Компьютерные сети: тренировочные вопросы с объяснениями

1Что такое компьютерная сеть

Сеть — это группа устройств, обменивающихся данными: ноутбуки, телефоны, серверы, принтеры. Устройства в сети называют хостами.

Сеть внутри одного здания или кампуса — это LAN (локальная сеть). Сеть между городами или странами — WAN (глобальная сеть). Интернет объединяет миллионы сетей.

Данные передаются не одним длинным потоком. Их режут на небольшие части — пакеты, и каждый пакет сам находит путь к месту назначения.

Устройства могут понимать друг друга, только если следуют одним и тем же правилам. Такой набор правил о формате и порядке сообщений называется протоколом. TCP, IP и HTTP — это протоколы.

Большинство служб следует модели клиент–сервер: клиент, например ваш браузер, отправляет запрос, а сервер присылает ответ.

Два понятия описывают скорость соединения. Пропускная способность — максимальная скорость передачи данных, например 100 Mbit/s. Задержка — время до прихода данных, измеряемое в миллисекундах.

2Уровни и инкапсуляция

Сетевое взаимодействие разделено на уровни. Каждый уровень решает одну задачу и использует уровень под собой. В модели OSI 7 уровней; модель TCP/IP, используемая в интернете, объединяет их в 4 или 5.

• 1 Физический: передаёт необработанные биты в виде электрических, световых или радиосигналов по кабелям и воздуху.
• 2 Канальный: доставляет кадры между устройствами одной локальной сети с помощью MAC-адресов. Здесь работают Ethernet и Wi-Fi.
• 3 Сетевой: доставляет пакеты между сетями с помощью IP-адресов. Здесь работают маршрутизаторы.
• 4 Транспортный: доставляет данные между программами с помощью номеров портов. TCP отправляет сегменты; UDP отправляет датаграммы.
• 5–7 Сеансовый, представления, прикладной: службы, которыми пользуются люди, например HTTP для веба, DNS для имён и SMTP для электронной почты.

При отправке данных каждый уровень добавляет свой заголовок перед данными вышестоящего уровня. Это называется инкапсуляцией. Получатель убирает заголовки в обратном порядке.

TCP сначала устанавливает соединение (трёхстороннее рукопожатие SYN, SYN-ACK, ACK). Он нумерует данные, ждёт подтверждений и повторно отправляет потерянное. Он надёжен и упорядочен.

UDP отправляет без соединения и без повторных передач. Он быстрее и используется там, где задержка важнее потерянного пакета: прямые видеотрансляции, игры и короткие запросы DNS.

3Адреса, устройства и вспомогательные протоколы

Три вида адресов работают вместе, по одному на уровень:

• MAC-адрес (уровень 2): 48-битный аппаратный адрес сетевой карты. Он используется только внутри локальной сети.
• IP-адрес (уровень 3): адрес IPv4 имеет 32 бита, адрес IPv6 — 128 бит. Он показывает, где в интернете находится хост.
• Номер порта (уровень 4): выбирает программу на хосте. Общеизвестные порты идут от 0 до 1023: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

Устройства соответствуют тем же уровням. Концентратор (уровень 1) копирует каждый сигнал на все порты. Коммутатор (уровень 2) отправляет кадр только на порт с MAC-адресом назначения. Маршрутизатор (уровень 3) пересылает пакеты между сетями.

Несколько вспомогательных протоколов обеспечивают работу:

• DHCP выдаёт хосту IP-адрес, маску, шлюз по умолчанию и DNS-сервер, когда он подключается к сети.
• DNS переводит имя вроде example.com в IP-адрес, как телефонная книга.
• ARP находит MAC-адрес, соответствующий IP-адресу в локальной сети.
• ICMP передаёт сообщения об ошибках и тестовые сообщения. Команда ping использует эхо-запросы ICMP.
• NAT позволяет многим устройствам с частными адресами (10.x, 172,16–31.x, 192,168.x) совместно использовать один публичный адрес.

Шлюз по умолчанию — это маршрутизатор, которому хост отправляет каждый пакет, когда адресат находится вне его собственной подсети.

4Метод по шагам

На большинство вопросов, от определений до случаев диагностики неисправностей, можно ответить по одним и тем же шагам.

1. Найдите уровень. Вопрос о сигналах, кадрах и MAC-адресах, пакетах и IP-адресах, портах и соединениях или о приложении?
2. Назовите устройство или протокол, работающий на этом уровне: концентратор, коммутатор или маршрутизатор; Ethernet, IP, TCP или UDP; DNS, DHCP или HTTP.
3. Для неисправности перечислите, что ещё работает, а что нет. То, что работает, доказывает, что все уровни ниже него исправны.
4. Ищите самый низкий уровень, который может объяснить всё, что не работает. Это наиболее вероятная причина.
5. Сверьте ответ с остальными фактами в вопросе: он должен объяснять их все.

Для коротких расчётов: задержка передачи равна размеру пакета, делённому на скорость канала, а задержка распространения — расстоянию, делённому на скорость сигнала.

5Разобранный пример

Пройдите каждый шаг. Попробуйте предсказать следующий, прежде чем открыть его.

6Типичные ошибки

• Путать DNS и DHCP. DNS переводит имена в адреса; DHCP раздаёт адреса.
• Путать коммутатор и маршрутизатор. Коммутатор использует MAC-адреса внутри одной сети; маршрутизатор использует IP-адреса между сетями.
• Думать, что UDP — это «плохой TCP». Его выбирают намеренно, когда малая задержка важнее повторной отправки потерянных данных.
• Путать пропускную способность (ёмкость) с задержкой (запаздывание).
• Относить номера портов к сетевому уровню. Порты относятся к транспортному уровню, а IP-адреса — к сетевому.
• Забывать про шлюз по умолчанию. Без него хост достигает своей подсети, но ничего за её пределами.

7Как выглядят экзаменационные задачи

• Лёгкая: ключевые термины и факты. Число уровней OSI, что делают DNS или DHCP, номера портов по умолчанию, размер адреса IPv4.
• Средняя: применение понятий. Уровень устройства, почему выбирают тот или иной протокол, что делают ARP, NAT или рукопожатие TCP, небольшие расчёты подсетей и задержек.
• Сложная: случаи и анализ. Сценарии диагностики неисправностей, поведение TCP при потерях и перегрузке, протоколы маршрутизации, атаки вроде ARP-спуфинга или SYN-флуда, а также TLS.

В каждом вопросе четыре варианта. Сначала исключите варианты, относящиеся к неверному уровню; часто остаётся только один.