Linux протоколы передачи данных

Основы сетей и протоколов интернет

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.

Основные сетевые термины

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:

Источник

Сетевые протоколы. Семейство протоколов TCP/IP

Так случилось, что Мефодий мало что знал о компьютерных сетях до знакомства с Linux. Если пользоваться только www-броузером и почтовой программой, сведений, вроде «у каждого компьютера Internet есть имя, на компьютерах бывает почта и WWW», бывает вполне достаточно. Строго говоря, если сеть настроена, почтовые клиенты или броузеры Linux не требуют большего объёма знаний. Однако Linux хорош именно тем, что позволяет проследить работу сети от процедур самого низкого уровня, вроде поведения сетевых карт, до приложений высокого уровня и их протоколов.

В разговоре о сетях передачи данных понятие «уровень» возникает неспроста. Дело в том, что передача данных между компьютерами — сложный процесс, в котором решается сразу несколько разноплановых задач. Если представить себе весь процесс организации сети «на пустом месте», как если бы никаких сетевых разработок доныне не было, все эти задачи встают одна за другой, по мере решения предыдущей.

Итак, если бы Мефодий получил задание «придумать Internet» на пару с Гуревичем, какие бы вопросы перед ними встали?

1. Среда передачи данных. Посредством чего передавать данные? Как именно представляется передаваемая информация?
2. Устройство передачи данных. (Раз уж известно, как передаются данные). Как подключаться к среде? Как отличить данные от не-данных (т. е. определить идёт ли передача)? Как определить очерёдность работы нескольких устройств, подключённых к одной среде передачи данных? Как определить, кому предназначаются даннее, передаваемые в общей среде?
3. Топология неоднородной сети. (Раз уж известно, как подключить компьютер к одной или нескольким средам передачи данных). Если в сеть объединены несколько сред передачи данных, как определить адресата (и отправителя тоже)? Как обеспечить пересылку данных из одной среды в другую? Как выстроить непрерывный маршрут пересылок от отправителя к адресату.
4. Доставка данных. (Раз уж есть механизм передачи данных от любого абонента сети к любому). Как обеспечить целостность и надёжность передачи данных (и нужно ли)? Как управлять самим каналом передачи данных (например, чтобы не отправлять данных больше, чем принимающая сторона в состоянии принять)? Как разделять несколько каналов передачи данных (например, когда от одного компьютера к другому одновременно передаются два файла)?
5. Интерпретация данных. (Раз уж возможна надёжная и без искажений доставка). Что делать с полученными данными? Какие части операционной системы отвечают за их обработку, и откуда про это знает абонент с другой стороны соединения?

Ответы на эти вопросы в формализованном виде носят название протоколов: в них пунктуально описывается, как именно предлагается решать ту или иную задачу, какая для этого потребна дополнительная информация, какова должна быть логика поведения передающей и принимающей стороны и т. п.

В приведённом делении на этапы (уровни) примечательна их относительная независимость: если группа задач, связанная с некторым уровнем, решена, на следующем уровне можно забыть, как именно решались эти задачи. Так, устройство передачи данных типа «Ethernet» с точки зрения компьютера всегда одно и то же, какой бы носитель при этом не использовался: коаксиальный кабель или кабель типа «витая пара», хотя с физической и даже топологической точки зрения эти среды сильно различаются.

Ethernet с коаксиальным кабелем имеет топологию «общая шина»: все абоненты подключаются к единому кабелю, «врезая» в него Т-образный отводок; ethernet с витой парой имеет топологию «звезда»: от каждого абонента идёт собственный кабель к центральному устройству-концентратору.

Точно так же обстоят дела при переходе со второго уровня на третий: во время получения данных уже совершенно неважно, какие среды передачи были при этом задействованы (ethernet, три провода, голубиная почта. ).

Организация TCP/IP с помощью почтовых голубей описана в RFC1149.

Переход с третьего уровня на четвёртый и с четвёртого на пятый тоже обладает этим свойством.

По всей видимости, именно с этими задачами сталкивались и разработчики из института ARPA (Advanced Research Projects Agency, «Агенство Перспективных Исследовательских Проектов»; в процессе работы оно было переименовано в DARPA, где «D» означало Defence). По крайней мере, предложенное ими в середине семидесятых семейство протоколов TCP/IP также подразделялось на пять уровней: аппаратный, интерфейсный, сетевой, транспортный и прикладной. Впоследствии аппаратный уровень стали смешивать с интерфейсным, так как с точки зрения операционной системы они неразличимы.

Поэтому, если в книге написано, что TPC/IP имеет четыре уровня, это тоже будет правдой — с учётом двойственности самого нижнего.

Именно разделение на независимые друг от друга уровни позволило со временем объединить большинство разнородных локальных сетей в единое сетевое пространство — глбальную сеть Internet.

В TCP/IP вопрос о том, как обеспечить нескольким абонентам сети возможность передавать данные, не мешая друг другу, решён с помощью разделения пакетов данных. Разделение пакетов предполагает, что данные передаются не единым блоком, а по частям, пакетами. Алгоритмы, определяющие, когда абоненту разрешено посылать следующий пакет, могут быть разными, но результат всегда один: в сети передаются попеременно фрагменты всех сеансов передачи данных. В сильно загруженном состоянии такая сеть может просто не принять очередной пакет от абонента-отправителя, и тому придётся ждать удобного случая, чтобы всё-таки «пропихнуть» его в переполненную другими пакетами среду. Таким образом, обеспечить гарантированное время передачи одного пакета в сетях с разделением пакетов бывает довольно сложно, хотя есть алгоритмы, позволяющие это сделать.

Протвоположность метода разделения пакетов — метод разделения каналов, который предполагает, что в сети имеется определённое число каналов передачи данных, которые абоненты сети арендуют на всё время передачи. По такому принципу построены, например, телефонные линии: дозвонившись, мы арендуем канал связи между двумя телефонными аппаратами, и до тех пор, пока этот канал занят, невозможно ни воспользоваться им кому-то другому, ни огранизовать параллельно передачу данных откуда-нибудь ещё. Главное достоинство сетей с разделением каналов — постоянная (за вычетом помех на линии) скорость передачи данных. Главный недостаток — ограниченное количество каналов передачи. Проектировать среду передачи так, чтобы каждый абонент был связан с каждым отдельным каналом, имеет смысл только когда абонентов очень мало: количество каналов будет пропорционально квадрату количества абонентов. Количество каналов в большой сети будет существенно меньшим, и ровно столько сеансов передачи данных можно будет в этой сети установить. Попытка соединиться с абонентом, когда все каналы уже заняты, окончится неудачей. Мефодий припомнил своего знакомого, дозвониться которому тяжело, хотя телефон тот занимает нечасто и не подолгу. По всей видимости, каналов между какими-то двумя АТС, через которые Мефодий связывается с приятелем, хронически недостаёт (так бывает, когда отдалённый район быстро застраивается и наполняется телефонами).

Если вернуться к сети с разделением пакетов, то можно заметить, что на каждом уровне, под пакетом понимается разное. С точки зрения интерфейсного уровня пакет — это ограниченный возможностями среды передачи данных фрагмент, в котором необходимо дополнительно указать, какое устройство из числа подключённых к среде передачи данных его отправило, и какому устройству он предназначен. С точки зрения сетевого уровня размер пакета определяется удобством его обработки, а дополнительно в нём надо указать уникальные для всей сети адреса отправителя и получателя (а также тип протокола и многое другое). С точки зрения уровня транспортного размер пакета определяется качеством связи (чем меньше пакет, тем ниже вероятность порчи, но тем больше теряется на дополнительной информации: идентификатор сеанса, тип, специальные поля, описывающие логику связи и т.п.). Наконец, если на прикладном уровне определено понятие «пакет», то размер его и содержимое определяются протоколом прикладного уровня.

Таким образом, процесс передачи данных выглядит так: порция данных прикладного уровня нарезается на части, соответствующие размеру пакета транспортного уровня (фрагментируется), к каждому фрагменту приписывается транспортная служебная информация, получаются пакеты транспортного уровня. Каждый пакет транспортного уровня может быть опять-таки фрагментирован для передачи по сети, к каждому получившемуся фрагменту добавляется служебная информация сетевого уровня, что даёт последовательность сетевых пакетов. Каждый сетевой пакет тоже может быть фрагментирован до размера, «пролезающего» через конкретное сетевае устройство, из него формируются пакеты интерфейсного уровня (фреймы). Наконец, к каждому фрейму само устройство (по крайне мере, так это сделано в Ethernet) приписывает некоторый ключ, по которому принимающее устройство распознаёт начало фрейма. В таком виде данные передадутся по проводам. Процесс «заворачивания» пакетов более высокого уровня в пакеты более низкого уровня называется инкапсуляцией.

Компьютер, получивший фрейм, выполняет процедуры, обратные инкапсуляции и фрагментации: пакеты низкого уровня освобождаются от служебной информации и накапливаются до тех пор, пока не сформируется пакет более бысокого уровня. Затем этот пакет отсылается на уровень выше и всё повторяется до тех пор, пока освобождённые от всей дополнительной информации и заново собранные воедино данные не попадут к пользователю (или к программе, которая их обрабатывает).

сетевой пакет Единица передачи информации в компьютерной сети. Помимо передаваемых данных содержит служебную информацию, в частности, идентификаторы отправителя и адресата, контрольную сумму, поля используемого протокола. Наибольший размер пакета определяется чаще всего не объёмом передаваемых данных, а требованиями протокола и необходимостью разделять сеть передачи данных между несколькими абонентами.

Источник