Комп'ютерні мережі: тренувальні питання з поясненнями

1Що таке комп’ютерна мережа

Мережа — це група пристроїв, що обмінюються даними: ноутбуки, телефони, сервери, принтери. Пристрої в мережі називають вузлами (hosts).

Мережа в межах однієї будівлі чи кампусу — це LAN (локальна мережа). Мережа між містами чи країнами — це WAN (глобальна мережа). Інтернет з’єднує мільйони мереж.

Дані подорожують не одним довгим потоком. Їх розрізають на малі шматки, які називають пакетами, і кожен пакет сам знаходить шлях до місця призначення.

Пристрої можуть розуміти один одного, лише якщо дотримуються тих самих правил. Такий набір правил щодо формату й порядку повідомлень — це протокол. TCP, IP і HTTP — протоколи.

Більшість сервісів працює за моделлю клієнт–сервер: клієнт, наприклад ваш браузер, надсилає запит, а сервер повертає відповідь.

Два слова описують швидкість з’єднання. Пропускна здатність (bandwidth) — це максимальна швидкість передавання даних, наприклад 100 Mbit/s. Затримка (latency) — це затримка до надходження даних, що вимірюється в мілісекундах.

2Рівні та інкапсуляція

Мережеві технології поділені на рівні. Кожен рівень розв’язує одну задачу й використовує рівень під собою. Модель OSI має 7 рівнів; модель TCP/IP, яку використовують в інтернеті, групує їх у 4 або 5.

• 1 Фізичний: передає сирі біти як електричні, світлові чи радіосигнали по кабелях і повітрю.
• 2 Канальний: доставляє кадри (frames) між пристроями в тій самій локальній мережі за MAC-адресами. Тут працюють Ethernet і Wi-Fi.
• 3 Мережевий: доставляє пакети між мережами за IP-адресами. Тут працюють маршрутизатори.
• 4 Транспортний: доставляє дані між програмами за номерами портів. TCP надсилає сегменти; UDP надсилає дейтаграми.
• 5–7 Сеансовий, представлення, прикладний: сервіси, якими користуються люди, наприклад HTTP для вебу, DNS для імен і SMTP для електронної пошти.

Коли дані надсилаються, кожен рівень додає власний заголовок перед даними з вищого рівня. Це називають інкапсуляцією. Одержувач знімає заголовки у зворотному порядку.

TCP спершу встановлює з’єднання (триетапне рукостискання SYN, SYN-ACK, ACK). Він нумерує дані, чекає підтверджень і повторно надсилає втрачене. Він надійний і впорядкований.

UDP надсилає без з’єднання й без повторної відправки. Він швидший і використовується там, де затримка важливіша за втрачений пакет: пряме відео, ігри та короткі запити DNS.

3Адреси, пристрої та допоміжні протоколи

Три види адрес працюють разом, по одному на рівень:

• MAC-адреса (рівень 2): 48-бітна апаратна адреса мережевої карти. Використовується лише всередині локальної мережі.
• IP-адреса (рівень 3): адреса IPv4 має 32 біти, адреса IPv6 — 128 бітів. Вона вказує, де вузол розташований в інтернеті.
• Номер порту (рівень 4): вибирає програму на вузлі. Загальновідомі порти йдуть від 0 до 1023: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

Пристрої відповідають тим самим рівням. Концентратор (hub) (рівень 1) копіює кожен сигнал на всі порти. Комутатор (switch) (рівень 2) надсилає кадр лише на порт призначеної MAC-адреси. Маршрутизатор (router) (рівень 3) пересилає пакети між мережами.

Кілька допоміжних протоколів роблять це можливим:

• DHCP надає вузлу IP-адресу, маску, шлюз за замовчуванням і сервер DNS, коли той підключається до мережі.
• DNS перетворює ім’я, наприклад example.com, на IP-адресу, як телефонна книга.
• ARP знаходить MAC-адресу, що відповідає IP-адресі в локальній мережі.
• ICMP переносить повідомлення про помилки та тестові повідомлення. Команда ping використовує ехо-запити ICMP.
• NAT дає багатьом пристроям із приватними адресами (10.x, 172,16–31.x, 192,168.x) спільно використовувати одну публічну адресу.

Шлюз за замовчуванням — це маршрутизатор, на який вузол надсилає кожен пакет, коли призначення поза його власною підмережею.

4Метод крок за кроком

На більшість запитань, від означень до випадків усунення несправностей, можна відповісти за тими самими кроками.

1. Знайдіть рівень. Запитання про сигнали, кадри й MAC-адреси, пакети й IP-адреси, порти й з’єднання чи про застосунок?
2. Назвіть пристрій чи протокол, що працює на цьому рівні: концентратор, комутатор чи маршрутизатор; Ethernet, IP, TCP чи UDP; DNS, DHCP чи HTTP.
3. Для несправності перелічіть, що ще працює, а що ні. Те, що працює, доводить, що всі рівні під ним справні.
4. Шукайте найнижчий рівень, який може пояснити все, що не працює. Це найімовірніша причина.
5. Перевірте відповідь на решті фактів у запитанні: вона має пояснити їх усі.

Для коротких обчислень: затримка передавання — це розмір пакета, поділений на швидкість каналу, а затримка поширення — відстань, поділена на швидкість сигналу.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

6Типові помилки

• Плутати DNS і DHCP. DNS перетворює імена на адреси; DHCP роздає адреси.
• Плутати комутатор і маршрутизатор. Комутатор використовує MAC-адреси всередині однієї мережі; маршрутизатор використовує IP-адреси між мережами.
• Думати, що UDP — це «поганий TCP». Його вибирають навмисно, коли низька затримка важливіша за повторне надсилання втрачених даних.
• Плутати пропускну здатність (місткість) із затримкою (запізненням).
• Відносити номери портів до мережевого рівня. Порти належать до транспортного рівня; IP-адреси — до мережевого.
• Забувати про шлюз за замовчуванням. Без нього вузол досягає своєї підмережі, але нічого за її межами.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

• Легкий: ключові терміни та факти. Кількість рівнів OSI, що робить DNS чи DHCP, номери портів за замовчуванням, розмір адреси IPv4.
• Середній: застосування понять. Рівень пристрою, чому обрано протокол, що робить ARP, NAT чи рукостискання TCP, невеликі розрахунки підмереж і затримок.
• Складний: випадки й аналіз. Сценарії усунення несправностей, поведінка TCP за втрат і перевантаження, протоколи маршрутизації, атаки на кшталт ARP spoofing чи SYN flood та TLS.

Кожне запитання має чотири варіанти. Спершу відкиньте варіанти, що належать до неправильного рівня; часто залишається лише один.