Модель TCP/IP

В этой статье мы рассмотрим принцип работы модели TCP/IP, на которой основана работа всего интернета. А также выясним чем данная модель отличается от знаменитой модели OSI.

Представьте, что интернет — это огромная почтовая система, где TCP/IP выступает в роли универсального языка доставки писем. Без этого набора правил ваш запрос в Google затерялся бы в сети, видео на YouTube буферизовало бы вечность, а онлайн-банкинг стал бы невозможен. Давайте изучим вместе эту модель вдоль и поперек ↓

Что такое TCP/IP

TCP/IP — это стек протоколов, лежащий в основе современного интернета. Аббревиатура образована из двух ключевых протоколов: TCP (отвечает за передачу данных) и IP (протокол Интернет):

• Главная задача TCP — надежная передача данных от одного устройства сети к другому. Он разбивает информацию на небольшие фрагменты, называемые пакетами, и присваивает каждому пакету порядковый номер. Затем TCP отправляет пакеты получателю и ожидает подтверждения о доставке каждого из них. Если подтверждение не приходит, TCP повторно отсылает потерянные пакеты. Таким образом гарантируется получение данных адресатом в полном объеме и в верном порядке. Кроме того, протокол использует механизм скользящего окна для контроля потока данных и избегания перегрузки сети.
• IP же отвечает за логическую адресацию в интернете, то есть за присвоение уникальных IP-адресов всем подключенным устройствам. Эти адреса позволяют маршрутизаторам направлять пакеты данных по оптимальному пути от отправителя получателю.

В совокупности TCP и IP обеспечивают стабильную и надежную передачу информации в глобальной сети, что и делает возможным функционирование всемирной паутины.

Зачем нужен TCP/IP? Секрет объединения сетей

Изначально TCP/IP разрабатывался для сети ARPANET — прообраза интернета. Цель была обеспечить связь между разнородными сетями и компьютерами. TCP/IP стал универсальным языком, понятным всем устройствам. Благодаря этому появилась возможность объединить локальные сети в глобальную — интернет.

Польза TCP/IP

• Независимость от «железа» и ПО: работает на любых устройствах.
• Модульность и иерархичность: состоит из независимых уровней для каждой задачи.
• Гибкость и масштабируемость: легко адаптируется к новым технологиям.

Благодаря этим свойствам TCP/IP до сих пор остается фундаментом глобальной сети.

Форматы протоколов: IP версий 4 и 6

IP-протокол имеет две основные версии — IPv4 и IPv6:

• IPv4 использует 32-битные адреса, которые записываются четырьмя числами от 0 до 255. Например, 192.168.1.1. Этого хватает на 4 млрд адресов — мало по нынешним меркам.
• IPv6 перешел на 128-битную длину, что дает простор для роста. Адреса записываются восемью группами шестнадцатеричных чисел. Например, 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334.

IPv6 решает проблему нехватки адресов, упрощает формат заголовка и добавляет другие улучшения. Однако переход идет медленно из-за необходимых изменений в инфраструктуре.

Как работает TCP/IP? Пример с YouTube

Чтобы посмотреть видео на YouTube, ваш браузер делает запрос по протоколу HTTP на нужный сервер:

1. Определяет IP-адрес сервера через DNS.
2. Устанавливает TCP-соединение с сервером по порту 443.
3. Отправляет запрос и получает ответ по протоколу HTTP.
4. Разбирает ответ, «отрисовывает» страницу, проигрывает видео.
5. При необходимости устанавливает новые TCP-соединения для передачи данных.
6. Закрывает соединения после завершения работы.

Весь этот процесс координируется протоколами TCP/IP. Они надежно доставляют данные между браузером и сервером даже через миллионы километров расстояния.

Уровни сетевой модели

TCP/IP объединяет множество протоколов, каждый из которых выполняет свои функции. Все они распределены по четырем уровням ↓

Канальный уровень

Отвечает за передачу данных по физическим каналам связи — кабелям, радиоволнам. Он соответствует физическому и канальному уровням в модели OSI. Основные функции канального уровня:

• Определяет способ кодирования информации в виде битовых последовательностей для передачи по физической среде.
• Описывает принципы разделения среды на логические каналы для одновременной передачи данных между узлами сети.
• Гарантирует надежность передачи с помощью механизмов обнаружения и исправления ошибок, контроля потока данных.
• Определяет характеристики сигналов — частоту, амплитуду, скорость передачи сигнала, расстояние.

На данном уровне используются различные протоколы и технологии: Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, PPP, ATM, Frame Relay.

Таким образом, канальный уровень TCP/IP обеспечивает низкоуровневое взаимодействие между устройствами по физическим каналам связи с помощью различных технологий.

Межсетевой уровень

От этого уровня требуется одно — маршрутизация данных между сетями. Он использует IP-протокол для идентификации пакетов данных и способа их адресации с помощью IP-адресов. IP-адреса могут быть 32-битными в версии IPv4 или 128-битными в версии IPv6.

Межсетевой уровень определяет оптимальные маршруты для пакетов данных на основе таблиц маршрутизации и протоколов динамической маршрутизации. Также на этом уровне работают вспомогательные протоколы ICMP и IGMP.

В целом, данный уровень обеспечивает взаимодействие разных сетей, позволяя им обмениваться данными. Это ключевой компонент модели TCP/IP, лежащий в основе глобальной сети Интернет.

Транспортный уровень

Задача этого уровня — передача информации между узлами сети: транспортный уровень TCP/IP надежно «связывает» между собой разные приложения. Он дает базис, основу для передачи файлов, почты, мультимедиа в интернете. Для этой цели используются протоколы TCP и UDP. Первый отвечает за надежную доставку данных путем установления соединения, разбиения на сегменты с нумерацией и ожиданием подтверждения получения от узла-адресата. Так гарантируется целостность и упорядоченность передаваемых данных. Протокол UDP используется, когда надежность не является критичной, но важна скорость передачи. Транспортный уровень играет ключевую роль в модели TCP/IP, обеспечивая связь между узлами сети.

UDP (User Datagram Protocol) обеспечивает не надежную доставку данных. Он отправляет датаграммы без установления соединения и не ждет подтверждения о доставке. Датаграммы могут прийти не по порядку, пропасть или дублироваться. UDP подходит там, где важнее скорость, чем надежность.

Оба протокола используют порты для того, чтобы идентифицировать приложения. Порты в промежутке от 0 до 1023 используются для таких сервисов, как HTTP, FTP, SMTP. TCP обеспечивает сквозное соединение между процессами по IP-адресам и портам.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) в TCP/IP отвечает за взаимодействие с конечными пользователями и приложениями. Этот уровень объединяет в себе функциональность сеансового, представительного и прикладного уровней в модели OSI.

Основная задача прикладного уровня — предоставлять сетевые сервисы и API для приложений. Здесь определяются протоколы, которые позволяют приложениям обмениваться данными. Наиболее распространенные протоколы прикладного уровня:

• HTTP — передает гипертекстовую информацию, используется браузерами и веб-серверами
• FTP — организовывает поток файлов между клиентом и сервером
• SMTP — нужен для работы электронной почты
• DNS — сопоставления доменных имен и IP-адресов
• DHCP — динамического назначения IP-адресов устройствам в сети
• POP3 и IMAP — используются для получения электронной почты из почтового ящика
• Telnet — организации удаленного доступа к устройствам
• SSH — защищенного удаленного доступа
• SNMP — мониторинга и управления сетевыми устройствами.

Прикладной уровень дает стандартизированный интерфейс для взаимодействия разнообразных приложений. Это позволяет им обмениваться информацией независимо от операционных систем и аппаратных платформ.

Сокеты и порты — адреса приложений в сети

Чтобы приложение на устройстве получило данные для своей работы, используется сокет. Так называется комбинация из IP-адреса и порта.

Порт — это номер, идентифицирующий сетевую службу. Например, с HTTP связан порт 80.

Сокет однозначно определяет конечную точку соединения. Например, 172.217.14.206:443 — это сокет сервера YouTube. Благодаря сокетам множество приложений на одном устройстве может обмениваться данными через один IP-адрес.

Сравнение TCP/IP и OSI: что общего и в чем различия

TCP/IP и OSI — это две наиболее распространенные сетевые модели, какие описывают правила взаимодействия устройств в сетях. Давайте разберемся, что представляют собой эти модели, чем они похожи и в чем заключаются ключевые отличия.

Что такое ОSI

Модель OSI (Open Systems Interconnection) была разработана в 1980-х годах организацией ISO для стандартизации сетевых протоколов. OSI включает 7 слоев:

• Физический слой описывает физические среды передачи данных
• Канальный слой нужен для надежной передачи информации между узлами
• Сетевой слой отвечает за два процесса — маршрутизацию и адресацию
• Транспортный слой передает информацию между процессами
• Сеансовый слой управляет сеансами между устройствами
• Слой представления выполняет преобразование данных
• Прикладной слой предоставляет услуги для приложений.

* Подробнее о модели OSI читайте тут →

Сходство TCP/IP и OSI

TCP/IP и OSI имеют схожую структуру, основанную на разделении процессов обмена данными на уровни. Каждый уровень выполняет строго определенные функции и передает данные на следующий уровень. Этот подход позволяет абстрагироваться от технических деталей и сосредоточиться на основных задачах. Также в обеих моделях присутствуют 4 ключевых уровня, выполняющие сходные функции:

• Прикладной уровень. Взаимодействие с пользователями и приложениями
• Транспортный уровень. Управление потоками данных от одного узла к другому
• Сетевой уровень. Маршрутизация и адресация
• Канальный уровень. Физическая передача данных.

Различия TCP/IP и OSI

Главное отличие состоит в том, что модель OSI носит скорее академический, нежели практический характер, в отличие от ее собрата TCP/IP — реально используемой в работе модели. Основная цель OSI — дать обобщенное представление о сетевых процессах, а не описать конкретные протоколы.

Кроме этого, существуют такие значительные отличия, как:

• Различное количество уровней: в ОSI — 7, в TCP/IP — 4
• В TCP/IP уровни слабо разграничены, а в OSI — строго отделены друг от друга
• Модель OSI ориентирована на соединение, а TCP/IP — на сообщения.
• TCP/IP более универсальна и может работать поверх OSI, в то время как OSI привязана только к конкретным протоколам.
• В TCP/IP отсутствует уровень представления данных, объединенный с прикладным уровнем.