Сетевые протоколы: базовые понятия и описание

Сложно не заметить, какую роль в современной жизни играют информационные технологии. Практически каждый из нас отправляет сообщения, смотрит прямые трансляции по телевизору, скачивает и отправляет файлы по работе. За всем этим процессом стоят сетевые протоколы, понимание принципов работы которых позволяет настроить и оптимизировать сетевые системы, обеспечить эффективную, безопасную и надежную среду для обмена данными.

В этой статье мы познакомимся с понятием сетевых протоколов, расскажем о том, какими они бывают и какие функции выполняют, а также изучим ключевые модели.

Сегодня существует немало видов сетевых протоколов разных уровней, каждый из которых выполняет свои обязанности и играет важную роль в обмене данными. Однако прежде чем познакомиться с ними поближе, стоит разобраться, что означает понятие «сетевой протокол».

Под сетевыми протоколами подразумевается набор соглашений и правил, определяющих, каким образом устройства будут обмениваться информацией в локальной сети либо на просторах интернета. Проще говоря, это инструкции, говорящие используемой нами технике, как правильно отправлять и получать пакеты данных.

Сетевыми протоколами пользуется каждое устройство. Допустим, когда пользователь заходит на сайт, браузер и сервер должны договориться, как посетитель получит текст, картинки, видео и прочие виды информации.

Среди ключевых моделей сетевых протоколов можно выделить 7-уровневую OSI и 4-уровневую TCP/IP. Познакомимся со структурами поближе.

Модель OSI

Open Systems Interconnection — структура, объясняющая, как устройства общаются между собой через сеть. Модель помогает понять, какой путь проделывают пакеты файлов: начиная с передачи по проводам, заканчивая получением информации программами на наших гаджетах.

Процесс обмена данными включает семь уровней, выполняющих следующие задачи:

1. Физический. Самый низкий уровень, передающий данные в виде сигналов (электрических импульсов, радиоволн или световых сигналов). На нем биты передаются по физическим каналам связи (кабелям, оптоволокну).
2. Канальный. Следит, чтобы данные корректно передавались по физическому каналу. Он упаковывает данные во фреймы, проверяет ошибки, устраняет их при обнаружении и передает информацию на другое устройство.
3. Сетевой. Помогает доставить данные из одной точки в другую, вне зависимости от того, насколько далеко устройства находятся друг от друга. Он же отвечает за выбор маршрута, по которому будет передаваться информация.
4. Транспортный. Следит за тем, чтобы данные не потерялись, а также гарантирует, что они пришли в нужном порядке. Если данные слишком большие, уровень разделяет их на части, а затем снова собирает на другой стороне.
5. Сеансовый. Управляет взаимодействием между двумя программами. Он открывает и закрывает сессии связи, следит, чтобы все данные передавались корректно и без потерь.
6. Уровень представления. Отвечает за преобразование данных в понятный программам-получателям формат. Он может преобразовать информацию в нужный формат, зашифровать их для безопасности или сжать, чтобы передать быстрее.
7. Прикладной. С этим уровнем работает пользователь. Он обеспечивает доступ к интернет-услугам и приложениям.

Модель TCP/IP

Вторая популярная модель, описывающая процесс передачи данных. В отличие от OSI, состоящей из семи уровней, TCP/IP более простая, но выполняет те же задачи. Она определяет, как данные одного устройства могут быть отправлены и приняты другим, используя интернет-протоколы.

Модель состоит из 4 уровней, функционирующих следующим образом:

1. Канальный. Обеспечивает коннект между физическими устройствами.
2. Межсетевой. Отвечает за передачу информации между устройствами, вне зависимости от их месторасположения. Управляет перемещением данных через маршрутизаторы, а также указывает, какие маршруты должны быть выбраны для доставки информации.
3. Транспортный. Отвечает за надежную передачу данных из одной точки в другую.
4. Прикладной. Здесь с приложениями и сервисами взаимодействует пользователь, а также происходит обмен информацией между программами.

Интернет-протокол и IP-адреса

Internet Protocol — протокол, позволяющий устройствам находить друг друга благодаря присвоению уникальных адресов. Сегодня выделяют два типа IP-адресов:

• IPv4 – 32-битные адреса, состоящие из 4 чисел в диапазоне от 0 до 255, что позволяет генерировать около 4,3 миллиардов уникальных комбинаций;
• IPv6 – 128-битные адреса, использующие 8 групп по 4 шестнадцатеричных числа, разделенных двоеточиями. Новый стандарт позволяет создать практически неограниченное количество комбинаций.

User Datagram Protocol считается аналогом TCP, но имеет некоторые отличия:

• не требует предварительной установки соединения;
• не предоставляет гарантию целостности данных при доставке;
• имеет низкую задержку.

TCP ориентирован на надежность, в то время как в UDP акцент сделан на скорости.

Stream Control Transmission Protocol объединяет в себе лучшие характеристики TCP и UDP, добавляя уникальные функции, делающие его актуальным в специфических приложениях. Среди основных особенностей стоит выделить:

• Многопоточность. Протокол поддерживает опцию передачи данных по нескольким потокам в одном соединении (в то время как TCP использует только один поток). Это позволяет отправлять информацию параллельно, тем самым улучшая производительность и надежность.
• Защиту от дублирования. Использование уникальных идентификаторов предотвращает дублирование пакетов.
• Управление скоростью потока. SCTP фильтрует скорость обмена файлами, предотвращая риски перегрузки сети.
• Надежность. Протокол использует механизм подтверждения получения пакетов данных. В случае, если часть файлов не была доставлена, он запускает процесс отправки недостающей информации.

Применение SCTP распространено в приложениях, где акцент сделан на высокой надежности и поддержке нескольких потоков данных.

Real-time Transport Protocol предназначен для передачи аудио и видео в режиме реального времени. К его особенностям стоит отнести:

• синхронизацию передаваемых данных;
• использование меток времени, позволяющих упорядочить и своевременно доставить пакеты данных;
• низкую задержку, что особенно актуально для стриминга, видеоконференций и прямых эфиров.

Протокол RTP широко распространен в VoIP (Voice over IP) и видеоконференциях.

Протоколы данного уровня необходимы для передачи данных устройствами, находящимися в разных сетях.

ICMP

Real-time Transport Protocol применяется в диагностических целях. К основным функциям ICMP относятся:

• Сообщения об ошибках. ICMP применяется для извещения о проблемах, которые возникли в процессе передачи пакетов. Эти сообщения информируют отправителя о том, что что-то пошло не так (например, о перегрузке маршрутизатора или недоступности узла).
• Диагностика сети. Протокол проверяет доступность узлов и маршрутизаторов данных при помощи утилит ping и traceroute.
• Управление потоком. ICMP может сообщать о перегрузке сети, если маршрутизатор не может обработать больше пакетов из-за высокой нагрузки.

ICMP активно используется сетевыми администраторами, позволяя выявлять и исправлять ошибки, обеспечивая стабильную работу сети.

OSPF

Задачей Open Shortest Path First является определение оптимальных путей для передачи данных. К особенностям протокола относится:

• использование алгоритма Дейкстры для поиска кратчайшего пути;
• поддержка возможности маршрутизации через несколько путей, если они имеют одинаковую стоимость;
• регулярное обновление информации о состоянии сети, позволяющее быстро реагировать на изменения в ее топологии;
• разделение сети на зоны для повышения масштабируемости и упрощения управлением маршрутизацией.

Широкое распространение протокол OSPF получил в провайдерских и корпоративных сетях с высокими требованиями к точной и быстрой маршрутизации данных.

Сетевые протоколы прикладного уровня необходимы для обеспечения коннекта между пользователем и приложением.

FTP

File Transfer Protocol применяется для передачи файлов между компьютерами в сети. С его помощью пользователи могут загружать файлы, скачивать необходимую информацию и передавать ее через сеть. Среди особенностей FTP стоит выделить:

• два порта для передачи данных (порт для обмена командами и ответами и порт 20 для передачи самих файлов);
• поддержку аутентификации пользователей для обеспечения безопасности;
• работу по модели клиент-сервер.

Протокол FTP предназначен для простой, безопасной и надежной передачи данных между различными системами.

Domain Name System отвечает за преобразование доменных имен в IP-адреса, позволяя устройствам в сети быстрее находить друг друга. К особенностям DNS относятся:

• распределительная база данных, хранящая информацию о доменах и соответствующих им IP-адресах;
• кэширование результатов запросов;
• гибкость - DNS позволяет администраторам серверов изменять IP-адреса серверов без изменения доменных имен.

DNS — система, делающая интернет удобным и понятным для людей.

Подытожив, стоит подчеркнуть, что сетевые протоколы играют ключевую роль в обмене данными. Понимание принципов их работы позволяет сделать процесс доставки и получения информации быстрым, безопасным и надежным.

В современном мире технологии не стоят на месте, и это касается в том числе сетевых протоколов, требующих регулярного обновления. Изучение этой области, мониторинг нововведений и правильное применение полученных знаний предоставляют новые возможности для бизнеса, науки и прочих сфер жизни.

С каждым годом сетевые протоколы будут наращивать свою значимость и влияние в повседневной жизни людей, ввиду чего специалисты, владеющие знаниями и умениями в данной области, сыграют ключевую роль в формировании новой реальности, способствуя развитию и внедрению передовых технологий.