Počítačové sítě \(\Psi\): Internetové protokoly — TCP/IP model

Internet protocol vyplynul z výzkumu a vývoje Defense Advanced Research Project Agency (DARPA), který probíhal na konci 60. let. Po zahájení průkopnického ARPANET v roce 1969 DARPA začala pracovat na celé řadě dalších dat přenášejících technologií. V roce 1972 se Robert E. Kahn připojil k DARPA, přesněji na pracoviště zabývající se zpracováním informací, kde pracoval na obou sítích, jak na satelitní, paketové síti, tak na pozemních, radio-paketových sítí a zjistil, že je možné komunikovat přes obě. Na jaře 1973 se Vinton Cerf, vývojář stávajícího protokolu ARPANET Network Control Protocol, připojil ke Kahnovi a začal s ním pracovat na modelech s otevřenou architekturou, s cílem navrhnout novou generaci protokolu pro ARPANET.

V létě roku 1973, Kahn a Cerf vypracovali zásadní reformulaci, v níž byly rozdíly mezi síťovými protokoly skryty za pomocí společného síťového protokolu a odpovědnost za spolehlivost, kterou dříve nesla síť, nyní přešla na hostitele. Cerf ocenil i práci Huberta Zimmermanna a Louise Pouzina, designéry sítě Cyclades, kteří měli velmi podstatný vliv na její konečný design.

Konstrukce sítě obsahovala rozeznávání, které mělo poskytnout jedinou funkci, a to efektivní vysílání a směřování provozu mezi koncovými uzly a dále, že ostatní inteligence by měly být umístěny na kraji sítě, v koncových uzlech. Pomocí jednoduchého designu se stalo možným připojit téměř jakoukoli síť k ARPANET, bez ohledu na místní charakteristiky, čímž se vyřešil Kahnův problém. Jednou populární hláškou je, že TCP/IP, konečný produkt Cerfa a Kahna, překoná dvě plechovky spojené špagátem.

Počítač, který nazveme routerem (směrovačem), je vybaven rozhraním pro každou síť. Předává mezi nimi pakety tam a zpět. Původně byl router nazýván bránou (gateway), ale tento termín byl změněn, aby se předešlo zmatku či záměně s jinými typy bran.

Podrobnosti o historii je možné si přečíst na Wikipedii v angličtině

Od roku 1973 do roku 1974 Cerfova síťová výzkumná skupina na Stanfordu vypracovala detaily myšlenky, což mělo za následek první specifikaci TCP. Významný technický vliv měla předešlá práce v oblasti sítí v Xerox PARC, který produkoval sadu PARC Universal Packet protokolů.

DARPA se poté smluvně spojila s BBN Technologies, Stanfordovou univerzitou a Londýnskou univerzitou kvůli rozvoji operativní verze protokolu na různé hardwarové platformy. Byly vyvinuty čtyři verze: TCP v1, TCP v2, TCP v3 a TCP/IP v4. Poslední z protokolů je užíván dodnes.

V roce 1975 byl mezi Stanfordovou a londýnskou univerzitou proveden komunikační test TCP/IP dvou sítí. V listopadu 1977 byl proveden test TCP/IP tří sítí mezi lokalitami v USA, UK a Norsku. Bylo vyvinuto několik dalších prototypů TCP/IP v několika výzkumných centrech mezi roky 1978 a 1983. Finálový přesun ARPANET na TCP/IP byl oficiálně uskutečněn 1. ledna 1983, kdy byly nové protokoly trvale uvedeny v provoz.

Celé to funguje na několika málo principech. První je princip od jednoho konce ke druhému (end-to-end). Původní myšlenka (která je dodnes zachovávána) spočívá v tom, že "inteligence" jsou na koncích a předpokládá se, že internet, který tyto konce spojuje, si nezachovává žádný stav a soustředí se na rychlost a jednoduchost. Avšach skutečné potřeby firewalů, překladačů síťových adres, webových cache a podobných zařízení si vynutily změny v tomto principu. Je to takové vynalézání "rovnáku"" na "vohejbák", ale musíme se s tím smířit.

Další princip robustnosti říká: Obecně musí být implementace konzervativní ve svém chování při odesílání a liberální ve svém chování při přijímání. To znamená, že musí být opatrná, aby posílala dobře vytvořené datagramy, ale musí přijmout jakýkoli datagram, který dokáže interpretovat. Například nesmí mít námitky proti technickým chybám, kde je význam stále jasný. Druhá část principu je téměř stejně důležitá: software na jiných hostitelích může obsahovat nedostatky, kvůli kterým není rozumné využívat legální, ale nejasné funkce protokolu.

Zapouzdření se používá k poskytnutí abstrakce protokolům a službám. Zapouzdření je obvykle v souladu s rozdělením sady protokolů do vrstev obecné funkčnosti. Obecně platí, že aplikace (nejvyšší úroveň modelu) používá sadu protokolů k odesílání dat po vrstvách. Data jsou dále zapouzdřena na každé úrovni.

Vzhledem ke složitosti problémů je síťová komunikace rozdělena do tzv. vrstev (layers), které znázorňují hierarchii činností. Výměna informací mezi vrstvami je přesně definována. Každá vrstva využívá služeb vrstvy nižší a poskytuje své služby vrstvě vyšší.

Komunikace mezi stejnými vrstvami dvou různých systémů je řízena komunikačním protokolem za použití spojení vytvořeného sousední nižší vrstvou. Architektura umožňuje výměnu protokolů jedné vrstvy bez dopadu na ostatní. Příkladem může být možnost komunikace po různých médiích fyzické vrstvy modelu OSI – ethernet (optické vlákno, kroucená dvojlinka, Wi-Fi), sériová linka.

Architektura TCP/IP je členěna do čtyř vrstev (na rozdíl od referenčního modelu OSI se sedmi vrstvami) — od nejvyšší po nějnižší:

Datový tok v jednoduché topologii sítě dvou hostitelů (A a B), které jsou spojeny libovolnou technologií mezi sebou pomocí směrovačů (routerů). Aplikace na každém hostiteli provádí operace čtení a zápisu, jako by byly procesy navzájem přímo propojeny nějakým druhem datového kanálu. Po vytvoření tohoto kanálu je většina detailů komunikace skryta před každým procesem, protože základní principy komunikace jsou implementovány v nižších vrstvách protokolu. Analogicky, na transportní vrstvě se komunikace jeví jako host-to-host, bez znalosti aplikačních datových struktur a propojovacích směrovačů, zatímco na internetové vrstvě se jednotlivé hranice sítě překračují u každého směrovače.

Internet Protocol je základní protokol síťové vrstvy a celého Internetu. Zajišťuje přenos datagramů na základě IP adresy příjemce obsažené v záhlaví datagramu. Poskytuje vyšším vrstvám síťovou službu bez spojení. Každý datagram je samostatná datová jednotka, která obsahuje všechny potřebné údaje o adresátovi i odesilateli. Datagramy putují sítí nezávisle na sobě a pořadí jejich doručení nemusí odpovídat pořadí ve zprávě. Doručení datagramu není zaručeno, spolehlivost musí zajistit vyšší vrstvy (TCP, aplikace).

Protokol IP zajišťuje fragmentaci datagramů do rámců protokolu nižší vrstvy (např. Ethernet) a znovusestavování datagramů z přijatých rámců.

Přestože standard nové verze IP – IPv6 – byl schválen a vydán v roce 1995, i po roce 2023 převažuje používání protokolu IP verze 4, hlavně kvůli lenosti a neznalosti IT techniků a kvůli komečním zájmům ISP (Internet Servic Provider).

Nová verze 6, která řeší nedostatek adres v IPv4, bezpečnostní problémy a vylepšuje další vlastnosti protokolu IP, je celosvětově používána jen několika desítkami procenty zařízení připojených k internetu, ale jejich počet rychle roste.

Address Resolution Protocol slouží k zjištění fyzické adresy MAC z IP adresy, aby bylo možné odeslat IP datagram na uzel (koncový počítač nebo router) v lokální síti v rámci s individuální fyzickou adresou příjemce. Protokol v případě potřeby vyšle datagram s hledanou IP adresou adresovaný všem stanicím v síti. Uzel s hledanou IP adresou reaguje odpovědí s vyplněnou vlastní MAC adresou. Tazatel si dvojici adres určitou dobu pamatuje v ARP cache. Pokud hledaný uzel není ve stejném segmentu sítě, může odpovědět svou adresou příslušný směrovač.

Obrácený protokol RARP (Reverse Address Resolution Protocol) se používal ke zjištění vlastní IP adresy. Na RARP dotaz odpoví RARP server, který má ručně vytvořenou převodní tabulku mezi fyzickými a IP adresami. Protokol RARP neumožňuje předat ani dva další potřebné parametry – masku sítě a adresu implicitního směrovače – a je překonaný novějšími protokoly BOOTP a DHCP.

Internet Control Message Protocol slouží k přenosu řídících hlášení, které se týkají chybových stavů a zvláštních okolností při přenosu. Používá se např. v programu ping pro testování dostupnosti počítače, nebo programem traceroute pro sledování cesty paketů k jinému uzlu.

Transmission Control Protocol vytváří virtuální okruh mezi koncovými aplikacemi, tedy spolehlivý přenos dat. Vlastnosti protokolu:

User Datagram Protocol poskytuje nespolehlivou transportní službu pro takové aplikace, které nepotřebují spolehlivost, jakou má protokol TCP. Nemá fázi navazování a ukončení spojení a už první segment UDP obsahuje aplikační data. UDP je používán aplikacemi jako je DHCP, TFTP, SNMP, DNS a BOOTP.

Protokol používá podobně jako TCP čísla portů pro identifikaci aplikačních protokolů.

Spolehlivý protokol pro přenos datagramů ve více proudech. Je využívaný zejména v telekomunikacích. Doplňuje některé vlastnosti, které TCP postrádá:

Stejně jako TCP a UDP rozlišuje aplikační protokoly pomocí portů.