Сетевые протоколы: базовые понятия и описание самых востребованных правил

В мире существует более 7 000 протоколов, и их число продолжает расти. Рассказываем о самых часто используемых правилах взаимодействия устройств в сети.

Понятие протокола сети

Сетевой протокол — это набор правил, определяющий принципы взаимодействия устройств в сети. Чтобы отправка и получение информации прошли успешно, все устройства-участники процесса должны принимать условия протокола и следовать им. В сети их поддержка встраивается или в аппаратную часть (в «железо»), или в программную часть (в код системы),  или и туда, и туда. 

Для взаимодействия протоколов между собой существует модель OSI, или Open Systems Interconnection. Дословно название переводится как «взаимодействие открытых систем».

OSI — эталонная модель взаимодействия устройств в сети 

Модель OSI — это модель, позволяющая разным системам связи коммуницировать между собой по общепринятым стандартам. Ее можно сравнить с английским, то есть глобальным, универсальным языком в мире сетей.

Модель основана на принципе разделения коммуникационной системы на семь отдельных уровней. Подробнее о ней вы можете прочитать в статье «Простое пособие по сетевой модели OSI для начинающих».

Если в передачи информации случаются сбои, модель помогает быстрее и легче локализовать проблему на конкретном уровне и значительно ускорить процесс восстановления работоспособности системы. 

Модель OSI является эталонным стандартом, но на данный момент она устарела, поскольку современные протоколы работают сразу на нескольких уровнях модели OSI. На смену модели OSI пришла модель TCP/IP, на основе которой работает большая часть устройств  в современном мире.

TCP/IP — модель, на которой работает сеть Интернет

Модель TCP/IP помогает понять принцип работы и взаимодействия узлов в сети Интернет. Ее название включает в себя два основных протокола, на которых построен интернет. TCP/IP расшифровывается как Transmission Control Protocol/Internet Protocol, или протокол управления передачей (данных)/интернет-протокол. 

Модель используется во всем современном интернете, новые сетевые протоколы разрабатываются с опорой на модель TCP/IP. Например, подключаясь к сайту Selectel, вы используете протоколы IP, TCP и HTTPS, которые работают в рамках упомянутой модели. 

Подробнее о модели TCP/IP можно прочитать в блоге. 

Далее мы рассмотрим основные протоколы межсетевого, транспортного уровней, а также уровня приложений. Именно с ними мы сталкиваемся чаще всего, анализируя какие-либо проблемы в сети или на сервере.

Протоколы транспортного уровня: краткое описание

Интернет-протокол и IP-адреса

Internet Protocol (IP) — это наиболее простой протокол, объединивший отдельные компьютеры в глобальную сеть. Главной его задачей является маршрутизация дейтаграмм — определение маршрута следования пакетов по узлам сети. Каждое устройство — ваш ПК, принтер и т.д. — имеет IP-адрес, чтобы данные попадали к нужному адресату. Так, например, отправленный на печать файл не окажется вместо принтера в личном ПК вашего коллеги.

В качестве минусов протокола можно отметить низкую надежность. Он не определяет факт передачи пакета и не контролирует целостность данных. IP просто осуществляет пересылку.

Для пересылки пакетов необходимо определить, на какой порт отправить пакет. Для этого протокол имеет свою систему адресации. В качестве адресов выступает 32-битные (IPv4) или 128-битные (IPv6) адреса. Перед отправкой пакета в него добавляются header (заголовок) и payload (данные для доставки).

IPv4 является 32-разрядной системой, состоящей из четырех разделов (123.123.123.123). Он поддерживает до 4 294 967 296 адресов и является протоколом по умолчанию. Основным его преимуществом является простота. В недостатках — ограниченное адресное пространство, также называемое «исчерпанием адресов». 

IPv6, напротив, — 128-битное адресное пространство, которое обеспечивает приблизительно 2^128 степени адресов. Формат записи состоит из восьми разделов, в каждый из которых записывается четыре 16-ричных цифры. Недостаток протокола — в сложности сетевого администрирования. При аренде сервера или виртуальной машины в Selectel выдается IPv4, однако можно запросить и IPv6-адреса, в облаке на базе VMware выдаются только IPv4-адреса.

Один из основных протоколов, который работает поверх IP, — это протокол TCP, из-за чего его часто обозначают как TCP/IP. Но это не единственный протокол, который является частью интернет-протокола.

TCP — протокол обмена сообщениями в сети Интернет

TCP помогает устройствам в сети обмениваться сообщениями. Он работает на четвертом, транспортном, уровне модели OSI. 

Для передачи информации происходит дробление исходного файла на части, которые передаются получателю, а далее собираются обратно. Например, человек запрашивает веб-страницу, далее сервер обрабатывает запрос и высылает в ответ HTML-страницу при помощи протокола HTTP. Он, в свою очередь, запрашивает уровень TCP для установки требуемого соединения и отправки HTML-файла. TCP конвертирует данные в блоки, передавая их на уровень TCP пользователя, где происходит подтверждение передачи. 

Свойства протокола TCP:

1. Система нумерации сегментов (Segment Numbering System). TCP отслеживает передаваемые или принимаемые сегменты, присваивая номера каждому из них. Байтам данных, которые должны быть переданы, присваивается определенный номер байта, в то время как сегментам присваиваются порядковые номера.
2. Управление потоком. Эта функция ограничивает скорость, с которой отправитель передает данные. Это делается для обеспечения надежности доставки. Получатель постоянно сообщает отправителю о том, какой объем данных может быть получен.
3. Контроль ошибок. Данная функция реализуется для повышения надежности путем проверки байтов на целостность.
4. Порт источника и порт назначения. Протокол TCP использует специальные порты для связи  различных протоколов. Например протокол SSH использует 22й порт, HTTP — 80, HTTPS — 443, Gopher — 70. Все порты делятся на три диапазона — общеизвестные (0—1023), зарегистрированные (1024—49151) и динамические (49152—65535).

UDP — аналог TCP: описание отличий в поведении протокола в сети

В отличие от протокола ТСР User Datagram Protocol обеспечивает передачу данных без получения подтверждения от пользователя о результате действия. Благодаря этому достигается большая скорость работы и передачи данных в ущерб надежности и безопасности. 

Особенности протокола диктуют специфику его применения. Так, он подходит для приложений, например, Skype, Discord и другие, которые работают в реальном времени и где задержка передачи данных может быть проблемой. Также его предпочтительно использовать в приложениях с большим количеством подключенных клиентов — например, в играх, голосовых или видеоконференциях, а также при потоковой передаче мультимедиа.

UDP работает путем сбора данных в UDP-пакете и добавления в пакет собственной информации заголовка. Заголовок UDP включает четыре поля, объем которых составляет 2 байта каждый: номер порта источника, номер порта назначения, длина заголовка и контрольная сумма блока.

Протокол UDP любят злоумышленники при организации DDOS — или DOS-атак. Из-за того, что данный протокол не требует подтверждения от сервера, открывается возможность просто «залить» сервер запросами. Стандартная атака подразумевает отправку большого количества дейтаграмм. Это заставляет сервер отвечать на каждый из них, расходуя вычислительные мощности.

SCTP — протокол передачи управления потоком

Еще один протокол, который относится к транспортному уровню. SCTP обеспечивает надежную последовательную передачу данных. Поддерживает многоадресное соединение, когда один или оба конечных узла могут состоять из более чем одного IP-адреса. Это обеспечивает прозрачное переключение между резервными сетевыми путями.

SCTP аналогичен протоколам UDP и TCP, которые обеспечивают функции транспортного уровня для некоторых интернет-приложений. Так как преимущество протокола SCTP — в быстром переключении между интерфейсами, на него переходят только компании,  для которых критична недоступность приложений. SCTP работает поверх бесконтактной пакетной сети, такой как IP, и поддерживает передачу данных в случаях с одним или несколькими IP. 

RTP — транспортный протокол реального времени

Real-time Transfer Protocol — это протокол, который используется при передаче потокового аудио и видео и применяется при передаче голоса преимущественно в IP-телефонии. RTP применяется в совокупности с протоколом управления RTCP. Когда RTP транслирует медиа, RTCP применяется при анализе статистик QoS (Quality of Service) и обеспечивает синхронизацию разных потоков. RTP отправляется и принимается с помощью четных номеров портов, а RTCP использует нечетные номера.

Также протокол считают главным стандартом, применяемым при передаче аудио и видео по IP-сети. Поскольку RTP может осуществлять ее нескольким конечным адресатам одновременно при помощи многоадресной IP-рассылки.

Протоколы межсетевого уровня: краткое описание

ICMP — протокол управляющих сообщений в сети

Задача протокола — диагностика проблем при взаимодействии устройств. Он определяет, достигли ли данные места назначения или нет. 

Основная цель ICMP — сообщать об ошибках. Если какие-либо данные не попали по назначению, ICMP генерирует ошибки для обмена с отправляющим устройством. Например, если объем передаваемых данных слишком велик для маршрутизатора, маршрутизатор отбросит пакет и отправит ICMP-сообщение исходному источнику данных. 

Как и в случае UDP, протокол ICMP можно использовать для сетевых атак, таких как ICMP flood и ping of death, где главный прием — генерация большого количества ICMP-сообщений.

OSPF — протокол маршрутизации состояния канала сети

Open Shortest Path First используется для поиска наилучшего пути между исходным и конечным маршрутизатором. Работает на межсетевом уровне модели OSI.

После настройки OSPF будет анализировать соседние маршрутизаторы и собирать все доступные данные о состоянии канала для построения топологической карты всех доступных путей в своей сети. Затем он сохранит информацию в своей базе данных топологии, также известной как База данных состояния канала (LSDB). 

На основе собранной информации он вычислит наилучший кратчайший путь к каждой доступной подсети/сети, используя алгоритм под названием Shortest Path First (SFP).

Протоколы прикладного уровня: краткое описание

FTP — протокол передачи данных в сети

Описание работы протокола в сети Интернет

Пользователю нужно войти на FTP-сервер. Здесь нужно учитывать, что некоторые серверы разрешают доступ к части или всем своим данным без авторизации. Это называется «анонимным FTP». При этом файлы с сервера можно будет только передавать на компьютер клиента. 

Далее клиент начинает диалог с сервером — запрашивает разрешение на изменение файлов на сервере. Использую авторизованный FTP-клиент, можно скачивать файлы с сервера, отгружать их на него и выполнять другие манипуляции. 

FTP-сессии работают в двух режимах — активном и пассивном: 

• При активном режиме сервер после инициализации, путем вызова командного канала, открывает транспортный канал и начинает передачу данных. 
• При пассивном режиме сервер при помощи командного канала отправляет клиенту данные, требующиеся для открытия канала передачи данных. 

Из-за того, что клиент создает все подключения в пассивном режиме, этот протокол хорошо подходит для работы с брандмауэрами.

DNS — справочник сети Интернет

Браузеры взаимодействуют между собой через IP-адреса. Люди, пытаясь подключиться к сайту, используют его доменное имя — например, https://selectel.ru/. Domain Name System преобразует домены в IP-адреса, чтобы сделать возможной загрузку интернет-ресурса через браузер. Каждому устройству в сети назначается свой IP-адрес, который используется другими устройствами для подключения к нему, а DNS-сервер позволяет людям не запоминать их.

На данный момент существуют четыре основных DNS-сервера, которые участвуют в загрузке веб-страниц:

• DNS recursor — своеобразный справочник, отвечающий за прием запросов от компьютеров пользователей, например, приложений браузеров;
• Root nameserver, или корневой сервер, является первым в процессе конвертации имени хоста в IP-адрес и позволяет получить список DNS-серверов.
• TLD nameserver — следующий шаг при поиске IP; хранит информацию про все доменные имена с общим расширением (.ru, .com и т.д.);
• Authoritative nameserver дает окончательные ответы на запросы о DNS.

HTTP(S) — протокол передачи гипертекста

• версию HTTP,
• URL-адрес,
• метод HTTP-запроса — указание на ожидание запроса от сервера (например, PUT- и GET-запросы),
• заголовок — он передает основную информацию о запросе и содержит пары ключ-значение,
• тело запроса (опционально, это любая отправляющаяся информация).

После получения запроса сервер должен дать ответ. В его стандартную структуру входят: код состояния, заголовок и тело ответа.

Код состояния HTTP-запроса — это трехзначные коды, которые, как правило, указывают на успешность его выполнения. Они разбиваются на пять основных блоков:

• 1xx* Информация (Informational),
• 2хх Успешность выполнения (Success),
• 3хх Перенаправление (Redirection),
• 4xx Ошибка клиента (Client Error),
• 5xx Ошибка сервера (Server Error),

*ХХ обозначают цифры от 00 до 99.

Аналогично запросу, ответ имеет заголовок, который содержит различную информацию — например, язык отправляемых данных. В большинстве случаев там содержатся HTML-данные, которые веб-браузер клиента преобразует в страницу.

При разговоре про HTTP нельзя не упомянуть важный аспект — незащищенность протокола. При передаче данных все происходит открыто, в результате чего злоумышленник может перехватить данные. Для исключения этой проблемы был разработан протокол HTTPS. Подробное сравнение этих протоколов есть в нашем блоге.

SSH — основное средство подключения к серверам

SSH, или Secure Shell, — это защищенный протокол, который используется как основное средство подключения к серверам. С помощью него при подключении к серверу пользователь входит в уже существующую учетную запись, где выполняются все отправленные команды. 

Данное соединение реализовано по схеме «клиент-сервер». Для его создания на удаленном устройстве должна быть запущена программа, называемая демоном. Демон выполняет подключение к определенному сетевому порту, проверяет подлинность запросов на подключение и создает соответствующую среду, если пользователь вводит правильные учетные данные. Также со стороны клиента должно быть установлено соответствующее ПО.

В панели управления Selectel пользователь может загрузить собственный SSH-ключ для повышения надежности и безопасности подключения или сгенерировать его на месте. Подробнее — в документации Selectel.

Устаревшие протоколы: Telnet, Gopher, FTP

На сегодняшний день существует более 7 000 тысяч различных протоколов. Сеть постоянно развивается, поэтому некоторые протоколы устаревают — например, Gopher, FTP, Telnet. Последний рассмотрим подробнее.

Telnet — это старый, но очень надежный протокол связи. Первоначально он был разработан как символьно-ориентированный протокол эмуляции терминала, используемый в среде UNIX. Сегодня Telnet широко используется для системного администрирования маршрутизаторов, коммутаторов и удаленных серверов, а также для базовой текстовой связи, в которой графика не требуется. 

Заключение

В данной статье мы рассмотрели популярные протоколы взаимодействия устройств и программ в сети. В реальной жизни на одном только вашем ПК используются сотни протоколов, поскольку каждый выполняет определенные задачи. Узнать о задачах и принципах работы протокола можно в специальном документе, который называется RFC-стандартом.