Protokół TCP/IP
Model TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) - teoretyczny model warstwowej struktury protokołów komunikacyjnych. Model TCP/IP został stworzony w latach 70. XX wieku w DARPA, aby pomóc w tworzeniu odpornych na atak sieci komputerowych. Potem stał się on podstawą struktury Internetu.
Model TCP/IP
Podstawowym założeniem modelu TCP/IP jest podział całego zagadnienia komunikacji sieciowej na szereg współpracujących ze sobą warstw (ang. layers). Każda z nich może być tworzona przez programistów zupełnie niezależnie, jeżeli narzucimy pewne protokoły według których wymieniają się one informacjami. Założenia modelu TCP/IP są pod względem organizacji warstw zbliżone do modelu OSI. Jednak ilość warstw jest mniejsza i bardziej odzwierciedla prawdziwą strukturę Internetu. Model TCP/IP składa się z czterech warstw.
Warstwa aplikacji
Warstwa procesowa czy warstwa aplikacji (ang. process layer) to najwyższy poziom, w którym pracują użyteczne dla człowieka aplikacje takie jak, np. serwer WWW czy przeglądarka internetowa. Obejmuje ona zestaw gotowych protokołów, które aplikacje wykorzystują do przesyłania różnego typu informacji w sieci.
Warstwa transportowa
Warstwa transportowa (ang. host-to-host layer) zapewnia pewność przesyłania danych oraz kieruje właściwe informacje do odpowiednich aplikacji. Opiera się to na wykorzystaniu portów określonych dla każdego połączenia. W jednym komputerze może istnieć wiele aplikacji wymieniających dane z tym samym komputerem w sieci i nie nastąpi wymieszanie się przesyłanych przez nie danych. To właśnie ta warstwa nawiązuje i zrywa połączenia między komputerami oraz zapewnia pewność transmisji.
Warstwa Internetu
Warstwa Internetu lub warstwa protokołu internetowego (ang. internet protocol layer) to sedno działania Internetu. W tej warstwie przetwarzane są datagramy posiadające adresy IP. Ustalana jest odpowiednia droga do docelowego komputera w sieci. Niektóre urządzenia sieciowe posiadają tę warstwę jako najwyższą. Są to routery, które zajmują się kierowaniem ruchu w Internecie, bo znają topologię sieci. Proces odnajdywania przez routery właściwej drogi określa się jako trasowanie.
Warstwa dostępu do sieci
Warstwa dostępu do sieci lub warstwa fizyczna (ang. network access layer) jest najniższą warstwą i to ona zajmuje się przekazywaniem danych przez fizyczne połączenia między urządzeniami sieciowymi. Najczęściej są to karty sieciowe lub modemy. Dodatkowo warstwa ta jest czasami wyposażona w protokoły do dynamicznego określania adresów IP.
Aplikacje i warstwa transportowa
W warstwie transportowej może istnieć wiele protokołów, które współegzystują w jednej sieci. Ich algorytmy powinny być optymalizowane, aby zapewnić:
niezawodny transfer danych
dużą przepustowość
mały czas reakcji.
Niezawodny transfer danych oznacza zapewnienie, że jeżeli tylko istnieje taka możliwość, każdy komunikat dotrze do odbiorcy. Duża przepustowość określa ilość informacji jaką można przesłać w zadanych czasie. Czas reakcji (ping) musi być jak najmniejszy, co jest niezbędne, aby ograniczyć opóźnienie w komunikacji. W praktyce nie da się pogodzić wszystkich trzech wymogów względem warstwy transportowej. Zwykle poprawa jednego z nich dokonuje się kosztem pozostałych. Aby rozwiązać ten problem w sieciach komputerowych zaprojektowano szereg protokołów warstw transportowych. Projektant tworzący aplikację musi w takiej sytuacji wybrać, który protokół najlepiej sprawdzi się w jego oprogramowaniu oraz sieci.
Niezawodny transfer danych
Niektóre zastosowania, takie jak poczta elektroniczna, przesyłanie wiadomości błyskawicznych, transfer plików, terminale sieciowe, pobieranie stron internetowych i transakcje finansowe wymagają niezawodnego przesyłania danych, czyli bez utraty danych. Utrata danych pliku lub danych transakcji finansowej może mieć przecież fatalne konsekwencje (w drugim przypadku dla banku lub klienta!). Zastosowania tolerujące utratę danych, wśród których najbardziej wyróżniają się media strumieniowe, mogą pozwolić sobie na przepadniecie określonej ilości danych. W przypadku zastosowań multimedialnych utrata danych może spowodować niewielkie zakłócenia podczas odtwarzania danych obrazu lub dźwięku, które nie wpłyną znacząco na jakość. Wpływ utraty danych na jakość pracy aplikacji i rzeczywista liczba pakietów danych, które mogą przepaść, w dużym stopniu zależy od aplikacji i zastosowanego schematu kodowania.
Przepustowość
Aby efektywnie działać, niektóre aplikacje muszą być w stanie transmitować dane z określoną szybkością. Jeśli na przykład aplikacja telefonii internetowej koduje głos z szybkością 32 kb/s, z taką samą szybkością musi mieć możliwość przesyłania danych w sieci i dostarczania ich do aplikacji odbiorczej. Jeśli wymagana przepustowość nie jest dostępna, aplikacja zależna od przepustowości będzie zmuszona do kodowania z inną szybkością (i uzyskania przepustowości wystarczającej do kontynuowania procesu) lub powinna przerwać operację, ponieważ np. połowa żądanej przepustowości to zdecydowanie za mało dla tego typu aplikacji. Wiele aktualnie istniejących aplikacji multimedialnych jest zależnych od przepustowości. Jednak aplikacje multimedialne, które powstaną w przyszłości, w celu kodowania z szybkością dostosowaną do aktualnie dostępnej przepustowości mogą stosować adaptacyjne metody kodowania. Aplikacje zależne od przepustowości wymagają określonej przepustowości, natomiast aplikacje elastyczne są w stanie skorzystać z takiej przepustowości, jaka w danej chwili będzie dostępna. Przykładami takich aplikacji są programy pocztowe, służące do przesyłania plików i stron internetowych. Oczywiście im większa przepustowość, tym lepiej.
Czas reakcji
Ostatnim z wymagań dotyczących aplikacji jest czas. Aby efektywnie funkcjonować, interaktywne zastosowania czasu rzeczywistego, takie jak telefonia internetowa, wirtualne środowiska, telekonferencje i gry dla wielu osób (MMO), żądają dostarczania danych w czasie o niewielkim zakresie tolerancji. Przykładowo, wiele z tych zastosowań wymaga, aby opóźnienia międzywęzłowe miały wartość kilkuset milisekund lub mniejszą. Duże opóźnienia w przypadku telefonii internetowej powodują zwykle nienaturalne przerwy w rozmowie. Znaczne opóźnienie między wykonaną czynnością i uzyskaną odpowiedzią (na przykład od innego gracza znajdującego się na drugim końcu połączenia) występujące w przypadku gier dla wielu osób lub w interaktywnym środowisku wirtualnym sprawiają, że aplikacja wydaje się działać nie do końca w czasie rzeczywistym.
Właściwości
Protokoły te mają następujące cechy charakterystyczne:
dobrą odtwarzalność po awarii
możliwość dodawania nowych sieci bez przerywania pracy istniejących
wysoki współczynnik korekcji błędów
niezależność od platformy
mały stopień obciążenia danych własnymi strukturami
dużą wydajność
Protokoły TCP i IP łącznie zarządzają przepływem większości danych przez sieć. IP odpowiada za przesyłanie dowolnych danych z punktu do punktu i zawiera w sobie na przykład TCP lub UDP. Zadaniem TCP jest:
zarządzanie pakietami (mogą docierać do adresata w innej kolejności niż były wysłane)
sterowanie przepływem
wykrywanie i obsługę błędów
Para TCP+IP jest stosowana do tzw. transmisji połączeniowej, gdzie zagwarantowany jest przepływ danych dowolnej długości w obydwie strony, lub zwrotne poinformowanie nadawcy o nieusuwalnym błędzie.
Para protokołów UDP+IP jest najczęściej używanym standardem do tzw. transmisji bezpołączeniowej, czyli przesyłania w jedną stronę, bez potwierdzania odbioru, niewielkich paczek danych zwanych datagramami.
Porównanie warstw
modelu TCP/IP i modelu OSI.