КАК УСТРОЕН TCP/IP?

Возникновение сетевых проблем В конце 20-го века различные научные учреждения в США и Европе создали сети для эффективного обмена информацией между исследователями. Это привело к появлению множества изолированных сетей по всему миру, которые потенциально могли бы объединиться в единую глобальную сеть, известную как Интернет. Однако различия в методах передачи данных по этим сетям создавали проблемы для связи между ними.

Понимание модели OSI Для решения проблем взаимодействия различных сетевых систем требовалась общая модель; результатом этого стала модель OSI (Open Systems Interconnection), представленная в 1983 году. Модель OSI включает в себя семь уровней: физический, уровень передачи данных, сетевой транспорт, уровень представления сеанса и прикладной уровень, каждый из которых представляет определенные функции, необходимые для эффективной коммуникации. Сообщения инкапсулируются заголовками на каждом уровне при передаче с одного компьютера на другой и должны обрабатываться последовательно после получения, пока не достигнут предназначенной для них прикладной программы.

Эволюция модели TCP/IP: Интеграция коммуникационных уровней Модель TCP/IP развилась из семиуровневой архитектуры OSI, в которой основное внимание уделяется как сетевым уровням, так и протоколам, необходимым для взаимодействия. Первый уровень - это прикладной уровень, который объединяет три верхних уровня OSI: сеанс, представление и приложение. Эта интеграция решает проблемы при передаче сообщений, такие как поддержание соединения во время простоя и синхронизация потоков данных, таких как аудио и видео.

Упрощенная передача данных с помощью функций прикладного уровня В TCP/IP многие функции на уровне приложений, презентаций и сеансов выполняются самими приложениями. Это означает, что программы, созданные для отправки или получения сообщений, такие как браузеры или почтовые клиенты, выполняют задачи, обычно связанные с этими высокоуровневыми функциями OSI, непосредственно в процессе своей работы. Следовательно, это приводит к более рациональному подходу, при котором передача данных между приложениями происходит плавно, без необходимости отдельной обработки на каждом отдельном уровне.

Python - очень популярный язык программирования, известный своей простотой и широким использованием в серверной разработке. Основные приложения, такие как Google, Dropbox, Spotify и Netflix, созданы с использованием Python. Для дальнейшего изучения этой области Yandex Practicum предлагает бесплатный вводный курс, который охватывает основы программирования на Python и то, как он взаимодействует с пользователями и серверами с помощью практических заданий. Если учащиеся удовлетворены качеством обучения на этом начальном этапе, они могут записаться на обширную девятимесячную платную программу, посвященную таким продвинутым темам, как SQL, создание API Django для веб-приложений, включая Telegram-ботов, при совместной работе в командах.

Важность заголовков протоколов Для обеспечения корректной передачи сообщений между программами-отправителями и программами-получателями в начале пакетов данных добавляется заголовок, содержащий важную информацию. Характеристики этого заголовка зависят от протокола, используемого для связи, например, SMTP для электронной почты или HTTP для веб-запросов. Понимание того, как функционируют эти протоколы, помогает лучше понять операции транспортного уровня.

Роль портов в обеспечении связи Когда сообщения поступают на компьютер получателя, для определения того, какая программа должна их обрабатывать, требуется адресация через порты — уникальные номера, присвоенные запущенным приложениям. Порты подразделяются на три категории: общеизвестные порты (например, 80 для HTTP), зарегистрированные порты организаций и динамические/частные порты, автоматически выделяемые операционными системами.

Сегментирование передачи данных Данные с прикладных уровней передаются на транспортные уровни, где их можно разделить на более мелкие сегменты с прикрепленными заголовками TCP. Каждый сегмент содержит номера портов источника и назначения, а также порядковую нумерацию, которая обеспечивает надлежащий порядок при поступлении, несмотря на возможные задержки при передаче.

Обеспечение надежной доставки с подтверждениями Протокол TCP гарантирует надежную доставку с помощью механизмов подтверждения; каждый полученный сегмент отправляет отправителю ответное подтверждение, указывающее на готовность к последующим сегментам, при этом управление потоком осуществляется с помощью корректировки размера окна на основе доступности буфера на стороне получателя.

Механизмы "Контроля перегруженности" Методы "контроля перегрузки" помогают справляться с перегрузками сети, когда маршрутизаторы сталкиваются с потоком пакетов, превышающим их пропускную способность; это предполагает временное уменьшение размеров окна до восстановления нормальных условий при одновременном использовании флагов в заголовках TCP, эффективно сигнализирующих о перегрузке между устройствами, участвующими в процессах обмена данными.

UDP - это протокол транспортного уровня, который отличается от TCP тем, что не устанавливает соединение заранее и не гарантирует доставку данных. Он просто отправляет данные с порта одного компьютера на порт другого, обеспечивая более высокую скорость передачи. Такая скорость имеет решающее значение в сценариях, где своевременная доставка важна больше, чем надежность, например, при трансляции спортивных состязаний в прямом эфире или видеозвонках. Заголовок UDP состоит всего из 8 байт и четырех полей: порт источника, порт назначения, поле длины, включающее данные, и необязательную контрольную сумму. Кроме того, DNS-запросы используют этот протокол на определенных портах для получения IP-адресов без гарантированного получения сегмента, но все равно требуют ответов в установленные сроки.

Развитие компьютерных сетей сделало невозможным, чтобы один компьютер справлялся с огромными рабочими нагрузками. Такие компании, как Яндекс и Google, используют тысячи компьютеров, работающих сообща в системах, предназначенных для эффективного управления высокими требованиями. Чтобы научиться создавать крупномасштабные системы с несколькими компьютерами, можно пройти углубленный курс по системному проектированию, который охватывает такие важные темы, как проксирование, балансировка нагрузки, кэширование, репликация и сегментирование. В этом курсе также представлены практические примеры с основных платформ, таких как ВКонтакте и WhatsApp, при подготовке участников к собеседованиям по системному дизайну.

Маршрутизаторы Обеспечивают Передачу Данных Между Подсетями Для передачи данных между программами требуются маршрутизаторы, обеспечивающие связь между различными подсетями. Каждая подсеть должна иметь адрес, а пакеты данных структурированы с определенными заголовками, которые включают IP-адреса отправителя и получателя. Простота протокола IPv4 позволяет осуществлять эффективную маршрутизацию без установления соединений или гарантии доставки, поскольку эти обязанности ложатся на более высокие транспортные уровни.

Понимание структуры пакетов IPv4 Структура пакета IPv4 включает в себя такие важные поля, как номер версии, длина заголовка, биты типа службы для определения приоритета, общая длина, указывающая как размер заголовка, так и размер данных, время ожидания (TTL), которое ограничивает переходы маршрутизатора перед отбрасыванием пакета в случае недоставки. Тип протокола определяет, используется ли TCP или UDP, в то время как контрольные суммы обеспечивают целостность при передаче данных через различные маршрутизаторы.

Управление фрагментацией пакетов данных Фрагментация происходит, когда пакеты превышают пропускную способность сети; они разбиваются на более мелкие фрагменты, но могут быть доставлены в пункт назначения в неправильном порядке. Каждый фрагмент содержит идентификаторы для корректной сборки, а также флаги, указывающие, следуют ли за ним другие фрагменты или фрагментация вообще запрещена определенными настройками в заголовках.

ICMP - это протокол, используемый для отправки сетевых сообщений, в частности уведомлений об ошибках. Когда во время обработки пакетов на маршрутизаторе возникает ошибка, генерируется ICMP-сообщение и отправляется обратно отправителю в виде IP-пакета. Заголовок ICMP содержит четыре поля: тип сообщения, указывающий на то, что произошло, код, описывающий конкретную причину проблемы, контрольную сумму для проверки целостности и дополнительную информацию в зависимости от типа сообщения, часто включающую фрагменты из пакетов, в которых обнаружены ошибки. Помимо сообщений об ошибках, ICMP также облегчает тестирование сети с помощью таких утилит, как Ping и Traceroute; Ping проверяет доступность получателя, отправляя эхо-запросы, в то время как Traceroute определяет пути маршрутизации, постепенно увеличивая время работы пакетов, пока они не достигнут места назначения или не возникнут проблемы.

Протокол IPv6 упрощает заголовок IP за счет уменьшения количества полей, связанных с фрагментацией и контрольной суммой, при сохранении основных адресов отправителя и получателя. Последнее поле в заголовке IPv6 позволяет вводить необязательные параметры, такие как адреса маршрутизаторов или строгие пути маршрутизации, определенные вручную. Изменения включают в себя новый тип протокола, который улучшает классификацию трафика с помощью заголовков типа сервиса, а также добавленное поле длины полезной нагрузки, указывающее размер данных. Введена метка потока, позволяющая маршрутизаторам более эффективно обрабатывать пакеты на основе дополнительных заголовков; этот механизм кэширования ускоряет обработку пакетов, когда впоследствии поступают аналогичные помеченные пакеты.

Понимание роли Ethernet в сетевом взаимодействии Ethernet работает на самом низком канальном уровне, интегрируя физический уровень и уровень канала передачи данных в модели OSI. IP служит виртуальным адресом, который обеспечивает маршрутизацию пакетов между подсетями, формируя канальную среду с устройствами, такими как коммутаторы, подключающимися к поставщикам, и устройствами конечных пользователей, такими как компьютеры и маршрутизаторы. Каждое сетевое устройство имеет свой уникальный MAC-адрес для передачи данных в этой среде. Двумя основными технологиями в этом контексте являются Ethernet (проводной) и Wi-Fi (беспроводной), причем Ethernet развивается с 1973 года и обеспечивает скорость до 10 Мбит/с.

Структура фрейма: Обеспечение целостности данных Данные, передаваемые по сети, инкапсулируются в кадры на канальном уровне передачи данных, каждый кадр содержит заголовки, содержащие MAC-адреса отправителя/получателя, а также информацию о типе протокола. Для обнаружения ошибок добавляется контрольная сумма; если она не совпадает при получении, кадр отбрасывается из-за ошибок передачи. Минимальный размер этих фреймов составляет 46 байт, в то время как максимальный достигает 1500 байт — это требует разделения сообщений прикладного уровня на сегменты TCP, не превышающие определенных размеров в сочетании с соответствующими заголовками.

Достижения в области средств передачи данных Физический уровень передачи данных предполагает передачу битов с одного устройства на другое с помощью различных средств, таких как кабели или радиоволны. Первоначально для подключения использовались коаксиальные кабели, но их скорость была ограничена 10 Мбит/с, и они основывались на шинной топологии. Внедрение кабелей с витой парой уменьшило электромагнитные помехи и позволило повысить скорость передачи данных за счет обеспечения дуплексной связи.

Эффективность благодаря оптическому волокну и протоколам маршрутизации Следующим шагом стала технология оптического волокна, использующая стеклянные волокна для передачи световых сигналов, которые преобразуют электрические импульсы в оптические и обратно с высокой скоростью. Этот процесс преобразования ограничивает максимальную скорость передачи, но значительно повышает общую производительность по сравнению с предыдущими методами. Эффективная маршрутизация пакетов по сетям по-прежнему имеет решающее значение; маршрутизаторы определяют оптимальные пути с использованием специализированных протоколов, обеспечивая непрерывный доступ без перерывов.