Protokoly TCP/IP

Protokol je soubor pravidel, který určuje syntaxi (formát zpráv), sémantiku (význam jednotlivých polí a reakce na ně) a synchronizaci (pořadí a časování zpráv) komunikace. Protokol typicky řeší, jak zjistit, že protějšek existuje, jak navázat spojení (handshake), jak vyjednat parametry, kde zpráva začíná a končí, co dělat s poškozenými nebo ztracenými daty a jak spojení ukončit. Tato stránka prochází nejdůležitější protokoly rodiny TCP/IP po vrstvách – od transportní vrstvy přes síťovou až k aplikačním službám. Vrstvy samotné vysvětluje model ISO/OSI a TCP/IP.

Přehled po vrstvách

Transportní vrstva: porty, TCP a UDP

Transportní vrstva umožňuje, aby jeden počítač komunikoval s více protějšky a aplikacemi zároveň. K datům přidá hlavičku se zdrojovým a cílovým portem, zprávu rozdělí na segmenty a u příjemce řídí jejich opětovné složení.

Porty a sockety

Port je 16bitové číslo (0–65 535), které určuje aplikaci (proces) na počítači. Server naslouchá na pevném, všeobecně známém portu; klient si pro každé spojení vybere volný dynamický port.

Socket je koncový bod spojení: kombinace IP adresy, transportního protokolu a portu (např. 192.168.1.10:51034/TCP). Jedno spojení je jednoznačně určeno dvojicí socketů klienta a serveru. Podle protokolu se rozlišují streamové sockety (TCP), datagramové sockety (UDP) a raw sockety, které pracují přímo s IP pakety (používají je např. směrovače nebo program ping).

Nejčastější porty

UDP (User Datagram Protocol)

• Nespojovaný – nenavazuje spojení, datagram prostě odešle.
• Bez záruky doručení – nepotvrzuje příjem, ztracená data neposílá znovu, nehlídá pořadí; datagramy mohou dorazit v jiném pořadí, než byly odeslány.
• Hlavička má jen 8 bajtů a čtyři pole: Source port (zdrojový port, může být 0), Destination port (cílový port), Length (délka hlavičky a dat) a Checksum (16bitový kontrolní součet; poškozený datagram příjemce zahodí). Kontrolní součet je u IPv4 nepovinný (pak je 0), u IPv6 povinný.
• Výhody: rychlost, malá režie, jednoduchá implementace, podpora broadcastu a multicastu.
• Nevýhody: datagram se odešle bez ohledu na vytížení sítě, poškozený nebo ztracený se nepošle znovu.
• Použití: DNS, DHCP, TFTP, SNMP, internetová telefonie (VoIP), streamované video, kamerové záznamy, online hry – všude, kde je důležitější rychlost než stoprocentní doručení.

TCP (Transmission Control Protocol)

• Spojovaný – před přenosem dat se musí navázat spojení.
• Spolehlivý – příjemce potvrzuje přijatá data; nepotvrzená data odesílatel po vypršení časovače pošle znovu. Data se číslují, takže je příjemce složí ve správném pořadí a odstraní duplikáty.
• Řízení toku – mechanismem posuvného okna (sliding window) příjemce určuje, kolik dat smí odesílatel poslat bez čekání na potvrzení. Při ztrátách TCP posílá méně dat najednou (řízení zahlcení), když síť stíhá, zase přidává.
• Hlavička má nejméně 20 bajtů, kontrolní součet je povinný.
• Výhody: spolehlivost a správné pořadí. Nevýhody: větší režie (overhead), velká hlavička, nižší rychlost.
• Použití: web (HTTP, HTTPS), e-mail, přenos souborů, SSH, okamžité zprávy – všude, kde se nesmí ztratit žádná data.

Navázání spojení – trojí podání ruky (three-way handshake):

1. Klient pošle segment s příznakem SYN a svým počátečním pořadovým číslem (ISN).
2. Server odpoví segmentem SYN + ACK: potvrdí klientovo číslo a pošle své počáteční číslo.
3. Klient odpoví ACK a spojení je navázáno.

Ukončení spojení probíhá výměnou příznaků FIN a ACK zvlášť pro každý směr; okamžité zrušení spojení oznamuje příznak RST.

Pole hlavičky TCP:

TCP a UDP vedle sebe

Zajištění spolehlivosti (ARQ)

Spolehlivý přenos stojí na potvrzování a opakování – metodách ARQ (Automatic Repeat reQuest):

• Stop-and-Wait – odesílatel pošle jeden blok a čeká na potvrzení; jednoduché, ale pomalé.
• Go-Back-N – odesílatel posílá bloky bez čekání (v rámci okna); při chybě se vrátí a pošle znovu chybný blok i všechny za ním.
• Selective Repeat – znovu se posílají jen chybné bloky; příjemce si správně přijaté bloky za chybou uschová.

Síťová vrstva: IP, ICMP, ARP

• IP (Internet Protocol) – základní protokol síťové vrstvy. Adresuje zařízení a předává datagramy sítí bez záruky: nepotvrzuje doručení, neopravuje chyby, nehlídá pořadí ani duplicity – to je ponecháno vyšším vrstvám (TCP). IPv4 má 32bitové adresy, IPv6 128bitové. Podrobně viz IP protokol a IPv4 datagram, IPv4 adresování a IPv6.
• ICMP (Internet Control Message Protocol) – posílá chybové a řídicí zprávy (cíl je nedostupný, vypršela životnost paketu) a diagnostické dotazy. Je zapouzdřen přímo v IP paketu. Zpráva obsahuje pole Type (typ zprávy), Code (upřesnění) a Checksum. Důležité typy: 8 – žádost o odezvu (echo request), 0 – odezva (echo reply), 3 – cíl nedostupný (destination unreachable), 11 – vypršel čas (time exceeded). Používají ho příkazy ping (typy 8 a 0) a tracert / traceroute (využívá typ 11).
• ARP (Address Resolution Protocol) – zjistí MAC adresu k známé IP adrese v lokální síti. Počítač pošle dotaz ARP request jako broadcast („kdo má adresu 192.168.1.1?“) a zařízení s touto IP adresou odpoví unicastem se svou MAC adresou. Odpověď se uloží do ARP cache (Windows: arp -a).
• RARP (Reverse ARP) – opačný převod: stanice zná svou MAC adresu a žádá RARP server o svou IP adresu. Nevýhody: dotaz je fyzický broadcast, takže nepřekročí hranice jedné sítě, a předává jen IP adresu – ne masku, bránu ani adresu DNS serveru. Proto ho nahradil BOOTP a později DHCP.

Aplikační vrstva

Aplikační protokoly pracují v režimu klient–server. Standardy protokolů TCP/IP vydává IETF jako dokumenty RFC (Request for Comments); čísla dobře známých portů a domény nejvyššího řádu přiděluje IANA.

DNS (Domain Name System)

Převádí doménová jména na IP adresy a naopak – prohlížeč díky němu zjistí, na jakou adresu se má k serveru www.example.com připojit. Používá port 53 – běžné dotazy přes UDP, přenosy zón a dlouhé odpovědi přes TCP. Podrobně viz DNS – systém doménových jmen.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

Automaticky přiděluje zařízením IP adresu, masku sítě, výchozí bránu a adresu DNS serveru a zajišťuje, aby přidělené adresy byly jedinečné. Běží nad UDP: server naslouchá na portu 67, klient na portu 68.

Způsoby přidělení adresy:

• automatické – klient dostane adresu natrvalo; vhodné pro trvale připojená zařízení,
• dynamické – adresa se zapůjčí na určitou dobu (lease), po které ji klient musí obnovit, jinak se vrátí do zásobníku (poolu); vhodné pro dočasně připojovaná zařízení,
• manuální (rezervace) – správce přiřadí adresu ke konkrétní MAC adrese a DHCP ji jen oznámí; vhodné pro servery a tiskárny, jejichž adresa se nesmí měnit.

Průběh přidělení – DORA:

1. DHCPDISCOVER – klient, který ještě nemá adresu, pošle broadcastem dotaz, zda je v síti DHCP server.
2. DHCPOFFER – server nabídne volnou IP adresu s maskou, bránou, DNS a dobou zápůjčky.
3. DHCPREQUEST – klient oznámí (opět broadcastem), kterou nabídku přijímá; přijmout může jen jednu, ostatní servery tím odmítne.
4. DHCPACK – server přidělení potvrdí a klient adresu začne používat.

Klient si ještě (např. pomocí ARP) ověří, že adresu nikdo jiný nepoužívá; pokud ano, odmítne ji zprávou DHCPDECLINE. Server může žádost zamítnout zprávou DHCPNAK. Zprávou DHCPRELEASE klient adresu vrací, zprávou DHCPINFORM žádá jen o ostatní parametry, když má adresu nastavenou ručně. Celkem existuje 8 typů zpráv – pět posílá klient (DISCOVER, REQUEST, DECLINE, RELEASE, INFORM) a tři server (OFFER, ACK, NAK). Nastavení DHCP serveru ve Windows Serveru popisuje stránka DHCP.

Statické nastavení adresy (ručně v každém zařízení) se používá pro servery, routery a tiskárny; dynamické přes DHCP pro běžné klienty.

Web: HTTP a HTTPS

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol) přenáší webové stránky (HTML) a další soubory z webového serveru do prohlížeče. Běží nad TCP (port 80) a funguje systémem dotaz – odpověď: klient pošle požadavek (metody GET, POST, PUT, DELETE), server vrátí odpověď se stavovým kódem (200 OK, 301 přesměrování, 404 nenalezeno, 500 chyba serveru). HTTP je bezstavový – každý požadavek je samostatný; stav (přihlášení, košík) se udržuje pomocí cookies.
• HTTPS je HTTP zabezpečené šifrováním TLS (dříve SSL), port 443. Certifikát serveru zároveň ověřuje, že komunikujeme se skutečným serverem.

Přenos souborů a vzdálený přístup

• FTP (File Transfer Protocol) – přenos souborů mezi počítači nezávisle na jejich operačním a souborovém systému; porty 21 (řízení) a 20 (data). Je nezabezpečený – jméno i heslo putují nešifrovaně, proto se nahrazuje SFTP nebo SCP (přes SSH).
• TFTP (Trivial FTP) – zjednodušené FTP nad UDP bez ověřování; slouží k nahrávání konfigurace a firmwaru síťových zařízení a ke startu bezdiskových stanic.
• NFS (Network File System) – vzdálený přístup k souborům v unixových systémech; SMB – sdílení souborů a tiskáren ve Windows (v Linuxu Samba).
• Telnet – jeden z nejstarších protokolů; textový vzdálený přístup k serverům a síťovým zařízením. Vše včetně hesla přenáší nešifrovaně.
• SSH (Secure Shell) – nahradil Telnet. Zajišťuje autentizaci obou stran, šifrování přenášených dat a jejich integritu.

Elektronická pošta

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – odesílá poštu z klienta na server a přenáší ji mezi poštovními servery. Ve standardní verzi neověřuje uživatele, a byl proto snadno zneužitelný k rozesílání spamu.
• POP3 (Post Office Protocol) – stahuje zprávy ze serveru do klienta; po stažení se ze serveru obvykle mažou.
• IMAP (Internet Message Access Protocol) – zprávy zůstávají na serveru a klient s nimi pracuje vzdáleně, takže je stav schránky stejný na všech zařízeních.

Role programů v poštovním systému:

Další aplikační protokoly

• SNMP (Simple Network Management Protocol) – správa a monitorování síťových zařízení; řídicí stanice (manager) se dotazuje agentů v zařízeních a agenti sami hlásí události (trap). UDP 161 a 162.
• NTP – synchronizace času.
• LPD – odesílání tiskových úloh na síťovou tiskárnu.
• NetBIOS a NetBEUI – starší protokoly firem IBM a Microsoft pro malé lokální sítě; NetBEUI byl rychlý a jednoduše se nastavoval, ale nepodporoval směrování, takže fungoval jen v rámci jedné sítě.

Otázky k opakování

1. Co je port a co socket? port je 16bitové číslo určující aplikaci na počítači; socket je kombinace IP adresy, protokolu a portu, tedy koncový bod spojení
2. Popište trojí podání ruky protokolu TCP. klient pošle SYN, server odpoví SYN + ACK, klient potvrdí ACK
3. Jak TCP zajišťuje spolehlivost? pořadovými čísly, potvrzováním (ACK), opakovaným odesláním nepotvrzených dat, kontrolním součtem a posuvným oknem
4. Proč DNS dotazy a VoIP používají UDP? nepotřebují navazovat spojení; krátký dotaz se v případě ztráty zopakuje a u hlasu by opakované odesílání způsobilo zpoždění
5. Na kterých portech běží HTTP, HTTPS, SSH, DNS a DHCP? 80, 443, 22, 53, 67/68
6. K čemu slouží ARP a jak probíhá? zjistí MAC adresu k IP adrese; dotaz broadcastem, odpověď unicastem, výsledek se uloží do ARP cache
7. Popište přidělení adresy přes DHCP. DORA: DISCOVER (klient, broadcast), OFFER (server), REQUEST (klient), ACK (server)
8. Které parametry dostane klient od DHCP serveru? IP adresu, masku, výchozí bránu, adresu DNS serveru a dobu zápůjčky
9. Proč se nepoužívá Telnet a FTP bez zabezpečení a čím se nahrazují? přenášejí heslo i data nešifrovaně; SSH, SFTP/SCP
10. Jaký je rozdíl mezi POP3 a IMAP? POP3 zprávy stáhne do klienta a ze serveru je obvykle smaže; IMAP je ponechá na serveru a synchronizuje je mezi zařízeními
11. K čemu slouží ICMP a které příkazy ho používají? chybová a řídicí hlášení síťové vrstvy; ping (echo request/reply), tracert (time exceeded)