Модель TCP/IP как эталон де-факто

Модель TCP/IP основывается на стеке протоколов TCP/IP, который стал очень популярным при создании сети ARPANET - предка современного Интернета. ARPANET была создана по инициативе агентства ARPA (США, ныне DARPA); ключевые фигуры - Боб Тейлор, Ларри Робертс; первые узлы подключены в 1969 году, с 1983 года в сети используется стек TCP/IP. Особенность ARPANET заключалась в том, что эта сеть объединяла сети, построенные по разным технологиям; именно с помощью стека TCP/IP удалось обеспечить межсетевое взаимодействие.

Параллельно развивалась модель OSI (принята ISO в 1983 году) - семь уровней, детальное описание сервисов. На практике победила модель TCP/IP: проще (четыре уровня), раньше внедрена в реальные сети, и именно на ней построен Интернет. При этом как эталон для описания по-прежнему часто используют OSI: в ней хорошо проработаны функции каждого уровня, и она служит «общим языком» для сравнения разных сетей (компьютерные сети, интернет вещей и др.); протоколы же OSI на практике не применяются.

Со временем для объединения сильно отличающихся сетей одного стека оказалось недостаточно - потребовалась эталонная модель. Модель TCP/IP была создана для этой цели: она основана на стеке TCP/IP и позволяет объединять в крупную сеть сети на разных технологиях (проводные, беспроводные, разные производители).

Почему «TCP/IP»?

Модель названа по двум самым известным протоколам стека: TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). В отличие от модели взаимодействия открытых систем (OSI), которая состоит из семи уровней, модель TCP/IP содержит всего четыре уровня - она устроена проще и ближе к практике.

Благодаря этой простоте модель TCP/IP и стек протоколов TCP/IP оказались значительно более популярными, чем модель OSI, и широко используются в реальных сетях, в том числе в Интернете. Модель TCP/IP - это стандарт де-факто: её никто не принимал в качестве юридического стандарта, но все производители и разработчики ориентируются на неё.

Уровни модели TCP/IP

В модели TCP/IP выделяют четыре уровня (сверху вниз):

• Прикладной уровень (Application) - приложения и прикладные протоколы.
• Транспортный уровень (Transport) - доставка данных между процессами на разных узлах.
• Уровень интернет (Internet) - межсетевое взаимодействие, маршрутизация, протокол IP.
• Уровень сетевых интерфейсов (Network Access) - взаимодействие с подсетями разных технологий (Ethernet, Wi‑Fi).

На английском эти уровни часто обозначают: Application, Transport, Internet, Network Access. Уровень «интернет» в названии модели - не сама глобальная сеть Интернет с большой буквы, а уровень межсетевого взаимодействия (internetworking) - объединения отдельных сетей в одну.

Сопоставление уровней TCP/IP и OSI

Уровень сетевых интерфейсов модели TCP/IP соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Уровень интернет TCP/IP - сетевому уровню OSI. Транспортный уровень в обеих моделях совпадает по назначению. Прикладной уровень TCP/IP объединяет в себе функции сеансового, представительного и прикладного уровней OSI.

В TCP/IP не выделены отдельно сеансовый и уровень представления - не всем приложениям нужны их функции. Если нужны - они реализуются на прикладном уровне; если нет - приложение использует только те функции, что уже есть на прикладном уровне. На начальном этапе развития сетей такой подход дал преимущество по простоте реализации.

Уровень сетевых интерфейсов

Уровень сетевых интерфейсов в модели TCP/IP нужен для взаимодействия с подсетями разных технологий. В отличие от модели OSI, которая выделяет физический и канальный уровни и описывает, как должно строиться сетевое оборудование, модель TCP/IP в это не углубляется: она просто взаимодействует с существующим сетевым оборудованием.

Это оборудование может быть самым разным: проводные сети Ethernet, беспроводные Wi‑Fi, и другие технологии. На уровне сетевых интерфейсов в модели TCP/IP нет собственных протоколов стека - выполняется взаимодействие с уже существующими технологиями передачи данных (Ethernet по проводам, Wi‑Fi по радиоканалу и т.д.).

Уровень интернет

Уровень интернет в модели TCP/IP совпадает по назначению с сетевым уровнем модели OSI. Важно: слово «интернет» в названии уровня - это не самая популярная глобальная сеть Интернет (с большой буквы), а термин internetworking - межсетевое взаимодействие, объединение сетей.

На этом уровне работает протокол IP: он обеспечивает адресацию пакетов и маршрутизацию - решение о том, как доставить пакет из одной сети в другую. Крупная составная сеть создаётся именно на основе протокола межсетевого взаимодействия IP поверх разных канальных технологий (Ethernet, Wi‑Fi и др.).

Транспортный уровень

Назначение транспортного уровня в модели TCP/IP совпадает с моделью OSI: доставка данных между процессами (приложениями) на разных узлах. Один узел может одновременно запускать несколько приложений - браузер, почтовый клиент, мессенджер; каждое из них должно получать свои данные.

Для этого используются порты - номера, которые идентифицируют приложение на узле. Пара (IP-адрес, порт) однозначно определяет конечную точку соединения и называется сокетом. На транспортном уровне стека TCP/IP работают протоколы TCP (надёжная доставка с установкой соединения) и UDP (доставка без установки соединения, без гарантий порядка и повторной передачи).

Прикладной уровень

Прикладной уровень модели TCP/IP объединяет функции сеансового, представительного и прикладного уровней OSI. Здесь работают приложения и прикладные протоколы: HTTP (веб), DNS (разрешение имён), SMTP (почта), FTP и многие другие.

Если приложению нужны функции сеанса (например, управление диалогом) или представления (кодирование, шифрование), они реализуются на прикладном уровне самим приложением или библиотекой. Если не нужны - приложение просто использует прикладной протокол поверх транспортного (например HTTP поверх TCP).

Иерархия протоколов TCP/IP

Стек протоколов - это иерархически организованный набор протоколов, достаточный для взаимодействия по сети. Протоколы расположены на отдельных уровнях и взаимодействуют только с уровнями выше и ниже; одноимённые уровни на разных узлах общаются по своим протоколам.

На прикладном уровне: HTTP (веб), DNS (разрешение имён), SMTP (почта). На транспортном: TCP и UDP. На уровне интернет: IP (основной протокол передачи данных) и ICMP (диагностика, например ping). На уровне сетевых интерфейсов - существующие технологии: Ethernet, Wi‑Fi и т.д.

Протоколы каждого уровня

На прикладном уровне стека TCP/IP - протоколы HTTP (взаимодействие с веб-серверами), DNS (определение IP по имени компьютера), SMTP (передача электронной почты). На транспортном - два основных протокола: TCP и UDP (их отличия разберём в следующих темах). На уровне интернет - протокол IP (передача данных в составной сети) и ICMP (диагностика).

На уровне сетевых интерфейсов расположено существующее сетевое оборудование: Wi‑Fi, Ethernet. Крупная составная сеть создаётся из отдельных подсетей (беспроводных Wi‑Fi, проводных Ethernet) как раз на основе протокола межсетевого взаимодействия IP.

По одному протоколу с каждого уровня

При передаче данных по сети сообщения проходят с верхнего уровня вниз, передаются по среде на другое устройство и там поднимаются снизу вверх. Для передачи нужно использовать по одному протоколу с каждого уровня; при этом используется инкапсуляция: сообщение вышестоящего уровня вкладывается в сообщение нижестоящего.

Нельзя взять сообщение прикладного уровня и сразу передать его на уровень сетевых интерфейсов - нужно пройти через все промежуточные уровни, добавляя заголовки. «Достаточный набор» - это выбор одной цепочки: по одному протоколу с прикладного, транспортного, интернет и уровня интерфейсов.

Примеры: веб и DNS

Как мы уже говорили выше, для передачи в сеть нужен хотя бы один протокол с каждого уровня; данные проходят все промежуточные уровни с инкапсуляцией. Разные приложения выбирают разные протоколы на одном и том же уровне. Ниже - два типичных примера.

Открытие веб-сайта задействует и DNS, и HTTP. Сначала браузер запрашивает у DNS IP-адрес домена (прикладной протокол DNS поверх UDP - один короткий запрос и один короткий ответ). Затем браузер запрашивает страницу по HTTP (прикладной протокол HTTP поверх TCP - нужна надёжная доставка и порядок байтов). В обоих случаях ниже идут IP и канальная технология (Ethernet, Wi‑Fi).

Почему HTTP - в TCP, а DNS - в UDP? TCP даёт надёжный упорядоченный поток - удобно для загрузки страницы. UDP - быстрые отдельные сообщения без установки соединения; для одного запроса «какой IP у имени?» и одного ответа этого часто достаточно. Подробнее отличия TCP и UDP разберём в следующих темах.

Зачем нужны стандарты

На раннем этапе развития компьютерных сетей (примерно 1980-е годы) единых стандартов не было. В результате оборудование разных производителей не всегда могло взаимодействовать: каждый производитель делал своё оборудование и протоколы (AppleTalk, Xerox Network Systems, Novell NetWare, стек IPX/SPX и др.), и они были несовместимы между собой.

Стандарты в области компьютерных сетей создаются для того, чтобы обеспечить возможность работать вместе оборудованию и ПО от разных производителей. Текущая ситуация - когда практически любое оборудование от любого производителя на любой ОС может работать в Интернете - возможна именно благодаря тому, что все соблюдают согласованные стандарты.

Формальные (де-юре) и фактические (де-факто)

Формальные (юридические, де-юре) стандарты - приняты по формальным процедурам стандартизации. Пример: модель взаимодействия открытых систем (OSI), принятая Международной организацией по стандартизации (ISO). Такие стандарты принимает организация по стандартизации, у неё есть процесс разработки и публикации.

Фактические (де-факто) стандарты устанавливаются сами собой - например, на основе технологии, которая стала очень популярной. Модель и стек протоколов TCP/IP никто не принимал в качестве юридического стандарта; это стандарт де-факто именно потому, что стек TCP/IP стал доминирующим для крупных объединённых сетей и для Интернета.

Кто принимает стандарты

ISO (International Organization for Standardization; читается «ИСО») - международная организация по стандартизации, штаб-квартира в Женеве (Швейцария), основана в 1946 году. Приняла эталонную модель OSI и ряд стандартов по сетевым технологиям. Например, стандарт ISO 14443 - для карт идентификации и технологии RFID (открывание дверей, пропуски), тот же стандарт лежит в основе NFC - бесконтактная оплата телефоном и открывание дверей.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers; читается «ай трипл и») - институт инженеров по электротехнике и электронике, штаб-квартира в Нью-Йорке (США), с 1963 года. В нём есть рабочая группа IEEE 802; большая часть стандартов на сетевое оборудование начинается с номера 802: Wi‑Fi - IEEE 802.11, Ethernet - IEEE 802.3, Bluetooth - IEEE 802.15, WiMAX (IEEE 802.16) - беспроводные сети большой дальности.

Совет по архитектуре Интернета и документы RFC

Совет по архитектуре Интернета (координация через Internet Society, ISOC; деятельность с 1980-х годов) состоит из двух рабочих групп. IRTF (Internet Research Task Force) - группа исследования Интернета: занимается долгосрочными перспективными исследованиями, что нужно для стабильной работы Интернета в будущем. IETF (Internet Engineering Task Force) - группа проектирования Интернета: выпускает документы с описанием работы протоколов - RFC (Request for Comments, запрос на комментарии).

Формально RFC не являются стандартами - любой желающий (инженер, исследователь, компания) может отправить комментарий или предложение по улучшению; в следующей версии документа оно может быть учтено. Так создаются и развиваются протоколы HTTP, TCP, IP и др. На практике RFC соблюдают все для взаимодействия в Интернете.

Где описан протокол

Для каждого протокола стека TCP/IP есть соответствующий документ RFC. Протокол HTTP описан в RFC 2616 (и позднее в других RFC для HTTP/1.1, HTTP/2). TCP - RFC 793, UDP - RFC 768. Протокол IP и многие другие также имеют свои номера RFC; у сложных протоколов может быть несколько документов.

При углублённом изучении протокола полезно открыть соответствующий RFC: там формально и подробно описаны формат сообщений, поля заголовков, процедуры. В курсе при разборе протоколов мы будем указывать номера RFC для самостоятельного чтения.

W3C — консорциум веб-стандартов

W3C (World Wide Web Consortium) — международная организация, которая разрабатывает и принимает стандарты в области веба. Основана в 1994 году Тимом Бернерсом-Ли при участии MIT, CERN и других. Объединяет сотни организаций: производителей браузеров, IT-компании, университеты и исследовательские лаборатории.

W3C выпускает технические спецификации и рекомендации для веб-технологий: HTML, CSS, SVG, доступность (accessibility), веб-API и др. Документ проходит стадии: Working Draft (рабочий черновик), Candidate Recommendation, Proposed Recommendation и финальная W3C Recommendation. Так обеспечивается единое понимание технологий производителями браузеров и разработчиками.

Для протоколов уровня приложений: протоколы Интернета (HTTP, TCP, IP) описываются в RFC (IETF), а языки разметки, стили и многие веб-API — в спецификациях W3C. Обе организации важны для веб-разработки; при углублённом изучении полезно обращаться к официальным документам на w3.org и к RFC по номерам.

Что мы узнали

Модель TCP/IP - эталон де-факто из четырёх уровней: прикладной, транспортный, интернет, сетевых интерфейсов. Она соответствует уровням OSI и проще для реализации. Стек протоколов TCP/IP - иерархический набор протоколов (HTTP, DNS, TCP, UDP, IP, ICMP; Ethernet, Wi‑Fi на уровне интерфейсов); для передачи данных выбирается по одному протоколу с каждого уровня, с инкапсуляцией.

Стандартизация: формальные стандарты (де-юре) принимают ISO, IEEE 802 и др.; фактические (де-факто) - как TCP/IP - складываются из практики. Протоколы Интернета описываются в документах RFC (IETF). Дальше - задания на закрепление, тест и практика за компьютером.

Но сначала повторим базовую базу всех баз :)

Кратко вспомним назначение каждого из семи уровней модели OSI - это пригодится для дополнительного теста и для понимания соответствия с TCP/IP.

Задачи уровней OSI (1-3): физический, канальный, сетевой

Физический уровень (Physical) - ближе всего к среде передачи. Задача: передача потока бит по физическому каналу без искажений и с заданной скоростью. Уровень не вникает в смысл передаваемого - только биты.

Канальный уровень (Data Link) - организует взаимодействие внутри одного сегмента сети (как правило одна технология, например одна Wi‑Fi-сеть). Задачи: установление логического соединения, согласование скоростей передатчика и приёмника, надёжность передачи, обнаружение и исправление ошибок. В широковещательной сети (к ней подключено несколько устройств - типичный пример Wi‑Fi) канальный уровень добавляет управление доступом к среде: если два устройства начнут передавать одновременно, данные исказятся и будут потеряны; уровень обеспечивает, чтобы в один момент передавал кто-то один. Здесь же - физическая адресация (MAC): в сеть с несколькими устройствами нужно понимать, какому именно устройству предназначены данные.

Сетевой уровень (Network) - объединяет несколько сегментов в крупную составную сеть (например в Интернет). Задачи: адресация на уровне всей сети (не в рамках одного сегмента), определение маршрута отправки пакетов - в составной сети может быть несколько путей от отправителя к получателю. Плюс согласование характеристик разных сетевых технологий, которые могут быть устроены по-разному.

Задачи уровней OSI (4-7): транспортный, сеансовый, представления, прикладной

Транспортный уровень (Transport) - доставка данных между процессами (разными программами) на разных узлах с требуемой надёжностью. Модель OSI определяет пять классов транспортного сервиса; наиболее популярный - защищённый от ошибок канал с гарантированным порядком сообщений. Транспортный уровень - первый сквозной: сообщения доставляются от процесса-отправителя на одном устройстве до процесса-получателя на другом; не важно, сколько промежуточных узлов между ними (все предыдущие уровни работают «звено за звеном» - от устройства к устройству). Он же - первый сеть-независимый: на нём напрямую соединяются процессы на разных устройствах, которые могут быть в разных частях города, страны или на разных континентах.

Сеансовый уровень (Session) - создаёт сеансы связи и даёт дополнительную функциональность: управление диалогом (очерёдность - кто какие сообщения когда передаёт), управление маркерами (чтобы критическую операцию - например с объектом, с которым в один момент может работать только одно устройство - выполнял только кто-то один в сети), синхронизация меток в сообщениях для возобновления передачи после сбоя. Пример: вы закачиваете большой файл, произошла сетевая ошибка - благодаря синхронизации можно продолжить загрузку с места остановки, а не качать файл заново.

Уровень представления (Presentation) - задаёт формат передачи данных и обеспечивает согласование синтаксиса и семантики (не только формат, но и смысл). На устройствах с разной архитектурой могут быть разные форматы представления чисел (например big-endian и little-endian); уровень согласует их. Сюда же относится шифрование и дешифрование - чтобы перехваченные данные нельзя было прочитать; сейчас широко используется технология TLS (Transport Layer Security).

Прикладной уровень (Application) - набор приложений, полезных пользователю. Чаще всего сеть используют именно из-за него: видео- и аудиосвязь, веб-страницы в браузере, мессенджеры, доступ к разделяемым файлам, электронная почта и т.д.

Протокол и уровень модели TCP/IP

Сопоставьте протокол с уровнем модели TCP/IP (4 уровня: прикладной, транспортный, интернет, сетевых интерфейсов).

Порядок инкапсуляции (сверху вниз)

Расставьте уровни в порядке добавления заголовков при отправке веб-запроса (первый - самый верхний, последний - перед передачей по среде).

Организации стандартизации

Сопоставьте организацию с областью стандартизации.

Номер RFC и протокол

Какой протокол описан в указанном RFC? Выберите верный вариант.

RFC 793 описывает:

RFC 768 описывает:

Краткий тест (8 вопросов)

Для доступа к практике нужно набрать не менее 80% (минимум 7 из 8 правильных ответов).

1. Модель TCP/IP содержит уровней:

2. Уровень «интернет» в модели TCP/IP соответствует уровню OSI:

3. Как в модели TCP/IP реализуется уровень сетевых интерфейсов?

4. Для передачи данных по сети нужно использовать:

5. Стандарт де-факто - это:

6. Стандарты Wi‑Fi и Ethernet разрабатывает:

7. Документы RFC выпускает:

8. Цепочка протоколов при открытии веб-страницы (сверху вниз):

Задачи уровней модели OSI (20 вопросов)

Для доступа к практике наберите не менее 80% (минимум 16 из 20). Выберите уровень OSI, который отвечает за указанную задачу.

1. Передача потока бит по физическому каналу с заданной скоростью.

2. Организация взаимодействия внутри одного сегмента сети.

3. Физическая адресация (MAC-адреса) в широковещательной сети.

4. Объединение нескольких сегментов в составную сеть.

5. Определение маршрута отправки пакетов в составной сети.

6. Доставка данных между процессами на разных узлах с требуемой надёжностью.

7. Управление диалогом и очерёдностью передачи сообщений.

8. Синхронизация меток для возобновления передачи после сбоя.

9. Задание формата представления данных (символы, числа).

10. Шифрование и дешифрование данных.

11. Веб-страницы, электронная почта, мессенджеры.

12. Управление доступом к среде в широковещательной сети.

13. Адресация на уровне всей составной сети.

14. Защищённый от ошибок канал с гарантированным порядком сообщений.

15. Первый сквозной уровень (от процесса-отправителя до процесса-получателя).

16. Управление маркерами (чтобы критическую операцию выполнял только один).

17. Согласование синтаксиса и семантики передаваемых данных.

18. Обнаружение и исправление ошибок в одном сегменте сети.

19. Согласование характеристик различных сетевых технологий.

20. Создание сеансов связи между приложениями.

Практика: настройки сети, ping и RFC

Выполните пошаговые действия на своём компьютере. Интерфейсы - это сетевые адаптеры (Ethernet, Wi‑Fi, виртуальные): в выводе ipconfig/ifconfig вы увидите, какой активен (имеет IP и шлюз), через какой ПК выходит в интернет - это нужно, чтобы связать теорию уровней с реальным адаптером. RFC открываем (RFC 793 - TCP, RFC 768 - UDP), чтобы увидеть, как в документах IETF формально описываются протоколы транспортного уровня; это пригодится при углублённом изучении. Откройте терминал, посмотрите настройки, проверьте связность (ping, при необходимости tracert), затем в браузере откройте RFC и посмотрите структуру. Файл для сдачи не требуется - только выполнение шагов и самопроверка.

Откройте терминал

Выведите сетевые настройки

Найдите активный интерфейс (Ethernet или беспроводная сеть) и запишите: IPv4-адрес, маску подсети, основной шлюз (Default Gateway).

Запишите IP и шлюз

Проверьте связность с шлюзом (ping)

Пинг до публичного DNS

Трассировка маршрута (опционально)

Если команда недоступна или выдаёт ошибку - пропустите шаг и перейдите дальше.

Ограничьте число пакетов ping

MAC-адрес интерфейса

Откройте браузер

Откройте RFC 793 (TCP)

Просмотрите оглавление и первые разделы: там указаны назначение протокола, основные понятия и формат заголовка. Это пример того, как IETF описывает протоколы уровня транспорт и интернет.

Откройте RFC 768 (UDP)

Поиск RFC по номеру

Контрольные вопросы для самопроверки

Ответьте себе (без отправки куда-либо):

• Какой у вас IPv4-адрес и адрес шлюза по умолчанию?
• Прошёл ли ping до 8.8.8.8 и какое было среднее время ответа?
• Сколько прыжков (hop) до 8.8.8.8 показала трассировка (если выполняли)?
• В каком RFC описан TCP и какой уровень модели TCP/IP он занимает?

Практика завершена. На следующем занятии вы познакомитесь с построением сетей на базе TCP/IP и с анализатором Wireshark.