Протокол tcp ip определение. Основы сетей и протоколов интернет

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.

Предположим, что вы плохо владеете сетевыми технологиями, и даже не знаете элементарных основ. Но вам поставили задачу: в быстрые сроки построить информационную сеть на небольшом предприятии. У вас нет ни времени, ни желания изучать толстые талмуды по проектированию сетей, инструкции по использованию сетевого оборудования и вникать в сетевую безопасность. И, главное, в дальнейшем у вас нет никакого желания становиться профессионалом в этой области. Тогда эта статья для вас.

Вторая часть этой статьи, где рассматривается практическое применение изложенных здесь основ:

Понятие о стеке протоколов

На получателе эти порции требуется составить в единое целое, получить ту информацию, которая вышла от отправителя. Но на получателе А теперь мы видим порции информации как от В так и от С вперемешку. Значит, к каждой порции надо вписать идентификационный номер, что бы получатель А мог отличить порции информации с В от порций информации с С и собрать эти порции в изначальное сообщение. Очевидно, получатель должен знать, куда и в каком виде отправитель приписал идентификационные данные к исходной порции информации. И для этого они должны разработать определённые правила формирования и написания идентификационной информации. Далее слово «правило» будет заменяться словом «протокол».

Для соответствия запросам современных потребителей, необходимо указывать сразу несколько видов идентификационной информации. А так же требуется защита передаваемых порций информации как от случайных помех (при передаче по линиям связи), так и от умышленных вредительств (взлома). Для этого порция передаваемой информации дополняется значительным количеством специальной, служебной информацией.

В протоколе Ethernet находятся номер сетевого адаптера отправителя (MAC-адрес), номер сетевого адаптера получателя, тип передаваемых данных и непосредственно передаваемые данные. Порция информации, составленная в соответствии с протоколом Ethernet, называется кадром. Считается, что сетевых адаптеров с одинаковым номером не существует. Сетевое оборудование извлекает передаваемые данные из кадра (аппаратно или программно), и производит дальнейшую обработку.

Как правило, извлечённые данные в свою очередь сформированы в соответствии с протоколом IP и имеют другой вид идентификационной информации - ip адрес получателя (число размером в 4 байта), ip адрес отправителя и данные. А так же много другой необходимой служебной информации. Данные, сформированные в соответствии с IP протоколом, называются пакетами.

Далее извлекаются данные из пакета. Но и эти данные, как правило, ещё не являются изначально отправляемыми данными. Этот кусок информации тоже составлен в соответствии определённому протоколу. Наиболее широко используется TCP протокол. В нём содержится такая идентификационная информация, как порт отправителя (число размером в два байта) и порт источника, а так же данные и служебная информация. Извлечённые данные из TCP, как правило, и есть те данные, которые программа, работающая на компьютере В, отправляла «программе-приёмнику» на компьютере A.

Вложность протоколов (в данном случае TCP поверх IP поверх Ethernet) называется стеком протоколов.

ARP: протокол определения адреса

Важно понимать, что узел информационной сети - это компьютер, соединённый одним физическим каналом с коммутирующим оборудованием. Т.е. если мы отправим данные с сетевого адаптера «на волю», то у них одна дорога - они выйдут с другого конца витой пары. Мы можем послать совершенно любые данные, сформированные по любому, выдуманному нами правилу, ни указывая ни ip адреса, ни mac адреса ни других атрибутов. И, если этот другой конец присоединён к другому компьютеру, мы можем принять их там и интерпретировать как нам надо. Но если этот другой конец присоединён к коммутатору, то в таком случае пакет информации должен быть сформирован по строго определённым правилам, как бы давая коммутатору указания, что делать дальше с этим пакетом. Если пакет будет сформирован правильно, то коммутатор отправит его дальше, другому компьютеру, как было указано в пакете. После чего коммутатор удалит этот пакет из своей оперативной памяти. Но если пакет был сформирован не правильно, т.е. указания в нём были некорректны, то пакет «умрёт», т.е. коммутатор не будет отсылать его куда либо, а сразу удалит из своей оперативной памяти.

Для передачи информации другому компьютеру, в отправляемом пакете информации надо указать три идентификационных значения - mac адрес, ip адрес и порт. Условно говоря, порт - это номер, который, выдаёт операционная система каждой программе, которая хочет отослать данные в сеть. Ip адрес получателя вводит пользователь, либо программа сама получает его, в зависимости от специфики программы. Остаётся неизвестным mac адрес, т.е. номер сетевого адаптера компьютера получателя. Для получения необходимой данной, отправляется «широковещательный» запрос, составленный по так называемому «протоколу разрешения адресов ARP». Ниже приведена структура ARP пакета.

Сейчас нам не надо знать значения всех полей на приведённой картинке. Остановимся лишь на основных.

В поля записываются ip адрес источника и ip адрес назначения, а так же mac адрес источника.

Поле «адрес назначения Ethernet» заполняется единицами (ff:ff:ff:ff:ff:ff). Такой адрес называется широковещательным, и такой фрейм будер разослан всем «интерфейсам на кабеле», т.е. всем компьютерам, подключённым к коммутатору.

Коммутатор, получив такой широковещательный фрейм, отправляет его всем компьютерам сети, как бы обращаясь ко всем с вопросом: «если Вы владелец этого ip адреса (ip адреса назначения), пожалуйста сообщите мне Ваш mac адрес». Когда другой компьютер получает такой ARP запрос, он сверяет ip адрес назначения со своим собственным. И если он совпадает, то компьютер, на место единиц вставляет свой mac адрес, меняет местами ip и mac адреса источника и назначения, изменяет некоторую служебную информацию и отсылает пакет обратно коммутатору, а тот обратно - изначальному компьютеру, инициатору ARP запроса.

Таким образом ваш компьютер узнаёт mac адрес другого компьютера, которому вы хотите отправить данные. Если в сети находится сразу несколько компьютеров, отвечающих на этот ARP запрос, то мы получаем «конфликт ip адресов». В таком случае необходимо изменить ip адрес на компьютерах, что бы в сети не было одинаковых ip адресов.

Построение сетей

Задача построения сетей

1. Простота в управлении. Если бухгалтера Лиду переведут в другой кабинет, ей по-прежнему понадобится доступ к компьютерам бухгалтеров Анны и Юлии. И при неправильном построении своей информационной сети, у администратора могут возникнуть трудности в выдаче Лиде доступа к компьютерам других бухгалтеров на её новом месте.
2. Обеспечение безопасности. Для обеспечения безопасности нашей сети, права доступа к информационным ресурсам должны быть разграничены. Так же сеть должна быть защищена от угроз раскрытия, целостности и отказа в обслуживании. Подробнее читайте в книге «Атака на Internet» автора Илья Давидович Медведовский, глава «Основные понятия компьютерной безопасности» .
3. Быстродействие сети. При построении сетей есть техническая проблема - зависимость скорости передачи от количества компьютеров в сети. Чем больше компьютеров - тем ниже скорость. При большом количестве компьютеров, быстродействие сети может стать настолько низким, что она станет неприемлемой заказчику.

Существует большое множество приложений, программных модулей и сервисов, которые, для своей работы отправляют в сеть широковещательные сообщения. Описанный в пункте ARP: протокол определения адреса лишь один из множества ШС, отправляемый вашим компьютером в сеть. Например, когда вы заходите в «Сетевое окружение» (ОС Windows), ваш компьютер посылает ещё несколько ШС со специальной информацией, сформированной по протоколу NetBios, что бы просканировать сеть на наличие компьютеров, находящихся в той же рабочей группе. После чего ОС рисует найденные компьютеры в окне «Сетевое окружение» и вы их видите.

Так же стоит заметить, что во время процесса сканирования той или иной программой, ваш компьютер отсылает ни одно широковещательное сообщение, а несколько, к примеру для того, что бы установить с удалёнными компьютерами виртуальные сессии или ещё для каких либо системных нужд, вызванных проблемами программной реализации этого приложения. Таким образом, каждый компьютер в сети для взаимодействия с другими компьютерами вынужден посылать множество различных ШС, тем самым загружая канал связи не нужной конечному пользователю информацией. Как показывает практика, в больших сетях широковещательные сообщения могут составить значительную часть трафика, тем самым замедляя видимую для пользователя работу сети.

Виртуальные локальные сети

Фактически, создание двух VLAN-ов на одном коммутаторе эквивалентно покупке двух коммутаторов, т.е. создание двух VLAN-ов - это всё равно, что один коммутатор разделить на два. Таким образом происходит разбиение сети из ста компьютеров на более маленькие сети, из 5-20 компьютеров - как правило именно такое количество соответствует физическому местонахождению компьютеров по надобности файлообмена.

• При разбиении сети на VLAN-ы достигается простота управления. Так, при переходе бухгалтера Лиды в другой кабинет, администратору достаточно удалить порт из одного VLAN-а и добавить в другой. Подробнее это рассмотрено в пункте VLAN-ы, теория.
• VLAN-ы помогают решить одно из требований к безопасности сети, а именно разграничение сетевых ресурсов. Так, студен из одной аудитории не сможет проникнуть на компьютеры другой аудитории или компьютер ректора, т.к. они находятся в фактически разных сетях.
• Т.к. наша сеть разбита на VLAN-ы, т.е. на маленькие «как бы сети», пропадает проблема с широковещательными сообщениями.

VLAN-ы, теория

Как сказано выше, VLAN можно представлять в виде списка принадлежащих сети портов. К примеру, на нашем коммутаторе было три VLAN-а, т.е. три списка, хранящиеся во flash-памяти коммутатора. В одном списке были записаны цифры 1, 2, 3… 17, в другом 18, 19, 20, 21 и в третьем 22, 23 и 24. Лидин компьютер раньше был присоединён к 20-ому порту. И вот она перешла в другой кабинет. Перетащили её старый компьютер в новый кабинет, или она села за новый компьютер - без разницы. Главное, что её компьютер присоединили витой парой, другой конец которой вставлен в порт 23 нашего коммутатора. И для того, что бы она со своего нового места могла по прежнему пересылать файлы своим коллегам, администратор должен удалить из второго списка число 20 и добавить число 23. Замечу, что один порт может принадлежать только одному VLAN-у, но мы нарушим это правило в конце этого пункта.

Замечу так же, что при смене членства порта в VLAN, администратору нет никакой нужды «перетыкать» провода в коммутаторе. Более того, ему даже не надо вставать с места. Потому что компьютер администратора присоединён к 22-ому порту, с помощью чего он может управлять коммутатором удалённо. Конечно, благодаря специальным настройкам, о которых будет рассказано позже, лишь администратор может управлять коммутатором. О том, как настраивать VLAN-ы, читайте в пункте VLAN-ы, практика [в следующей статье].

Как вы, наверное, заметили, изначально (в пункте Построение сетей) я говорил, что компьютеров в нашей сети будет не менее 100. Но к коммутатору можно присоединить лишь 24 компьютера. Конечно, есть коммутаторы с большим количеством портов. Но компьютеров в корпоративной сети/сети предприятия всё равно больше. И для соединения бесконечно большого числа компьютеров в сеть, соединяют между собой коммутаторы по так называемому транк-порту (trunk). При настройки коммутатора, любой из 24-портов можно определить как транк-порт. И транк-портов на коммутаторе может быть любое количество (но разумно делать не более двух). Если один из портов определён как trunk, то коммутатор формирует всю пришедшую на него информацию в особые пакеты, по протоколу ISL или 802.1Q, и отправляет эти пакеты на транк-порт.

Всю пришедшую информацию - имеется в виду, всю информацию, что пришла на него с остальных портов. А протокол 802.1Q вставляется в стек протоколов между Ethernet и тем протоколом, по которому были сформированные данные, что несёт этот кадр.

В данном примере, как вы, наверное, заметили, администратор сидит в одном кабинете вместе с Лидой, т.к. витая пора от портов 22, 23 и 24 ведёт в один и тот же кабинет. 24-ый порт настроен как транк-порт. А сам коммутатор стоит в подсобном помещении, рядом со старым кабинетом бухгалтеров и с аудиторией, в которой 17 компьютеров.

Витая пара, которая идёт от 24-ого порта в кабинет к администратору, подключается к ещё одному коммутатору, который в свою очередь, подключён к роутеру, о котором будет рассказано в следующих главах. Другие коммутаторы, которые соединяют другие 75 компьютеров и стоят в других подсобных помещениях предприятия - все они имеют, как правило, один транк-порт, соединённый витой парой или по оптоволокну с главным коммутатором, что стоит в кабинете с администратором.

Выше было сказано, что иногда разумно делать два транк-порта. Второй транк-порт в таком случае используется для анализа сетевого трафика.

Примерно так выглядело построение сетей больших предприятий во времена коммутатора Cisco Catalyst 1900. Вы, наверное, заметили два больших неудобства таких сетей. Во первых, использование транк-порта вызывает некоторые сложности и создаёт лишнюю работу при конфигурировании оборудования. А во вторых, и в самых главных - предположим, что наши «как бы сети» бухгалтеров, экономистов и диспетчеров хотят иметь одну на троих базу данных. Они хотят, что бы та же бухгалтерша смогла увидеть изменения в базе, которые сделала экономистка или диспетчер пару минут назад. Для этого нам надо сделать сервер, который будет доступен всем трём сетям.

Как говорилось в середине этого пункта, порт может находиться лишь в одном VLAN-е. И это действительно так, однако, лишь для коммутаторов серии Cisco Catalyst 1900 и старше и у некоторых младших моделей, таких как Cisco Catalyst 2950. У остальных коммутаторов, в частности Cisco Catalyst 2900XL это правило можно нарушить. При настройке портов в таких коммутаторах, каждый пор может иметь пять режимов работы: Static Access, Multi-VLAN, Dynamic Access, ISL Trunk и 802.1Q Trunk. Второй режим работы именно то, что нам нужно для выше поставленной задачи - дать доступ к серверу сразу с трёх сетей, т.е. сделать сервер принадлежащим к трём сетям одновременно. Так же это называется пересечением или таггированием VLAN-ов. В таком случае схема подключения может быть такой.

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) представляет собой стек сетевых протоколов, повсеместно используемый для Интернета и других подобных сетей (например, данный протокол используется и в ЛВС). Название TCP/IP произошло от двух наиболее важных протоколов:

• IP (интернет протокол) - отвечает за передачу пакета данных от узла к узлу. IP пересылает каждый пакет на основе четырехбайтного адреса назначения (IP-адрес).
• TCP (протокол управления передачей) - отвечает за проверку корректной доставки данных от клиента к серверу. Данные могут быть потеряны в промежуточной сети. TCP добавлена возможность обнаружения ошибок или потерянных данных и, как следствие, возможность запросить повторную передачу, до тех пор, пока данные корректно и полностью не будут получены.

Основные характеристики TCP/IP:

• Стандартизованные протоколы высокого уровня, используемые для хорошо известных пользовательских сервисов.
• Используются открытые стандарты протоколов, что дает возможность разрабатывать и дорабатывать стандарты независимо от программного и аппаратного обеспечения;
• Система уникальной адресации;
• Независимость от используемого физического канала связи;

Принцип работы стека протоколов TCP/IP такой же как и в модели OSI, данные верхних уровней инкапсулируются в пакеты нижних уровней.

Если пакет продвигается по уровню сверху вниз - на каждом уровне добавляется к пакету служебная информация в виде заголовка и возможно трейлера (информации помещенной в конец сообщения). Этот процесс называется . Служебная информация предназначается для объекта того же уровня на удаленном компьютере. Ее формат и интерпретация определяются протоколами данного уровня.

Если пакет продвигается по уровню снизу вверх - он разделяется на заголовок и данные. Анализируется заголовок пакета, выделяется служебная информация и в соответствии с ней данные перенаправляются к одному из объектов вышестоящего уровня. Вышестоящий уровень, в свою очередь, анализирует эти данные и также их разделяет их на заголовок и данные, далее анализируется заголовок и выделяется служебная информация и данные для вышестоящего уровня. Процедура повторяется заново пока пользовательские данные, освобожденные от всей служебной информации, не дойдут до прикладного уровня.

Не исключено, что пакет так и не дойдет до прикладного уровня. В частности, если компьютер работает в роли промежуточной станции на пути между отправителем и получателем, тогда объект, на соответствующем уровне, при анализе служебной информации определит, что пакет на этом уровня адресован не ему, в следствии чего, объект проведет необходимые мероприятия для перенаправления пакета к пункту назначения или возврата отправителю с сообщением об ошибке. Но так или иначе не будет осуществлять продвижение данных на верхний уровень.

Пример инкапсуляции можно представить следующим образом:

Рассмотрим каждые функции уровней

Прикладной уровень

Приложения, работающие со стеком TCP/IP, могут также выполнять функции представительного уровня и частично сеансового уровня модели OSI.

Распространенными примерами приложений являются программы:

• Telnet
• HTTP
• Протоколы электронной почты (SMTP, POP3)

Для пересылки данных другому приложению, приложение обращается к тому или иному модулю транспортного модуля.

Транспортный уровень

Протоколы транспортного уровня обеспечивают прозрачную доставку данных меду двумя прикладными процессами. Процесс, получающий или отправляющий данные, с помощью транспортного уровня идентифицируется на этом уровне номером, который называется номером порта.

Таким образом, роль адреса отправителя и получателя на транспортном уровне выполняется номером порта. Анализируя заголовок своего пакета, полученного от межсетевого уровня, транспортный модуль определяет по номеру порта получателя по какому из прикладных процессов направленны данные и передает эти данные к соответствующему прикладному процессу.

Номер порта получателя и отправителя записывается в заголовок транспортным модулем отправляющим данные. Заголовок транспортного уровня содержит также и некоторую другую служебную информацию, и формат заголовка зависит от используемого транспортного протокола.

Средства транспортного уровня представляют собой функциональную надстройку над сетевым уровнем и решают две основных задачи:

• обеспечение доставки данных между конкретными программами, функционирующими, в общем случае, на разных узлах сети;
• обеспечение гарантированной доставки массивов данных произвольного размера.

В настоящее время в Интернет используются два транспортных протокола – UDP , обеспечивающий негарантированную доставку данных между программами, и TCP , обеспечивающий гарантированную доставку с установлением виртуального соединения.

Сетевой (межсетевой) уровень

Основным протоколом этого уровня является протокол IP, который доставляет блоки данных (дейтаграммы) от одного IP-адреса к другому. IP-адрес является уникальным 32-х битным идентификатором компьютера, точнее его сетевого интерфейса. Данные для дейтаграммы передаются IP модулю транспортным уровнем. IP модуль добавляет к этим данным заголовок, содержащий IP-адрес отправителя и получателя, и другую служебную информацию.

Таким образом, сформированная дейтаграмма передается на уровень доступа к среде передачи, для отправки по каналу передачи данных.

Не все компьютеры могут непосредственно связаться друг с другом, часто чтобы передать дейтаграмму по назначению требуется направить ее через один или несколько промежуточных компьютеров по тому или ному маршруту. Задача определения маршрута для каждой дейтаграммы решается протоколом IP.

Когда модуль IP получает дейтаграмму с нижнего уровня, он проверяет IP адрес назначения, если дейтаграмма адресована данному компьютеру, то данные из нее передаются на обработку модулю вышестоящего уровня, если же адрес назначения дейтаграммы чужой, то модуль IP может принять два решения:

• Уничтожит дейтаграмму;
• Отправить ее дальше к месту назначения, определив маршрут следования, так поступают промежуточные станции – маршрутизаторы .

Также может потребоваться на границе сетей, с различными характеристиками, разбить дейтаграмму на фрагменты, а потом собрать их в единое целое на компьютере получателя. Это также задача протокола IP.

Также протокол IP может отправлять сообщения – уведомления с помощью протокола ICMP , например, в случае уничтожения дейтаграммы. Более никаких средств контроля корректности данных, подтверждения или доставки, предварительного соединения в протоколе нет, эти задачи возложены на транспортный уровень.

Уровень доступа к среде

Функции этого уровня следующие:

• Отображение IP-адресов в физические адреса сети. Эту функцию выполняет протокол ARP ;
• Инкапсуляция IP-дейтаграмм в кадры для передачи по физическому каналу и извлечение дейтаграмм из кадров, при этом не требуется какого-либо контроля безошибочной передачи, поскольку в стеке TCP/IP такой контроль возложен на транспортный уровень или на само приложение. В заголовке кадров указывается точка доступа к сервису SAP, это поле содержащее код протокола;
• Определение метода доступа к среде передачи, т.е. способа, с помощью которого компьютеры устанавливает свое право на передачу данных;
• Определение представления данных в физической среде;
• Пересылка и прием кадра.

Рассмотрим инкапсуляцию на примере перехвата пакета протокола HTTP с помощью сниффера wireshark, который работает на прикладном уровне протокола TCP/IP:

Помимо самого перехваченного протокола HTTP, на основании стека TCP/IP сниффер описывает каждый нижележащий уровень. HTTP инкапсулируется в TCP, протокол TCP в IPv4, IPv4 в Ethernet II.

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.

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: