Обмен информацией между компьютерами

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

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 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:

1. Компьютер, который отправляет данные, посылает запрос на передачу информации

2. В ответ ожидает пакет с подтверждением готовности к приему информации

3. 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, 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:

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 большой информации, но требует время

• Протокол UDP подходит для быстрой передачи короткой информации, но не гарантирует ее целостность и надежность