Конспект лекции 12. Модель TCP/IP

На этом уровне работают маршрутизаторы, которые перенаправляют пакеты в нужную сеть путём расчёта адреса сети по маске сети.

TCP/IP Protocol suite

TCP/IP is a set of protocols that form the backbone of the internet. As I described in the OSI model post, TCP (Transmission Control Protocol) provides reliable, ordered, and error-checked delivery of a stream of bytes between applications running on hosts. IP (Internet Protocol) is the protocol for shifting packets around between hosts in the network layer. The TCP/IP suite, however, contains a whole bunch of protocols beyond these two. (Fun fact: If to devices are communicating in a network with TCP/IP they are called network hosts. If they are using anything else they are called network nodes.)

As with all real-world implementations TCP/IP sort of follows the OSI Model.

All models are wrong but some are useful — George Box

Image showing the OSI model compared to the TCP/IP protocol suite. This is explained in detail below.

TCP/IP Applications.

I won’t spend ages on TCP/IP applications but real-world context helped me make a bit more sense of the host layers in the OSI model. I had a bit of a hard time getting my head around the difference between application programs and the application layer. TCP/IP helped me suss out what was meant. For example when I open a web browser — an application program, it makes a call to HTTP — the protocol in the application layer of the OSI stack. The web browser itself is not represented in the model.

There are a whole bunch of protocols operating at this level to ensure different applications can access the network. Some common examples are:

HTTP (HyperText Transfer Protocol): the rules for handling hypertext documents and hyperlinks, i.e. the world wide web.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): The rules for sending emails.

POP3(Post Office Protocol) and IMAP (Internet Message Application Protocol): The rules for receiving emails.

FTP (File Transfer Protocol): The rules for sending files.

SSH: (Secure Shell): The rules for managing network services securely over the internet.

Transmission Control Protocol (TCP).

Because most communication on the internet requires a reliable connection, TCP has become the dominant protocol. It operates at the network layer of the OSI model and it establishes a reliable connection through a process called the three-way handshake:

Host 1 sends a Synchronisation (SYN) Request to Host 2.
Host 2 receives the request and sends back a Synchronisation Acknowledgement (SYN/ACK) request back to Host 1.
On receipt of the SYN/ACK Host 1 sends a final Acknowledgement (ACK) back to Host 2 and the connection is established.
Data transfer (in the form of bytes) then takes place between the two hosts.

This virtual circuit setup is called overhead. Additionally, the hosts don’t rely solely on the initial requests to ensure the reliability of the connection but instead will continue to check periodically to ensure it is still established and that data is flowing properly.

So that’s all great if one application is making a request but as we have seen there are loads of applications and the higher layers making requests. This can often be at a faster speed than the supporting network and can cause bottleneck issues. TCP manages this demand with a process called Flow Control. Flow control is a pull system (which as an agile delivery lead makes me very happy). The receiver is responsible for telling the sender that it has received data and it is ok to send more. Lovely!

Flow control works like this:

The segments delivered are acknowledged back to the sender upon their reception.
Any segments not acknowledged are retransmitted.
Segments are sequenced back into their proper order upon arrival at their destination.
A manageable data flow is maintained in order to avoid congestion, overloading, and data loss.

This works well most of the time but it is still possible for the transmitting host to send a burst of data that is too much for the receiver to cope with. What happens then? The receiving host has a memory allocation called a buffer and it stores the burst of datagrams in this memory. (The origin of the dreaded ‘buffering’ message when viewing videos on the internet, a data-heavy process).

But what if the sender is so fast, it sends a massive stream of datagrams before the host has a chance to acknowledge it, and that is larger than the buffer? TCP has a plan for this too, in this scenario the receiving host sends a Not Ready indicator back to the sender, this is like an emergency brake and stops the sender from transmitting any more data until the host has had a chance to process the data in its buffer. Once the receiving host has done this it then transmits a Go indicator to the sender to resume data transfer.

Importantly the data is transferred in order from sender to receiver, this sequencing means that should any of the three failure scenarios mentioned above occur, both hosts know how far they have got through the transfer in order to resume after the failure is rectified.

These multiple levels of fault tolerance mean that TCP is a very reliable connection-oriented protocol because it has the following characteristics:

A virtual circuit is set up (such as a three-way handshake).
It uses sequencing.
It uses acknowledgements.
It uses flow control.

Finally, it is possible to reduce the robustness of this process for the sake of throughput through a control called Windowing. As you can imagine, acknowledging every datagram received back to the host could be a hefty process for large file transfers. Windowing defines how many data segments (measured in bytes) can be sent before an acknowledgement is required back from the receiving host. For example, a window of 3 would mean that 3 bytes of data can be sent before the receiver needs to send the sender and acknowledgement. The larger the size of the window, the bigger the risk of a buffer overflow.

But how is sequencing ensured if the receiver only acknowledges every few data segments? This is done with acknowledgements. Say Host A wants to transmit the segments 123456789 with a window of 3 to Host B.

Host A sends 1
Host A sends 2
Host A sends 3
Host B receives 123 and so acknowledges by requesting 4.
Host A sends 4
Host A loses connection whilst trying to send 5.
Host A sends 6
Host B now realises it is missing 5 so requests 5.
Host A sends 5
Host B now requests 7
etc etc

Internet Protocol (IP).

The Internet Protocol is concerned with addressing — ensuring data gets from the right source to the right destination. It sits unsurprisingly in the network layer of the OSI model.

There are currently two versions of the protocol in active use, IPv4 and IPv6.

IPv4.

IPv4 is the most well-known version. When most people talk about IP addresses they are describing an IPv4 address. They are made up of 4 dot-separated numerical values called octets. Each value is a decimal representation of a binary value. I will cover what this means (and how to calculate IP addresses and subnet masks in Week 2).

IPv4 is a 32 bit pool of addresses, this means that it is possible to have 4,294,967,296 (4 billion) addresses. This sounds like a lot but we have already nearly run out of IPv4 public addresses. Public addresses are those that are distributed by IANA (The Internet Assigned Number Authority) and are the IP representation of internet domain names. You can have many networks using the same IP addresses provided they are contained behind a subnet. A subnet is a logical subdivision of an IP network and can be described as Classful or Classless. This will be covered in more detail in Week 2.

An IPv4 address looks like this:

Where 192.168.2.1 is the host address and /24 is the subnet. The subnet can also be represented in dot-separated format, in the case of /24 this will be 255.255.255.0

IPv6.

IPv6 are 128-bit addresses, they are colon separated and represented in hexadecimal. The IPv6 pool of addresses is 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 or 340 billion billion billion billion addresses!! As a result, they don’t have a need for subnet’s. IPv6 headers are much smaller than IPv4 addresses, uses IPSec by default (encrypts the packets whilst being sent) it also broadcasts by default in Multicast mode.

An example IPv6 address looks like this:

It is ok to remove all leading zeroes from an address:

And consecutive zeroes can be removed and represented by double colons. Although only once within the sequence:

Network Access or Link Layer.

The TCP/IP protocol suite is designed to be device agnostic and so doesnt concern itself too much with the link layer. As with the OSI model the link layer is concerned with moving packets between network hosts and includes protocols for translating logical IP addresses to physical MAC addresses such as the ARP (Address Resolution Protocol).

Конспект лекции 12. Модель TCP/IP.

Модель TCP/IP – сетевая модель для управления передачей данных, которые представлены в цифровом виде.

Эта модель описывает способ передачи данных от одного устройства к другому.

Документом, регламентирующим уровневую архитектуру модели и описывающий все протоколы, входящие в TCP/IP, является RFC 1122.

Проблематика

Модель OSI имеет замечательную теоретическую проработку, но именно из-за большого количества теории она не может существовать в реальности: много уровней и задач сильно перегружают архитектуру, и задача построения компьютерной сети начинает требовать много ресурсов.

Для того, чтобы облегчить и обобщить задачу построения КС, была придумана модель TCP/IP. Название происходит от самых используемых протоколов этой модели.

Эта модель была принята как стандарт де-факто (негласно). Не смотря на это, данная модель является основой для архитектуры сети Интернет.

История.

Стек протоколов TCP/IP был создан на основе NCP (Network Control Protocol) группой разработчиков под руководством Винтона Серфа в 1972 году. В июле 1976 года Винт Серф и Боб Кан впервые продемонстрировали передачу данных с использованием TCP по трём различным сетям. Пакет прошёл по следующему маршруту: Сан-Франциско — Лондон — Университет Южной Калифорнии. К концу своего путешествия пакет проделал 150 тысяч км, не потеряв ни одного бита. В 1978 году Серф, Джон Постел и Дэнни Кохэн[en] решили выделить в TCP две отдельные функции: TCP и IP (англ. Internet Protocol, межсетевой протокол). TCP был ответственен за разбивку сообщения на датаграммы (англ. datagram) и соединение их в конечном пункте отправки. IP отвечал за передачу (с контролем получения) отдельных датаграмм. Вот так родился современный протокол Интернета. А с 1 января 1983 года ARPANET перешла на новый протокол. Этот день принято считать официальной датой рождения Интернета.

Выделяемые уровни

На рисунке представлена модель TCP/IP в сравнении с моделью OSI.

модель TCP/IP в сравнении с моделью OSI.

Уровень доступа к сети (или Канальный уровень)

Канальный уровень описывает способ кодирования данных для передачи пакета данных на физическом уровне (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных, а также обеспечивающие помехоустойчивость). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет (MAC-адрес).

Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня — LLC и MAC.

Logical Link Control (верхний) – подуровень управления логической связью. В его задачи входит управление передачей данных и обеспечение проверки и правильности передачи информации.
Media Access Control (нижний) – подуровень управления доступом к физической среде. Обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам.

Кроме того, канальный уровень описывает среду передачи данных.

Уровень сети Интернет (или Межсетевой уровень)

Межсетевой уровень предназначен для передачи пакета из одной сети в другую.

На этом уровне работают маршрутизаторы, которые перенаправляют пакеты в нужную сеть путём расчёта адреса сети по маске сети.

Межсетевое взаимодействие — это основной принцип построения интернета. Локальные сети по всему миру объединены в глобальную, а передачу данных между этими сетями осуществляют магистральные и пограничные маршрутизаторы.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные. Два главных транспортных протокола – TCP и UDP.

TCP – «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP – протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.

На транспортном уровне появляется понятие «порт». Для передачи данных между процессами устройства (например, передача сообщения из одного приложения «вконтакте» другому приложению «вконтакте») недостаточно знать только IP-адрес и его маску. Ещё необходимо знать, какому процессу адресован пакет данных.

Для передачи пакетов между процессами было принято выделить на каждом хосте виртуальные порты, которые могут прослушиваться процессами.

Порт – это число от 0 до 65535, которое присваивается процессу на время. Порт чем-то похож на кабинку, которую можно занять определённой программе (ну а совокупность портов можно представить как гостиницу).

Порт порт так же может определять, какой протокол используется на прикладном уровне.

Порты выделяются как для TCP, так и для UDP (т.е. порты для одного протокола не пересекаются с портами другого).

Прикладной уровень предназначен для работы сетевых приложений. Для обмена информацией они используют свои протоколы, например: протокол HTTP для обмена гипертекстовой разметкой, протокол FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.

В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:

HTTP на TCP-порт 80 или 8080;
FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд);
SSH на TCP-порт 22;
запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53.

С этим уровнем взаимодействует пользователь. Поэтому протоколы на этом уровне могут разрабатывать и прикладные программисты.

Стек протоколов

Стек – это структурированный последовательно набор значений. В нашем случае, это структурированный список протоколов модели.

Для удобства определим протоколы по каждому уровню.

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.
7.На транспортном 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 приведённые можно назвать самыми значимыми для рассмотрения.

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.

Таким образом, любой пакет содержит в себе стек используемых протоколов, который собирается при отправке, и в обратном порядке разбирается (подобно структуре «стек» в программировании).

формирование пакета данных по модели TCP/IP.

Руководство по стеку протоколов TCP/IP для начинающих

Cтек протоколов TCP/IP широко распространен. Он используется в качестве основы для глобальной сети интернет. Разбираемся в основных понятиях и принципах работы стека.

Основы TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol, протокол управления передачей/протокол интернета) — сетевая модель, описывающая процесс передачи цифровых данных. Она названа по двум главным протоколам, по этой модели построена глобальная сеть интернет. Сейчас это кажется невероятным, но в 1970-х информация не могла быть передана из одной сети в другую. Чтобы обеспечить такую возможность, был разработан стек интернет-протоколов, известный как TCP/IP.

Разработка сетевой модели осуществлялась при содействии Министерства обороны США, поэтому иногда модель TCP/IP называют DoD (Department of Defence) модель. Если вы знакомы с моделью OSI, то вам будет проще понять построение модели TCP/IP, потому что обе модели имеют деление на уровни, внутри которых действуют определенные протоколы и выполняются собственные функции. Мы разделили статью на смысловые части, чтобы было проще понять, как устроена модель TCP/IP:

Уровневая модель TCP/IP

Выше мы уже упоминали, что модель TCP/IP разделена на уровни, как и OSI, но отличие двух моделей в количестве уровней. Документами, определяющими сертификацию модели, являются RFC 1122 и RFC1123. Эти стандарты описывают четыре уровня абстракции модели TCP/IP: прикладной, транспортный, межсетевой и канальный. Существуют и другие версии описания модели, в том числе включающие иное количество уровней и их наименований. Однако в этой статье мы придерживаемся оригинальной версии и далее рассмотрим четыре уровня модели.

Канальный уровень (link layer)

Предназначение канального уровня — дать описание тому, как происходит обмен информацией на уровне сетевых устройств, определить, как информация будет передаваться от одного устройства к другому. Информация здесь кодируется, делится на пакеты и отправляется по нужному каналу, т.е. среде передачи.

Этот уровень также вычисляет максимальное расстояние, на которое пакеты возможно передать, частоту сигнала, задержку ответа и т.д. Все это — физические свойства среды передачи информации. На канальном уровне самым распространенным протоколом является Ethernet, который мы рассмотрим в конце статьи.

Межсетевой уровень (internet layer)

Глобальная сеть интернет состоит из множества локальных сетей, взаимодействующих между собой. Межсетевой уровень используется, чтобы описать обеспечение такого взаимодействия.

Именно на межсетевом уровне функционирует протокол IP, позволивший объединить разные сети в глобальную. Как и протокол TCP, он дал название модели, рассматриваемой в статье.

Маска подсети и IP-адреса

Маска подсети помогает маршрутизатору понять, как и куда передавать пакет. Подсетью может являться любая сеть со своими протоколами. Маршрутизатор передает пакет напрямую, если получатель находится в той же подсети, что и отправитель. Если же подсети получателя и отправителя различаются, пакет передается на второй маршрутизатор, со второго на третий и далее по цепочке, пока не достигнет получателя.

Протокол IP (Internet Protocol) используется маршрутизатором, чтобы определить, к какой подсети принадлежит получатель. Свой уникальный IP-адрес есть у каждого сетевого устройства, при этом в глобальной сети не может существовать два устройства с одинаковым IP. Протокол имеет две действующие версии, первая из которых — IPv4 (IP version 4, версии 4) — была описана в 1981 году.

IPv4 предусматривает назначение каждому устройству 32-битного IP-адреса, что ограничивало максимально возможное число уникальных адресов 4 миллиардами (2^32). В более привычном для человека десятичном виде IPv4 выглядит как четыре блока (октета) чисел от 0 до 255, разделенных тремя точками. Первый октет IP-адреса означает класс сети, классов всего 5: A, B, C, D, E. Gри этом адреса сети D являются мультикастовыми, а сети E вообще не используются.

Рассмотрим, например, IPv4 адрес класса С 223.135.100.7. Первые три октета определяют класс и номер сети, а последний означает номер конечного устройства. Например, если необходимо отправить информацию с компьютера номер 7 с IPv4 адресом 223.135.100.7 на компьютер номер 10 в той же подсети, то адрес компьютера получателя будет следующий: 223.135.100.10.

В связи с быстрым ростом сети интернет остро вставала необходимость увеличения числа возможных IP-адресов. В 1995 году впервые был описан протокол IPv6 (IP version 6, версии 6), который использует 128-битные адреса и позволяет назначить уникальные адреса для 2^128 устройств.

IPv6 имеет вид восьми блоков по четыре шестнадцатеричных значения, а каждый блок разделяется двоеточием. IPv6 выглядит следующим образом:

2dab:ffff:0000:0000:01aa:00ff:dd72:2c4a.

Так как IPv6 адреса длинные, их разрешается сокращать по определенным правилам, которые также описываются RFC:

Для написания адреса используются строчные буквы латинского алфавита: a, b, c, d, e, f.
Ведущие нули допускается не указывать — например, в адресе выше :00ff: можно записать как :ff:.
Группы нулей, идущие подряд, тоже допустимо сокращать и заменять на двойное двоеточие. На примере выше это выглядит так: 2dab:аааа::01aa:00ff:dd72:2c4a. Допускается делать не больше одного подобного сокращения в адресе IPv6 на наибольшей последовательности нулей. Если одинаково длинных последовательностей несколько — на самой левой из них.

IP предназначен для определения адресата и доставки ему информации. Он предоставляет услугу для вышестоящих уровней, но не гарантирует целостность доставляемой информации.

IP способен инкапсулировать другие протоколы, предоставлять место, куда они могут быть встроены. К таким протоколам, например, относятся ICMP (межсетевой протокол управляющих сообщений) и IGMP (межсетевой протокол группового управления). Информация о том, какой протокол инкапсулируется, отражается в заголовке IP-пакета. Так, ICMP будет обозначен числом 1, а IGMP будет обозначен числом 2.

ICMP

ICMP в основном используется устройствами в сети для доставки сообщений об ошибках и операционной информации, сообщающей об успехе или ошибке при связи с другим устройством. Например, именно с использованием ICMP осуществляется передача отчетов о недоступности устройств в сети. Кроме того, ICMP используется при диагностике сети — к примеру, в эксплуатации утилит ping или traceroute.

ICMP не передает какие-либо данные, что отличает его от протоколов, работающих на транспортном уровне — таких как TCP и UDP. ICMP, аналогично IP, работает на межсетевом уровне и фактически является неотъемлемой частью при реализации модели TCP/IP. Стоит отметить, что для разных версий IP используются и разные версии протокола ICMP.

Транспортный уровень (transport layer)

Постоянные резиденты транспортного уровня — протоколы TCP и UDP, они занимаются доставкой информации.

TCP (протокол управления передачей) — надежный, он обеспечивает передачу информации, проверяя дошла ли она, насколько полным является объем полученной информации и т.д. TCP дает возможность двум конечным устройствам производить обмен пакетами через предварительно установленное соединение. Он предоставляет услугу для приложений, повторно запрашивает потерянную информацию, устраняет дублирующие пакеты, регулируя загруженность сети. TCP гарантирует получение и сборку информации у адресата в правильном порядке.

UDP (протокол пользовательских датаграмм) — ненадежный, он занимается передачей автономных датаграмм. UDP не гарантирует, что всех датаграммы дойдут до получателя. Датаграммы уже содержат всю необходимую информацию, чтобы дойти до получателя, но они все равно могут быть потеряны или доставлены в порядке отличном от порядка при отправлении.

UDP обычно не используется, если требуется надежная передача информации. Использовать UDP имеет смысл там, где потеря части информации не будет критичной для приложения, например, в видеоиграх или потоковой передаче видео. UDP необходим, когда делать повторный запрос сложно или неоправданно по каким-то причинам.

Протоколы транспортного уровня не интерпретируют информацию, полученную с верхнего или нижних уровней, они служат только как канал передачи, но есть исключения. RSVP (Resource Reservation Protocol, протокол резервирования сетевых ресурсов) может использоваться, например, роутерами или сетевыми экранами в целях анализа трафика и принятия решений о его передаче или отклонении в зависимости от содержимого.

Прикладной уровень (application layer)

В модели TCP/IP отсутствуют дополнительные промежуточные уровни (представления и сеансовый) в отличие от OSI. Функции форматирования и представления данных делегированы библиотекам и программным интерфейсам приложений (API) — своего рода базам знаний, содержащим сведения о том, как приложения взаимодействуют между собой. Когда службы или приложения обращаются к библиотеке или API, те в ответ предоставляют набор действий, необходимых для выполнения задачи и полную инструкцию, каким образом эти действия нужно выполнять.

Протоколы прикладного уровня действуют для большинства приложений, они предоставляют услуги пользователю или обмениваются данными с «коллегами» с нижних уровней по уже установленным соединениям. Здесь для большинства приложений созданы свои протоколы. Например, браузеры используют HTTP для передачи гипертекста по сети, почтовые клиенты — SMTP для передачи почты, FTP-клиенты — протокол FTP для передачи файлов, службы DHCP — протокол назначения IP-адресов DHCP и так далее.

Сети в Selectel

Узнайте, как устроена сетевая архитектура крупного провайдера.

Зачем нужен порт и что означает термин «сокет»

Приложения прикладного уровня, общаются также с предыдущим, транспортным, но они видят его протоколы как «черные ящики». Для приема-передачи информации они могут работать, например, с TCP или UDP, но понимают только конечный адрес в виде IP и порта, а не принцип их работы.

Как говорилось ранее, IP-адрес присваивается каждому конечному устройству протоколом межсетевого уровня. Но обмен данными происходит не между конечными устройствами, а между приложениями, установленными на них. Чтобы получить доступ к тому или иному сетевому приложению недостаточно только IP-адреса, поэтому для идентификации приложений применяют также порты. Комбинация IP-адреса и порта называется сокетом, или гнездом (socket).

Кроме собственных протоколов, приложения на прикладном уровне зачастую имеют и фиксированный номер порта для обращения к сети. Администрация адресного пространства интернет (IANA), занимающаяся выделением диапазонов IP-адресов, отвечает еще за назначение сетевым приложениям портов.

Так почтовые приложения, которые общаются по SMTP-протоколу, используют порт 25, по протоколу POP3 — порт 110, браузеры при работе по HTTP — порт 80, FTP-клиенты — порт 21. Порт всегда записывается после IP и отделяется от него двоеточием, выглядит это, например, так: 192.168.1.1:80.

Что такое DNS и для чего используется эта служба

Чтобы не запоминать числовые адреса интернет-серверов была создана DNS — служба доменных имен. DNS всегда слушает на 53 порту и преобразует буквенные имена сетевых доменов в числовые IP-адреса и наоборот. Служба DNS позволяет не запоминать IP — компьютер самостоятельно посылает запрос «какой IP у selectel.ru?» на 53 порт DNS-сервера, полученного от поставщика услуг интернет.

DNS-сервер дает компьютеру ответ «IP для selectel.ru — XXX.XXX.XXX.XXX». Затем, компьютер устанавливает соединение с веб-сервером полученного IP, который слушает на порту 80 для HTTP-протокола и на порту 443 для HTTPS. В браузере порт не отображается в адресной строке, а используется по умолчанию, но, по сути, полный адрес сайта Selectel выглядит вот так: https://selectel.ru:443.

Для обеспечения корректной работы протоколов различных уровней в сетевых моделях используется специальный метод — инкапсуляция. Суть этого метода заключается в добавлении заголовка протокола текущего уровня к данным, полученным от протокола вышестоящего уровня. Процесс, обратный описанному, называется декапсуляцией. Оба процесса осуществляются на компьютерах получателя и отправителя данных попеременно, это позволяет долго не удерживать одну сторону канала занятой, оставляя время на передачу информации другому компьютеру.

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. Совпадение может привести к сетевым проблемам. Таким образом, при получении кадра сетевой адаптер занимается извлечением полученной информации 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.

Point-to-Point протоколы

Отдельно расскажем о Point-to-Point (от точки к точке, двухточечный) протоколе, также известном как PPP. PPP уникален по своим функциям, он применяется для коммуникации между двумя маршрутизаторами без участия хоста или какой-либо сетевой структуры в промежутке. При необходимости PPP обеспечивает аутентификацию, шифрование, а также сжатие данных. Он широко используется при построении физических сетей, например, кабельных телефонных, сотовых телефонных, сетей по кабелю последовательной передачи и транк-линий (когда один маршрутизатор подключают к другому для увеличения размера сети).

У PPP есть два подвида — PPPoE (PPP по Ethernet) и PPPoA (PPP через асинхронный способ передачи данных — ATM), интернет-провайдеры часто их используют для DSL соединений.

PPP и его старший аналог SLIP (протокол последовательной межсетевой связи) формально относятся к межсетевому уровню TCP/IP, но в силу особого принципа работы, иногда выделяются в отдельную категорию. Преимущество PPP в том, что для установки соединения не требуется сетевая инфраструктура, а необходимость маршрутизаторов отпадает. Эти факторы обуславливают специфику использования PPP протоколов.

Заключение

Стек TCP/IP регламентирует взаимодействие разных уровней. Ключевым понятием здесь являются протоколы, формирующие стек, встраиваясь друг в друга с целью передать данные. Рассмотренная модель по сравнению с OSI имеет более простую архитектуру.

Сама модель остается неизменной, в то время как стандарты протоколов могут обновляться, что еще дальше упрощает работу с TCP/IP. Благодаря всем преимуществам стек TCP/IP получил широкое распространение и использовался сначала в качестве основы для создания глобальной сети, а после для описания работы интернета.