Протоколы второго уровня: Основы и функции

Протоколы среднего уровня занимают ключевую позицию в сетевых технологиях, обеспечивая связь и взаимодействие между сетевыми устройствами и приложениями. Они играют роль посредника между низкоуровневыми протоколами физического и канального уровней, отвечающими за передачу данных, и высокоуровневыми прикладными протоколами, которые предоставляют конкретные сервисы пользователям. Среднеуровневые протоколы, такие как ARP, PPP, IP, DHCP, STP, ICMP и UDP, обеспечивают такие функции, как адресация, маршрутизация, установление соединений и контроль ошибок, делая возможным эффективное функционирование современных сетей.

ARP (протокол разрешения адресов)

Протокол ARP для сетей IPv4 является одним из основополагающих протоколов Интернета и локальных вычислительных сетей. Этот протокол также работает совместно с протоколом IP для сопоставления IP-адресов с аппаратными адресами, используемыми в протоколе передачи данных. Эти аппаратные адреса называются MAC-адресами. Эти адреса служат идентификационным кодом для каждого из сетевых интерфейсов устройств. ARP работает посередине между сетевым уровнем и уровнем доступа к среде (если рассматривать модель TCP/IP). Этот протокол применяется при использовании протокола IP через Ethernet.

Этот протокол необходим, когда:

• Два компьютера находятся в одной подсети и хотят обмениваться трафиком;
• Два компьютера находятся в разных подсетях, и им необходимо найти маршрутизатор, который предоставит им доступ к другой сети с помощью маршрутизации;
• Он также абсолютно необходим, когда маршрутизатору нужно отправить пакет другому маршрутизатору для обмена трафиком или маршрутами, и даже когда маршрутизатору нужно отправить пакет на компьютер в той же подсети.

Чтобы определить местоположение компьютера в сети, пакет, называемый ARP Request, отправляется на широковещательный адрес, который является MAC-адресом, так что все компьютеры получают это сообщение и начинают отвечать ARP Reply, указывая частный или публичный IP-адрес, который они настроили. В дополнение к протоколу ARP существует также протокол RARP (Reverse ARP) и Inverse ARP (InARP). Оба протокола являются разновидностями протокола ARP и служат для получения IP на основе MAC-адреса в определенных обстоятельствах.

PPP

Протокол PPP - это фундаментальный строительный блок в области коммуникаций, особенно на уровне доступа к среде. Предназначенный для установления соединений, PPP очень часто используется в сетевых конфигурациях. Основная польза PPP заключается в его способности обеспечить эффективную и безопасную связь между двумя устройствами. Этот протокол используется в коммутируемых соединениях, когда одно устройство устанавливает прямое соединение с другим по телефонной линии. PPP обеспечивает надежную и стабильную передачу данных за счет таких аспектов, как аутентификация, сжатие данных и обработка ошибок. Помимо применения в коммутируемых соединениях, PPP также используется в последовательных каналах, что делает его очень интересным вариантом для больших и более сложных сетей. В этих случаях PPP обеспечивает передачу данных по соединениям "точка-точка", гарантируя целостность и надежность связи. С другой стороны, важной особенностью этого протокола является его способность поддерживать множество сетевых протоколов, что делает его очень гибким. Он может инкапсулировать различные сетевые протоколы, включая TCP/IP, IPv6 и IPX.

Протокол Интернета (IP)

Протоколы Интернета — это набор правил, которые определяют, как передавать данные по сети. Протокол IP - это стандарт, содержащий спецификации того, как должны работать подключенные устройства в Интернете. По нескольким причинам: Адресация и маршрутизация. Адресация — это гарантия того, что любое устройство, подключенное к данной сети, имеет уникальный IP-адрес. Это позволяет определить источник и пункт назначения передаваемых данных. С другой стороны, маршрутизация определяет путь, по которому должен двигаться трафик, на основе IP-адреса. Задачу маршрутизации выполняют маршрутизаторы, причем не только те, что стоят у нас дома, но и маршрутизаторы операторов связи. В свою очередь, с IP взаимодействуют несколько протоколов, обеспечивающих связь в любой сети. В рамках этого протокола мы можем найти две версии. Первая - IPv4. Де-факто это первая официальная версия протокола.

Но теперь у нас есть новый протокол, который называется IPv6. В нем мы теперь можем рассчитывать на адресное пространство в 128 бит. Это можно перевести в 340 секстиллионов адресов. Одна из проблем, которая возникает между этими двумя версиями, заключается в том, что они несовместимы друг с другом. В то время как адреса IPv4 состоят из четырех групп с максимальным значением 255 в каждом блоке, версия IPv6 состоит из восьми групп по четыре шестнадцатеричных цифры. На данный момент более распространено использование IPv4, так как лишь несколько государственных учреждений полностью внедрили IPv6.

Протокол динамической конфигурации хоста (DHCP)

Этот протокол работает в IP-сетях, его основной функцией является назначение IP-адресов устройствам и различным хостам, подключенным в одной сети, что позволяет осуществлять связь между ними более эффективно. Помимо этого, протокол DHCP также отвечает за назначение маски подсети, IP-адреса основного шлюза, адреса DNS-сервера и некоторых других параметров, связанных с их настройкой. Например, клиентская машина посылает по сети сообщения или пакеты обнаружения своему DHCP-серверу, а DHCP-сервер отправляет ответный запрос, подтверждая запрос клиента и назначая ему необходимые параметры.

Протокол Spanning Tree Protocol (STP)

Это очень интересный протокол, поскольку его основная функция — избегать петель в локальных сетях. Он устраняет избыточные связи и обрабатывает изменения и сбои в сети. Следует отметить, насколько вредны для сети такие петли, ведь они могут стать причиной бесконечного распространения пакетов данных, что приводит к перегрузкам и снижению общей производительности сети. Именно поэтому данный протокол играет ключевую роль. Протокол STP отслеживает все каналы в сети, чтобы найти любые проблемы, которые могли возникнуть, или любые избыточные каналы, которые могут существовать. Для этого он применяет алгоритм STA, который создает топологию на основе текущей сети и устраняет избыточные связи.

Данный протокол использует конфигурационные сообщения, такие как протокольные кадры, это связано с тем, что, как правило, устройства в сети принимают или допускают сообщения STP и таким образом создают spanning tree, в котором нет избыточных связей. Процесс работы этого протокола состоит из четырех шагов. Первый шаг — это выбор корневого моста, а затем выбор порта. После того как этот этап завершен, следующим шагом является выбор назначенного порта и, наконец, блокировка других портов, то есть тех портов, которые не являются корневыми или не назначены. С другой стороны, следует отметить, что существует множество вариантов этого протокола, например Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP).

Протокол управляющих сообщений Интернета (ICMP)

Этот протокол поддерживает процесс контроля ошибок. Это связано с тем, что протокол IP по умолчанию не имеет механизма обработки ошибок в целом. ICMP используется для сообщений об ошибках и запросов управления. Это протокол, используемый такими устройствами, как маршрутизаторы, для отправки сообщений об ошибках и информации, связанной с операциями. Например, он может сообщать, что запрашиваемая услуга недоступна или что с хостом или маршрутизатором не удалось связаться/найти. Этот протокол находится чуть выше протокола IP на уровне протоколов TCP/IP. Протокол ICMPv6 для сетей IPv6 также существует и имеет гораздо больше функций, чем протокол ICMP для сетей IPv4.

Протокол пользовательских датаграмм (UDP)

В отличие от TCP, UDP не так надежен. У него нет возможности проверять ошибки или исправления при передаче данных. Однако есть определенные приложения, в которых UDP целесообразнее использовать вместо TCP. Примером может служить сеанс онлайн-игры, где UDP позволяет отбрасывать пакеты данных без возможности повторных попыток. Недостатком является то, что этот протокол не рекомендуется использовать для передачи данных. Поскольку если в процессе передачи данных теряется несколько пакетов, то файл становится поврежденным, и верхние уровни (прикладной уровень) должны сделать запрос на повторную отправку дейтаграммы. Поврежденный файл не может быть использован для той цели, для которой он был отправлен. Аналогично, для сценария онлайн-игр или сеансов потоковой передачи видео рекомендуется протокол UDP, поскольку он быстрее, так как ему не нужно выполнять типичное рукопожатие.

Кроме того, важно отметить, что этот протокол в основном используется в приложениях потоковой передачи в реальном времени. Например, видеозвонки, онлайн-игры или VoIP используют UDP из-за его способности доставлять пакеты данных на более высоких скоростях. В этих приложениях скорость имеет решающее значение, и небольшая потеря данных менее важна, чем задержка или медленная передача.