Протоколы передачи данных: их типы и особенности

Что такое протокол передачи данных

Большинство современных устройств взаимодействуют друг с другом по сети. Компьютеры, смартфоны, планшеты, холодильники, камеры, датчики и прочие устройства подключаются к интернету, чтобы принимать или отправлять данные.

Чтобы разные типы устройств могли взаимодействовать между собой, нужно структурировать информацию определенным образом, понятным и устройству-передатчику, и устройству-приемнику. Для этого создаются правила, которые определяют, как проводить каждый этап взаимодействия и в каком виде передавать данные. Стандартизированные наборы правил называются протоколами передачи данных.

Назначение и задачи протоколов передачи данных

Протокол передачи данных задает правила, в соответствии с которыми устройства взаимодействуют по сети.

Протоколы разрабатываются в соответствии с моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection — OSI). Эта модель состоит из семи уровней, и протоколы передачи данных создаются для каждого из них.

Типы протоколов

Существует много протоколов передачи данных. В этой статье мы рассмотрим:

• IP
• TCP/IP
• UDP
• FTP
• DNS
• HTTP
• NTP
• SSH

IP — Internet Protocol

Интернет-протокол (Internet Protocol, IP) — это протокол маршрутизации и адресации пакетов данных, который обеспечивает их передачу по сетям и доставку в требуемый пункт назначения.

Данные, передаваемые по интернету, делятся на маленькие фрагменты, называемые пакетами. К каждому пакету прикрепляется информация об IP-адресе конечного устройства или домена, которые должны получить данные. Поскольку данные направляются по назначенным IP-адресам, они прибывают в нужное место.

После прибытия пакетов в пункт назначения они по-разному обрабатываются. Способ обработки зависит от того, какой протокол используется совместно с IP. Самые распространенные транспортные протоколы — TCP и UDP.

TCP/IP — Transmission Control Protocol/Internet Protocol

Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP) — это коммуникационный стандарт, позволяющий программам и устройствам обмениваться сообщениями по сети. Он предназначен для передачи пакетов по интернету и обеспечения успешной доставки данных и сообщений по сетям.

TCP — один из базовых стандартов, которые определяют правила интернета. Это один из наиболее распространенных протоколов в сфере цифровых коммуникаций.

TCP упорядочивает данные, чтобы обеспечить их передачу между сервером и клиентом. Перед передачей данных TCP устанавливает соединение между источником и пунктом назначения. Крупные данные разделяются на мелкие пакеты, которые передаются по сети, и на каждом этапе гарантируется целостность данных.

Основные характеристики TCP:

• клиент подтверждает доставку данных с сервера;
• при наступлении тайм-аута сервер пытается еще раз передать данные, которые не были доставлены;
• если сеть перегружена, TCP задерживает передачу данных;
• этот протокол использует трехэтапное «рукопожатие» для проверки наличия ошибок передачи данных.

Для передачи пакетов от узла к узлу используется IP.

UDP

Протокол транспортного уровня (User Datagram Protocol, UDP) — это протокол связи, ориентированный на сообщения. Он позволяет устройствам и программам передавать данные по сети без проверки их доставки.

Такой способ передачи данных лучше всего подходит для связи в режиме реального времени и систем трансляции.

Как и TCP, UDP предназначен для отправки и приема сообщений. Но в случае UDP перед передачей данных подключение не создается.

Кроме того, этот протокол не гарантирует доставку пакетов данных с сервера. Он не проверяет, доставлены ли данные клиенту.

В большинстве случаев UDP работает быстрее, чем TCP, потому что он не обеспечивает доставку пакетов.

Протокол UDP не подходит для передачи сообщений электронной почты, просмотра веб-страниц или загрузки файлов. Он используется, в основном, для передачи данных в режиме реального времени: трансляций или передачи многозадачного сетевого трафика.

Основные характеристики UDP:

• адаптируется к приложениям, требовательным к пропускной способности и толерантным к потере пакетов;
• меньше задержек при передаче данных;
• используется для отправки большого количества пакетов за один раз;
• есть возможность потери некоторых данных.

FTP

Протокол передачи данных (File Transfer Protocol, FTP) предназначен как для передачи отдельных файлов, так и для пакетной передачи.

Этот протокол существует давно, и проблем со взаимодействием при его использовании, скорее всего, у вас не будет. Ваш бизнес-партнер сможет обмениваться файлами по этому протоколу. Не будет проблем и с поиском клиентского приложения для конечных пользователей.

Недостаток этого протокола — в слабой защите. Поэтому, если вам требуется соблюдать такие законы и регламенты, как HIPAA, PCI-DSS, SOX, GLBA и EU Data Protection Directive, не пользуйтесь FTP.

Выбирайте его, если компания:

• НЕ работает в строго регламентированной отрасли (здравоохранение, финансы, производство);
• НЕ отправляет и НЕ принимает конфиденциальные файлы;
• НЕ публичная (и на него не распространяются закон SOX).

Еще одна проблема FTP — зависимость от проблем брандмауэра, которые могут повлиять на подключение к клиенту.

При этом, у FTP (и у HTTP) есть безопасные версии. У FTP — это FTPS, а у HTTP — HTTPS.

Оба протокола защищены с использованием уровня защищенных сокетов (Secure Sockets Layer, SSL). При использовании FTPS вы продолжаете пользоваться преимуществами FTP и при этом применяются возможности SSL, в том числе шифрование данных при передаче, а также аутентификация. Поскольку FTPS основан на FTP, могут возникать проблемы с брандмауэром.

Организациям из юридического, правительственного и финансового сектора больше подойдет FTPS.

DNS

Система доменных имен (Domain Name System, DNS) — это протокол прикладного уровня, который определяет, как процессы приложений выполняются в различных системах, передают друг другу сообщения.

DNS обеспечивает преобразование между именами хостов сети и числовыми адресами. У каждого узла дерева есть доменное имя.

Полное доменное имя — это последовательность символов, разделенных точками.

DNS — это сервис, который преобразует доменное имя в IP-адрес. Пользователю намного проще запомнить понятное имя, чем числовой IP-адрес.

DNS хранит имена всех хостов, доступных в интернете, в распределенной базе данных. Если клиентская программа, например браузер, отправляет запрос с именем хоста, то DNS-преобразователь отправляет к DNS-серверу запрос на получение IP-адреса этого хоста.

Если на DNS-сервере нет IP-адреса, связанного с именем хоста, то он передает запрос другому DNS-серверу. Когда преобразователь получает IP-адрес, выполняется запрос по протоколу IP.

HTTP

Протокол передачи гипертекста (HyperText Transfer Protocol, HTTP) предназначен для передачи гипертекстовых документов и связанных с ними мультимедийных файлов. Это протокол прикладного уровня: по нему приложение-клиент взаимодействует с приложением-сервером.

Взаимодействие происходит в виде обмена отдельными сообщениями. Приложение-клиент (чаще всего это веб-браузер) отправляет серверу сообщение, называемое запросом. Приложение-сервер отправляет клиенту сообщение, называемое ответом. И в вопросе, и в ответе содержатся следующие части:

• стартовая строка с описанием запросов или кодом состояния;
• необязательный набор HTTP-заголовков, в которых указывается запрос или описывается тело сообщения;
• пустая строка, которая означает, что вся метаинформация запроса отправлена;
• необязательное тело сообщения с данными или документом, связанными с запросом.

В качестве транспортного протокола для HTTP используется TCP.

NTP

Точное время для всех устройств в компьютерной сети важно по многим причинам. Разница даже в долю секунды может вызвать проблемы.

Протокол сетевого времени (Network Time Protocol, NTP) — это интернет-протокол для синхронизации часов компьютера по сети. Это один из старейших протоколов комплекта TCP/IP. Термин NTP применяется и к самому протоколу, и к клиент-серверным приложениям.

Синхронизация проводится в четыре этапа:

1. NTP-клиент инициирует запрос к NTP-серверу на получение данных о времени.
2. После этого клиент может вычислить длительность задержки связи и локальное смещение, чтобы подстроить локальные часы под часы на сервере.
3. Для первоначальной настройки часов обычно требуется провести шесть обменов данными за 5-10 минут.
4. После синхронизации клиент обновляет часы каждые 10 минут, для чего обычно требуется обменяться лишь одним сообщением (не считая синхронизации клиента с сервером). Транзакция проводится по протоколу UDP через порт 123.

Ниже приведены некоторые примеры применения протокола NTP:

• от координирования времени зависит очередность выполнения распределенных процедур;
• механизмы безопасности зависят от постоянного хронометрирования сети;
• обновление файловой системы на нескольких компьютерах зависит от синхронизации часов;
• системы ускорения сети и управления ею зависят от точности часов, особенно при измерении производительности и устранении неполадок.

SSH

Безопасная оболочка (Secure SHell, SSH) — это протокол, использующий шифрование для защиты соединения между клиентом и сервером. Все команды, вывод, передаваемые файлы и данные для аутентификации шифруются, чтобы предотвратить сетевые атаки.

Этот протокол используется для входа на удаленный сервер и выполнения команд и передачи данных с одного компьютера на другой.

При безопасной связи обеспечивается аутентификация с использованием надежного пароля, а данные передаются в зашифрованном виде с использованием зашифрованного ключа по незащищенному каналу.

Этот протокол заменяет те протоколы, которые не защищены с использованием удаленного входа, такие как Telnet, rlogin, rsh и подобные, а также протокол передачи файлов FTP.

Его функции обеспечения безопасности широко используются сетевыми администраторами для удаленного управления системами и приложениями.

Протокол SSH защищает сеть от различных атак, таких как спуфинг DNS, маршрутизация от источника и спуфинг IP.

Заключение

Протоколы передачи данных нужны для того, чтобы устройства «понимали», в каком формате должно происходить общение.

Знакомство с этими протоколами будет полезным для всех, кто работает с данными в мире взаимосвязанных устройств. Это поможет правильно выбирать протоколы для решения конкретных задач.