Protokoły warstwy 2: Podstawy i funkcje

Protokoły warstwy pośredniej zajmują kluczową pozycję w technologiach sieciowych, umożliwiając komunikację i interakcję między urządzeniami sieciowymi i aplikacjami. Działają one jako pośrednik między niskopoziomowymi protokołami warstwy fizycznej i warstwy łącza danych odpowiedzialnymi za transmisję danych a wysokopoziomowymi protokołami aplikacji, które zapewniają określone usługi użytkownikom. Protokoły warstwy pośredniej, takie jak ARP, PPP, IP, DHCP, STP, ICMP i UDP, zapewniają funkcje takie jak adresowanie, routing, nawiązywanie połączeń i kontrola błędów, umożliwiając wydajne działanie nowoczesnych sieci.

ARP (Address Resolution Protocol)

Protokół ARP dla sieci IPv4 jest jednym z podstawowych protokołów Internetu i sieci lokalnych. Protokół ten działa również w połączeniu z protokołem IP w celu mapowania adresów IP na adresy sprzętowe używane w protokole transmisji danych. Te adresy sprzętowe nazywane są adresami MAC. Adresy te służą jako kod identyfikacyjny dla każdego interfejsu sieciowego urządzenia. ARP działa w połowie drogi między warstwą sieciową a warstwą dostępu do medium (jeśli weźmiemy pod uwagę model TCP/IP). Protokół ten jest używany podczas korzystania z protokołu IP w sieci Ethernet.

Protokół ten jest potrzebny, gdy

• Dwa komputery znajdują się w tej samej podsieci i chcą wymieniać ruch;
• Dwa komputery znajdują się w różnych podsieciach i muszą znaleźć router, który zapewni im dostęp do drugiej sieci za pomocą routingu;
• Jest również absolutnie niezbędny, gdy router musi wysłać pakiet do innego routera w celu wymiany ruchu lub tras, a nawet gdy router musi wysłać pakiet do komputera w tej samej podsieci.

 Oprócz protokołu ARP istnieją również protokoły Reverse ARP (RARP) i Inverse ARP (InARP). Oba protokoły są odmianami protokołu ARP i są używane do uzyskania adresu IP na podstawie adresu MAC w pewnych okolicznościach.

PPP

Protokół PPP jest podstawowym elementem komunikacji, zwłaszcza w warstwie dostępu do medium. Zaprojektowany do nawiązywania połączeń, PPP jest bardzo powszechnie używany w konfiguracjach sieciowych. Główną zaletą PPP jest jego zdolność do zapewnienia wydajnej i bezpiecznej komunikacji między dwoma urządzeniami. Protokół ten jest używany w połączeniach dial-up, w których jedno urządzenie ustanawia bezpośrednie połączenie z drugim za pośrednictwem linii telefonicznej. PPP zapewnia niezawodną i stabilną transmisję danych poprzez takie aspekty jak uwierzytelnianie, kompresja danych i obsługa błędów. Oprócz zastosowania w połączeniach dial-up, PPP jest również używany w połączeniach szeregowych, co czyni go bardzo interesującą opcją dla większych i bardziej złożonych sieci. W takich przypadkach PPP zapewnia transmisję danych przez połączenia punkt-punkt, gwarantując integralność i niezawodność komunikacji. Z drugiej strony, ważną cechą tego protokołu jest jego zdolność do obsługi wielu protokołów sieciowych, co czyni go bardzo elastycznym. Może on hermetyzować różne protokoły sieciowe, w tym TCP/IP, IPv6 i IPX.

Protokół internetowy (IP)

Protokoły internetowe to zestaw reguł określających sposób przesyłania danych w sieci. Protokół IP jest standardem, który zawiera specyfikacje dotyczące sposobu działania podłączonych urządzeń w Internecie. Z kilku powodów: Adresowanie i routing. Adresowanie to gwarancja, że każde urządzenie podłączone do danej sieci ma unikalny adres IP. Identyfikuje on źródło i miejsce docelowe przesyłanych danych. Z drugiej strony, routing określa ścieżkę, którą powinien podążać ruch na podstawie adresu IP. Zadanie routingu jest wykonywane przez routery, nie tylko te, które mamy w domu, ale także routery operatorów telekomunikacyjnych. Z kolei kilka protokołów współdziała z IP w celu zapewnienia komunikacji w dowolnej sieci. W ramach tego protokołu możemy znaleźć dwie wersje. Pierwszą z nich jest IPv4. Jest to de facto pierwsza oficjalna wersja protokołu.

Ale teraz mamy nowy protokół o nazwie IPv6. W nim możemy teraz liczyć na przestrzeń adresową 128 bitów. Można to przetłumaczyć na 340 sekstylionów adresów. Jednym z problemów pojawiających się między tymi dwiema wersjami jest to, że są one ze sobą niekompatybilne. Podczas gdy adresy IPv4 składają się z czterech grup o maksymalnej wartości 255 w każdym bloku, wersja IPv6 składa się z ośmiu grup po cztery cyfry szesnastkowe. IPv4 jest obecnie bardziej powszechny, ponieważ tylko kilka agencji rządowych w pełni wdrożyło IPv6.

Protokół dynamicznej konfiguracji hosta (DHCP)

Protokół ten działa w sieciach IP, a jego główną funkcją jest przypisywanie adresów IP urządzeniom i różnym hostom podłączonym do tej samej sieci, umożliwiając bardziej wydajną komunikację między nimi. Oprócz tego protokół DHCP jest również odpowiedzialny za przypisywanie maski podsieci, adresu IP bramy domyślnej, adresu serwera DNS i niektórych innych parametrów związanych z ich konfiguracją. Na przykład maszyna kliencka wysyła wiadomości lub pakiety wykrywania przez sieć do swojego serwera DHCP, a serwer DHCP wysyła żądanie odpowiedzi, potwierdzając żądanie klienta i przypisując niezbędne parametry.

Protokół drzewa rozpinającego (STP)

Jest to bardzo interesujący protokół, ponieważ jego główną funkcją jest unikanie pętli w sieciach LAN. Eliminuje nadmiarowe łącza i obsługuje zmiany i awarie sieci. Należy zauważyć, jak szkodliwe są takie pętle dla sieci, ponieważ mogą powodować nieskończoną propagację pakietów danych, co prowadzi do zatorów i zmniejsza ogólną wydajność sieci. Właśnie dlatego protokół ten odgrywa kluczową rolę. Protokół STP monitoruje wszystkie łącza w sieci, aby znaleźć wszelkie problemy, które mogły wystąpić lub nadmiarowe łącza, które mogą istnieć. Robi to poprzez zastosowanie algorytmu STA, który tworzy topologię opartą na bieżącej sieci i eliminuje nadmiarowe łącza.

Protokół ten wykorzystuje komunikaty konfiguracyjne, takie jak ramki protokołu, ponieważ zazwyczaj urządzenia w sieci akceptują lub zezwalają na komunikaty STP, a tym samym tworzą drzewo rozpinające, które nie ma nadmiarowych łączy. Proces tego protokołu składa się z czterech kroków. Pierwszym krokiem jest wybranie mostu głównego, a następnie wybranie portu. Po zakończeniu tego kroku, następnym krokiem jest wybranie przypisanego portu, a na koniec zablokowanie innych portów, czyli tych, które nie są rootem lub nie są przypisane. Z drugiej strony należy zauważyć, że istnieje wiele wariantów tego protokołu, takich jak Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP).

Internet Control Message Protocol (ICMP)

Protokół ten obsługuje proces kontroli błędów. Wynika to z faktu, że domyślny protokół IP nie ma ogólnie mechanizmu obsługi błędów. ICMP jest używany do komunikatów o błędach i żądań kontroli. Jest to protokół używany przez urządzenia takie jak routery do wysyłania komunikatów o błędach i informacji związanych z operacjami. Może na przykład informować, że żądana usługa jest niedostępna lub że nie można skontaktować się z hostem lub routerem. Protokół ten znajduje się tuż nad protokołem IP w warstwie protokołu TCP/IP. Protokół ICMPv6 dla sieci IPv6 również istnieje i ma o wiele więcej funkcji niż protokół ICMP dla sieci IPv4.

Protokół UDP (User Datagram Protocol)

W przeciwieństwie do TCP, UDP nie jest tak niezawodny. Nie ma on możliwości sprawdzania błędów lub poprawek podczas transmisji danych. Istnieją jednak pewne aplikacje, w których bardziej odpowiednie jest użycie UDP zamiast TCP. Przykładem może być sesja gier online, gdzie UDP pozwala na odrzucanie pakietów danych bez możliwości ponowienia próby. Wadą tego protokołu jest to, że nie jest on zalecany do transmisji danych. Ponieważ w przypadku utraty wielu pakietów podczas transmisji danych, plik zostaje uszkodzony, a wyższe warstwy (warstwa aplikacji) muszą zażądać ponownego wysłania datagramu. Uszkodzony plik nie może być wykorzystany do celu, dla którego został wysłany. Podobnie, w przypadku scenariusza gier online lub sesji przesyłania strumieniowego wideo, protokół UDP jest zalecany, ponieważ jest szybszy, ponieważ nie musi wykonywać typowego uzgadniania.

Ponadto należy zauważyć, że protokół ten jest używany głównie w aplikacjach do przesyłania strumieniowego w czasie rzeczywistym. Na przykład połączenia wideo, gry online lub VoIP wykorzystują UDP ze względu na jego zdolność do dostarczania pakietów danych z większą prędkością. W tych zastosowaniach szybkość ma krytyczne znaczenie, a niewielka utrata danych jest mniej ważna niż opóźniona lub powolna transmisja.