Представим, что нам нужно отправить письмо по почте. В этот процесс вовлечено много людей, и у каждого свои обязанности: сортировка почты, регистрация письма, его отправка и доставка. У каждого звена в этой цепи свои правила работы.
В интернете тоже есть свои правила или соглашения — протоколы. Например, для выдачи адреса используется протокол IP. Он определяет, как именно даются адреса и какой у них вид. Для работы интернета используется много разных протоколов и они образуют стек TCP/IP.
В этом уроке рассмотрим, что такое стек TCP/IP и сколько в нем уровней. Также подробнее разберем транспортный уровень, который отвечает за передачу информации в сети, и познакомимся с протоколами TCP и UDP.
Стек протоколов TCP/IP
Чтобы интернет мог работать, используется сетевая модель или стек TCP/IP — набор правил, которые описывают, как компьютеры соединяются и передают информацию друг другу. Наименование модели состоит из названий двух главных протоколов:
- TCP — протокол, который описывает, как передается информация внутри сети
- IP — протокол, который описывает связь компьютеров друг с другом
Сетевая модель делится на 4 уровня, в каждом из которых применяются протоколы для работы той или иной функции:
- Канальный уровень или Link Layer — самый низкий уровень. На этом уровне описываются протоколы, которые обеспечивают связь компьютеров в сети, обработка данных устройствами. Проводное, спутниковое, беспроводное соединения, сетевые карты и свитчи — все это относится к канальному уровню
- Сетевой уровень или Network Layer — протоколы для взаимодействия сетей между собой. В модели TCP/IP на этом уровне используется протокол IP
- Транспортный уровень или Transport Layer — протоколы для передачи информации. В интернете на этом уровне используются протоколы TCP и UDP, которые мы рассмотрим в этом уроке
- Прикладной уровень или Application Layer — протоколы для связи сетевых приложений. Эти протоколы позволяют открывать сайты, смотреть онлайн-фильмы. Подробнее прикладной уровень разберем в следующих уроках
| Уровень | Назначение | Пример протокола |
| Прикладной | Работа приложений в сети | HTTP, HTTPS, DNS |
| Транспортный | Передача информации в сети | TCP, UDP |
| Сетевой | Адресация устройств в сети | IPv4, IPv6 |
| Канальный | Физическое подключение устройств | Ethernet, IEEE 802.11, Wi-Fi |
Все протоколы зависят друг от друга. Нельзя использовать сетевой уровень, если отсутствует канальный. Например, между компьютерами нет подключения, но мы хотим дать им адреса. Поэтому модель называется стеком — все уровни наслаиваются друг на друга без возможности пропустить какой-то из уровней.
В этом курсе мы уже встречались с канальным и сетевым уровнями. На первом была построена связь компьютеров друг с другом с помощью проводного и беспроводного соединения. На сетевом уровне выдаются IP-адреса и обеспечивается связь нескольких локальных сетей друг с другом.
Для передачи информации используются протоколы UDP и TCP, которые находятся на третьем уровне модели TCP/IP — транспортном.
Транспортный уровень
Транспортный протокол отвечает за транспортировку информации между компьютерами. Когда между устройствами передается большое количество информации, она разбивается на небольшие части — пакеты, которые посылаются поочередно. Компьютер собирает все пакеты вместе и проверяет их целостность по соглашениям, если это определено в протоколе.
Представьте коробки с вещами при переезде. Если вещей много, то их не поместить внутрь одной коробки, поэтому нужно больше коробок. Пакеты в интернете работают по такому же принципу. Например, видео невозможно передать в один прием из-за ограничений на канальном уровне. Поэтому информацию разбивают на несколько пакетов и передают их последовательно.
Размер информации, который можно передать в пакете, зависит от разных обстоятельств, ограничений, соглашений. Например, от способа подключения, ограничений провайдера и особенностей оборудования. В среднем это значение составляет 1500-2000 байт или 1.5-1.9 килобайта. Например, если нам нужно передать музыкальную композицию весом 5120 килобайт, то понадобится $5120 / 1.5 ~~ 3414$ пакетов.
Чтобы такое количество информации корректно передавалось, на транспортном уровне определяется:
- Как нумеруются пакеты
- Проверяется ли доставка пакетов
- Проверяется ли целостность пакетов — не содержат ли отправленный и полученный пакеты различий
- Сколько пакетов пришло и сколько еще ожидать
В интернете на транспортном уровне используются два основных протокола:
- TCP (Transmission Control Protocol). Гарантирует доставку пакетов и контролирует ее. Информация передается только в том случае, если между компьютерами устанавливается связь и подтверждается готовность к передаче/приему
- UDP (User Datagram Protocol). Пакеты пересылаются, но не проверяются. Информация пересылается быстрее, так как нет дополнительных проверок, но возможны потери
Рассмотрим подробнее отличия протоколов TCP и UDP.
Протокол TCP
Перед тем, как отправить пакеты по протоколу TCP, устанавливается связь между компьютерами. На языке системных администраторов такой процесс называется рукопожатием или handshake. Связь устанавливается в три этапа:
- Компьютер, который отправляет данные, посылает запрос на передачу информации
- В ответ ожидает пакет с подтверждением готовности к приему информации
- Компьютер отправляет запрос, что получил подтверждение
Это упрощенная схема, но в ней видно, что компьютер, который посылает информацию, не только отправляет запрос на передачу, но и подтверждает, что ему пришло разрешение. Такой способ ненадолго задерживает время до отправки информации, но гарантирует, что оба устройства могут обмениваться информацией.
Пакеты в TCP передаются с постоянным подтверждением. Каждый пакет отправляется и подтверждается по отдельности:
Если при передаче пакета произошла ошибка, например, оборвалась связь, и не было подтверждения, то пакет посылается еще раз. Для этого у каждого пакета есть таймер, в течение которого ожидается подтверждение:
Принимать подтверждение на каждый пакет требуется в условиях плохой связи или при передаче важной информации. Эта процедура не происходит мгновенно, и чем больше данных, тем больше времени уходит на подтверждение пакетов.
Чтобы не подтверждать получение каждого пакета, используется скользящее окно или Sliding Window. В этом случае подтверждается не один пакет, а сразу несколько. В остальном отличий нет — если пришло подтверждение, то посылаются следующие пакеты, если подтверждения нет, то повторяется пересылка пакетов.
TCP обеспечивает надежность, но на это тратится время. Представим, что мы играем в онлайн-игру, где на счету каждая миллисекунда. В этом случае задержки могут все испортить. Чтобы быстро передавать информацию, используют протокол UDP, который не требует подтверждения получения пакета.
Протокол UDP
UDP используют в ситуациях, когда нужно быстро отреагировать на полученную информацию. Например, запрос об IP-адресе, действия в игре, потоковая передача видео и аудио. При потоковой передаче не дожидается загрузка файла, а воспроизводится та часть, которая уже загрузилась.
От UDP требуется только отправить информацию. Будет она получена, повреждена или продублирована — не важно. Поэтому протокол используется для передачи информации, для которой не критичны потери. Например, потоковое видео и аудиосвязь.
Если пакет по какой-то причине не дошел, то его повторная отправка не произойдет. По этой причине UDP не используется для передачи важной информации, требующей целостности.
Представим онлайн-игру, где нашему персонажу нужно прыгать. Если передавать информацию по протоколу TCP, то возникнет задержка между нажатием клавиши и получением об этом информации в игре. Задержка небольшая, но в соревновательных играх она может привести к проигрышу. Информация о действии персонажа небольшая, поэтому ее можно послать при помощи протокола UDP.
Если информация не дойдет, то вообще не будет никакого действия. Но вероятность у этого достаточно маленькая, и разработчики намерено пренебрегают надежностью в угоду скорости.
Сравнение TCP и UDP
Чтобы было проще понять различия между протоколами TCP и UDP, стоит изучить таблицу:
| TCP | UDP |
|---|---|
| Подходит для передачи важной, требующей целостности информации | Подходит для передачи информации, устойчивой к потерям |
| Долгое время передачи | Быстрая передача пакетов |
| Гарантия передачи пакетов | Отсутствие гарантии передачи пакетов |
Выводы
В этом уроке мы рассмотрели, что такое стек TCP/IP и сколько в нем уровней. Также подробно разобрали транспортный уровень, который отвечает за передачу информации в сети, и познакомились с протоколами TCP и UDP. Повторим важные мысли урока:
- Стек TCP/IP помогает функционировать интернету и описывает, как компьютеры соединяются и передают информацию друг другу
- Модель TCP/IP делится на 4 уровня:
- Канальный уровень
- Сетевой уровень
- Транспортный уровень
- Прикладной уровень
- Транспортный уровень определяет правила передачи информации и контроль за ее получением
- Когда информация передается, она разбивается на пакеты. Это связано с ограничениями при подключении компьютеров в сеть
- На транспортном уровне в модели TCP/IP используются два основных протокола: TCP и UDP
- Протокол TCP подходит для передачи важной информации, но требует время
- Протокол UDP подходит для быстрой передачи не критически важной информации, так как не гарантирует ее целостность и надежность передачи
Дополнительные материалы
Для полного доступа к курсу нужен базовый план
Базовый план откроет полный доступ ко всем курсам, упражнениям и урокам Хекслета, проектам и пожизненный доступ к теории пройденных уроков. Подписку можно отменить в любой момент.
