающих ему преимущество перед другими протоколами, когда речь заходит о построении сетей, включающих глобальные связи. В частности, очень полезным свойством, делающим возможным применение этого протокола в больших сетях, является его способность фрагментировать пакеты. Действительно, большая составная сеть часто состоит из сетей, построенных на совершенно разных принципах. В каждой из этих сетей может быть установлена собственная величина максимальной длины единицы передаваемых данных (кадра). В таком случае при переходе из одной сети, имеющей большую максимальную длину, в сеть с меньшей максимальной длиной может возникнуть необходимость деления передаваемого кадра на несколько частей. Протокол IP стека ТСР/IР эффективно решает эту задачу.

Другой особенностью технологии ТСР/IР является гибкая система адресации, позволяющая более просто по сравнению с другими протоколами аналогичного назначения включать в интерсеть сети других технологий. Это свойство также способствует применению стека ТСР/IР для построения больших гетерогенных сетей.

В стеке ТСР/ IР очень экономно используются возможности широковещательных рассылок. Это свойство совершенно необходимо при работе на медленных каналах связи, характерных для территориальных сетей.

Описание модели TCP/IP в технической литературе

В модели TCP/IP, в отличие от модели OSI, физический уровень никак не описывается. Тем не менее, в некоторых учебниках, для лучшего понимания, описывается «гибридная модель TCP/IP — OSI» из 5 уровней, содержащая дополнительный — физический уровень.

Следующая таблица показывает различные вариации в описании модели TCP/IP. Количество уровней варьируется от трёх до семи.

Механизмы протокола HTTP

При более внимательном рассмотрении этот пример показывает, как приложения на каждом конечном компьютере (приложение веб-браузера и приложение веб-сервера) используют протокол прикладного уровня TCP/IP. Чтобы сделать запрос веб-страницы и вернуть содержимое веб-страницы, приложения используют протокол передачи гипертекста (HTTP).

HTTP не существовал до тех пор, пока Тим Бернерс-Ли не создал первый веб-браузер и веб-сервер в начале 1990-х годов. Бернерс-Ли предоставил HTTP функцию для запроса содержимого веб-страниц, а именно, предоставив веб-браузеру возможность запрашивать файлы с сервера и дав серверу возможность возвращать содержимое этих файлов. Общая логика соответствует тому, что показано на рисунке 1; на рисунке 2 показана та же идея, но с подробностями, относящимися к HTTP.

ПРИМЕЧАНИЕ. Полная версия большинства веб-адресов, также называемых унифицированными указателями ресурсов (URL, Uniform Resource Locators) или универсальными идентификаторами ресурсов (URI, Universal Resource Identifiers), начинается с букв http, что означает, что для передачи веб-страниц используется HTTP.

Рисунок 2 – HTTP запрос GET, HTTP ответ и одно сообщение только с данными

Чтобы получить веб-страницу от Гарри, Роб на этапе 1 отправляет сообщение с заголовком HTTP. Обычно протоколы используют заголовки как место для размещения информации, используемой этим протоколом. Этот HTTP заголовок включает запрос на «получение» файла. Запрос обычно содержит имя файла (в данном случае home.htm), или, если имя файла не упоминается, веб-сервер предполагает, что Бобу нужна веб-страница по умолчанию.

Шаг 2 на рисунке 2 показывает ответ веб-сервера Гарри. Сообщение начинается с HTTP заголовка с кодом состояния (200), который означает нечто простое, например, «ОК», возвращаемое в заголовке. HTTP также определяет другие коды состояния, чтобы сервер мог сообщить браузеру, сработал ли запрос (например: если вы когда-нибудь искали веб-страницу, которая не была найдена, и получили ошибку HTTP 404 «не найдена», вы получили HTTP код состояния 404). Второе сообщение также включает начальную часть запрошенного файла.

Шаг 3 на рисунке 2 показывает еще одно сообщение от веб-сервера Гарри веб-браузеру Роба, но на этот раз без HTTP заголовка. HTTP передает данные, отправляя несколько сообщений, каждое из которых является частью файла. Вместо того, чтобы тратить место на отправку повторяющихся HTTP заголовков, содержащих повторяющуюся информацию, эти дополнительные сообщения просто пропускают заголовок.

Обзор сетевой модели TCP/IP

Модель TCP/IP определяет и опирается на большой набор протоколов, которые позволяют компьютерам обмениваться данными. Чтобы определить протокол, TCP/IP использует документы, называемые RFC (Requests For Comments) (вы можете найти эти RFC в Интернете с помощью любой поисковой системы). Модель TCP/IP также позволяет избежать повторения работы, уже проделанной другим органом по стандартизации или консорциумом производителей, просто ссылаясь на стандарты или протоколы, созданные этими группами. Например, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определяет локальные сети Ethernet; модель TCP/IP не определяет Ethernet в RFC, но в качестве дополнения ссылается на IEEE Ethernet.

Модель TCP/IP создает набор правил, который позволяет всем нам вынуть компьютер (или мобильное устройство) из коробки, подключить все нужные кабели, включить его, подключиться к сети и использовать ее. Вы можете использовать веб-браузер для подключения к любимому веб-сайту, использовать практически любое приложение, и всё это работает. Как? Что ж, операционная система на компьютере реализует части модели TCP/IP. Сетевая карта Ethernet или карта беспроводной локальной сети, встроенная в компьютер, реализует стандарты локальной сети, на которые ссылается модель TCP/IP. Проще говоря, производители, создавшие аппаратное и программное обеспечение, реализовали TCP/IP.

Чтобы помочь людям понять сетевую модель, каждая модель разбивает функции на небольшое количество категорий, называемых уровнями. Каждый уровень включает в себя протоколы и стандарты, относящиеся к своей категории функций. Данное разбиение показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Уровни сетевой модели TCP/IP

Модель TCP/IP показывает общие термины и уровни, используемые сегодня, когда люди говорят о TCP/IP.

Нижний (физический) уровень фокусируется на том, как передавать биты по каждому отдельному каналу.

Канальный уровень ориентирован на отправку данных по одному типу физического канала: например, сети используют отличающиеся протоколы канала передачи данных для локальных сетей Ethernet по сравнению с беспроводными локальными сетями.

Сетевой (межсетевой) уровень фокусируется на доставке данных по всему пути от исходного компьютера-отправителя до конечного компьютера-получателя.

И два верхних уровня больше ориентированы на приложения, которым необходимо отправлять и получать данные.

ПРИМЕЧАНИЕ. В RFC 1122 используется несколько отличная четырехуровневая оригинальная версия модели TCP/IP (в которой физический и канальный уровни были объединены в уровень сетевого доступа), но и для реальных сетей, и для сегодняшней сертификации CCNA (2020 год, информация из «CCNA 200-301 Official Cert Guide» Уенделла Одома), используйте пятиуровневую модель, показанную здесь на рисунке 2.

Многие из вас уже слышали о нескольких протоколах TCP/IP (примеры, которых перечислены в таблице 1). Большинство протоколов и стандартов в этой таблице будут объяснены позже более подробно.

Далее в этой главе мы более подробно рассмотрим уровни модели TCP/IP.

Транспортный уровень

Транспортный уровень устанавливает основные каналы данных, которые приложения используют для обмена данными для конкретных задач. Уровень устанавливает соединение между хостами в форме услуг сквозной передачи сообщений, которые не зависят от базовой сети и от структуры пользовательских данных и логистики обмена информацией. Возможности подключения на транспортном уровне можно разделить на две категории: ориентированные на установление соединения , реализованные в TCP, или не связанные с установлением соединения , реализованные в UDP. Протоколы в этом слое могут обеспечить контроль ошибок , сегментацию , управление потоком , управление перегрузкой и применение адресации ( номера портов ).

С целью предоставления специфичных для процесса каналов передачи для приложений, уровень устанавливает понятие сетевого порта . Это пронумерованная логическая конструкция, выделенная специально для каждого из каналов связи, необходимых приложению. Для многих типов служб эти номера портов были стандартизированы, чтобы клиентские компьютеры могли обращаться к конкретным службам серверного компьютера без участия службы обнаружения или служб каталогов .

Поскольку IP обеспечивает доставку только с максимальной эффективностью , некоторые протоколы транспортного уровня обеспечивают надежность.

TCP — это протокол, ориентированный на соединение, который решает многочисленные проблемы надежности при обеспечении надежного потока байтов :

• данные поступают по порядку
• данные имеют минимальную ошибку (т.е. правильность)
• повторяющиеся данные отбрасываются
• потерянные или отброшенные пакеты повторно отправляются
• включает контроль заторов на дорогах

Новый протокол передачи управления потоком (SCTP) также является надежным транспортным механизмом с установлением соединения. Он ориентирован на поток сообщений, а не на поток байтов, как TCP, и обеспечивает несколько потоков, мультиплексированных по одному соединению. Она также обеспечивает Многодомность поддержку, в котором соединительный конец может быть представлен несколькими IP — адресами (представляющих несколько физических интерфейсов), так что , если один выходит из строя, соединение не прерывается. Первоначально он был разработан для приложений телефонии (для передачи SS7 по IP).

Надежность также может быть достигнута за счет использования IP по надежному протоколу передачи данных, например High-Level Data Link Control (HDLC).

User Datagram Protocol (UDP) является установление соединения дейтаграммы протокола. Как и IP, это ненадежный протокол, требующий максимальных усилий. Надежность достигается путем обнаружения ошибок с использованием алгоритма контрольной суммы. UDP обычно используется для таких приложений, как потоковая передача мультимедиа (аудио, видео, передача голоса по IP и т

Д.), Где своевременное поступление более важно, чем надежность, или для простых приложений запросов / ответов, таких как поиск DNS , где накладные расходы на настройку надежное соединение непропорционально велико. Транспортный протокол реального времени (RTP) — это протокол дейтаграмм, который используется поверх UDP и предназначен для данных в реальном времени, таких как потоковая передача мультимедиа .

Приложения на любом заданном сетевом адресе различаются по их TCP- или UDP-порту. По соглашению, некоторые хорошо известные порты связаны с конкретными приложениями.

Транспортный уровень модели TCP / IP или уровень хост-хост примерно соответствует четвертому уровню в модели OSI, также называемому транспортным уровнем.

Сетевые протоколы TCP/IP, NWLink IPX/SPX, NetBEUI

Давайте начнем с того, что вообще такое сетевой протокол и с чем его едят.Сетевой протокол — это набор программно реализованных правил общения между компьютерами. Этакий язык, на котором компьютеры разговаривают друг с другом и передают информацию. Ранее компьютеры были, так сказать, многоязычны и в старых версиях Windows использовался целый набор протоколов, — TCP/IP, NWLink IPX/SPX, NetBEUI. Ныне же пришли к общей договоренности, и стандартом стало использование исключительно протокола TCP/IP, а посему речь далее пойдет именно о нем.

Когда говорят о TCP/IP, то обычно подразумевают под этим именем множество различных.. правил или, скажем, стандартов, которые прописаны с использованием (или под использование) этого протокола. Так, например, есть правила, по которым осуществляется обмен сообщениями между почтовыми серверами и есть правила, по которым конечный пользователь получает в свой ящик письма. Имеются правила для проведения видео-конференций и правила для организации «телефонных» переговоров по Интернету. Фактически, это даже не то чтобы правила.. Скорее этакая грамматика, что ли. Ну знаете, в английском одна структура построения диалогов, в французском другая.. Вот и в TCP/IP нечто подобное, т.е. некая связка различных грамматических правил представляет собой как раз цельный протокол TCP/IP или, точнее говоря, стек протоколов TCP/IP.

Что такое TCP/IP

TCP/IP — это набор протоколов, специальных правил, которые упорядочивают и обеспечивают надежный обмен информацией среди устройств, объединенных в сеть. Это может быть локальная сетка из двух компьютеров, так и глобальная паутина.

Полностью пишется, как, Transmission Control Protocol/Internet Protocol, что в переводе означает — Протокол управления передачи/Интернета.

Позволяет взаимодействовать между собой устройствам, находящимся в разных сетях и с различными операционными системами, например, между Windows, Mac OS, Linux и т.д.

Название данного стека — набора правил сложилось из основных двух:

• Протокол IP — берет на себя задачу по адресации, определяет, где в передаваемых данных: адрес, содержимое.
• Протокол TCP — обеспечивает и контролирует надежную передачу информации и ее целостность.

Также включает в себя и другие, но так, как эти являются базовыми, закрепилось именно такое называние. Как видите, все оказалось довольно просто.

Как работает TCP/IP — принцип работы

У каждого компьютера и ноутбука в сети есть свой уникальный ip адрес. Программы, которые используются на компьютере применяют свой уникальный порт для их идентификации. Порт необходим, чтобы программы различали друг друга, т.к. только по айпи будет не понятно, какой софт запрашивает информацию и куда ее следует отправлять.

Так обмениваются между собой программы по сети:

Программа 1 — отправитель:
IP адрес: 192.168.0.32
Порт: 2054

Программа 2 — получатель:
IP адрес: 192.168.0.34
Порт: 2071

Пересылаемые данные пакета:
— — —

IP — это уникальный адрес компьютера. Порт — это идентификатор приложение установленного на нем. Связка, IP + порт называется — сокет.

Стек протоколов TCP/IP

Стек разделяется на четыре уровня, в каждом из которых свои протоколы. Все они функционируют одновременно, поэтому у каждого есть свои правила, чтобы они работали без перебоев и конфликтов.

1. Прикладной / Для приложений. Это: HTTP, SMTP, DNS, FTP и т.д. Т.е. Веб, почта, передача файлов и прочее.2. Транспортный. Это: TCP, UPD и т.д. Отвечает за связь между компьютерами и за доставку данных.3. Сетевой (межсетевой). IP, IGMP и т.д. Отвечает за адресацию.4. Канальный / Сетевые интерфейсы. Это: Ethernet, Wi-Fi, DSL.

На этом стеке и реализовано все взаимодействие пользователей в IP сетях. Также, существуют и другие стеки: OSI, IPX/SPX, IPX/SPX.

В заключение

Вот вы и узнали, что это такое, постарался объяснить все просто, для «чайников». Следующие материалы также будут посвящены технологии передачи данных в интернете.

Что такое маска адреса (подсеть)

Понятие подсети введено, чтобы можно было выделить часть IP-адресов одной организации, часть другой и тд. Подсеть представляет собой диапазон IP-адресов, которые считаются принадлежащими одной локальной сети. При работе в локальной сети информация пересылается непосредственно получателю. Если данные предназначены компьютеры с IP-адресом, не принадлежащим локальной сети, то к ним применяются специальные правила для вычисления маршрута для пересылки из одной сети в другую.

Маска — это параметр, который сообщает программному обеспечению о том, сколько компьютеров объединено в данную группу (подсеть). Маска адреса имеет такую же структуру как и сам IP-адрес: это набор из четырех групп чисел, каждое из которых может быть в диапазоне от 0 до 255. При этом, чем меньше значение маски, тем больше компьютеров объединено в данную подсеть. Для сетей небольших компаний маска обычно имеет вид 255.255.255.x (например, 255.255.255.224). Маска сети присваивается компьютеру одновременно с IP-адресом. Так, например, сеть 192.168.0.0 с маской 255.255.255.0 может содержать в себе компьютеры с адресами от 192.168.0.1 до 192.168.254. А сеть 192.168.0.0 с маской 255.255.255.128 допускает адреса от 192.168.0.1 до 192.168.0.127. Думаю, смысл понятен. Как правило сети с небольшим возможным числом компьютеров используются провайдерами с целью экономии IP-адресов. Например, клиенту, может быть назначен адрес с маской 255.255.255.252. Такая подсеть содержит в себе только два компьютера.

После того как компьютер получил IP-адрес и ему стало известно значение маски подсети, программа может начать работу в данной локальной подсети. Однако же, чтобы обмениваться информацией с другими компьютерами в глобальной сети, необходимо знать правила, куда пересылать информацию для внешней сети. Для этого служит такая характеристика как адрес шлюза (Gateway).