Стек TCP/IP: обзор

В этой статье разбираемся, как устроен стек TCP/IP, для чего он нужен и почему именно этот набор протоколов стал стандартом для сетевого взаимодействия.

Что такое TCP/IP 

TCP/IP — это основной набор протоколов, который используется для передачи данных в интернете и в локальных сетях. Его название складывается из двух ключевых компонентов: TCP и IP. 

TCP, или Transmission Control Protocol, отвечает за то, чтобы данные, которые вы отправляете через сеть, дошли до адресата целыми и в правильном порядке. Он разбивает большой объем информации на небольшие пакеты, отправляет их по сети, следит, чтобы ничего не потерялось, и, если что-то все-таки не дошло, пересылает заново. 

IP — это Internet Protocol. Его задача — определить маршрут, по которому каждый пакет данных должен пройти, чтобы добраться до нужного устройства. IP указывает, куда именно должны направляться пакеты, используя уникальные адреса устройств. Благодаря этому ваши данные могут проходить через множество промежуточных сетей и устройств, пока не окажутся у получателя.

Однако термин TCP/IP включает в себя не только эти два протокола. Например, в него также входят DNS для поиска адресов сайтов, UDP для быстрой передачи данных, ICMP для диагностики сетей, ARP для определения адресов устройств, SMTP для электронной почты и HTTP для обмена веб-страницами.

История появления TCP/IP 

Корни TCP/IP уходят в 1970-е годы — время, когда само понятие глобальной компьютерной сети только начинало формироваться. Работы по созданию универсального протокола передачи данных возглавили Винтон Серф и Роберт Кан, которых сегодня по праву называют «отцами интернета».

Первый серьезный шаг был сделан в 1974 году. Тогда Серф и Кан представили научную статью под названием «A Protocol for Packet Network Intercommunication» (с англ. «Протокол для взаимодействия пакетных сетей») — по сути, это был первый документ, который описал принципы построения интернета. 

Позже в том же году появился RFC 675 — документ с технической спецификацией протокола под названием «Internet Transmission Control Program». Его авторами стали Винтон Серф, Йоген Далал и Карл Саншайн. С этого момента началась работа над тем, что позже превратилось в известную нам модель TCP/IP.

Однако первая версия протокола была далека от идеала. В течение следующих лет спецификации неоднократно дорабатывались и уточнялись. Итогом этой работы стали два ключевых документа, опубликованные в 1981 году:

• RFC 791 — спецификация Internet Protocol (IP);
• RFC 793 — спецификация Transmission Control Protocol (TCP).

Они заложили техническую основу интернета, каким мы его знаем сегодня. Интересно, что обозначение IPv4 произошло от того, что это была четвертая версия спецификации IP, связанная с развитием TCP — а не потому, что до этого существовали полноценные протоколы IPv1, IPv2 или IPv3.

В 1994 году началась работа над протоколом следующего поколения — IPng (Internet Protocol next generation). Этот проект со временем получил название IPv6. Новая версия протокола решала множество проблем IPv4, включая ограничение на количество IP-адресов.

За последние десятилетия TCP и IP продолжали развиваться. Только для TCP было предложено более сотни вариантов реализации, и многие из них используются в различных операционных системах. Например, CUBIC TCP стал стандартом в ядре Linux, а также используется по умолчанию в macOS с 2014 года и в Windows с 2017 года.

IP-протокол также оброс новыми возможностями: появились такие технологии, как Mobile IP (для поддержки мобильных устройств) и IPSec (для безопасной передачи данных).

Уровни TCP/IP 

Модель TCP/IP часто называют сетевым стеком, потому что она устроена как последовательность слоев, где каждый слой отвечает за свою часть передачи данных. Эта архитектура позволяет компьютерам разных производителей, с разными операционными системами и аппаратным обеспечением, свободно общаться друг с другом — именно благодаря стандартизации протоколов, которые не зависят от железа или ПО.

В отличие от более академичной семиуровневой модели OSI (о которой мы еще поговорим позже), стек TCP/IP состоит из четырех взаимосвязанных слоев:

1. Прикладной уровень

Прикладной уровень находится на вершине сетевого стека. Здесь работают все программы и сервисы, которыми пользуются люди каждый день: браузеры, почтовые клиенты, мессенджеры, программы для передачи файлов, видеозвонков и многое другое. Любое действие пользователя — открыть сайт, отправить письмо, скачать файл — начинается с прикладного уровня.

Главные задачи прикладного уровня:

• создавать интерфейс между пользовательским приложением и сетью, чтобы программа могла отправлять и получать данные;
• определять формат и правила обмена данными для разных видов информации (например, веб-страницы, электронная почта, файлы);
• управлять сессиями, то есть контролировать начало, поддержку и завершение соединения между приложениями;
• обеспечивать безопасность и шифрование данных при необходимости.

Для обмена информацией на этом уровне используются разные протоколы, включая:

• HTTP — для просмотра веб-страниц;
• HTTPS — защищенная версия HTTP;
• FTP — для передачи файлов;
• SMTP — для отправки электронной почты;
• IMAP и POP3 — для получения почты;
• DNS — для поиска IP-адреса по доменному имени;
• SMTP, XMPP, SIP — для обмена сообщениями и звонков.

Каждый из них отвечает за свой тип передачи данных и реализует определенные правила, чтобы приложения могли понимать друг друга, даже если они запущены на разных устройствах и в разных частях света.

Все, что делает пользователь в интернете, начинается на этом уровне — с формирования запроса, который затем отправляется на обработку по остальным уровням модели TCP/IP.

2. Транспортный уровень 

Транспортный уровень отвечает за то, чтобы данные доходили от одной программы к другой без потерь и ошибок — или, если скорость важнее, с минимальными задержками. Его главная задача — организовать надежную передачу информации между устройствами в сети, независимо от того, как устроены нижележащие уровни и через сколько промежуточных сетей проходят пакеты.

На этом уровне работают два основных протокола:

• TCP (Transmission Control Protocol). Предназначен для надежной передачи данных. Он разбивает большой объем информации на последовательные сегменты, которые по отдельности отправляются по сети. TCP следит за тем, чтобы все сегменты дошли до адресата в правильном порядке, проверяет целостность каждого из них и, если нужно, отправляет повторно утерянные или поврежденные части. Этот протокол также регулирует скорость передачи, чтобы не перегружать сеть.
• UDP (User Datagram Protocol). Обеспечивает быструю передачу данных без дополнительных проверок и повторной отправки. Его используют, когда скорость важнее надежности — например, в стриминге видео или голосовых звонках.

3. Межсетевой уровень 

Межсетевой уровень отвечает за то, чтобы ваши данные смогли найти путь от одного устройства к другому, даже если между ними лежит десятки сетей и множество маршрутизаторов. Основной протокол на этом уровне — IP.

Основные функции сетевого уровня:

• назначение IP-адресов для определения отправителя и получателя;
• выбор оптимального маршрута для передачи пакетов;
• работа с дополнительными протоколами, например, с ICMP (для диагностики и проверки соединений) и ARP (для связи IP-адресов с физическими MAC-адресами).

Благодаря этому уровню данные могут передаваться на большие расстояния через сложные сети — и при этом каждый пакет все равно оказывается там, где должен, несмотря на сложности маршрута.

4. Канальный уровень 

Самый нижний уровень, отвечающий за физическую передачу данных по кабелю, Wi-Fi или другим средствам связи. Здесь данные преобразуются в электрические или радиосигналы, которые передаются на физическое оборудование — маршрутизаторы, коммутаторы и сетевые карты.

На этом этапе информация разбивается на небольшие части — фреймы. Каждый фрейм содержит не только часть данных, но и служебную информацию, в том числе физические адреса устройств, которые учавствуют в обмене — MAC-адреса.

Канальный уровень выполняет несколько важных задач:

• формирует данные в фреймы для передачи по сети;
• добавляет MAC-адреса отправителя и получателя, чтобы фреймы находили нужные устройства;
• проверяет целостность данных, обнаруживает и исправляет ошибки на физическом уровне.

Если фрейм поврежден, устройство может запросить повторную передачу. Если все в порядке, данные отправляются дальше, на следующий уровень обработки.

Примеры технологий этого уровня: Ethernet для проводных сетей, Wi-Fi для беспроводных, а также Bluetooth для обмена на коротких дистанциях. 

Принцип работы TCP/IP 

Чтобы понять, как работает стек протоколов TCP/IP, проще всего рассмотреть это на бытовом примере — когда вы открываете сайт в браузере:

Запрос к сайту

Вы вводите адрес сайта (например, sweb.ru) в браузере и нажимаете Enter. Браузер первым делом обращается к DNS-серверу, чтобы узнать, какой IP-адрес соответствует введенному имени сайта. Получив IP-адрес, браузер начинает устанавливать соединение с сервером сайта по протоколу HTTP или HTTPS.

Подготовка данных к отправке

Браузер передает данные о соединении на следующий этап. Здесь в игру вступает механизм, который разбивает запрос на небольшие сегменты (пакеты), нумерует их, добавляет контрольные суммы для проверки целостности, а затем начинает передавать их по сети. Система гарантирует, что все пакеты дойдут до адресата, и, если что-то потеряется или придет не по порядку, она восстановит правильную последовательность.

Определение маршрута

Сегменты передаются дальше. Каждый пакет содержит IP-адрес отправителя (вашего компьютера) и адрес получателя (сервера сайта). 

Этот механизм определяет маршрут, по которому пакет должен пройти к цели — даже если для этого ему нужно пройти через несколько промежуточных устройств (маршрутизаторов). В процессе могут использоваться дополнительные сервисы — например, для диагностики или определения физического адреса следующего узла в локальной сети.

Передача по сети

На последнем этапе данные превращаются в фреймы с помощью протоколов передачи по кабелю или по беспроводной сети. Фреймы получают MAC-адреса для передачи по локальной сети и отправляются дальше — либо на домашний маршрутизатор, либо сразу провайдеру. 

Этот этап также отвечает за проверку данных на ошибки передачи и повторную отправку в случае необходимости.

Доставка данных на сервер

Пакеты проходят через множество сетевых устройств и наконец доходят до сервера сайта. Он по тому же принципу разворачивает данные в обратном порядке, собирая пакеты и проверяя их целостность. После этого веб-сервер отправляет ответ (например, код страницы HTML), который по тем же этапам возвращается к вашему браузеру.

Результат

Когда все пакеты с данными доходят до вашего компьютера, браузер собирает их в единый поток, обрабатывает содержимое и показывает вам готовую страницу.

Все это происходит за доли секунды — и именно благодаря этой многоступенчатой системе компьютер понимает, куда и как отправлять каждый байт данных, а сервер на другом конце мира получает запрос без ошибок. Она позволила построить глобальную сеть, в которой миллионы устройств могут обмениваться информацией вне зависимости от того, где они находятся и кто их производитель.

Отличительные особенности TCP/IP

• Независимость от платформы. TCP/IP не зависит от конкретной операционной системы или типа оборудования. Компьютеры на Windows, Linux, macOS и даже устройства с собственными прошивками могут легко взаимодействовать друг с другом в одной сети.
• Масштабируемость. Архитектура TCP/IP подходит как для маленьких домашних сетей, так и для огромных международных инфраструктур. Если требуется добавить новых пользователей или устройства, нет необходимости менять базовые принципы работы сети. 
• Надежность передачи данных. В стеке TCP/IP предусмотрены механизмы контроля ошибок и повторной передачи данных. Даже если часть информации потерялась или повредилась на пути, протоколы гарантируют ее восстановление и доставку в правильном порядке.
• Совместимость. TCP/IP позволяет объединять самые разные сети и устройства — даже если они изначально разрабатывались независимо друг от друга. 
• Стандартизация и открытость. Модель основана на открытых стандартах и общедоступных протоколах, что снижает стоимость внедрения и обслуживания сетей. 
• Гибкость. TCP/IP поддерживает множество протоколов, типов данных и методов маршрутизации, что позволяет адаптировать сеть под любые задачи. 

Ограничения TCP/IP

• Сложность настройки и обслуживания. Гибкость TCP/IP сопровождается сложной архитектурой. Чтобы управлять и оптимизировать сети, нужны определенные знания и значительные ресурсы. В больших организациях настройка маршрутизации, управление адресацией и поддержка связи между множеством устройств могут занимать много времени и требовать работы опытных специалистов.
• Проблемы безопасности. Когда разрабатывали TCP/IP, вопросы защиты информации не стояли так остро. В самом протоколе нет встроенных средств шифрования или аутентификации, поэтому сети на основе TCP/IP подвержены ряду угроз: спуфингу, DDoS-атакам, перехвату данных и другим типам атак. Чтобы защититься, приходится внедрять дополнительные инструменты — использовать брандмауэры, шифрование, системы обнаружения вторжений и прочие современные решения.
• Неэффективность в ряде случаев. Архитектура TCP/IP не всегда обеспечивает оптимальное использование сетевых ресурсов. Например, если каждый пакет содержит служебную информацию, это увеличивает объем пересылаемых данных и снижает общую скорость передачи. Кроме того, выбор маршрута для пакетов не всегда учитывает реальную нагрузку на сеть, из-за чего могут возникать задержки и перегрузки.

Современные компании компенсируют эти ограничения, внедряя дополнительные технологии: используют VPN, системы обнаружения вторжений, регулярно мониторят состояние сети и применяют продвинутые методы защиты. 

Чем отличается OSI от TCP/IP

Модель OSI и TCP/IP — это два разных подхода к описанию того, как устроена работа сетей и передача данных. Обе модели разбивают процесс на слои, но их структура, сферы применения и практическая значимость заметно отличаются.

OSI была разработана как теоретический эталон для изучения и проектирования сетей. Она состоит из семи четко разделенных уровней, где каждый уровень отвечает за определенную задачу. На практике OSI редко реализуется полностью, но ее структура помогает понять, как работают разные части сетевой системы и где возникают проблемы.

TCP/IP — это практический набор протоколов, который лежит в основе интернета и большинства сетей. Эта модель проще (в ней четыре уровня), и она ориентирована на решение конкретных задач передачи данных между устройствами. В отличие от OSI, TCP/IP возникла не как теоретическая концепция, а как рабочий инструмент для организации обмена информацией между компьютерами.

В итоге, OSI удобна для понимания принципов работы сетей и проектирования новых решений, а TCP/IP — это повседневная основа обмена данными в современных компьютерных сетях.

Для чего TCP/IP нужен бизнесу

Протоколы TCP/IP лежат в основе работы большинства современных бизнес-сервисов. Компании используют TCP/IP для:

• организации защищенных удаленных подключений через VPN;
• фильтрации и защиты трафика с помощью корпоративных межсетевых экранов;
• мониторинга состояния устройств и сетей с помощью протоколов управления (например, SNMP и ICMP);
• передачи электронной почты, обмена файлами, видеоконференций и других бизнес-коммуникаций.

Таким образом, TCP/IP позволяет выстроить инфраструктуру, которая подстраивается под задачи бизнеса и помогает компаниям эффективно работать как внутри коллектива, так и с внешними партнерами.

Выводы

• Стек TCP/IP лежит в основе большинства сетей и обеспечивает обмен данными между устройствами вне зависимости от их типа и операционной системы.
• Модель TCP/IP состоит из четырех уровней: канального, межсетевого, транспортного и прикладного. 
• Среди главных достоинств TCP/IP — масштабируемость, независимость от платформы, надежность и совместимость с разными технологиями.
• У этой модели есть и недостатки: сложность настройки крупных сетей, отсутствие встроенных средств безопасности и определенные потери эффективности при передаче данных.
• Несмотря на конкурирующие подходы и теоретические модели, именно TCP/IP стал стандартом для реального обмена информацией и лежит в основе интернета.
• Понимание принципов работы стека TCP/IP помогает не только администраторам и разработчикам, но и всем, кто хочет разбираться в том, как устроены современные цифровые коммуникации.