Сетевой протокол tcp ip. Основы сетей и протоколов интернет

Стек протоколов TCP/IP – это альфа и омега Интернета, и нужно не только знать, но также понимать модель и принцип работы стека.

Мы разобрались с классификацией, стандартами сетей и моделью OSI. Теперь поговорим о стеке, на базе которого построена всемирная система объединенных компьютерных сетей Интернет.

Модель TCP/IP

Изначально данный стек создавался для объединения больших компьютеров в университетах по телефонным линиям связи соединения «точка-точка». Но когда появились новые технологии, широковещательные (Ethernet) и спутниковые, возникла необходимость адаптировать TCP/IP, что оказалось непростой задачей. Именно поэтому наряду с OSI появилась модель TCP/IP.

Через модель описывается, как необходимо строить сети на базе различных технологий, чтобы в них работал стек протоколов TCP/IP.

В таблице представлено сравнение моделей OSI и TCP/IP. Последняя включает в себя 4 уровня:

1. Самый нижний, уровень сетевых интерфейсов , обеспечивает взаимодействие с сетевыми технологиями (Ethernet, Wi-Fi и т. д.). Это объединение функций канального и физического уровней OSI.
2. Уровень интернет стоит выше, и по задачам перекликается с сетевым уровнем модели OSI. Он обеспечивает поиск оптимального маршрута, включая выявление неполадок в сети. Именно на этом уровне работает маршрутизатор.
3. Транспортный отвечает за связь между процессами на разных компьютерах, а также за доставку переданной информации без дублирования, потерь и ошибок, в необходимой последовательности.
4. Прикладной объединил в себе 3 уровня модели OSI: сеансовый, представления и прикладной. То есть он выполняет такие функции, как поддержка сеанса связи, преобразование протоколов и информации, а также взаимодействие пользователя и сети.

Иногда специалисты пытаются объединить обе модели в нечто общее. Например, ниже приведено пятиуровневое представление симбиоза от авторов «Компьютерные сети» Э. Таненбаума и Д. Уэзеролла:

Модель OSI обладает хорошей теоретической проработкой, но протоколы не используются. С моделью TCP/IP все иначе: протоколы широко используются, но модель подходит исключительно для описания сетей на базе TCP/IP.

Не путайте их:

• TCP/IP – это стек протоколов, представляющий собой основу Интернета.
• Модель OSI (Базовая Эталонная Модель Взаимодействия Открытых Систем) подходит для описания самых разных сетей.

Стек протоколов TCP/IP

Рассмотрим каждый уровень более подробно.

Нижний уровень сетевых интерфейсов включает в себя Ethernet, Wi-Fi и DSL (модем). Данные сетевые технологии формально не входят в состав стека, но крайне важны в работе интернета в целом.

Основной протокол сетевого уровня – IP (Internet Protocol). Это маршрутизированный протокол, частью которого является адресация сети (IP-адрес). Здесь также работают такие дополнительные протоколы, как ICMP, ARRP и DHCP. Они обеспечивают работу сетей.

На транспортной уровне расположились TCP – протокол, обеспечивающий передачу данных с гарантией доставки, и UDP – протокол для быстрой передачи данных, но уже без гарантии.

Прикладной уровень – это HTTP (для web), SMTP (передача почты), DNS (назначение IP-адресам понятных доменных имен), FTP (передача файлов). Протоколов на прикладном уровне стека TCP/IP больше, но приведенные можно назвать самыми значимыми для рассмотрения.

Принципы работы интернет-протоколов TCP/IP по своей сути очень просты и сильно напоминают работу нашей советской почты.

Вспомните, как работает наша обычная почта. Сначала вы на листке пишете письмо, затем кладете его в конверт, заклеиваете, на обратной стороне конверта пишете адреса отправителя и получателя, а потом относите в ближайшее почтовое отделение. Далее письмо проходит через цепочку почтовых отделений до ближайшего почтового отделения получателя, откуда оно тетей-почтальоном доставляется до по указанному адресу получателя и опускается в его почтовый ящик (с номером его квартиры) или вручается лично. Все, письмо дошло до получателя. Когда получатель письма захочет вам ответить, то он в своем ответном письме поменяет местами адреса получателя и отправителя, и письмо отправиться к вам по той же цепочке, но в обратном направлении.

На конверте письма будет написано примерно следующее:

Адрес отправителя:
От кого: Иванов Иван Иванович
Откуда: Ивантеевка, ул. Большая, д. 8, кв. 25

Адрес получателя:
Кому: Петров Петр Петрович
Куда: Москва, Усачевский переулок, д. 105, кв. 110

Теперь мы готовы рассмотреть взаимодействие компьютеров и приложений в сети Интернет (да и в локальной сети тоже) . Обратите внимание, что аналогия с обычной почтой будет почти полной.

Каждый компьютер (он же: узел, хост ) в рамках сети Интернет тоже имеет уникальный адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address ), например: 195.34.32.116. IP адрес состоит из четырех десятичных чисел (от 0 до 255 ), разделенных точкой. Но знать только IP адрес компьютера еще недостаточно, т.к. в конечном счете обмениваются информацией не компьютеры сами по себе, а приложения, работающие на них. А на компьютере может одновременно работать сразу несколько приложений (например почтовый сервер, веб-сервер и пр. ). Для доставки обычного бумажного письма недостаточно знать только адрес дома - необходимо еще знать номер квартиры. Также и каждое программное приложение имеет подобный номер, именуемый номером порта. Большинство серверных приложений имеют стандартные номера, например: почтовый сервис привязан к порту с номером 25 (еще говорят: «слушает» порт, принимает на него сообщения), веб-сервис привязан к порту 80, FTP — к порту 21 и так далее.

Таким образом имеем следующую практически полную аналогию с нашим обычным почтовым адресом:

«адрес дома» = «IP компьютера»
«номер квартиры» = «номер порта»

В компьютерных сетях, работающих по протоколам TCP/IP, аналогом бумажного письма в конверте является пакет, который содержит собственно передаваемые данные и адресную информацию - адрес отправителя и адрес получателя, например:

Адрес отправителя (Source address): IP: 82.146.49.55 Port: 2049 Адрес получателя (Destination address): IP: 195.34.32.116 Port: 53 Данные пакета: ...

Конечно же в пакетах также присутствует служебная информация, но для понимания сути это не важно.

Обратите внимание, комбинация: «IP адрес и номер порта» — называется «сокет «.

В нашем примере мы с сокета 82.146.49.55:2049 посылаем пакет на сокет 195.34.32.116:53, т.е. пакет пойдет на компьютер, имеющий IP адрес 195.34.32.116, на порт 53. А порту 53 соответствует сервер распознавания имен (DNS-сервер), который примет этот пакет. Зная адрес отправителя, этот сервер сможет после обработки нашего запроса сформировать ответный пакет, который пойдет в обратном направлении на сокет отправителя 82.146.49.55:2049, который для DNS сервера будет являться сокетом получателя.

Как правило взаимодействие осуществляется по схеме «клиент-сервер »: «клиент» запрашивает какую-либо информацию (например страницу сайта), сервер принимает запрос, обрабатывает его и посылает результат. Номера портов серверных приложений общеизвестны, например: почтовый SMTP сервер «слушает» 25-й порт, POP3 сервер, обеспечивающий чтение почты из ваших почтовых ящиков «слушает» 110-порт, веб-сервер — 80-й порт и пр.

Большинство программ на домашнем компьютере являются клиентами — например почтовый клиент Outlook, веб-обозреватели IE, FireFox и пр.

Номера портов на клиенте не фиксированные как у сервера, а назначаются операционной системой динамически. Фиксированные серверные порты как правило имеют номера до 1024 (но есть исключения), а клиентские начинаются после 1024.

Повторение — мать учения: IP - это адрес компьютера (узла, хоста) в сети, а порт - номер конкретного приложения, работающего на этом компьютере .

Однако человеку запоминать цифровые IP адреса трудно — куда удобнее работать с буквенными именами. Ведь намного легче запомнить слово, чем набор цифр. Так и сделано — любой цифровой IP адрес можно связать с буквенно-цифровым именем. В результате например вместо 23.45.67.89 можно использовать имя. А преобразованием доменного имени в цифровой IP адрес занимается сервис доменных имен - DNS (Domain Name System).

Рассмотрим подробнее, как это работает. Ваш провайдер явно (на бумажке, для ручной настройки соединения) или неявно (через автоматическую настройку соединения) предоставляет вам IP адрес сервера имен (DNS ). На компьютере с этим IP адресом работает приложение (сервер имен), которое знает все доменные имена в Интернете и соответствующие им цифровые IP адреса. DNS-сервер «слушает» 53-й порт, принимает на него запросы и выдает ответы, например:

Запрос от нашего компьютера: «Какой IP адрес соответствует имени www.site.com?»
Ответ сервера: «23.45.67.89.»

Теперь рассмотрим, что происходит, когда в своем браузере вы набираете доменное имя (URL) этого сайта (www.site.com) и, нажав, в ответ от веб-сервера получаете страницу этого сайта.

Например:

IP адрес нашего компьютера: 91.76.65.216
Браузер: Internet Explorer (IE),
DNS сервер (стрима): 195.34.32.116 (у вас может быть другой), Страница, которую мы хотим открыть: www.site.com.

Набираем в адресной строке браузера доменное имя www.ofnet.ru и жмем. Далее операционная система производит примерно следующие действия:

Отправляется запрос (точнее пакет с запросом) DNS серверу на сокет 195.34.32.116:53. Как было рассмотренно выше, порт 53 соответствует DNS-серверу — приложению, занимающемуся распознаванием имен. А DNS-сервер, обработав наш запрос, возвращает IP-адрес, который соответствует введенному имени.

Диалог примерно следующий:

— Какой IP адрес соответствует имени www.site.com?
— 23.45.67.89.

Далее наш компьютер устанавливает соединение с портом 80 компьютера 82.146.49.55 и посылает запрос (пакет с запросом) на получение страницы www.ofnet.ru. 80-й порт соответствует веб-серверу. В адресной строке браузера 80-й порт как правило не пишется, т.к. используется по умолчанию, но его можно и явно указать после двоеточия — http://www.site.com:80.

Приняв от нас запрос, веб-сервер обрабатывает его и в нескольких пакетах посылает нам страницу в на языке HTML — языке разметки текста, который понимает браузер.

Наш браузер, получив страницу, отображает ее. В результате мы видим на экране главную страницу этого сайта.

Зачем эти принципы надо понимать?

Например, вы заметили странное поведение своего компьютера — непонятная сетевая активность, тормоза и пр. Что делать? Открываем консоль (нажимаем кнопку «Пуск» — «Выполнить» — набираем cmd — «Ок»). В консоли набираем команду netstat -anи жмем. Эта утилита отобразит список установленных соединений между сокетами нашего компьютера и сокетами удаленных узлов. Если мы видим в колонке «Внешний адрес» какие-то чужие IP адреса, а через двоеточие 25-й порт, что это может означать? (Помните, что 25-й порт соответствует почтовому серверу?) Это означает то, что ваш компьютер установил соединение с каким-то почтовым сервером (серверами) и шлет через него какие-то письма. И если ваш почтовый клиент (Outlook например) в это время не запущен, да если еще таких соединений на 25-й порт много, то, вероятно, в вашем компьютере завелся вирус, который рассылает от вашего имени спам или пересылает номера ваших кредитных карточек вкупе с паролями злоумышленникам.

Также понимание принципов работы Интернета необходимо для правильной настройки (проще говоря брандмауэра:)). Эта программа (которая часто поставляется вместе с антивирусом), предназначенна для фильтрации пакетов — «своих» и «вражеских». Своих пропускать, чужих не пущать. Например, если ваш фаерволл сообщает вам, что некто хочет установить соединение с каким-либо портом вашего компьютера. Разрешить или запретить?

Ну и самое главное - эти знания крайне полезны при общении с техподдержкой.

Напоследок приведу список портов , с которыми вам, вероятно, придется столкнуться:

135-139 - эти порты используются Windows для доступа к общим ресурсам компьютера - папкам, принтерам. Не открывайте эти порты наружу, т.е. в районную локальную сеть и Интернет. Их следует закрыть фаерволлом. Также если в локальной сети вы не видите ничего в сетевом окружении или вас не видят, то вероятно это связано с тем, что фаерволл заблокировал эти порты. Таким образом для локальной сети эти порты должны быть открыты, а для Интернета закрыты.

21 - порт FTP сервера.

25 - порт почтового SMTP сервера. Через него ваш почтовый клиент отправляет письма. IP адрес SMTP сервера и его порт (25-й) следует указать в настройках вашего почтового клиента.

110 - порт POP3 сервера. Через него ваш почтовый клиент забирает письма из вашего почтового ящика. IP адрес POP3 сервера и его порт (110-й) также следует указать в настройках вашего почтового клиента.

80 - порт WEB-сервера.

3128, 8080 - прокси-серверы (настраиваются в параметрах браузера).

Несколько специальных IP адресов:

127.0.0.1 - это localhost, адрес локальной системы, т.е. локальный адрес вашего компьютера.
0.0.0.0 — так обозначаются все IP-адреса.
192.168.xxx.xxx - адреса, которые можно произвольно использовать в локальных сетях, в глобальной сети Интернет они не используются. Они уникальны только в рамках локальной сети. Адреса из этого диапазона вы можете использовать по своему усмотрению, например, для построения домашней или офисной сети.
Что такое маска подсети и шлюз по умолчанию (роутер, маршрутизатор)?

(Эти параметры задаются в настройках сетевых подключений).

Все просто. Компьютеры объединяются в локальные сети. В локальной сети компьютеры напрямую «видят» только друг друга. Локальные сети соединяются друг с другом через шлюзы (роутеры, маршрутизаторы). Маска подсети предназначена для определения - принадлежит ли компьютер-получатель к этой же локальной сети или нет. Если компьютер-получатель принадлежит этой же сети, что и компьютер-отправитель, то пакет передается ему напрямую, в противном случае пакет отправляется на шлюз по умолчанию, который далее, по известным ему маршрутам, передает пакет в другую сеть, т.е. в другое почтовое отделение (по аналогии с советской почтой).

Напоследок рассмотрим что же означают непонятные термины:

TCP/IP - это название набора сетевых протоколов. На самом деле передаваемый пакет проходит несколько уровней. (Как на почте: сначала вы пишете писмо, потом помещаете в конверт с адресом, затем на почте на нем ставится штамп и т.д.).

IP протокол - это протокол так называемого сетевого уровня. Задача этого уровня - доставка ip-пакетов от компьютера отправителя к компьютеру получателю. По-мимо собственно данных, пакеты этого уровня имеют ip-адрес отправителя и ip-адрес получателя. Номера портов на сетевом уровне не используются. Какому порту, т.е. приложению адресован этот пакет, был ли этот пакет доставлен или был потерян, на этом уровне неизвестно - это не его задача, это задача транспортного уровня.

TCP и UDP - это протоколы так называемого транспортного уровня. Транспортный уровень находится над сетевым. На этом уровне к пакету добавляется порт отправителя и порт получателя.

TCP - это протокол с установлением соединения и с гарантированной доставкой пакетов. Сначала производится обмен специальными пакетами для установления соединения, происходит что-то вроде рукопожатия (-Привет. -Привет. -Поболтаем? -Давай.). Далее по этому соединению туда и обратно посылаются пакеты (идет беседа), причем с проверкой, дошел ли пакет до получателя. Если пакет не дошел, то он посылается повторно («повтори, не расслышал»).

UDP - это протокол без установления соединения и с негарантированной доставкой пакетов. (Типа: крикнул что-нибудь, а услышат тебя или нет - неважно).

Над транспортным уровнем находится прикладной уровень. На этом уровне работают такие протоколы, как http, ftp и пр. Например HTTP и FTP - используют надежный протокол TCP, а DNS-сервер работает через ненадежный протокол UDP.
Как посмотреть текущие соединения?

Текущие соединения можно посмотреть с помощью команды

Netstat -an

(параметр n указывает выводить IP адреса вместо доменных имен).

Запускается эта команда следующим образом:

«Пуск» — «Выполнить» — набираем cmd — «Ок». В появившейся консоли (черное окно) набираем команду netstat -an и жмем. Результатом будет список установленных соединений между сокетами нашего компьютера и удаленных узлов.

Например получаем:

Активные подключения Имя Локальный адрес Внешний адрес Состояние TCP 0.0.0.0:135 0.0.0.0:0 LISTENING TCP 91.76.65.216:139 0.0.0.0:0 LISTENING TCP 91.76.65.216:1719 212.58.226.20:80 ESTABLISHED TCP 91.76.65.216:1720 212.58.226.20:80 ESTABLISHED TCP 91.76.65.216:1723 212.58.227.138:80 CLOSE_WAIT TCP 91.76.65.216:1724 212.58.226.8:80 ESTABLISHED

В этом примере 0.0.0.0:135 - означает, что наш компьютер на всех своих IP адресах слушает (LISTENING) 135-й порт и готов принимать на него соединения от кого угодно (0.0.0.0:0) по протоколу TCP.

91.76.65.216:139 - наш компьютер слушает 139-й порт на своем IP-адресе 91.76.65.216.

Третья строка означает, что сейчас установлено (ESTABLISHED) соединение между нашей машиной (91.76.65.216:1719) и удаленной (212.58.226.20:80). Порт 80 означает, что наша машина обратилась с запросом к веб-серверу (у меня, действительно, открыты страницы в браузере).

Привет, посетитель сайта сайт! Продолжаем изучать , напомню, что эти записи основаны на программе и помогут вам подготовиться к экзаменам CCENT/CCNA. Продолжаем разговор об эталонных моделях и на этот раз мы рассмотрим модель, которая была разработана путем практических наработок, эта модель называется модель стека протоколов TCP/IP , она похожа на модель OSI 7, но имеются и свои отличия, которые довольно значительны и их стоит обсудить, а также обозначить.

Помимо разбора самой модели TCP/IP в общем и целом, а также каждого уровня этой модели в отдельности, которых кстати четыре, мы сделаем сравнение эталонной модели OSI 7 и модели стека протоколов TCP/IP , чтобы понять какими недостатками и преимуществами обладают эти концепции передачи данных, в завершении мы выведем компромиссную модель передачи данных, которая будет включать в себя преимущества обеих упомянутых концепций.

Перед началом я хотел бы вам напомнить, что ознакомиться с опубликованными материалами первой части нашего курса можно по ссылке: « ».

1.15.1 Введение

Ранее мы рассмотрели модель OSI 7 и уделили особое внимание той ее части, за которую отвечает сетевой инженер. Также в блоге есть отдельная публикация, где рассмотрена более подробно. Мы отмечали, что модель OSI 7 была разработана теоретиками и имеет огромное количество сложных протоколов, которые так и не были реализованы на практике.

Давайте теперь взглянем на модель, которая была разработана практиками и протоколы которой применяются в реальных компьютерных сетях, эта модель называется модель стека протоколов TCP/IP , я уверен, что эти протоколы вы уже слышали и каждый день ими пользуетесь, даже не зная того. До этих протоколов мы еще доберемся, сейчас рассмотрим саму модель.

1.15.2 Общий принцип работы модели стека протоколов TCP/IP

Общий принцип работы модели стека протоколов TCP/IP очень похож на принцип работы модели OSI 7, разница только в количестве уровней и их функционале. Думаю, что не будет лишним отметить следующее (тут многие могут со мной согласиться): модель OSI 7 более полно описывает взаимодействие компьютерной сети с точки зрения логики ее работы, но ее протоколы абсолютно не прижились в современных реалиях, а модель стека протоколов TCP/IP описывает компьютерную сеть не так полно, зато ее протоколы используются повсеместно .

Вообще модель TCP/IP более удобна для сетевого инженера, здесь более четко описаны его границы ответственности. Давайте посмотрим на структуру модели TCP/IP, которая показана на Рисунке 1.15.1.

Как видим, отличие модели TCP/IP от OSI 7 заключается в количестве уровней , у эталонной модели их семь, в модели стека протоколов их четыре. В модели TCP/IP объединены первых два уровня модели OSI 7 ( и ), здесь первый уровень называется уровень доступа к сети или канальный уровень. На уровне доступа к сети в модели сетка протоколов TCP/IP работают такие технологии и протоколы как: Ethernet, который есть практически в каждой локальной сети, IEEE 802.11 (Wi-Fi), PPP, в общем и целом на первом уровне модели стека протоколов TCP/IP реализуется функционал физического и канального уровней модели OSI 7.

Второй уровень модели TCP/IP соответствует третьему уровню модели OSI 7, в разных источниках вы можете встретить разные названия третьего уровня: уровень сети Интернет, сетевой уровень, межсетевой уровень. Можно сказать, что это основной и самый интересный для сетевого инженера уровень. Так как на этом уровне определяется логическая адресация узлов сети Интернет и, по сути, этот уровень является конечным для сетевого оборудования, за на более высоких уровнях уже отвечают конечные устройства: и .

Третий уровень модели TCP/IP имеет такое же название, как и в модели OSI – Транспортный уровень, правда в модели OSI этот уровень в порядке нумерации идет четвертым. Транспортный уровень отвечает за надёжность передачи для конечных устройств поверх ненадежной компьютерной сети , в которой в любой момент могут возникать самые разные проблемы. К тому же транспортный уровень помогает различать компьютерам следующее: какой трафик какое приложение генерирует и какому приложению предназначены те или иные пакеты, это возможно благодаря сокетам. На транспортном уровне для нас будут интересны два протокола: TCP, который обеспечивает надежную передачу с установкой соединения, этот протокол используется для передачи данных типа текст, файлов и так далее, а также протокол UDP, этот протокол без установки соединения и используется он для передачи данных в системах реального времени: аудио и видео связь. Про вы можете узнать из записи, опубликованной ранее.

Ну а на самом верху модели TCP/IP находится уровень приложений или прикладной уровень, который отвечает за взаимодействие с конечным пользователем. Этот уровень модели TCP/IP включает в себя сразу три уровня модели OSI 7 (сеансовый, представительский и прикладной уровни), что на самом деле очень удобно как для программистов и разработчиков, так и для сетевых инженеров. Программист может писать приложения, не задумываясь об уровнях, сосредоточившись на своих абстракциях, а сетевому инженеру многие вещи верхних уровней просто неинтересны, но об этом чуть позже.

1.15.3 Первый уровень модели TCP/IP или уровень доступа к сети

Первый уровень – это фундамент компьютерной сети, поверх которого строится вся логика взаимодействия. Пожалуй, основной недостаток модели стека протоколов TCP/IP заключается в том, что физический и канальный уровень модели OSI здесь объединены в один под названием уровень доступа к сети или канальный уровень . На мой взгляд, нужно отделять физические процессы, происходящие на первом уровне от логики, которая реализована в канале связи на втором уровне. Хотя тут могут быть возражения в следующем ключе: такие популярные технологии как Ethernet и IEEE 802.11 в контексте модели OSI 7 работают на двух уровнях (канальном и физическом), тогда как в контексте модели TCP/IP эти технологии реализуют свой функционал на одном уровне – уровне доступа.

Итак, на уровне доступа модели TCP/IP решаются физические вопросы, связанные с передачей сигнала в различных средах:

• максимальный и минимальный допустимые уровни сигнала в среде передачи данных: если с минимальным все более-менее очевидно, то с максимальным немного поясню: с усилением полезного сигнала усиливаются и помехи;
• какой уровень сигнала нужно принимать за логический ноль (логический ноль – это не отсутствие сигнала), а какой уровень сигнала будет считаться логической единицей;
• на физическом уровне определяются технические и конструктивные требования к среде передачи данных, например, если передача по медной линии, то тут можно выделить сетевые интерфейсы типа RJ-45 и RJ-11 или, например, витая пара или коаксиальный кабель;
• данные в чистом виде никогда не передаются по сети, по сети передаются два объединенных сигнала: полезный сигнал с данными (его еще называют модулирующий) и несущий сигнал, процесс объединения этих двух сигналов называется модуляцией, более подробно об этом читайте в книгах, .

На самом деле этот список можно было продолжать, но для темы нашего курса физический уровень не так важен, так как разработчики сетевого оборудования уже решили за нас все самые сложные аспекты, касающиеся физики передачи данных, нам лишь придется оперировать простыми параметрами, о которых мы поговорим, когда коснемся технологий Ethernet и Wi-Fi.

Уровень доступа к сети в модели TCP/IP включает в себя еще и функционал канального уровня эталонной модели . Собственно, разработчики модели TCP/IP считают канальные функции более важными, и они правы с точки зрения логики процесса передачи данных. Вообще на уровне доступа решается задача кодирования данных для их передачи по физической среде, также на этом уровне реализуется адресация, при помощи которой коммутаторы понимают: какому устройству какой кадр отправить, эти адреса называются мак-адресами, если говорить про Ethernet сети.

Вообще, если говорить про названия единиц передачи данных на уровне доступа в модели TCP/IP, то здесь используются кадры (общую информацию вы можете получить из этой публикации), которые получаются путем логического объединения битов в последовательности. Например, если говорить про Ethernet, то его заголовок, как минимум, будет содержать мак-адрес назначения, мак-адрес источника, тип вышестоящего протокола, а также специальное поле для проверки целостности данных.

Можно выделить следующие протоколы и технологии, которые работают на канальном уровне модели TCP/IP: Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM. Первым двум мы выделим по целой части, так как в локальных сетях вы будете чаще всего сталкиваться именно с ними.

Еще на канальном уровне реализуется механизм обнаружения и исправления ошибок при помощи специальных кодов, очень подробно про канальные коды рассказано в книге Бернарда Скляра «Цифровая связь», здесь мы на них не останавливаемся. Из физических устройств, работающих на уровне доступа к сети можно выделить (дополнительно можете почитать про ): усилители сигнала, преобразователи сигнала (SFP-модули, медиаконвертеры и т.д.), ретрансляторы, хабы, концентраторы, радио антенны, а также коммутаторы уровня L2, которые будет представлять для нас наибольший интерес, так как их можно и нужно настраивать и у них есть различные по своей полезности механизмы для защиты сети и обеспечения надежности передачи данных.

1.15.4 Второй уровень или уровень сети Интернет

Второй уровень модели TCP/IP называется уровнем сети Интернет, сетевым или межсетевым уровнем. Это один из самых важных уровней для сетевого инженера, так как именно здесь работает протокол IP, отвечающий за логическую адресацию в компьютерных сетях и в сети Интернет, если говорить о частностях . Непосредственно протоколу IP мы уделим целых две части, сначала мы поговорим про версию IPv4, а затем разберемся с версией протокола IPv6. Также на этом уровне работают протоколы динамической маршрутизации, в этом курсе мы разберемся с протоколом RIP, который очень прост, но уже практически нигде не используется. А если будет продолжение, то мы еще будем разбираться с такими замечательными протоколами динамической маршрутизации, как OSPF и EIGRP.

Также на сетевом уровне модели TCP/IP работает такой протокол как NAT, отвечающий за магию превращения (трансляцию) частных IP-адресов в публичные, которые маршрутизируются в сети Интернет. Вообще, этот уровень разрабатывался для того, чтобы появилась возможность взаимодействия между двумя независимыми сетями. Основным физическим устройством уровня сети Интернет является маршрутизатор, который определяет куда направить пакет по IP-адресу, находящемуся в заголовке IP-пакета, для этого маршрутизатор использует маски, а также в этом ему помогают протоколы динамической маршрутизации, при помощи которых один роутер рассказывает о известных ему IP-адресах другому роутеру.

Вообще, как я уже говорил, мы будем разбираться с протоколом IP и IP-адресами в дальнейшем, сейчас же стоит отметить, что есть так называемый мультикаст трафик и специальные IP-адреса, если нужен пример использования, то это IPTV (вот здесь вы можете немного узнать ). Так вот для работы с мультикаст IP-адресами используются такие протоколы как IGMP и PIM, которые мы не будем затрагивать в рамках этого трека, но упомянуть о них стоит. Вообще, протоколов сетевого уровня достаточно много, самые важные для нас на данном этапе мы уже перечислили, однако не упомянули протокол ARP, который помогает определить мак-адрес по известному IP-адресу, этот протокол работает между канальным и сетевым уровнем .

На межсетевом уровне единица измерения данных или PDU называется пакетом, хотя об этом вы уже догадались, когда я использовал слово IP-пакет. При этом структура заголовка IP-пакета в IPv4 достаточно сильно отличается от структуры пакета в IPv6, как и сами IP-адреса этих протоколов.

Стоит еще добавить, что настройки, производимые на сетевом уровне модели TCP/IP влияют на логику работу компьютерной сети, то есть на ее логическую топологию, в то время как действия выполняемые на первом уровне влияют на .

1.15.5 Третий или транспортный уровень стека протоколов TCP/IP

Транспортный уровень в современных компьютерных сетях в сущности представлен двумя протоколами: TCP и UDP . Первый большой и толстый, в основном используется для передачи текстовых данных и файлов по сети, второй маленький, тонкий и очень простой и используется для передачи аудио и видео данных по сети. У протокола TCP есть механизм повторной передачи битых или потерянных данных, у UDP такого механизма нет. Принципиальных отличий у этих двух протоколов много, но самое важное отличие заключается в том, что у TCP есть механизм установки соединения, а вот у UDP такого механизма нет.

Вообще, протоколы транспортного уровня должны обеспечить надежное соединение поверх ненадёжной компьютерной сети, на которой в любой момент может произойти авария, или же где-то, на каком-то участке сети, могут быть потери. Механизмы транспортного уровня реализуются на конечных компьютерах, будь то сервер или клиент, в зависимости от типа конечного устройства немного изменяется его логика работы на транспортном уровне.

Итак, получаем, что у клиентского ПК IP-адрес: 192.168.2.3, а также клиентский ПК выдал клиентскому приложению порт с номером 23678 для установки соединения с первым сервером (пусть приложением будет браузер), а для установки со вторым сервером браузер получил порт 23698. Клиентский ПК делает запросы к , находящимся в одной сети с клиентом: у первого сервера IP-адрес: 192.168.2.8, а у второго: 192.168.2.12, при этом порт как в первом, так и во втором случае одинаковый – 80, также хочу обратить внимание на то, что клиентский ПК сообщает серверам разные порты, на которые нужно слать ответы. Таким образом, если клиентский компьютер хочет сделать запрос к первому серверу, то он использует примерно следующую конструкцию для запроса: 192.168.2.8:80, это означает, что запрос был послан машине с IP-адресом 192.168.2.8 на 80 порт, сервер же пошлет ответ, используя вот такую конструкцию 192.168.2.3:23678. Если же запрос идет на 192.168.2.12:80, то ответ будет передан на 192.168.2.3:23698.

Таким образом происходит разделение трафика и компьютер не путается. Вообще, это описание предельно упрощено, более подробно мы будем говорить о протоколах транспортного уровня в отдельной части, так как эта тема довольно большая и требует отдельного разговора, кстати сказать, в курсах Cisco ICND1 и ICND2 достаточно мало времени уделено транспортному уровню . Здесь же стоит добавить что комбинация IP-адрес + порт транспортного уровня обычно называется сокетом, при этом не имеет значения протокол транспортного уровня (TCP или UDP).

За работу транспортного уровня отвечает компьютер и его операционная система или же специальная сетевая библиотека на этом компьютере, к которой может обращаться любое приложение, желающее передавать или получать данные.

1.15.6 Четвертый уровень или уровень приложений

Четвертый уровень модели TCP/IP представляет наименьший интерес для сетевого инженера, этот уровень создают и обслуживают: программисты, системные администраторы, devops-инженеры , хотя на уровне приложений есть несколько протоколов, которые важны и нужны сетевому инженеру. Вообще, основная задача прикладного уровня заключается в том, чтобы предоставить пользователю удобный интерфейс для взаимодействия с компьютерами и компьютерными сетями, но это если говорить коротко.

Пожалуй, самым известным протоколом уровня приложений является , который используют ваши браузеры для того, чтобы получить данные с того или иного сайта в сети Интернет. Протокол HTTP работает по схеме клиент-сервер, как и многие другие подобные протоколы, взаимодействием в протоколе HTTP управляет клиент, который отправляет специальные , так называемые , а сервер, получив это сообщение, анализирует его и дает клиенту свои сообщения, которые называются , вообще, если тема вам интересна, то у меня блоге вы найдете рубрику, по протоколу .
Из важных для сетевого инженера протоколов на четвертом уровне находятся:

• DHCP – протокол, позволяющий динамически выдавать клиентским машинам IP-адреса и другие данные для подключения к сети;
• DNS – этот протокол придумали люди с дырявой памятью, которые не хотели запоминать IP-адреса, DNS позволяет преобразовывать IP-адреса в сайтов и наоборот, для практики можете разобраться с командой nslookup;
• SNMP – протокол, который используется во всех системах управления и мониторинга компьютерных сетей;
• SSH – протокол для безопасного удаленного управления, при использовании SSH данные шифруются;
• Telnet – еще один протокол удаленного управления, этот протокол реализует простой текстовый сетевой интерфейс.

Вообще этот список можно продолжить, но пока этого нам достаточно. В рамках курса мы разберемся как подключаться к коммутаторам и маршрутизаторам при помощи протоколов Telnet и SSH, научимся управлять соединениями и его параметрами, также мы немного разберемся с протоколами DHCP и DNS, возможно, в дальнейшем знакомство будет продолжено, а вот протокол SNMP мы трогать не будем.

Также стоит отметить следующие протоколы, относящиеся к прикладному уровню модели стека протоколов TCP/IP: RDP для удаленного управления компьютером, SMPT, IMAP, POP3 это всё почтовые протоколы для реализации разного функционала, первый использует протокол TCP, а второй более простой использует UDP.

Список протоколов на прикладном уровне очень велик и перечислять их все не имеет смысла. На четвертом уровне уже нельзя выделить отдельных аппаратных средств, так как задачи уровня приложений решаются программным способом, а в качестве PDU, то есть единиц измерения, выступают просто данные, которые могут выглядеть тем или иным образом в зависимости от приложения, которое работает, обрабатывает или передает данные.

1.15.7 Сравнение моделей OSI 7 и TCP/IP, а также поиск компромисса

Прежде чем перейти к сравнению моделей OSI 7 и TCP/IP, нам следует сказать, что модель стека протоколов TCP/IP использовалась для создания сети ARPANET, которая спустя годы превратилась в тот Интернет , которым мы пользуемся, сеть ARPANET – была исследовательской сетью, финансируемой министерством обороны США, эта сеть объединила сотни университетов и правительственных зданий в единую систему передачи данных при помощи телефонных линий, но с развитием технологий появилась спутниковая связь, радиосвязь, связь при помощи оптических линий и появились проблемы с передачей данных во всем этом зоопарке, разработка моделей передачи данных должна была решить возникшие проблемы и в принципе задача была решена.

Давайте же теперь попробуем сравнить эталонную модель сетевого взаимодействия OSI 7 с моделью стека протоколов TCP/IP и посмотрим, чем практическая модель отличается от теоретической . Для начала обратите внимание на Рисунок 1.15.3.

Рисунок 1.15.3 Сравнение эталонных моделей передачи данных TCP/IP и OSI 7

Слева показана эталонная модель сетевого взаимодействия, а справа вы видите модель стека протоколов TCP/IP. Сначала очевидные вещи: физический и канальный уровень модели OSI 7 соответствует уровню доступа к сети в модели TCP/IP, сетевой и транспортный уровень у обеих моделей совпадают, а вот три верхних уровня модели OSI соответствуют прикладному уровню модели TCP/IP.

Сразу отметим, что функциональность уровней этих моделей во многом схожа, а вот протоколы двух этих моделей очень разнятся, стоит заметить, что протоколы модели OSI 7 так и не были реализованы или же не получили широкого практического применения, поэтому их мы не упоминаем. Вообще, данной теме люди посвящают целые книги, мы же попробуем уложиться побыстрее.

В основе модели OSI 7 лежат три важных объекта: протокол, интерфейс и служба, модель OSI 7 четко выделяет эти три концепции и подчеркивает, что это совершенно разные вещи. Сервис или служба определяют то, что именно делает тот или иной уровень, но он никак не описывает каким образом это все происходит, другими словами сервис описывает услугу, которую нижележащий уровень предоставляет вышестоящему уровню, но он не говорит как это делается и как вообще третий уровень получает доступа ко второму, а второй к первому.

Интерфейс в эталонной модели рассказывает и описывает то, как верхний уровень может получить доступ к услугам нижележащего уровня. Интерфейс описывает требуемые входные параметры, а также то, что должно получиться на выходе, но, как и сервис, интерфейс ничего не рассказывает о интимных вещах, которые происходят внутри него.

И наконец протоколы, которые еще называют равноранговыми протоколами, поскольку они описывают то, как взаимодействуют устройства на конкретном уровне, являются инструментами конкретного уровня, каждый протокол использует для решения каких-либо конкретных задач. При этом сам уровень для решения той или иной задачи волен выбирать протокол по своему усмотрению и даже изменять этот протокол, при этом не происходит никаких изменений на более высоких уровнях, об этом мы говорили, когда разбирались с .

А вот в первоначальном виде модели стека протоколов TCP/IP не было таких четких границ между тремя вышеописанными сущностями, поэтому реализация протоколов здесь скрыта хуже, чем в модели OSI 7, да и замена одного протокола на другой может происходить более болезненно, чем в модели OSI 7, в общем, на практике не все так гладко.

Еще одним важны отличием моделей TCP/IP и OSI 7 является то, что эталонная модель OSI 7 была разработана раньше, чем ее протоколы появились на бумаге. С одной стороны, это говорит про универсальность модели передачи данных, но с другой стороны: универсальные вещи хуже решают конкретные задачи. Например, простым кухонным ножом можно открыть банку сгущенки, но это гораздо удобнее сделать специальным консервным ножом. Отсюда и основные проблемы эталонной модели: у разработчиков модели OSI не было четкого понимания того, какие функции на каком уровне должны быть реализованы.

Также модель OSI изначально не была рассчитана на то, что когда-нибудь появятся широковещательные сети. Передача данных в сетях, построенных на принципах модели OSI 7, велась от узла к узлу, с вероятностью 99% ваша домашняя сеть и сеть вашего поставщика услуг доступа в Интернет широковещательная. Поэтому разработчикам пришлось вносить коррективы, добавив новый подуровень в модель OSI. Городульки в модели OSI не закончились на канальном уровне, когда на основе модели OSI 7 начали реализовывать первые компьютерные сети, оказалось, что существующие протоколы не соответствуют спецификациям служб, поэтому в модель были добавлены дополнительные подуровни для устранения несоответствия. И в заключении: при разработке модели OSI 7 не был учтен момент интеграции и объединения нескольких небольших сетей в одну большую, предполагалось, что в каждой стране будет одна большая единая сеть, находящаяся под управлением государства.

В TCP/IP все вышло ровным счетом наоборот: сначала были придуманы и реализованы протоколы этой модели, а затем появилась необходимость в том, чтобы создать модель, которая описывает сетевое взаимодействие с использованием этих протоколов . Таким образом протоколы модели стека TCP/IP четко соответствуют уровням и функциям этих уровней. Единственный минус, этот минус не такой значительный для современного мира, заключается в том, что модель стека протоколов TCP/IP не соответствует никаким другим моделям. Минус незначительный, так как большинство компьютерных сетей построены на основе модели TCP/IP и ее протоколов .

Еще одно важное отличие моделей TCP/IP и OSI 7 кроется на сетевом и транспортном уровнях. Модель TCP/IP на сетевом уровне реализуется связь без установления соединения при помощи протокола IP, а на транспортном уровне предлагает два протокола: UPD и TCP. А вот модель OSI 7 предлагает инженерам выбор на сетевом уровне: можно выбрать связь с установлением соединения или без него, а на транспортном уровне есть один протокол, который поддерживает связь только с установлением соединения.

Можно выделить четыре основных пункта, из-за которых критикуют эталонную модель сетевого взаимодействия:

1. Несвоевременность.
2. Неудачная технология.
3. Неудачная реализация.
4. Неудачная политика распространения.

Этим мы и ограничимся и перейдем к основным недостаткам модели TCP/IP. Во-первых, модель стека протоколов TCP/IP не проводит четких границ между службами, интерфейсами и протоколами, поэтому в модель TCP/IP не всегда легко вписать новые протоколы и технологии. Второй недостаток заключается в том, что при помощи модели TCP/IP можно описать не все сети и не все технологии, например, вы не сможете достаточно полно описать технологию Bluetooth при помощи модели TCP/IP .

Канальный уровень модели TCP/IP на самом деле никакой не уровень и всё, что было описано выше про канальный уровень модели TCP/IP в большей степени подходит для физического и уровня передачи данных модели OSI 7, а не для первого уровня модели TCP/IP. На самом деле канальный уровень модели TCP/IP – это даже не уровень, а интерфейс, позволяющий взаимодействовать сетевому уровню с физической средой передачи данных из этого следует и то, что здесь нет различия между физическим уровнем и канальной логикой, хотя это абсолютно разные вещи.

Итак, из всех вышеописанных недостатков модели TCP/IP для инженеров, обеспечивающих передачу данных по сети, самым важным недостатком является то, что фундаментальный, то есть первый уровень этой модели вовсе никакой не уровень, а интерфейс, а также то, что нет деления на физику и канальную логику. Исходя из этого, а также из того, что модель TCP/IP используется для построения большинства компьютерных сетей, мы можем сделать свою компромиссную модель, которая устранит вышеописанный недостаток и будет удобной для сетевого инженера, эта модель показана на Рисунке 1.15.4.

Итак, эта модель разделяет уровень доступа к сети на два уровня: физический уровень, описывающий физические параметры среды передачи данных и ее свойства, и канальный уровень, который призван решать задачу объединения бит в кадры, логическое деление ресурсов физической среды, объединение нескольких компьютеров в сеть и надежность передачи данных. Естественно, что эта модель в качестве протоколов должна использовать протоколы модели TCP/IP.

Ее сетевой уровень должен решать задачи объединения нескольких небольших сетей в одну большую. А транспортный уровень должен увеличивать , организуя туннельное соединение между конечными участниками обмена данных. Ну а на самом верхнем уровне решаются задачи взаимодействия пользователей с ПК и компьютерной сетью.

1.15.8 Выводы

Подводя итог разговору у модели передачи данных, которая называется модель стека протоколов TCP/IP следует отметить, что в отличие от модели OSI 7, данная модель сформировалась уже после того, как были разработаны и введены в реальный мир ее протоколы и на данные момент большинство компьютерных сетей работают именно по модели стека протоколов TCP/IP . У этой модели есть два минуса: первый заключается в том, что здесь нет четкой границы между протоколом и службой, вторым недостатком является то, что в модели TCP/IP нет явного деления на канальный и физический уровень, здесь канальный уровень представляет собой интерфейс между сетевым уровнем и средой передачи данных.

Второй минус легко исправить самостоятельно, выработав для себя компромиссную модель передачи данных, где есть деление на физический и канальный уровень. Также стоит сказать, что для сетевого инженера наличие на верху модели TCP/IP только прикладного уровня – это скорее плюс, чем минус, формально говоря, в задачи сетевого инженера не входит настройка пользовательских приложений, работающих с сетью, это должны делать системные администраторы, задача сетевого инженера заключает в том, чтобы обеспечить канал связи между точкой А и Б, то есть выполнить необходимые настройки на оборудование, которое работает на уровня от физического до транспортного, модель TCP/IP это демонстрирует четко.

Еще в этой теме мы разобрались с тем, что происходит на каждом из важных для нас уровней модели TCP/IP и посмотрели, что происходит с данными, когда они переходят с одного уровня на другой, нужно запомнить этот принцип, так как его мы уже увидим в действие, когда будем разговаривать о принципах работы роутеров, тогда мы увидим, что роутер, оперирующий IP-пакетами, для того чтобы до них добраться, распаковывает Ethernet кадр, а после обработки IP пакета роутер его упаковывает в кадр и отправляет дальше.

В этой статье будут рассказаны основы модели TCP/IP. Для лучшего понимания описаны основные протоколы и службы. Главное - не торопиться и стараться понимать каждую вещь поэтапно. Все они взаимосвязаны и без понимания одной, трудно будет понять другую. Здесь скомпонована весьма поверхностная информация, так что эту статью смело можно назвать «стеком протоколов TCP/IP для чайников». Однако, многие вещи здесь не так трудны для понимания, как может показаться на первый взгляд.

TCP/IP

Стек TCP/IP - сетевая модель передачи данных в сети, она определяет порядок взаимодействия устройств. Данные поступают на канальный уровень и обрабатываются поочередно каждым уровнем выше. Стек представлен в виде абстракции, которая объясняет принципы обработки и приема данных.

Стек протоколов сети TCP/IP имеет 4 уровня:

1. Канальный (Link).
2. Сетевой (Internet).
3. Транспортный (Transport).
4. Прикладной (Application).

Прикладной уровень

Прикладной уровень обеспечивает возможность взаимодействия между приложением и другими уровнями стека протоколов, анализирует и преобразовывает поступающую информацию в формат, подходящий для программного обеспечения. Является ближайшим к пользователю и взаимодействует с ним напрямую.

• HTTP;
• SMTP;

Каждый протокол определяет собственный порядок и принципы работы с данными.

HTTP (HyperText Transfer Protocol) предназначен для передачи данных. По нему отправляются, например, документы в формате HTML, которые служат основой веб-страницы. Упрощенно схема работы представляется как «клиент - сервер». Клиент отправляет запрос, сервер его принимает, должным образом обрабатывает и возвращает конечный результат.

Служит стандартом передачи файлов в сети. Клиент посылает запрос на некий файл, сервер ищет этот файл в своей базе и при успешном обнаружении отправляет его как ответ.

Используется для передачи электронной почты. SMTP-операция включает в себя три последовательных шага:

1. Определение адреса отправителя. Это необходимо для возвращения писем.
2. Определение получателя. Этот шаг может повторяться некоторое количество раз при указании нескольких адресатов.
3. Определение содержимого сообщения и отправка. В качестве служебной информации передаются данные о типе сообщения. Если сервер подтверждает готовность принять пакет, то совершается сама транзакция.

Заголовок (Header)

В заголовке содержатся служебные данные. Важно понимать, что они предназначаются только для конкретного уровня. Это значит, что как только пакет отправится к получателю, то будет обработан там по такой же модели, но в обратном порядке. Вложенный заголовок будет нести специальную информацию, которая может быть обработана только определенным образом.

Например, заголовок, вложенный на транспортном уровне, на другой стороне может быть обработан только транспортным уровнем. Другие просто его проигнорируют.

Транспортный уровень

На транспортном уровне полученная информация обрабатывается как единый блок, вне зависимости от содержимого. Полученные сообщения делятся на сегменты, к ним добавляется заголовок, и все это отправляется ниже.

Протоколы передачи данных:

Самый распространенный протокол. Он отвечает за гарантированную передачу данных. При отправке пакетов контролируется их контрольная сумма, процесс транзакции. Это значит, что информация дойдет «в целости и сохранности» независимо от условий.

UDP (User Datagram Protocol) - второй по популярности протокол. Он также отвечает за передачу данных. Отличительное свойство кроется в его простоте. Пакеты просто отправляются, не создавая особенной связи.

TCP или UDP?

У каждого из этих протоколов есть своя область применения. Она логически обусловлена особенностями работы.

Основное преимущество UDP заключается в скорости передачи. TCP является сложным протоколом с множеством проверок, в то время как UDP представляется более упрощенным, а значит, и более быстрым.

Недостаток кроется в простоте. Ввиду отсутствия проверок не гарантируется целостность данных. Таким образом, информация просто отправляется, а все проверки и подобные манипуляции остаются за приложением.

UDP используется, например, для просмотра видео. Для видеофайла не критична потеря небольшого количества сегментов, в то время как скорость загрузки - важнейший фактор.

Однако если необходимо отправить пароли или реквизиты банковской карты, то необходимость использования TCP очевидна. Потеря даже самой мизерной части данных может повлечь за собой катастрофические последствия. Скорость в этом случае не так важна, как безопасность.

Сетевой уровень

Сетевой уровень из полученной информации образует пакеты и добавляет заголовок. Наиболее важной частью данных являются IP и MAC-адреса отправителей и получателей.

IP-адрес (Internet Protocol address) - логический адрес устройства. Содержит информацию о местоположении устройства в сети. Пример записи: .

MAC-адрес (Media Access Control address) - физический адрес устройства. Используется для идентификации. Присваивается сетевому оборудованию на этапе изготовления. Представлен как шестибайтный номер. Например: .

Сетевой уровень отвечает за:

• Определение маршрутов доставки.
• Передачу пакетов между сетями.
• Присвоение уникальных адресов.

Маршрутизаторы - устройства сетевого уровня. Они прокладывают путь между компьютером и сервером на основе полученных данных.

Самый популярный протокол этого уровня - IP.

IP (Internet Protocol) - интернет-протокол, предназначенный для адресации в сети. Используется для построения маршрутов, по которым происходит обмен пакетами. Не обладает никакими средствами проверки и подтверждения целостности. Для обеспечения гарантий доставки используется TCP, который использует IP в качестве транспортного протокола. Понимание принципов этой транзакции во многом объясняет основу того, как работает стек протоколов TCP/IP.

Виды IP-адресов

В сетях используются два вида IP-адресов:

1. Публичные.
2. Приватные.

Публичные (Public) используются в Интернете. Главное правило - абсолютная уникальность. Пример их использования - маршрутизаторы, каждый из которых имеет свой IP-адрес для взаимодействия с сетью Интернет. Такой адрес называется публичным.

Приватные (Private) не используются в Интернете. В глобальной сети такие адреса не являются уникальными. Пример - локальная сеть. Каждому устройству присваивается уникальный в пределах данной сети IP-адрес.

Взаимодействие с сетью Интернет ведется через маршрутизатор, который, как уже было сказано выше, имеет свой публичный IP-адрес. Таким образом, все компьютеры, подключенные к маршрутизатору, представляются в сети Интернет от имени одного публичного IP-адреса.

IPv4

Самая распространенная версия интернет-протокола. Предшествует IPv6. Формат записи - четыре восьмибитных числа, разделенные точками. Через знак дроби указывается маска подсети. Длина адреса - 32 бита. В подавляющем большинстве случаев, когда речь идет об IP-адресе, имеется в виду именно IPv4.

Формат записи: .

IPv6

Эта версия предназначается для решения проблем предыдущей версией. Длина адреса - 128 бит.

Основная проблема, которую решает IPv6 - это исчерпание адресов IPv4. Предпосылки начали проявляться уже в начале 80-х годов. Несмотря на то, что эта проблема вступила в острую стадию уже в 2007-2009 годах, внедрение IPv6 очень медленно «набирает обороты».

Главное преимущество IPv6 - более быстрое интернет-соединение. Это происходит из-за того, что для этой версии протокола не требуется трансляции адресов. Выполняется простая маршрутизация. Это является менее затратным и, следовательно, доступ к интернет-ресурсам предоставляется быстрее, чем в IPv4.

Пример записи: .

Существует три типа IPv6-адресов:

1. Unicast.
2. Anycast.
3. Multicast.

Unicast - тип одноадресных IPv6. При отправке пакет достигает только интерфейса, расположенного на соответствующем адресе.

Anycast относится к групповым IPv6-адресам. Отправленный пакет попадет в ближайший сетевой интерфейс. Используется только маршрутизаторами.

Multicast являются многоадресными. Это значит, что отправленный пакет достигнет всех интерфейсов, находящихся группе мультивещания. В отличие от broadcast, который является «вещанием для всех», multicast вещает лишь определенной группе.

Маска подсети

Маска подсети выявляет из IP-адреса подсеть и номер хоста.

Например, IP-адрес имеет маску . В таком случае формат записи будет выглядеть так . Число «24» - это количество бит в маске. Восемь бит равняется одному октету, который также может называться байтом.

Если подробнее, то маску подсети можно представить в двоичной системе счисления таким образом: . В ней имеется четыре октета, и запись состоит из «1» и «0». Если сложить количество единиц, то получим в сумме «24». К счастью, считать по единице не обязательно, ведь в одном октете - 8 значений. Видим, что три из них заполнены единицами, складываем и получаем «24».

Если говорить именно о маске подсети, то в двоичном представлении она имеет в одном октете либо единицы, либо нули. При этом последовательность такова, что сначала идут байты с единицами, а только потом с нулями.

Рассмотрим небольшой пример. Есть IP-адрес и маска подсети . Считаем и записываем: . Теперь сопоставляем маску с IP-адресом. Те октеты маски, в которых все значения равны единице (255) оставляют соответствующие им октеты в IP-адресе без изменения. Если же в значении нули (0), то октеты в IP-адресе также становятся нулями. Таким образом, в значении адреса подсети получаем .

Подсеть и хост

Подсеть отвечает за логическое разделение. По сути, это устройства, использующие одну локальную сеть. Определяется диапазоном IP-адресов.

Хост - это адрес сетевого интерфейса (сетевой карты). Определяется из IP-адреса с помощью маски. Например: . Так как первые три октета - подсеть, то остается . Это и есть номер хоста.

Диапазон адресов хоста - от 0 до 255. Хост под номером «0» является, собственно, адресом самой подсети. А хост под номером «255» является широковещательным.

Адресация

Для адресации в стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

1. Локальные.
2. Сетевые.
3. Доменные имена.

Локальными называются MAC-адреса. Они используются для адресации в таких технологиях локальной сети как, например, Ethernet. В контексте TCP/IP слово «локальные» означает, что они действуют лишь в пределах подсети.

Сетевым адресом в стеке протоколов TCP/IP является IP-адрес. При отправке файла из его заголовка считывается адрес получателя. С его помощью маршрутизатор узнает номер хоста и подсеть и, основываясь на этой информации, прокладывает маршрут к конечному узлу.

Доменные имена - это удобочитаемые адреса веб-сайтов в Интернете. Веб-сервера в сети Интернет доступны по публичному IP-адресу. Он успешно обрабатывается компьютерами, однако для людей представляется слишком неудобным. Для того чтобы избежать подобных сложностей, используются доменные имена, которые состоят из областей, называемых «доменами». Они располагаются в порядке строгой иерархии, от верхнего уровня к нижнему.

Домен первого уровня представляет конкретную информацию. Общие (.org, .net) не ограничены какими-либо строгими границами. Обратная ситуация - с локальными (.us, .ru). Они, как правило, привязаны территориально.

Домены низших уровней - это все остальное. Он может быть любого размера и содержать любое количество значений.

Например, "www.test.quiz.sg" - корректное доменное имя, где «sg» - локальный домен первого (верхнего) уровня, «quiz.sg» - домен второго уровня, «test.quiz.sg» - домен третьего уровня. Доменные имена также могут называться DNS-именами.

DNS (Domain Name System) устанавливает соответствие между доменными именами и публичным IP-адресом. При наборе доменного имени в строке браузера DNS обнаружит соответствующий IP-адрес и сообщит устройству. Устройство обработает этот и вернет его в виде веб-страницы.

Канальный уровень

На канальном уровне определяется взаимосвязь между устройством и физической средой передачи, добавляется заголовок. Отвечает за кодировку данных и подготовку фреймов для передачи по физической среде. На этом уровне работают сетевые коммутаторы.

Самые распространенные протоколы:

1. Ethernet.
2. WLAN.

Ethernet - наиболее распространенная технология проводных локальных сетей.

WLAN - локальная сеть на основе беспроводных технологий. Взаимодействие устройств происходит без физических кабельных соединений. Пример самого распространенного метода - Wi-Fi.

Настройка TCP/IP для использования статического IPv4-адреса

Статический IPv4-адрес назначается напрямую в настройках устройства или автоматически при подключении к сети и является постоянным.

Для настройки стека протоколов TCP/IP на использование постоянного IPv4-адреса необходимо ввести в консоль команду ipconfig/all и найти следующие данные.

Настройка TCP/IP для использования динамического IPv4-адреса

Динамический IPv4-адрес используется какое-то время, сдается в аренду, после чего меняется. Присваивается устройству автоматически при подключении к сети.

Чтобы настроить стек протоколов TCP/IP на использование непостоянного IP-адреса необходимо зайти в свойства нужного соединения, открыть свойства IPv4 и поставить отметки так, как указано.

Способы передачи данных

Данные передаются через физическую среду тремя способами:

• Simplex.
• Half-duplex.
• Full Duplex.

Simplex - это односторонняя связь. Передача ведется только одним устройством, в то время как другое только принимает сигнал. Можно сказать, что информация транслируется только в одном направлении.

Примеры симплексной связи:

• Телевещание.
• Сигнал от спутников GPS.

Half-duplex - это двусторонняя связь. Однако только один узел может передавать сигнал в определенный момент времени. При такой связи два устройства не могут одновременно использовать один канал. Полноценная двусторонняя связь может быть невозможна физически или приводить к коллизиям. Говорится, что они конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании коаксиального кабеля.

Пример полудуплексной связи - общение по рации на одной частоте.

Full Duplex - полноценная двусторонняя связь. Устройства могут одновременно транслировать сигнал и производить прием. Они не конфликтуют за среду передачи. Этот режим применяется при использовании технологии Fast Ethernet и соединении с помощью витой пары.

Пример - общение по телефону через мобильную сеть.

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 - 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.

Понимание работы сетей на базовом уровне имеет очень важное значение для каждого администратора сервера или веб-мастера. Это необходимо для правильной настройки ваших сервисов в сети, а также легкого обнаружения возможных проблем и решения неполадок.

В этой статье мы рассмотрим общие концепции сетей интернета, обсудим основную терминологию, самые распространенные протоколы, а также характеристики и предназначение каждого из уровней сетей. Здесь собрана только теория, но она будет полезна начинающим администраторам и всем интересующимся.

Перед тем как обсуждать основы сети интернет, нам нужно разобраться с некоторыми общими терминами, которые часто используются специалистами и встречаются в документации:

• Соединение - в сетях, соединение означает возможность передавать данные между устройствами. Перед тем как начнется передача данных, должно состоятся соединение, параметры которого описаны протоколом;
• Пакет - это основной структурный блок данных в сети. Все данные передаются в виде пакетов, большие данные разделяются на небольшие пакеты, фиксированного размера. В каждом пакете есть заголовок, в котором находится информация о данных, пункте назначения, отправителе, строке жизни пакета, времени отправки и т д;
• Сетевой интерфейс - это физическое или виртуальное устройство, которое позволяет компьютеру подключиться к сети. Если у вас есть две сетевые карты на компьютере, то вы можете настроить сетевой интерфейс для каждой из них. Также сетевой интерфейс может быть виртуальным, например, локальный интерфейс lo;
• LAN - это ваша локальная сеть, к ней подключены только ваши компьютеры и больше никто не имеет к ней доступа. Это может быть ваша домашняя или офисная сеть;
• WAN - это глобальная сеть интернет, обычно этот термин применяется для обозначения всей сети интернет, также этот термин может относиться к сетевому интерфейсу;
• Протокол - набор правил и стандартов, которые определяют команды и способ коммуникации между устройствами. Существует множество протоколов и мы их рассмотрим ниже. Самые популярные из них - это TCP, UDP, IP и ICMP, также есть протоколы сети интернет более высокого уровня, например, HTTP и FTP;
• Порт - это адрес на компьютере, который связан с определенной программой. Это не сетевой интерфейс и не местоположение. С помощью портов программы могут общаться между собой;
• Брандмауэр - это программное обеспечение, которое контролирует все сетевые пакеты, проходящие через компьютер. Проходящие пакеты обрабатываются на основе правил, созданных пользователем. Также брандмауэр может закрывать определенные порты, чтобы сделать работу компьютера более безопасной;
• NAT -это служба преобразования сетевых адресов между локальной и глобальной сетью. Количество свободных сетевых адресов в сети уменьшается, поэтому необходимо найти решение, и решением стало создания локальных сетей, где несколько компьютеров могут иметь один IP адрес. Все пакеты приходят на роутер, а он уже потом с помощью NAT распределяет их между компьютерами.
• VPN - это виртуальная частная сеть, с помощью нее можно объединить несколько локальных сетей через сеть интернет. Используется в большинстве случаев для обеспечения безопасности.

Вы можете найти намного больше терминов, но здесь мы перечислили все самые основные, которые будут встречаться чаще всего.

Уровни сетей и модель OSI

Обычно, сети обсуждаются в горизонтальной плоскости, рассматриваются протоколы сети интернет верхнего уровня и приложения. Но для установки соединений между двумя компьютерами используется множество вертикальных слоев и уровней абстракции. Это означает, что существует несколько протоколов, которые работают друг поверх друга для реализации сетевого соединения. Каждый следующий, более высокий слой абстрагирует передаваемые данные и делает их проще для восприятия следующим слоем, и в конечном итоге приложением.

Существует семь уровней или слоев работы сетей. Нижние уровни будут отличаться в зависимости от используемого вами оборудования, но данные будут передаваться одни и те же и будут иметь один и тот же вид. На другую машину данные всегда передаются на самом низком уровне. На другом компьютере, данные проходят все слои в обратном порядке. На каждом из слоев к данным добавляется своя информация, которая поможет понять что делать с этим пакетом на удаленном компьютере.

Модель OSI

Так сложилось исторически, что когда дело доходит до уровней работы сетей, используется модель OSI или Open Systems Interconnect. Она выделяет семь уровней:

• Уровень приложений - самый верхний уровень, представляет работу пользователя и приложений с сетью Пользователи просто передают данные и не задумываются о том, как они будут передаваться;
• Уровень представления - данные преобразуются в более низкоуровневый формат, чтобы быть такими, какими их ожидают получить программы;
• Уровень сессии - на этом уровне обрабатываются соединения между удаленным компьютерами, которые будут передавать данные;
• Транспортный уровень - на этом уровне организовывается надежная передача данных между компьютерами, а также проверка получения обоими устройствами;
• Сетевой уровень - используется для управления маршрутизацией данных в сети пока они не достигнут целевого узла. На этом уровне пакеты могут быть разбиты на более мелкие части, которые будут собраны получателем;
• Уровень соединения - отвечает за способ установки соединения между компьютерами и поддержания его надежности с помощью существующих физических устройств и оборудования;
• Физический уровень - отвечает за обработку данных физическими устройствами, включает в себя программное обеспечение, которое управляет соединением на физическом уровне, например, Ehternet или Wifi.

Как видите, перед тем, как данные попадут к аппаратному обеспечению им нужно пройти множество слоев.

Модель протоколов TCP/IP

Модель TCP/IP, еще известная как набор основных протоколов интернета, позволяет представить себе уровни работы сети более просто. Здесь есть только четыре уровня и они повторяют уровни OSI:

• Приложения - в этой модели уровень приложений отвечает за соединение и передачу данными между пользователям. Приложения могут быть в удаленных системах, но они работают как будто бы находятся в локальной системе;
• Транспорт - транспортный уровень отвечает за связь между процессами, здесь используются порты для определения какому приложению нужно передать данные и какой протокол использовать;
• Интернет - на этом уровне данные передаются от узла к узлу по сети интернет. Здесь известны конечные точки соединения, но не реализуется непосредственная связь. Также на этом уровне определяются IP адреса;
• Соединение - этот уровень реализует соединение на физическом уровне, что позволяет устройствам передавать между собой данные не зависимо от того, какие технологии используются.

Эта модель менее абстрактная, но мне она больше нравиться и ее проще понять, поскольку она привязана к техническим операциям, выполняемым программами. С помощью каждой из этих моделей можно предположить как на самом деле работает сеть. Фактически, есть данные, которые перед тем, как будут переданы, упаковываются с помощью нескольких протоколов, передаются через сеть через несколько узлов, а затем распаковываются в обратном порядке получателем. Конечные приложения могут и не знать что данные прошли через сеть, для них все может выглядеть как будто обмен осуществлялся на локальной машине.

Основные протоколы интернета

Как я уже сказал. в основе работы сети лежит использование нескольких протоколов, которые работают один поверх другого. Давайте рассмотрим основные сетевые протоколы интернет, которые вам будут часто встречаться, и попытаемся понять разницу между ними.

• MAC или (Media Access Control) - это протокол низкого уровня, который используется для идентификации устройств в локальной сети. У каждого устройства, подключенного к сети есть уникальный MAC адрес, заданный производителем. В локальных сетях, а все данные выходят из локальной сети и попадают в локальную сеть перед тем, как попасть к получателю, используются физические MAC адреса для обозначения устройств. Это один из немногих протоколов уровня соединения, с которым довольно часто приходится сталкиваться.
• IP (Internet Protocol) - расположен уровнем выше, за MAC. Он отвечает за определение IP адресов, которые будут уникальными для каждого устройства и позволяют компьютерам находить друг друга в сети. Он относится к сетевому уровню модели TCP/IP. Сети могут быть связанны друг с другом в сложные структуры, с помощью этого протокола компьютеры могут определить несколько возможных путей к целевому устройству, причем во время работы эти пути могут меняться. Есть несколько реализаций протокола, но наиболее популярной на сегодняшний день является IPv4 и IPv6.
• ICMP (Internet control message protocol) - используется для обмена сообщениями между устройствами. Это могут быть сообщения об ошибках или информационные сообщения, но он не предназначен для передачи данных. Такие пакеты используются в таких диагностических инструментах, как ping и traceroute. Этот протокол находится выше протокола IP;
• TCP (Transmission control protocol) - это еще один основной сетевой протокол, который находится на том же уровне, что и ICMP. Его задача - управление передачей данных. Сети ненадежны. Из-за большого количества путей пакеты могут приходить не в том порядке или даже теряться. TCP гарантирует, что пакеты будут приняты в правильном порядке, а также позволяет исправить ошибки передачи пакетов. Информация приводится к правильному порядку, а уже затем передается приложению. Перед передачей данных создается соединение с помощью так называемого алгоритма тройного рукопожатия. Он предусматривает отправку запроса и подтверждение открытия соединения двумя компьютерами. Множество приложений используют TCP, это SSH, WWW, FTP и многие другие.
• UDP (user datagram protocol) - это популярный протокол, похожий на TCP, который тоже работает на транспортном уровне. Отличие между ними в том, что здесь используется ненадежная передача данных. Данные не проверяются при получении, это может выглядеть плохой идеей, но во многих случаях этого вполне достаточно. Поскольку нужно отправлять меньше пакетов, UDP работает быстрее, чем TCP. Поскольку соединение устанавливать не нужно, то этот протокол может использоваться для отправки пакетов сразу на несколько машин или IP телефонии.
• HTTP (hypertext transfer protocol) - это протокол уровня приложения, который лежит в основе работы всех сайтов интернета. HTTP позволяет запрашивать определенные ресурсы у удаленной системы, например, веб страницы, и файлы;
• FTP (file transfer protocol) - это протокол передачи файлов. Он работает на уровне приложений и обеспечивает передачу файла от одного компьютера к другому. FTP - не безопасный, поэтому не рекомендуется его применять для личных данных;
• DNS (domain name system) - протокол того же уровня, используемый для преобразования понятных и легко читаемых адресов в сложные ip адреса, которые трудно запомнить и наоборот. Благодаря ему мы можем получить доступ к сайту по его доменному имени;
• SSH (secure shell) - протокол уровня приложений, реализованный для обеспечения удаленного управления системой по защищенному каналу. Многие дополнительные технологии используют этот протокол для своей работы.

Есть еще очень много других протоколов, но мы рассмотрели только сетевые протоколы, которые больше всего важны. Это даст вам общие понятия того, как работает сеть и интернет в целом.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели основы сетей и протоколов, которые используются для организации их работы. Конечно, этого совсем недостаточно, чтобы понять все, но теперь у вас есть определенная база и вы знаете как различные компоненты взаимодействуют друг с другом. Это поможет вам понимать другие статьи и документацию. Если вас серьезно заинтересовали основы сети интернет, то тут не хватит нескольких статей. Вам нужна книга. Обратите внимание на Камер Д. Сети TCP/IP. Принципы, протоколы и структура. В свое время я ее прочитал и мне очень понравилось.

На завершение видео про модель OSI: