Импортозамещение TCP/IP или о чем вообще речь?
На встречи Владимира Путина с представителями организаций в сфере беспилотных авиационных систем был озвучен проект с говорящим названием «Интернет из России», который СМИ подхватили и стали декларировать как замена TCP/IP.
Давайте разберемся, что было сказано на этой встречи и реально ли можно говорить о замене TCP/IP.
«Интернет из России»
Оглавление
Технологическая справка
Актуальна ли замена TCP/IP
Откуда ноги растут
Мировой опыт организации каналов связи для БПЛА
Мировой опыт организации космических каналов связи
Существует ли опасность в использовании иностранных сетевых протоколов
Заключение
1. Технологическая справка
Постараюсь кратко описать TCP/IP, что достаточно сложная задача, но я постараюсь.
Изначально TCP/IP был создан в 1972 году как один протокол, но в 1978 году был разделен на два функциональных слоя IP и TCP. В последствии TCP/IP начал наполнятся новыми протоколами, в результате чего был сформирован стек протоколов TCP/IP.
Стек протоколов TCP/IP состоит из четырех уровней сетевой модели (модель DOD) в отличии от модели OSI в котором 7 уровней.
Уровни модели OSI и TCP/IP (DOD)
Сетевая модель определяет уровни взаимодействия систем, каждый уровень содержит в себе заголовок (в соответствии со стандартом на протокол) и следующий уровень или данные. В итоге сетевой пакет представляет из себя матрешку из протоколов (например, Ethernet включает в себя IPv4, который включает в себя TCP, который включает в себя HTTP).
Для наглядности идее модели DOD разберем следующий пример:
На стороне клиента приложение формирует данные для отправки на удалённый сервер
Данные передаются в сетевой стек операционной системы
При прохождении данных через сетевой стек операционной системы, сетевой драйвер и сетевую карту, данные оборачиваются в слои протоколов образуя сетевой пакет (В заголовках протоколов содержится информация от кого и кому назначен сетевой пакет)
Исходя из адресов в заголовке протоколов сетевой пакет проходит от узла к узлу, пока не достигнет конечной цели
После того как сетевой пакет достигает сервера, он разворачиваться и используя информацию из заголовков протоколов доставляется необходимого приложению
Сервер формирует ответ и таким же путем отправляет его клиенту.
Уровни сетевой модели позволяют передавать данные через различные слои сетевого взаимодействия между приложениями находящихся на разных узлах.
Рассмотрим только основные протоколы сетевого (IP) и транспортного (UDP и TCP) уровня .
Протокол сетевого уровня IP
Задача протокола IP состоит в содержании информации необходимой для доставки сетевого пакета между двумя узлами сетевого взаимодействия. Для этого в заголовке данного протокола содержится информация о IP-адресе отправителя и получателя.
Для организации пересылки сетевых пакетов через множество узлов используется механизм маршрутизации на основе IP-адресов. Каждый узел участвующий в сетевом обмене содержит в себе таблицу маршрутизации, в которой есть информация куда необходимо пересылать сетевой пакет на основе IP-адреса. Таким образом сетевой пакет может проходить много промежуточных узлов и достигать конечную цель. Получатель такого сетевого пакета может спокойно на него ответить, поскольку в нем содержится IP-адрес отправителя.
Протокол транспортного уровня UDP
Данный протокол работает уже на уровне операционной системе и предназначен для перенаправления полученных данных в нужное приложение. Данная функция реализуется через порт отправителя и получателя в заголовке протокола UDP. На основании портов формируется сокет (IP-адрес и порт отправителя и IP-адрес и порт получателя) позволяющий точно определить сетевое взаимодействие между приложениями. Таким образом на одном компьютере с одним IP-адресам могут быть запущены различные приложения на разных портах, при этом информационные потоки не будут смешиваться, а будут поступать нужному приложению.
В протоколе UDP отсутствует механизма гарантированной доставки данных, поэтому его обычно используют для передачи не критичной информации, где допускается их потеря (например при видео или аудио вещании).
Протокол транспортного уровня TCP
Протокол TCP, выполняет такие же функции как и протокол UDP. Помимо портов отправителя и получателя, в заголовке протокола TCP содержится: флаги для управления соединением и счетчики пакетов, которые обеспечивают учет и контроль доставки сетевых пакетов.
2. Актуальна ли замена TCP/IP?
Стек протоколов TCP/IP был разработан достаточно давно. В связи с чем, в него не заложены современные реалии, вот некоторые из них:
Безопасность — данные в заголовке протоколов IP, UDP, TCP не защищены и могут быть подменены и изменены. Отсутствуют механизмы точной идентификации участника и приложения сетевого взаимодействия с данными в протоколах IP, UDP и TCP.
Протокол TCP создает дополнительные сетевые пакеты для управления соединением создавая дополнительный трафик
Протокол TCP работает не эффективна на не стабильных каналах связи, которые периодически разрываются
Существуют проблема с использованием белых IP-адресов в мобильных устройств при подключении к разным провайдерам, которые находятся в разных выделенных IP-диапазонах
В больших IP-сетях маршрутизация на основе IP-адреса имеет свои недостатки, поэтому на уровне провайдеров используется маршрутизация по протоколу MPLS, что повышает производительность, надежность и гибкость в настройке
Почему сложно внести изменения в TCP/IP или полностью перейти на новый протокол?
TCP/IP является фиксированным стандартом и должен обеспечивать совместимость со своими редакциями
На TCP/IP построены все операционные системы, программные библиотеки для различных языков программирования, сетевые приложения, сетевое и прочее оборудование
На текущий момент подавляющее большинство серверов, клиентов и каналов связи построено на базеTCP/IP, заменить которое становится не подъемной задачей
Имеющие недостатки в TCP/IP можно компенсировать с помощью дополнительных технологий: применение различных протоколов, DNS, шифрованием, VPN, межсетевыми экранами, WAF, IPS, прокси и прочими сетевыми решениями
Также TCP/IP достаточно хорошо исследован и предсказуем (выдержал проверку временем)
Тем не менее, в новостях периодически появляется информация, о создании новых протоколов на замену TCP/IP, из последнего:
2013 год — Google и протокол QUIC (о протоколе, можно почитать тут)
2018 год — Huawei и Китайские власти анонсируют протокол New IP (о протоколе, можно прочитать тут)
3. Откуда ноги растут?
Информацию о замене TCP/IP была сформулирована СМИ исходя из выступления представителя компании «Техноджет». Данная компания занимается спутниками, беспилотной авиацией и связью. Для понимания ситуации необходимо обратится к первоисточнику (сайт Кремля). Ниже представлены ключевые тезисы из данной встречи:
В докладе «Техноджет» речь шла о беспроводных каналах связи для спутников и летательных аппаратов
В своих разработках «Техноджет» использует собственные протоколы передачи данных
«Техноджет» создала технологические блоки для широкополосной системы спутниковой связи
У «Техноджет» есть план в развертывании наземного и спутникового сегмента проекта «Интернет из России»
У «Техноджет» уже есть рабочий прототип протокола, который проходил испытания на закрытых объектах
По заявлениям «Техноджет», созданный ими протокол работает лучше, чем TCP/IP в их условиях эксплуатации (восстановление передачи данных для TCP/IP составляет 360 секунд;, а для их протокола — 5,7 секунд)
По заявлениям «Техноджет», новый протокол обеспечивает стабильные каналы связи для спутников и летательных аппаратов
Какие выводы можно сделать на основе данной информации:
Есть рабочий прототип протокола, который прошел испытания для организации связи со спутниками и летательными аппаратами
Протокол был испытан для объектов, которые постоянно перемещаются в пространстве
Исходя из особенностей применения между участниками сетевого взаимодействия возможны большие расстояния, что может приводить к задержкам при передачи данных
Для организации сетевого взаимодействия использовались беспроводные каналы связи, в связи с чем возможны потери сетевых пакетов из-за неблагоприятных условий окружающей среды
Все перечисленные условия эксплуатации накладывают ограничения на пропускную способность каналов связи
Названия проекта «Интернет из России» говорит о желании использовать разработанный ими протокол не только в сетях Интранета, но и в сети Интернет
Поскольку изначально разработка протокола была связана с каналами связи применяемых в спутниках и летательных аппаратов, то для начала необходимо посмотреть на мировой опыт в данном вопросе.
4. Мировой опыт организации каналов связи для БПЛА
Связь между различными БПЛА
В БПЛА применяются как цифровые, так и аналоговые каналы связи, либо их комбинация.
Сравнение аналогового и цифрового канала связи представлена в таблице:
Характеристика | Аналоговая связь | Цифровая связь |
Простота и надежность | + (не требует сложную обработку сигнала) | — (при обработки сигнала могут использоваться сложные алгоритмы для обработки, например, кодеки для видеосигнала) |
Низкая задержка (быстрое реагирование на изменение окружающей среды) | + | — (сложная обработка сигнала накладывает ограничения на скорость обработки данных) |
Низкая стоимость | + | - |
Простота в обслуживании | ± (периодически необходимо выполнять калибровку) | + |
Высокая пропускная способность | — (повышение пропускной способности может снизить прочие характеристики, такие как простота, задержка и стоимость) | + |
Чувствительность к помехам | + | - |
Ограничения в дальности передачи данных | ± | ± |
Гарантированная доставка данных | - | + |
Аналоговый канал связи обычно используют для маленьких и быстрых БПЛА (гоночные БПЛА), где нужна минимальная задержка между получением видеосигнала и подачей управляющих команд. Если необходимо получать красивую видео картинку в большом разрешении используют цифровые каналы связи.
В цифровых каналах связи, на канальном и физическом уровне модели OSI обычно используют следующие протоколы: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, LTE. На сетевом: IPv4. На канальном UDP или TCP. На уровне приложений как типовые протоколы, типа RTP/RTSP, так и специализированные, типа: MAVLink, DJI GO, Ardupilot.
Видно что производили коммерческих БПЛА за основу берут готовый стек TCP/IP, поскольку для него уже есть набор аппаратного обеспечения, чипов, контроллеров и программного обеспечения, что делает решение надежнее, проще и дешевле.
Если говорить про не коммерческие БПЛА, производители могут разрабатывать проприетарные протоколы взаимодействия и для них создавать собственное оборудование и программное обеспечение. Такой подход позволяет избавится от технологических ограничений и недостатков, которые есть в типовых протоколах.
5. Мировой опыт организации космических каналов связи
Поскольку TCP/IP показал свою неэффективность при применении в космической связи, был разработан новый набор стандартов SCPS (Space Communications Protocol Specifications) (про него можно прочитать тут).
SCPS представляет собой набор стандартов, разработанных для обеспечения эффективной передачи данных в спутниковых системах связи. Из SCPS можно выделить следующие протоколы:
SCPS-NP (Network Protocol) — (аналог протокола IP), сетевой протокол который обеспечивает надежную передачу сетевых пакетов в условиях ограниченной пропускной способности и высокой задержки
SCPS-TP (Transport Protocol) — использует принцип протоколов TCP и UDP, но с учетом особенностей космический сетей связи. Протокол поддерживает: несколько режимов работы (с установкой соединения и без установки соединения), механизмы сжатия данных и шифрования
SCPS-ARQ (Automatic Repeat Request) — используется для контроля канала связи и повторной передачи данных в случае возникновения ошибки. Основная задача данного протокола, является обеспечение надежной передачи данных через ненадежные каналы связи
Эффективность применения SCPS по сравнению с TCP/IP представлен на графике (взят из статьи):
Производительность TCP vs SCPS-TP
Данные измерения производились на ненадежном канале связи, где периодически происходили обрывы.
6. Существует ли опасность в использовании иностранных сетевых протоколов?
На счет преимуществ при использовании стандартных протоколов тут и так все понятно, а вот с потенциальной опасностью не так все однозначно. Давайте попробуем предположить какие могут существовать риски:
Использование стандартных протоколов делает открытым механизмы сетевого взаимодействия. Что позволяет использовать готовые атаки для таких протоколов
Использование стандартных протоколов приводит к применению стандартного оборудования и программного обеспечения, которое разработано в других государствах. Данные разработки потенциально могут иметь в своем составе программные и аппаратные закладки
Отсутствует возможность в модификации и влияния на развитие сетевых протоколов
Существует зависимость от иностранных технологий
7. Заключение
В результате всего выше перечисленного можно сделать следующие выводы:
Для космических каналов связи и для движущихся с большой скоростью объектов, технология TCP/IP не очень подходит, но для этого уже есть технические решения
Проприетарные протокол можно спокойно использовать в Интранет сетях изолированных от Интернета
Перевод проприетарных протоколов из Интернет сети в Интернет, возможна только при условии кросс совместимости (т.е. оборудование и программное обеспечение построенное на проприетарных протоколов должно поддерживать работу с технологией TCP/IP)
Замена TCP/IP на новый протокол в сети Интернет обречена на провал, поскольку весь мир плотно сидит на TCP/IP (сетевое оборудование, каналы связи, сетевой стек операционной системы, библиотеки и программное обеспечение). И тут много слоев, если ограничится только заменой оборудования то с операционными системами и программным обеспечением еще все сложнее (необходимо будет создавать промежуточный слой с эмуляцией TCP/IP или все переписывать на новый сетевой стек). Также необходимо переводит на новые технологии весь мир, и желательно делать это одновременно
Суверене от иностранных технологий дело конечно хорошее, но тут нужно подходить избирательно. Для государственных органов и критической инфраструктуры можно развивать новые технологии и оборудование, но для широких масс это может быть дорого, не востребовано и технологически сложно
На текущий момент достаточно мало информации, что это за зверь такой — проект «Интернет из России», что бы делать какой-то более глубокий технический анализ
P.S. Стоит ли изобретать велосипед? Весьма риторический вопрос.
