Сборка физических частей компьютерной сети сама по себе недостаточна для ее функционирования; подключенные устройства также требуют метода связи. Эти языки общения называются сетевыми протоколами .
Назначение сетевых протоколов
Без протоколов у устройств не было бы возможности понимать электронные сигналы, которые они посылают друг другу по сетевым соединениям. Сетевые протоколы выполняют следующие основные функции:
- Адрес данных для правильных получателей.
- Физически передавать данные из источника в пункт назначения с защитой при необходимости.
- Получать сообщения и отправлять ответы соответствующим образом.
Рассмотрим сравнение сетевых протоколов с тем, как почтовый сервис обрабатывает физическую бумажную почту. Так же, как почтовая служба управляет письмами из многих источников и получателей, сетевые протоколы обеспечивают непрерывную передачу данных по многим каналам.
В отличие от физической почты, сетевые протоколы предоставляют расширенные возможности, такие как доставка постоянного потока сообщений в один пункт назначения (так называемая потоковая передача ) и автоматическое создание копий сообщения и его доставка сразу нескольким получателям (так называемая широковещательная рассылка).
Распространенные типы сетевых протоколов
Не существует единого протокола, который бы поддерживал все функции, которые нужны каждой компьютерной сети Тем не менее каждый из них служит ключом, который разблокирует данное сетевое устройство или службу. За последние годы были изобретены различные сетевые протоколы, каждый из которых пытается поддерживать определенные типы сетевых коммуникаций.
Три основные характеристики, которые отличают один тип протокола от другого:
- Симплекс против дуплекса . Симплексное соединение позволяет передавать по сети только одному устройству. Дуплексные сетевые подключения позволяют устройствам передавать и принимать данные по одному и тому же физическому каналу.
- Ориентированный на соединение или не имеющий соединения : ориентированный на соединение сетевой протокол обменивается (процесс, называемый квитированием) адресной информацией между двумя устройствами, которые позволяют им вести разговор (называемый сеансом). Протоколы без установления соединения доставляют отдельные сообщения из одной точки в другую, не обращая внимания на аналогичные сообщения, отправленные до или после (и не зная, были ли сообщения успешно получены).
- Уровень : сетевые протоколы обычно работают вместе в группах (так называемые стеки, потому что диаграммы часто изображают протоколы в виде блоков, расположенных друг над другом) Некоторые протоколы функционируют на нижних уровнях, тесно связанных с тем, как физически работают различные типы беспроводных или сетевых кабелей . Другие работают на более высоких уровнях, связанных с работой сетевых приложений, а некоторые работают на промежуточных уровнях между ними.
Семейство интернет-протоколов
Общие сетевые протоколы в публичном использовании принадлежат к семейству интернет-протоколов . IP является основным протоколом, который позволяет домашним и другим локальным сетям через Интернет связываться друг с другом.
IP хорошо работает для перемещения отдельных сообщений из одной сети в другую. Он не поддерживает концепцию разговора (соединение, по которому поток сообщений может перемещаться в одном или обоих направлениях). Протокол управления передачей (TCP) расширяет IP с этим более высокой пропускной способностью слоя. Поскольку двухточечные соединения необходимы в Интернете, эти два протокола соединены вместе и известны как TCP / IP.
Как TCP, так и IP работают на средних уровнях стека сетевых протоколов. Популярные приложения в Интернете иногда реализуют свои протоколы поверх TCP / IP. Протокол передачи гипертекста используется веб-браузерами и серверами по всему миру. TCP / IP, в свою очередь, работает поверх сетевых технологий более низкого уровня, таких как Ethernet . Другие популярные сетевые протоколы в семействе IP включают в себя ARP , ICMP и FTP .
Как сетевые протоколы используют пакеты
Интернет и большинство других сетей передачи данных работают путем организации данных в небольшие части, называемые пакетами. Для повышения производительности и надежности связи каждое крупное сообщение, отправляемое между двумя сетевыми устройствами, часто подразделяется на более мелкие пакеты базовым аппаратным и программным обеспечением. Эти сети с коммутацией пакетов требуют, чтобы пакеты были организованы определенным образом в соответствии с протоколами, которые поддерживает сеть. Этот подход хорошо работает с технологией современных сетей, так как все они обрабатывают данные в форме битов и байтов (цифровые 1 и 0).
Каждый сетевой протокол определяет правила организации пакетов данных. Поскольку такие протоколы, как Интернет-протокол, часто работают вместе по уровням, некоторые данные, встроенные в пакет, отформатированный для одного протокола, могут быть в формате некоторого другого связанного протокола (метод, называемый инкапсуляцией).
Протоколы обычно делят каждый пакет на три части — заголовок, полезную нагрузку и нижний колонтитул. Некоторые протоколы, такие как IP, не используют нижние колонтитулы. Верхние и нижние колонтитулы пакета содержат контекстную информацию, необходимую для поддержки сети, включая адреса отправляющего и принимающего устройств. Полезные данные содержат данные для передачи.
Заголовки или нижние колонтитулы часто содержат специальные данные для повышения надежности и производительности сетевых подключений, такие как счетчики, которые отслеживают порядок отправки сообщений, и контрольные суммы, которые помогают сетевым приложениям обнаруживать повреждение или подделку данных.
Как сетевые устройства используют протоколы
Операционные системы сетевых устройств включают встроенную поддержку некоторых сетевых протоколов более низкого уровня. Например, все современные операционные системы для настольных компьютеров поддерживают Ethernet и TCP / IP. Многие смартфоны поддерживают Bluetooth и протоколы семейства Wi-Fi. Эти протоколы подключаются к физическим сетевым интерфейсам устройства, таким как его порты Ethernet и радиомодули Wi-Fi или Bluetooth.
Сетевые приложения поддерживают протоколы более высокого уровня, которые взаимодействуют с операционной системой. Например, веб-браузер преобразует адреса, подобные http://lifewire.com/, в HTTP-пакеты, содержащие данные, которые веб-сервер может получить, и отправляет обратно правильную страницу. Принимающее устройство отвечает за повторную сборку отдельных пакетов в исходное сообщение путем удаления заголовков и нижних колонтитулов и объединения пакетов в правильной последовательности.