Sieci komputerowe: pytania do ćwiczeń z wyjaśnieniami

1Czym jest sieć komputerowa

Sieć to grupa urządzeń wymieniających dane: laptopów, telefonów, serwerów, drukarek. Urządzenia w niej nazywa się hostami.

Sieć wewnątrz jednego budynku lub kampusu to LAN (sieć lokalna). Sieć obejmująca miasta lub kraje to WAN (sieć rozległa). Internet łączy miliony sieci.

Dane nie wędrują jako jeden długi strumień. Są cięte na małe kawałki zwane pakietami, a każdy pakiet znajduje własną drogę do celu.

Urządzenia mogą się nawzajem rozumieć tylko wtedy, gdy stosują te same reguły. Taki zestaw reguł dotyczących formatu i kolejności wiadomości to protokół. TCP, IP i HTTP są protokołami.

Większość usług działa w modelu klient–serwer: klient, taki jak twoja przeglądarka, wysyła żądanie, a serwer odsyła odpowiedź.

Dwa pojęcia opisują, jak szybkie jest połączenie. Przepustowość to maksymalna szybkość przesyłania danych, na przykład 100 Mbit/s. Opóźnienie (latencja) to czas zwłoki, zanim dane dotrą, mierzony w milisekundach.

2Warstwy i enkapsulacja

Sieci dzieli się na warstwy. Każda warstwa rozwiązuje jeden problem i korzysta z warstwy poniżej. Model OSI ma 7 warstw; model TCP/IP używany w internecie grupuje je w 4 lub 5.

• 1 Fizyczna: wysyła surowe bity jako sygnały elektryczne, świetlne lub radiowe przez kable i powietrze.
• 2 Łącza danych: dostarcza ramki między urządzeniami w tej samej sieci lokalnej, używając adresów MAC. Tu działają Ethernet i Wi-Fi.
• 3 Sieciowa: dostarcza pakiety między sieciami, używając adresów IP. Tu działają routery.
• 4 Transportowa: dostarcza dane między programami, używając numerów portów. TCP wysyła segmenty; UDP wysyła datagramy.
• 5–7 Sesji, prezentacji, aplikacji: usługi, z których korzystają ludzie, takie jak HTTP dla stron WWW, DNS dla nazw i SMTP dla poczty.

Gdy dane są wysyłane, każda warstwa dodaje własny nagłówek przed danymi z warstwy wyżej. Nazywa się to enkapsulacją. Odbiorca usuwa nagłówki w odwrotnej kolejności.

TCP najpierw nawiązuje połączenie (trójstopniowe uzgadnianie SYN, SYN-ACK, ACK). Numeruje dane, czeka na potwierdzenia i ponownie wysyła to, co zginęło. Jest niezawodny i zachowuje kolejność.

UDP wysyła bez połączenia i bez ponownego wysyłania. Jest szybszy i używany tam, gdzie opóźnienie liczy się bardziej niż zgubiony pakiet: wideo na żywo, gry i krótkie zapytania DNS.

3Adresy, urządzenia i protokoły pomocnicze

Trzy rodzaje adresów współpracują ze sobą, po jednym na warstwę:

• Adres MAC (warstwa 2): 48-bitowy adres sprzętowy karty sieciowej. Używany tylko wewnątrz sieci lokalnej.
• Adres IP (warstwa 3): adres IPv4 ma 32 bity, adres IPv6 128 bitów. Mówi, gdzie w internecie jest host.
• Numer portu (warstwa 4): wskazuje program na hoście. Dobrze znane porty biegną od 0 do 1023: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

Urządzenia odpowiadają tym samym warstwom. Koncentrator (hub) (warstwa 1) kopiuje każdy sygnał na wszystkie porty. Przełącznik (switch) (warstwa 2) wysyła ramkę tylko na port docelowego adresu MAC. Router (warstwa 3) przekazuje pakiety między sieciami.

Kilka protokołów pomocniczych sprawia, że to działa:

• DHCP przydziela hostowi adres IP, maskę, bramę domyślną i serwer DNS, gdy dołącza do sieci.
• DNS tłumaczy nazwę, taką jak example.com, na adres IP, jak książka telefoniczna.
• ARP znajduje adres MAC należący do adresu IP w sieci lokalnej.
• ICMP przenosi komunikaty o błędach i testowe. Polecenie ping używa żądań echa ICMP.
• NAT pozwala wielu urządzeniom z adresami prywatnymi (10.x, 172,16–31.x, 192,168.x) współdzielić jeden adres publiczny.

Brama domyślna to router, do którego host wysyła każdy pakiet, gdy cel leży poza jego własną podsiecią.

4Metoda krok po kroku

Na większość pytań, od definicji po przypadki diagnozowania usterek, można odpowiedzieć tymi samymi krokami.

1. Znajdź warstwę. Czy pytanie dotyczy sygnałów, ramek i adresów MAC, pakietów i adresów IP, portów i połączeń, czy aplikacji?
2. Nazwij urządzenie lub protokół działający w tej warstwie: koncentrator, przełącznik lub router; Ethernet, IP, TCP lub UDP; DNS, DHCP lub HTTP.
3. Dla usterki wypisz, co nadal działa, a co zawodzi. To, co działa, dowodzi, że każda niższa warstwa jest w porządku.
4. Szukaj najniższej warstwy, która może wyjaśnić wszystko, co zawodzi. To najbardziej prawdopodobna przyczyna.
5. Sprawdź odpowiedź z pozostałymi faktami w pytaniu: musi wyjaśniać je wszystkie.

Dla krótkich obliczeń: opóźnienie transmisji to rozmiar pakietu podzielony przez szybkość łącza, a opóźnienie propagacji to odległość podzielona przez prędkość sygnału.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

6Typowe błędy

• Mylenie DNS z DHCP. DNS tłumaczy nazwy na adresy; DHCP rozdaje adresy.
• Mylenie przełącznika z routerem. Przełącznik używa adresów MAC wewnątrz jednej sieci; router używa adresów IP między sieciami.
• Myślenie, że UDP to „zły TCP”. Wybiera się go celowo, gdy małe opóźnienie liczy się bardziej niż ponowne wysyłanie zgubionych danych.
• Mylenie przepustowości (pojemność) z opóźnieniem (zwłoka).
• Umieszczanie numerów portów w warstwie sieciowej. Porty należą do warstwy transportowej, adresy IP do sieciowej.
• Zapominanie o bramie domyślnej. Bez niej host dociera do własnej podsieci, ale do niczego poza nią.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

• Łatwe: pojęcia i fakty. Liczba warstw OSI, co robi DNS lub DHCP, domyślne numery portów, rozmiar adresu IPv4.
• Średnie: stosowanie pojęć. Warstwa urządzenia, dlaczego wybiera się dany protokół, co robi ARP, NAT lub uzgadnianie TCP, małe obliczenia podsieci i opóźnień.
• Trudne: przypadki i analiza. Scenariusze diagnozowania usterek, zachowanie TCP przy stratach i zatorach, protokoły routingu, ataki takie jak ARP spoofing czy SYN flood oraz TLS.

Każde pytanie ma cztery opcje. Najpierw wyeliminuj opcje należące do złej warstwy; często zostaje tylko jedna.