Что такое протоколы передачи данных

Когда мы пользуемся интернетом, то чаще всего даже не задумываемся, как именно данные передаются по сети от одного компьютера к другому. Это вовсе не магия, а работа протоколов передачи данных. Их используют веб-разработчики, сетевые инженеры, системные администраторы и обычные пользователи, даже когда они об этом не думают. Рассказываем, какие протоколы бывают в IT и как они работают.

Что такое протокол передачи данных

Протокол передачи данных — это набор правил и соглашений, которые определяют способ обмена данными между устройствами и программами в сети. Это «язык» или правила «общения» между компьютерами или устройствами. Протокол определяет, как данные упаковываются, отправляются и как устройства должны взаимодействовать друг с другом.

Представьте беседу двух людей по телефону. Они хотят хорошо понимать друг друга, и им нужно следовать определенным правилам: говорить на языке, который оба понимают, передавать информацию логично и в определенном порядке, подтверждать, что они слышат друг друга. Протокол передачи данных работает похожим образом.

Пример: когда вы вводите в поисковой системе веб-адрес и нажимаете Enter, браузер использует протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol), чтобы отправить запрос на сервер. Сервер отвечает, и ваш браузер интерпретирует полученные данные, чтобы отобразить веб-страницу. Здесь HTTP — это протокол, который регулирует обмен данными между компьютером и сервером. Он делает так, чтобы информация передавалась правильно.

Для некоторых IT-профессий знание протоколов может значительно повысить ценность специалиста на рынке. Например, веб-разработчику важно разбираться в протоколах TCP/IP, HTTP/HTTPS и других. На курсе «Веб-разработчик» в онлайн-университете Skypro вы освоите эти и многие другие полезные инструменты, которые нужны в современной и эффективной разработке.

За 12 месяцев овладеете одним из самых популярных языков программирования JavaScript, научитесь работать на платформе GitHub, использовать среду Node.js и многое другое. В конце курса вы получите диплом о профпереподготовке и сможете найти свою первую работу по новой специальности.

Зачем нужен протокол передачи данных

Протокол нужен, чтобы поддерживать структурированный и организованный обмен информацией между устройствами в компьютерных сетях.

Вот еще несколько причин, почему протоколы важны:

Единообразие и следование стандартам

Протоколы определяют общие правила для устройств и поддерживают выверенный способ обмена данными. Разные устройства и системы могут взаимодействовать между собой, независимо от их типа или производителя.

Надежность передачи данных

Такие протоколы, как TCP (Transmission Control Protocol), гарантируют надежность передачи данных — информация доставляется в нужном порядке и без потерь.

Контроль ошибок

Протоколы могут включать механизмы, которые помогают обнаружить и — в некоторых случаях — исправить ошибки в процессе передачи данных.

Сегментация данных

Протоколы могут разбивать большие объемы данных на более мелкие части, которые называются пакетами или сегментами. Это улучшает эффективность передачи и управление трафиком в сети.

Поддержание безопасности

Некоторые протоколы, например HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure), поддерживают шифрование данных, чтобы защитить конфиденциальность и предотвратить несанкционированный доступ.

Кто работает с протоколами

Протоколы передачи данных широко используют в разных областях информационных технологий. Вот кто работает с ними чаще всего.

Backend-разработчики — создают серверные приложения и веб-сервисы, которые обрабатывают запросы от клиентов с помощью протоколов HTTP.

Если вы хотели бы создавать полезные сервисы для миллионов людей, не откладывайте эту мечту, а начните идти к ней уже сейчас. Курс «Java-разработчик» от онлайн-университета Skypro станет важным шагом к востребованной IT-профессии, которая будет приносить удовольствие и деньги. Согласно zarplan.com, средняя зарплата Java-разработчика по России — 257 865 ₽.

На курсе вы научитесь писать код на язык Java, работать в GitHub и Trello, овладеете PostgreSQL, HTTP и другими инструментами. А в конце учебы получите диплом о профессиональной переподготовке.

DevOps-инженеры — отвечают за автоматизацию процессов разработки, тестирования и развертывания приложений. Они могут настраивать сетевую инфраструктуру и поддерживать правильную работу между компонентами системы с помощью различных протоколов.

Инженеры телекоммуникационных систем — работают с протоколами передачи данных на более низком уровне, поддерживают эффективную передачу данных через сети связи.

IoT-специалисты — протоколы важны в системах умного дома, где различные устройства должны обмениваться информацией для координации своей работы.

Сетевые инженеры — занимаются настройкой, обслуживанием и оптимизацией сетей, в том числе применяют различные протоколы для эффективного обмена данными.

Специалисты по кибербезопасности — заботятся о безопасности передачи данных и поддерживают защиту от угроз и атак.

Перечисленные профессионалы работают с протоколами в узком смысле. Протоколами передачи данных пользуются и обычные люди — когда заходят в интернет или просят умную колонку включить любимую песню.

Какие бывают протоколы передачи данных

Сначала нужно разобраться, что такое модель. Когда у устройств разные протоколы и нет общего, они не смогут связаться между собой. Чтобы избежать этого, протоколы объединяют в модели.

Модель — это план того, как компьютеры и устройства взаимодействуют, чтобы передавать информацию между собой. В модели объединяются разные протоколы, а те — в одну систему, которая способна решать более сложные задачи, чем один протокол.

Протоколы сетевой модели OSI

Одна из эталонных сетевых моделей — OSI (Open Systems Interconnection). Сейчас устарела, но с ее помощью можно лучше понять, как работают протоколы.

OSI определяет семь уровней — от низкого, самого близкого к железу, до высокого, близкого пользователю. Более высокие уровни, как в пирамиде, опираются на более низкие. Каждый уровень характеризуется определенными функциями.

Физический уровень

Это нижний уровень архитектуры OSI. Протоколы на физическом уровне определяют методы передачи данных через физическую среду. Речь о кабелях, разъемах, коннекторах и других компонентах.

Физический уровень определяет способы представления битов информации в виде электрических или оптических сигналов, которые могут передаваться от одного устройства к другому. Физический уровень поддерживает синхронизацию передачи битов между устройствами — так получающая сторона может правильно интерпретировать передаваемые данные.

Примеры:

USB — поддерживает физическое соединение для подключения устройств: принтеры, клавиатуры, внешние накопители и другие.

Wi-Fi и Bluetooth — используются для беспроводной передачи данных.

Канальный уровень

Канальный уровень (Data Link Layer) поддерживает надежный и безошибочный обмен данными между устройствами, которые соединены в одной локальной сети.

Канальный уровень разбивает поток битов от физического уровня на логические группы — кадры, которые содержат информацию о передаваемых данных. Канальный уровень обнаруживает и исправляет ошибки, которые могли возникнуть при передаче данных по физической среде. Это повышает надежность.

Канальный уровень включает два подуровня: LLC и MAC. LLC (Logical Link Control) отвечает за управление логическим соединением между устройствами в сети. MAC (Media Access Control) управляет физическим доступом к среде передачи данных, например каналу связи.

Примеры:

Ethernet — передает данные по витой паре. Это стандарт для локальных сетей, который включает MAC-адресацию и механизмы контроля доступа.

Point-to-Point Protocol (PPP) — используется для установки соединения между двумя устройствами, например между компьютером и интернет-провайдером.

Wi-Fi (протоколы IEEE 802.11) — беспроводные технологии тоже включают протоколы канального уровня, чтобы управлять доступом к среде.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network Layer) управляет маршрутизацией — поддерживает логическое соединение и доставляет данные от отправителя к получателю через несколько промежуточных узлов — маршрутизаторов.

Сетевой уровень может разбивать данные на фрагменты, если размер данных превышает максимально допустимый размер для передачи через сеть. У получателя эти фрагменты собираются обратно в полный пакет.

Примеры:

IP (Internet Protocol) — один из самых распространенных протоколов сетевого уровня в интернете, который нужен для маршрутизации и передачи данных между сетями.

ICMP (Internet Control Message Protocol) — используется для обмена сообщениями об ошибках и помогает управлять сетевой диагностикой.

Транспортный уровень

Транспортный уровень (Transport Layer) поддерживает эффективную и надежную передачу данных между устройствами в различных узлах сети. Транспортный уровень скрывает детали сетевой инфраструктуры от верхних уровней — это дает им удобный и стабильный канал передачи данных.

Транспортный уровень разбивает данные от низких уровней на более мелкие единицы — сегменты. Они передаются через сеть и затем собираются обратно в полные данные на стороне получателя. Этот уровень контролирует поток данных между отправителем и получателем, чтобы предотвратить перегрузку.

Примеры:

TCP (Transmission Control Protocol) — устанавливает соединения и поддерживает ориентированную на поток передачу данных.

UDP (User Datagram Protocol) — предоставляет более легковесный механизм передачи данных без установления соединения.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session Layer) синхронизирует диалог (сеанс) между приложениями на разных устройствах в сети. Этот уровень поддерживает механизмы подключения, поддержания и завершения сеанса, а еще управляет обменом данных между приложениями.

Сеансовый уровень помогает системе восстановиться после сбоев. Например, в случае потери связи, чтобы сеанс мог продолжиться в обычном состоянии. В некоторых системах, где используется понятие токена для управления доступом к ресурсам, сеансовый уровень может контролировать передачу токенов и их управление.

Примеры:

В современных сетевых приложениях редко используют сеансовый уровень. Многие из его функций интегрировались в функциональность более высоких уровней. Но есть и исключения. Например, SOCKS — регулирует прокси-сервер в сетях. Его используют, чтобы обходить ограничения доступа, сохранять анонимность или улучшать безопасность подключения к удаленным ресурсам.

Уровень представления

Уровень представления (Presentation Layer) преобразует данные в понятный для человека формат: картинку, видео- или текстовый файл. Уровень представления выполняет задачи кодирования, сжатия, шифрования и другие операции, которые нужны, чтобы поддерживать совместимость и безопасность передачи данных.

Примеры:

JPEG (Joint Photographic Experts Group) — протокол сжатия изображений, который используют для кодирования и передачи изображений.

TLS (Transport Layer Security) и SSL (Secure Sockets Layer) — протоколы поддержания безопасной передачи данных через шифрование.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application Layer) — это самый верхний уровень архитектуры OSI, который далек от железа. Он включает приложения, которые напрямую взаимодействуют с пользователями: браузер, клиент электронной почты и так далее.

Примеры:

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) — протокол для передачи гипертекстовых документов в сети, его используют для веб-браузеров и веб-серверов.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол для отправки электронной почты.

FTP (File Transfer Protocol) — протокол для передачи файлов между устройствами.

Современные протоколы, по которым работает интернет

OSI хотя и считается эталоном, но со временем она устарела. Современные протоколы могут работать сразу на нескольких уровнях модели OSI. На смену ей пришла другая модель — TCP/IP.

TCP/IP — это сетевая архитектура, которая называется по имени двух протоколов, на которых построен интернет. Все новые сетевые протоколы опираются именно на нее. Модель TCP/IP, как и OSI, разделена на похожие уровни, но состоит она из четырех: канального, межсетевого, транспортного и прикладного.

Протокол IP

IP — это один из простых протоколов, который объединяет отдельные компьютеры в глобальную сеть. По сути этот протокол прокладывает маршрут от одного узла сети к другому.

Протокол IP использует IP-адреса, чтобы устройства в сети не путались между собой. IP-адрес — это уникальный числовой идентификатор, который присваивается каждому устройству в сети. IP-адреса помогают определить путь для передачи данных от отправителя к получателю через различные узлы сети. Этот процесс называется маршрутизацией.

Есть две основные версии протокола IP:

🟡 IPv4 (Internet Protocol version 4).
🟡 IPv6 (Internet Protocol version 6).

IPv4 использует 32-битные адреса. Раньше его постоянно использовали, но из-за ограниченного числа доступных адресов многие пользователи перешли к IPv6. IPv6 использует 128-битные адреса, он стал необходимым для устойчивости роста сетей.

IP разбивает данные на небольшие фрагменты во время передачи и восстанавливает их на получающей стороне. Еще этот протокол доставляет данные без виртуального соединения. Каждый пакет данных — дейтаграмма — перемещается от источника к назначению независимо от предыдущих и последующих пакетов.

Допустим, мы хотим открыть страницу https://sky.pro/. Кликаем по ссылке, ждем пару секунд и тут же можем изучать сайт. Но вот как выглядит этот процесс изнутри:

1️⃣ Когда вы вводите URL веб-страницы в браузере, компьютер формирует пакет данных с запросом и IP-адресом веб-сервера.

2️⃣ Этот пакет направляется через сеть и маршрутизаторы с помощью протокола IP, чтобы определить путь и доставить данные.

3️⃣ Веб-сервер обрабатывает запрос, формирует ответный пакет с веб-страницей и отправляет его обратно через сеть.

4️⃣ При возвращении к компьютеру протокол IP поддерживает сборку данных, и веб-браузер отображает запрошенную веб-страницу.

В онлайн-университете Skypro на курсе «Python-разработчик» вы с нуля научитесь создавать сервисы на языке Python. За 10 месяцев освоите все необходимые инструменты, чтобы чувствовать себя уверенным разработчиком. Даже если вы никогда не программировали, у вас другой опыт или образование — мы обучим этой востребованной профессии.

Лекции ведут преподаватели с большим практическим опытом. Они готовы делиться знаниями и давать подробную обратную связь по домашним работам. На связи будут и кураторы, которые помогут, если будет сложно.

Протокол TCP

С помощью протокола TCP устройства могут обмениваться сообщениями в сети. Он отвечает за установление соединения, надежную передачу данных и контроль потока между узлами сети.

TCP гарантирует доставку данных в правильном порядке и обнаруживает ошибки, поэтому вовремя предотвращает потерю или повреждение данных. Еще этот протокол
автоматически регулирует то, c какой скоростью двигаются данные: это помогает избежать перегрузки.

TCP устанавливает виртуальное соединение между отправителем и получателем перед началом передачи данных. Обе стороны могут одновременно отправлять и получать информацию.

Если надо открыть страницу в веб-браузере, то нужно пройти такой путь с протоколом TCP:

1️⃣ Отправляем запрос. При этом компьютер и веб-сервер используют протокол TCP, чтобы установить виртуальное соединение.

2️⃣ Протокол TCP разбивает данные на сегменты и отправляет их по сети. Получатель подтверждает получение каждого сегмента, а в случае потери или ошибки TCP отправляет их заново.

3️⃣ TCP автоматически регулирует скорость передачи. В конце протокол TCP закрывает соединение, подтверждает успешную передачу данных и освобождает ресурсы.

Главное о протоколах передачи данных

🟡 Протокол передачи данных — это набор правил и соглашений, которые определяют, как устройства сети будут обмениваться информацией. Простыми словами — это правила «общения» между компьютерами или устройствами. Протоколы поддерживают единообразие и определенные стандарты. Некоторые протоколы с помощью шифрования гарантируют надежность и безопасность передачи данных, контролируют ошибки.

🟡 Протоколы объединяются в модели. Одна из самых незаменимых — OSI. Она построена по принципу пирамиды и определяет семь уровней — от низкого и самого близкого к железу до высокого и близкого к пользователю. Уровни OSI: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления и прикладной.

🟡 Весь интернет работает по протоколам модели TCP/IP. Если протокол IP определяет маршрут передачи данных между узлами, то TCP устанавливает соединения и отвечает за надежную передачу данных.