Стек протоколов TCP/IP: что это и как работает

Стек TCP/IP — это набор сетевых протоколов, который определяет процесс передачи данных в интернете от источника к получателю. Стек включает в себя множество протоколов, но два основных из них:

1. Transmission Control Protocol (TCP) обеспечивает надежную передачу информации от отправителя к получателю, а также контролирует поток передаваемых данных: предотвращает перегрузку сети, разбивая информацию на пакеты и контролируя ее путь до получателя.

2. Internet Protocol (IP) отвечает за маршрутизацию пакетов данных, а также обеспечивает их логическую адресацию.

Протоколы работают совместно: IP прокладывает маршрут, а TCP следит за корректностью отправки. И если вдруг из-за какой-то ошибки пакет с информацией не доходит до пользователя или теряется, то TCP восстанавливает данные.

Говоря конкретнее, протоколы стека TCP/IP нужны, чтобы:

1. Обеспечивать связь между сетевыми устройствами для обмена информацией.

2. Гарантировать надежную и упорядоченную доставку данных.

3. Маршрутизировать и адресовать данные с помощью IP-протокола, который отвечает за присвоение уникальных адресов устройствам в интернете. Именно Internet Protocol в ответе за прокладывание маршрутов, по которым пакеты данных уходят от отправителя к получателю через роутеры и сложные сети.

4. Поддерживать работу электронной почты или видео за счет использования протоколов верхних уровней, работающих поверх TCP/IP, например, SMTP, POP3, RTSP и другие.

В рамках TCP/IP различают два типа сокетов — TCP (потоковые) и UDP (датаграммные). Они работают как конечные точки двунаправленной связи между двумя программами, гарантируя отправку и получение данных по сети:

• TCP используется для более упорядоченной и гарантированно корректной отправки данных. Он проверяет, что все файлы дошли до получателя и выясняет, не появилась ли ошибка при отправке информации. А еще управляет загрузкой сети и может заново затребовать данные, если они потерялись. 

• UDP применяется тогда, когда нужно отправить данные быстро: порой вразнобой и без проверки готовности получателя к приему файлов.

Работает стек TCP/IP в пять этапов — их и проходят данные, чтобы дойти до пользователя:

• Этап 1. Пользователь вводит нужный адрес в адресную строку браузера, — например, https://cloud.ru/ — и нажимает Enter.

• Этап 2. Браузер создает HTTP-запрос и направляет его на целевой сервер, адрес которого определяет с помощью протокола DNS.

• Этап 3. Протокол IP обрабатывает данные и направляет их по сети к назначенному адресату.

• Этап 4. Протокол TCP гарантирует надежную передачу данных, обработанных IP-протоколом, и переупорядочивает при получении.

• Этап 5. Браузер получает пакеты, объединяет их и выводит искомую страницу на экран пользователя.

Стоит отметить, что стек TCP/IP часто сравнивают с OSI — базовой моделью процесса передачи данных в интернете, которая состоит из семи уровней. Он действительно очень на нее похож, но фокусируется на практической реализации сетевых функций, в то время как OSI служит более общим руководством к структурированию и стандартизации сетевых протоколов и взаимодействий.

На каждом уровне стека TCP/IP есть протоколы, которые регулируют перемещение информации по сети:

• на межсетевом уровне IP и ARP-протоколы гарантируют инкапсуляцию и декапсуляцию данных;

• на транспортном уровне протоколы TCP и UDP отвечают за предоставление передачу информации по сети: TCP — за медленную и упорядоченную, UDP — за более быструю, но не такую надежную;

• на прикладном уровне HTTP и DNS отвечают за обмен сообщениями и передачу информации.

Давайте рассмотрим каждый из вышеупомянутых протоколов подробнее.

Каждый из протоколов в стеке — важный «винтик» в сложном механизме передачи данных. Именно благодаря им компьютеры, ноутбуки и роутеры понимают друг друга, а веб-приложения и сервисы обмениваются информацией быстро и без проблем.

IP-протокол позволяет устройствам обмениваться данными в интернете

Internet Protocol передает данные между девайсами в виде IP-датаграмм — их еще называют IP-пакетами — которые содержат заголовки с IP-адресами и саму информацию для отправки. 

Используется протокол IP для решения разного рода важных задач, в числе которых:

• создание публичных IP-адресов, чтобы у балансировщика нагрузки или виртуальной машины (ВМ) был доступ в интернет;

• создание SNAT-шлюзов, чтобы у ВМ и балансировщика нагрузки был доступ к ресурсам и они обменивались трафиком в интернете;

• назначение публичных IP-адресов на интерфейсы ВМ и SNAT-шлюзы.

DNS-протокол связывает адреса в интернете и локальных сетях

Протокол DNS связывает между собой название сайта — его доменное имя — и IP-адрес. За этот процесс отвечают три составляющие протокола DNS: резолверы, DNS-пакеты и зоны:

• Резолверы — посредники между пользователем и сетью серверов в системе доменных имен. Они получают URL сайта, на который нужно перейти, и ищут его IP-адрес в базе данных. Если адрес есть, то резолвер передает его на устройство пользователя, а если нет, то связывается с DNS-серверами, которые передают ему адрес из своего адресного пула.

• DNS-пакеты нужны для отправки запросов и ответов между программами, резолверами и серверами для определения IP-адреса узла в системе DNS. Они содержат идентификатор запроса, закодированное доменное имя, вид и класс запроса, а также ответы, серверы и дополнительные данные.

• Зоны организуют иерархическую структуру системы доменных имен и хранят хранят информацию о том, как доменные имена соответствуют IP-адресам. 

ARP определяет адреса

Address Resolution Protocol, или протокол определения адреса в локальной сети, нужен, чтобы находить MAC-адрес компьютера по имеющемуся IP-адресу. Он гарантирует необходимую связку между абстрактной схемой адресации IP и физической адресацией, используемой сетевыми устройствами в работе TCP/IP-сетей. Буферная память протокола содержит пары IP-адресов и MAC-адресов, чтобы снижать количество отправленных запросов и экономить трафик.

ARP умеет:

1. Разрешать адреса. То есть определять физические (MAC) адреса устройств по их IP-адресам для корректной передачи информации.

2. Кешировать данные. Проще говоря, ускорять процесс передачи информации между девайсами.

3. Находить конфликты. Например, обнаруживать и решать ситуации, в которых компьютеры используют один IP-адрес.

Помимо определения адреса в локальной сети, для диагностики сетевых проблем и мониторинга протокол применяет специальные аналитические устройства — ARP-снифферы или ARP-сканеры, которые находят аномалии и следят за трафиком. 

ICMP управляет сообщениями

Internet Control Message Protocol, или протокол управляющих сообщений, нужен, чтобы оповещать системы об ошибках в ходе передачи информации. Говоря детальнее, он помогает в решении следующих задач:

• Контроль за потоком информации. Протокол задействует сообщения «Source Quench» для замедления трафика от источника при росте нагрузки.

• Диагностика сети. Для проверки сети ICMP использует команды ping и traceroute, которые помогают сетевым администраторам проверять соединение, а также следить за маршрутами пакетов с информацией.

• Уведомления об ошибках. Сообщения ICMP предупреждают об ошибках в сетевом взаимодействии — например, сообщение «Destination Unreachable» используется, если у роутера не получается отправить пакет обратно на хост-источник.

TCP контролирует передачу данных

Transmission Control Protocol, или протокол управления передачей данных, контролирует обмен информацией между устройствами с помощью процесса «трехстороннего рукопожатия» (TCP three way/triple handshake). Он нужен, чтобы данные, передающиеся с компьютера на компьютер, не потерялись.

Помимо трехстороннего рукопожатия, в TCP есть специальные флаги и опции управления соединениями. Флаги нужны, чтобы управлять состоянием соединения и контролировать передачу данных:

1. SYN (Synchronize) применяется, чтобы устанавливать соединение между двумя хостами. Он отправляется в начале процесса «трехстороннего рукопожатия».

2. ACK (Acknowledgment) подтверждает получение информации. У данных транспортного уровня в протоколе TCP должен быть этот флаг для подтверждения получения предыдущих пакетов.

3. FIN (Final) указывает на завершение соединения. Хост передает FIN, чтобы сообщить о намерении больше не отправлять данные.

4. RST (Reset) прерывает соединение, если появилась ошибка, и очищает буфер обмена.

5. PSH (Push) просит получателя отправить информацию, которая накопилась в приемном буфере приложения, дальше.

6. URG (Urgent) показывает высокий приоритет данных и указывает на их обработку.

Опции в заголовке TCP помогают сделать передачу данных еще более эффективной. Например:

• MSS (Maximum Segment Size) предоставляет максимальный размер сегмента принятой информации.

• Window Scale Option расширяет размер окна, чтобы поддерживать пропускной канал.

• Selective Acknowledgment (SACK) сообщает получателю, какие непоследовательные фрагменты до него дошли, позволяя отправителю повторно пересылать только недостающие фрагменты данных.

• Timestamp Option засекает время прохождения сегментов, и улучшает производительность.

UDP отправляет сообщения с устройства на устройство

User Datagram Protocol, или протокол пользовательских датаграмм (сообщений), позволяет веб-приложениям и сервисам пересылать сообщения другим компьютерным приложениям по IP-сети на высокой скорости. Быстрая передача датаграмм осуществляется за счет того, что UDP не оповещают об установке каналов передачи или путей данных, а сразу отправляет пакеты с данными на устройство получателя.

DHCP получает нужную конфигурацию с DHCP-сервера

Dynamic Host Configuration Protocol, или протокол динамической настройки узла, обеспечивает автоматическое получение IP-адреса и других необходимых параметров сетевой конфигурации сетевыми устройствами. Этот процесс — DORA — включает четыре шага: поиск (discovery), предложение (offer), запрос (request) и подтверждение (acknowledgment).

• Поиск (Discovery). Устройство отправляет широковещательный запрос в сеть с целью найти DHCP-сервер.

• Offer (Предложение). DHCP-сервер отвечает на запрос, предлагая конфигурацию, которая включает в себя IP-адрес или другую информацию, такую как маска подсети, адрес шлюза и адреса DNS-серверов.

• Request (Запрос). Устройство выбирает предложенную конфигурацию и отправляет запрос обратно на DHCP-сервер для подтверждения этих настроек.

• Acknowledgment (Подтверждение). DHCP-сервер подтверждает запрос и официально назначает устройству IP-адрес.

Этот 4-этапный процесс гарантирует динамическое распределение IP-адресов и других сетевых параметров, делая сетевую конфигурацию гибкой и масштабируемой.

Совместная работа протоколов стека TCP/IP обеспечивает возможность обмена данными между устройствами в сети. Знание каждого из них помогает ускорять этот процесс и повышать его эффективность для обеспечения бесперебойной работы веб-приложений и сервисов в сети.