Protokół internetowy (IP) — definicja, działanie i rola w TCP/IP
Protokół internetowy (IP) — definicja, działanie i rola w TCP/IP; jak IP adresuje pakiety, współpracuje z TCP i zapewnia niezawodne przesyłanie danych w sieci.
Protokół internetowy (IP) jest najważniejszym protokołem komunikacyjnym w pakiecie protokołów internetowych służącym do przekazywania danych ponad granicami sieci. Zasadniczo tworzy on Internet. W przeszłości protokół IP nie zapewniał łączności; określał jedynie, w jaki sposób mają być tworzone pakiety. Funkcjonalność tę umożliwiał protokół TCP (Transmission Control Protocol). Ponieważ jeden z nich nie mógłby wykonywać swoich zadań bez drugiego, nazwano je TCP/IP, aby pokazać, jak bardzo są od siebie zależne.
Pomyśl o IP jako o czymś podobnym do systemu pocztowego. Pozwala on zaadresować paczkę i wrzucić ją do systemu, ale nie ma rzeczywistego bezpośredniego połączenia między Tobą a odbiorcą. Zamiast tego istnieje "sieć" wzajemnie połączonych ze sobą łączy. Tu właśnie wkraczają IP i TCP. IP mówi pakietom, jakie jest ich miejsce docelowe i jak się tam dostać; TCP zapewnia niezawodne połączenie, sprawdzając pakiety pod kątem błędów i żądając "retransmisji", jeśli je wykryje.
Czym jest adres IP?
Adres IP to unikalny identyfikator przypisany urządzeniu w sieci, pozwalający na jego lokalizację i kierowanie do niego ruchu. Adresy te występują w dwu głównych wersjach:
- IPv4 — 32-bitowy format zapisywany zwykle jako cztery liczby dziesiętne oddzielone kropkami (np. 192.0.2.1). Oferuje około 4,3 miliarda unikalnych adresów.
- IPv6 — 128-bitowy format zapisywany szesnastkowo (np. 2001:0db8::1). Został wprowadzony, by rozwiązać problem wyczerpujących się adresów IPv4 i dodać nowe funkcje.
Jak działa przekazywanie pakietów (routing)
IP jest protokołem bezstanowym i bezpołączeniowym — oznacza to, że każdy pakiet (datagram) jest traktowany niezależnie, bez utrzymywania sesji między nadawcą a odbiorcą. Gdy urządzenie wysyła pakiet:
- Pakiet otrzymuje nagłówek IP z adresem źródłowym i docelowym oraz innymi informacjami.
- Routery po drodze odczytują adres docelowy i podejmują decyzję, gdzie skierować pakiet dalej (routing).
- Pakiet może przechodzić przez wiele routerów i sieci pośrednich, zanim dotrze do miejsca przeznaczenia.
Format pakietu i najważniejsze pola nagłówka IP
Nagłówek IP zawiera informacje niezbędne do prawidłowego dostarczenia datagramu. Do najważniejszych pól należą:
- Adres źródłowy i docelowy — wskazują nadawcę i odbiorcę.
- Numer wersji (IPv4/IPv6) — określa format nagłówka.
- TTL (Time To Live) — ogranicza żywotność pakietu; zmniejszany na każdym routerze, by zapobiec zapętleniu.
- Protokół/pole następnego nagłówka — informuje, który protokół wyższej warstwy powinien otrzymać ładunek (np. TCP, UDP, ICMP).
- Checksum (w IPv4) — służy do wykrywania błędów w nagłówku.
IP w stosie TCP/IP i powiązane protokoły
IP działa jako warstwa sieciowa w modelu TCP/IP. Współpracuje z innymi protokołami:
- TCP — daje niezawodność (kontrola błędów, retransmisje, porządek dostarczania).
- UDP — prostszy, bezpołączeniowy transport dla aplikacji, które nie potrzebują retransmisji.
- ICMP — używany do komunikatów kontrolnych i diagnostycznych (np. ping, komunikaty o błędach).
- ARP — w sieciach Ethernet tłumaczy adresy IP na adresy MAC.
- DHCP — dynamicznie przydziela adresy IP urządzeniom w sieci lokalnej.
Problemy i mechanizmy zarządzania adresami
Z powodu ograniczonej puli adresów IPv4 powstały mechanizmy takie jak:
- NAT (Network Address Translation) — umożliwia wielu urządzeniom w sieci lokalnej korzystanie z jednego publicznego adresu IP.
- CIDR (Classless Inter-Domain Routing) — pozwala elastycznie dzielić przestrzeń adresową i zmniejsza rozmiar tablic routingu.
Bezpieczeństwo i ograniczenia
IP sam z siebie nie zapewnia poufności ani autoryzacji — przesyłane pakiety mogą być podsłuchiwane, fałszowane lub modyfikowane. Dlatego w warstwach wyższych stosuje się mechanizmy zabezpieczeń, np.:
- IPsec — zestaw protokołów dodający szyfrowanie i uwierzytelnianie na poziomie IP.
- VPN-y, TLS/SSL oraz inne rozwiązania stosowane w aplikacjach i warstwach transportu.
Dlaczego IP jest ważny?
IP zapewnia uniwersalny mechanizm adresowania i trasowania danych między heterogenicznymi sieciami. Dzięki niemu:
- różne sieci i urządzenia mogą komunikować się ze sobą niezależnie od sprzętu i technologii łączy,
- powstał globalny Internet pozwalający na wymianę informacji na ogromną skalę,
- łatwość projektowania i skalowania sieci sprawia, że IP pozostaje podstawą współczesnej komunikacji sieciowej.
Funkcja
Protokół internetowy pobiera informacje z komputera źródłowego do komputera docelowego. Przesyła te informacje w postaci pakietów.
Obecnie w użyciu są dwie wersje protokołu internetowego: IPv4 i IPv6, przy czym IPv4 jest wersją najczęściej używaną. Protokół IP nadaje komputerom adres IP, który umożliwia im wzajemną identyfikację, podobnie jak typowy adres fizyczny.
IP jest podstawowym protokołem w warstwie internetowej pakietu protokołów internetowych, który jest zbiorem protokołów komunikacyjnych składającym się z siedmiu warstw abstrakcji (patrz model OSI),
Głównym celem i zadaniem protokołu IP jest dostarczanie datagramów z hosta źródłowego (komputera źródłowego) do hosta docelowego (komputera odbierającego) na podstawie ich adresów. Aby to osiągnąć, IP zawiera metody i struktury do umieszczania znaczników (informacji adresowych, które są częścią metadanych) wewnątrz datagramów. Proces umieszczania tych znaczników na datagramach nazywa się enkapsulacją.Pomyśl o anologii z systemem pocztowym. IP jest podobny do amerykańskiego systemu pocztowego w tym sensie, że pozwala na zaadresowanie (enkapsulację) pakietu (datagramu) i wprowadzenie go do systemu (Internetu) przez nadawcę (host źródłowy). Nie ma jednak bezpośredniego połączenia między nadawcą a odbiorcą.
Pakiet (datagram) jest prawie zawsze podzielony na części, ale każda z nich zawiera adres odbiorcy (hosta docelowego). W końcu każdy kawałek dociera do odbiorcy, często różnymi drogami i w różnym czasie. Te trasy i czasy są również określane przez system pocztowy, który jest IP. Jednak system pocztowy (w warstwie transportu i aplikacji) składa wszystkie kawałki z powrotem razem przed dostarczeniem do odbiorcy (hosta docelowego).
Uwaga: IP jest w rzeczywistości protokołem bezpołączeniowym, co oznacza, że obwód do odbiorcy (hosta docelowego) nie musi być skonfigurowany przed transmisją (przez hosta źródłowego). Kontynuując analogię, nie musi istnieć bezpośrednie połączenie między fizycznym adresem zwrotnym na liście/paczce a adresem odbiorcy przed wysłaniem listu/paczki.
Pierwotnie IP był bezpołączeniową usługą datagramową w programie kontroli transmisji stworzonym przez Vinta Cerfa i Boba Kahna w 1974 roku. Po zastosowaniu formatu i reguł umożliwiających połączenia, powstał zorientowany na połączenia protokół Transmission Control Protocol. Te dwa elementy razem tworzą pakiet protokołów internetowych, często określany jako TCP/IP.
Protokół internetowy w wersji 4 (IPv4) był pierwszą główną wersją protokołu IP. Jest to dominujący protokół w Internecie. Jednakże, iPv6 jest aktywny i używany, a jego wdrożenie wzrasta na całym świecie.
Adresowanie i routing są najbardziej złożonymi aspektami protokołu IP. Inteligencja w sieci znajduje się jednak w węzłach (punktach połączeń sieciowych) w postaci routerów, które przekazują datagramy do następnej znanej bramy na trasie do ostatecznego miejsca przeznaczenia. Routery używają protokołów bram wewnętrznych (IGP) lub protokołów bram zewnętrznych (EGP), aby pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących tras przesyłania. Trasy są określane na podstawie prefiksu routingu w datagramach. Proces routingu może być zatem skomplikowany. Jednak z prędkością światła (lub prawie z taką prędkością) inteligencja routingu wyznacza najlepszą trasę, a fragmenty datagramów i wszystkie datagramy ostatecznie docierają do miejsca przeznaczenia.
Pakiety IP
Pakiety IP lub datagramy składają się z dwóch części. Pierwsza część to nagłówek, który jest jak etykieta na kopercie. Druga część to ładunek (payload), który jest jak list wewnątrz koperty. Nagłówek zawiera źródłowy i docelowy adres IP oraz kilka dodatkowych informacji. Informacje te nazywane są metadanymi i dotyczą samego pakietu. Umieszczanie danych w pakiecie z nagłówkiem to enkapsulacja.
Routing
Każdy komputer w sieci wykonuje pewnego rodzaju routing. Dedykowane komputery rozmawiają ze sobą, aby dowiedzieć się, gdzie wysłać pakiety. Komputery te nazywane są routerami i komunikują się za pomocą protokołów routingu.
Na każdym etapie podróży pakietów, komputer czyta nagłówek. Komputer widzi docelowy adres IP i ustala, gdzie wysłać pakiet.
Niezawodność
ARPANET, wczesny przodek Internetu, został zaprojektowany tak, aby przetrwać wojnę nuklearną. Jeśli jeden komputer zostałby zniszczony, komunikacja między wszystkimi pozostałymi komputerami nadal by działała. Sieci komputerowe nadal są zaprojektowane w ten sam sposób.Komputery rozmawiające ze sobą obsługują "inteligentne" funkcje w celu uproszczenia sieci komputerowych. Węzły końcowe będą sprawdzać błędy zamiast centralnego organu. Utrzymywanie "inteligentnych" rzeczy na komputerach końcowych lub węzłach jest zgodne z zasadą "end-to-end".
Protokół internetowy wysyła pakiety bez zapewnienia, że dotrą one bezpiecznie. Jest to dostarczanie w trybie best-effort i jest zawodne. Pakiety mogą zostać pomylone, zgubione, zduplikowane lub odebrane w niewłaściwej kolejności. Protokoły wyższego poziomu, takie jak Transmission Control Protocol (TCP), zapewniają prawidłowe dostarczanie pakietów. Protokół IP jest również bezpołączeniowy, więc nie śledzi komunikacji.
Protokół internetowy w wersji 4 (IPv4) wykorzystuje sumę kontrolną do sprawdzania błędów w nagłówku IP. Każda suma kontrolna jest unikalna dla kombinacji źródło/przeznaczenie. Węzeł routingu generuje nową sumę kontrolną, gdy otrzymuje pakiet. Jeśli nowa suma kontrolna różni się od starej, węzeł routingu wie, że pakiet jest zły i odrzuca go. IPv6 zakłada, że inny protokół będzie sprawdzał błędy i pomija sumę kontrolną. Ma to na celu poprawę wydajności.
Historia
W 1974 r. Institute of Electrical and Electronics Engineers opublikował dokument zatytułowany "A Protocol for Packet Network Intercommunication". Dokument ten opisywał sposób, w jaki komputery mogą rozmawiać ze sobą używając Packet Switching. Dużą część tego pomysłu stanowił "Transmission Control Program". Program Kontroli Transmisji był zbyt duży, więc został podzielony na TCP i IP. Model ten jest obecnie nazywany DoD Internet Model and Internet Protocol Suite, lub TCP/IP Model.Wersje 0 do 3 IP były eksperymentalne i były używane w latach 1977-1979.
Adresy IPv4 wyczerpią się, ponieważ liczba możliwych adresów jest skończona. Aby to naprawić, IEEE stworzyło IPv6, który miał jeszcze więcej adresów. Podczas gdy IPv4 ma 4,3 miliarda adresów, IPv6 ma ich 340 undecillion. Oznacza to, że nigdy nie zabraknie nam adresów IPv6. IPv5 był zarezerwowany dla protokołu Internet Stream Protocol, który był używany tylko eksperymentalnie.
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest protokół internetowy?
O: Protokół internetowy (IP) jest głównym protokołem komunikacyjnym używanym w pakiecie protokołów internetowych do przesyłania danych przez granice sieci.
P: Jaką rolę odgrywa protokół IP w Internecie?
O: IP jest protokołem, który tworzy Internet.
P: Czy protokół IP zapewniał łączność w przeszłości?
O: Nie, w przeszłości protokół IP określał jedynie sposób tworzenia pakietów.
P: Co to jest protokół kontroli transmisji?
O: Protokół kontroli transmisji (TCP) to protokół, który zapewnia łączność, umożliwiając przesyłanie pakietów przez sieci.
P: W jaki sposób protokoły IP i TCP są od siebie zależne?
O: Protokoły IP i TCP są od siebie zależne, ponieważ nie mogą wykonywać swoich zadań samodzielnie. TCP zapewnia łączność, podczas gdy IP tworzy Internet. Razem zyskały nazwę TCP/IP.
P: Czy protokół IP można porównać do czegoś innego?
O: Tak, protokół IP można porównać do systemu pocztowego. Umożliwia on zaadresowanie paczki i wrzucenie jej do systemu, ale nie ma bezpośredniego połączenia między użytkownikiem a odbiorcą.
P: Jaka jest rola protokołu TCP w transmisji danych?
O: Rolą protokołu TCP w transmisji danych jest zapewnienie niezawodnego połączenia, sprawdzanie pakietów pod kątem błędów i żądanie ponownej transmisji w przypadku ich wykrycia.
Przeszukaj encyklopedię