Ця частина додатка до книги коротко присвячена основам комп’ютерних мереж, а не замінює зміст звичайної книги про мережі. З іншого боку, це дає нам хорошу основу уявити, як вони працюють, і мати уявлення про використовувані технології.

управління

Ethernet

Ethernet - це мережева система, що використовує 8 скручених пар. При цьому між кожною станцією встановлюється точковий зв’язок. Пари проводів гальванічно ізольовані з кожного боку ізолюючим трансформатором. Це нещодавно було інтегровано в розетку мережевого кабелю. Роз'єм Ethernet - RJ-45.

Відстань між двома точками може становити до 100 метрів, хоча залежно від кабелю це може бути зменшено до 80 метрів. Залежно від того, скільки пар проводів ми підключаємо, швидкість мережі змінюється. Ми розрізняємо версії 10, 100 і 1000 Мбіт/с, які всі є зворотно сумісними. Отже, у мережі 1000 Мбіт/с ми можемо використовувати як 10, так і 100 Мбіт/с пристрої.

Використовувані дроти різняться залежно від швидкості мережі, також з точки зору конструкції та підключення. Провід розділений на категорії. Доступні кабелі CAT 3 (10 Мбіт/с), CAT 5 (100 Мбіт/с) і CAT 7 (1000 Мбіт/с).

Кабельне підключення залежить від швидкості та пристрою. Через залежність пристрою існує два типи кожного з’єднання: прямолінійний та зшитий типи кабелів. Кросоверний кабель слід використовувати там, де два пасивні пристрої підключені без якогось активного пристрою (наприклад, два комп'ютери або кілька комп'ютерів через концентратор). Прямий кабель завжди підключається до двох або більше пристроїв через активний пристрій. До речі, більшості активних пристроїв не важливо, підключені вони зшитим або прямим кабелем. З'єднання поділяються на типи A і B.

У вас буде прямий кабель, якщо вилка підключена на обох кінцях відповідно до стандарту A (За бажанням ми можемо використовувати 2 з'єднання B). Наш кабель буде зшитим, якщо роз'єм на одній стороні підключений відповідно до стандарту A, а з іншого боку - до стандарту B. Цей тип кабелю називають перехресним кабелем для кабелів заводського виробництва.

Кабель, призначений для більш високої швидкості мережі, також може бути використаний для мереж з меншою швидкістю, якщо по мережевому кабелю передаються лише мережеві сигнали. У випадку мереж з меншою швидкістю, ніжки, що не використовуються для передачі, також можуть нести електроенергію, яка підходить для роботи мережевого пристрою. Це називається Power over Ethernet (PoE). Спочатку такі рішення були специфічними для постачальника, але зараз є повністю стандартними. Як правило, максимум 48 В постійного струму може передаватися струмом 350 мА, що підходить для передачі 16,5 Вт потужності.

Типи мережевих пристроїв

Від мережевих пристроїв ми розрізняємо активні та пасивні пристрої. Однак це стосується не їх потреб у електроживленні, а їх роботи в мережі. Пасивні пристрої в цьому відношенні найніміші, тоді як активні активи «так би мовити» розумніші. Пасивними пристроями є ретранслятор і концентратор, а активними - комутатор і маршрутизатор.

ретранслятор

Повторювач - це не що інше, як повторювач. Застосовується в місцях, де довжина кабелю перевищує максимально допустиму 100 метрів. Потім кожні 100 метрів повинен бути розміщений ретранслятор, який передає дані, що надходять від вхідного порту, до вихідного порту.

концентратор

Хаб - це зоряний хаб. Кожна точка також має вхід і вихід. Він розподіляє вхідний сигнал у кожній вихідній точці. Насправді кожен концентратор також є ретранслятором.

перемикач

Комутатор є розумнішим концентратором, оскільки він передає вхідний сигнал лише на провід, на якому розташована станція призначення, тим самим зменшуючи навантаження на мережу. Це може зробити це, працюючи на другому рівні моделі OSI та беручи до уваги MAC-адресу відправника та пункту призначення перед передачею. Ви не знаєте топології мережі, коли її вмикаєте, тому вона відобразить деталі, що мають відношення до вашої мережі після її ввімкнення.

міст

Інструмент для підключення підмереж, як комутатор, він працює у другому рівні моделі OSI і тому не здатний вирішувати завдання маршрутизації, як маршрутизатор. Зазвичай, більш просунуті комутатори також мають функцію Bridge.

маршрутизатор

Маршрутизатор підходить для підключення мереж. За визначенням, він має два порти. Порт WAN, який підключається до іншої мережі, і порт LAN, що підключається до мережі, на якій увімкнено маршрутизатор. Однак насправді більшість маршрутизаторів також є комутатором, тому вони мають кілька портів LAN. Він настільки просунутий, ніж міст, що маршрутизатор може розрізняти підмережі та встановлювати між ними налаштування маршрутизації.

Модель OSI

Модель OSI є еталонною моделлю для взаємозв'язку відкритих систем. Вони призначені для того, щоб зробити комп'ютерні мережі підключеними незалежно від реалізації. Насправді він існує лише на папері, ніколи не застосовувався повністю, лише деяка його підмножина. На практиці замість 7-шару OSI використовується п'ятирівнева модель TCP/IP, оскільки повна реалізація OSI була б надмірно складною.

Загальною особливістю семи шарів є те, що кожен шар може базуватися лише на послугах шару нижче, а шар може надавати свої послуги лише шару над ним. Таким чином, на практиці певні шари моделі, побудованої на двох станціях, можуть взаємодіяти лише між собою.

Фізичний рівень визначає фізичні та електричні характеристики пристроїв, необхідних для функціонування мережі. Цей шар працює спеціально з низкою бітів. З мережевих пристроїв концентратор і репітер працюють на цьому рівні.

Він забезпечує функції та процедури, що дозволяють передавати дані між двома елементами мережі. Він також вказує і, якщо це можливо, виправляє помилки на фізичному рівні (зауважте: на практиці це завдання зараз є частиною протоколу IP, тому воно не використовується широко на цьому рівні). Проста схема адресації використовується на фізичному рівні, тобто використовуються адреси - це фізичні адреси (MAC-адреси), які фіксуються виробником на рівні мережевої карти.

Мережевий рівень
Він забезпечує функції та процедури, необхідні для передачі наборів даних змінної довжини від відправника до одержувача, з тим щоб дані могли передаватися через одну або кілька мереж, залежно від якості послуги. Мережевий рівень забезпечує маршрутизацію мережі, управління потоком даних, сегментацію/десегментацію даних, а головне, функції перевірки помилок. Маршрутизатори працюють на цьому рівні в мережі. Тут модель вже використовує логічну схему адресації - значення визначаються адміністратором мережі за допомогою ієрархічно організованої схеми адресації. Це буде IP-адреса. В даний час використовується дві версії цього: 4 та 6.

Транспортний рівень забезпечує прозорість передачі даних між користувачами. Шар забезпечує та перевіряє надійність певного з'єднання. Деякі протоколи орієнтовані на зв’язок. Це означає, що рівень відстежує пакети даних і гарантує, що пакет або пакети повторно передаються у разі помилки. Найвідомішим протоколом рівня 4 є TCP, але протокол UDP також належить до цього рівня.

Рівень відносин реалізує механізм управління діалогом між додатками кінцевих користувачів. Характерним його завданням є побудова і розрив логічного зв'язку, організація діалогу. Він також виконує завдання синхронізації, включаючи контрольні точки. Їх часто називають шаром співпраці.

Рівень відображення відповідає за форматування та передачу інформації на прикладний рівень, де вона в подальшому обробляється та відображається. Забезпечує, що на рівні програми більше не виникає проблем із синтаксичними різницями, які можуть виникати внаслідок різних методів інтерпретації даних у системах кінцевих користувачів.

Послуги рівня додатків підтримують зв'язок між програмними програмами, а мережеві служби нижчого рівня здатні інтерпретувати потреби програм, а додатки можуть інтерпретувати дані, що надсилаються по мережі, за потреби. За допомогою протоколів прикладного рівня програми можуть узгоджувати формат, додатковий процес, безпеку, синхронізацію чи інші мережеві потреби.

Модель TCP/IP

TCP/IP означає структуру протоколу, яка також становить Інтернет. Він названий на честь протоколів TCP та IP, практичної реалізації моделі OSI. Назви та функції шарів здебільшого збігаються з тими, що обговорювалися в моделі OSI, але дещо спрощені.

Фізичний рівень
Фізичний рівень пересилає кадри, отримані від рівня каналу передачі даних у мережі. На приймаючій стороні той самий процес відбувається назад, поки дані не потраплять до програми приймальної машини.

Шар зв'язку даних також додає власний заголовок до отриманих даних і розбиває дані на кадри. Якщо отримані дані занадто великі, щоб поміститися в кадр, вони розбиваються і додають так званий хвіст до кінця останнього кадру, щоб відновити вихідні дані на приймаючій стороні.

Мережевий (Інтернет) рівень

Додає власний заголовок до пари заголовків, отриманих від транспортного рівня, що містить інформацію про те, яка кінцева точка отримає дані.

На початок даних, отриманих від рівня програми, є так званий заголовок, який вказує, з яким протоколом транспортного рівня (як правило, TCP або UDP) дані надсилаються.

Рівень програми встановлює зв'язок між ініційованою програмою та рівнем доставки. Якщо програма хоче надіслати дані через мережу, прикладний рівень перенаправляє їх на транспортний рівень.

Протоколи, технології

Опису одних моделей недостатньо, щоб зрозуміти, як працює мережа, хоча вони забезпечують хорошу основу для цього. У цьому розділі я детальніше обговорюватиму кожну з основних технологій та протоколів, які мають важливе значення для розуміння мереж.

Протокол IP

Протокол IP відповідає за логічну адресацію машин у мережі. В даний час використовуються дві версії: чотиримісна (IPv4) та шість (IPv6). Версія четверта була випущена в 1981 році. Це визначає пристрої з 32-розрядною адресою. 32-розрядна адреса задається в байтах у десятковій формі, розділених крапками. Завдяки 32 бітам одразу можна вирішити трохи більше 4,2 мільярда пристроїв. Розробники стандарту думали, що доступні адреси рано чи пізно закінчаться, тому вони придумали рішення для розбиття Інтернету на підмережі. Це конкретно означає, що пристрої (хости), на які можна звертатись в Інтернеті, можуть мати дві адреси. З зовнішньою, публічною адресою та внутрішньою, мережевою адресою. Таким чином, 4,2 мільярда машин також можуть бути адресовані у внутрішній мережі, якщо внутрішня мережа не розбита хостом на додаткові мережі. Мережевий інструмент - це маршрутизатор, який пересилає пакети даних на свою внутрішню адресу у зовнішню мережу і навпаки.

Ця схема адресації була перевірена вже деякий час, однак мережі з часом почали ускладнюватися. Розробники протоколу визнали, що ця схема адресації не є рішенням у довгостроковій перспективі. Тому після багатьох проектів версія шостого протоколу IP була завершена. Цікаво, що хоча існувало п’ять версій протоколу, це ніколи не використовувалось, але замість цього поширилася вдосконалена шість. Зараз це підтримується більшістю операційних систем. На жаль, це вже не так у мережевих пристроїв. На щастя, протокол також може працювати на мережевих пристроях IPv4 у спеціальному режимі, але на даний момент це підтримують не всі. Версія шоста використовує 128-розрядні адреси. Таким чином, теоретично, 3,402 x 10 38 хостів можуть бути адресовані одночасно. Це величезна кількість, настільки велика, що якби це було можливо, ми могли б дати всім молекулам у повітрі унікальну адресу і навіть не входити в нашу адресу. Я не буду розглядати структуру версії шість у рамках книги, оскільки більшість вбудованих пристроїв використовують версію четверту.

Назви, які можна виділити, поділяються на три класи. Класи адрес визначають, на скільки мереж і хостів можна розбити весь діапазон адрес. Ви можете відступити від цієї адресної системи.

Клас адреси Біти початку адреси Ідентифікатор мережі Ідентифікатор хосту
THE 0 8 біт 24 біт
THE 10 16 біт 16 біт
THE 110 24 біт 8 біт

Кожна адреса матиме поряд маску підмережі. Це визначає мережеву адресу з IP-адреси. Це потрібно для подальшого демонтажу та підключення мереж. Маска також 32-розрядна. Там, де воно представляє двійкове значення, ці біти визначають мережеву адресу. Будь-який пристрій зможе визначити мережеву адресу, виконавши двійкову операцію І між маскою та IP-адресою. Для IP-адреси класу C перші 24 біти маски є одиничними, а останні вісім бітів - 0. Якщо це описано, як зазвичай для IP-адрес, значення маски становить 255.255.255.0

У межах класу IP-адрес не можна вказати адресу хосту, яка містить лише нулі та одиниці. Це зарезервовані адреси. Повністю нульовий хост - це мережева адреса, тоді як повністю закритий хост - це так звана широкомовна адреса, на яку при надсиланні повідомлення всі машини в цій мережі отримують.

Якщо ви хочете підключити свою мережу до іншої мережі, вам потрібно ввести іншу адресу - адресу шлюзу за замовчуванням. Це буде адреса станції, яка підключена до нашої власної мережі та іншої. Зазвичай це перша доступна адреса хоста або остання. Але від цього можна довільно відхилятися.

MAC-адреса

Кожен мережевий пристрій має фізичну адресу. Це фактично визначить пристрій у мережі. Це 48-бітове число, вказане у шістнадцятковому форматі, розділене дефісом на байт. 24 біти числа ідентифікують виробника та/або розповсюджувача пристрою. Розподіл цієї частини послідовності номерів контролюється міжнародною організацією, тоді як виробник відповідає за розподіл решти 24 бітів. Для деяких операційних систем та пристроїв це може бути замінено програмним забезпеченням з різних причин. Якщо в мережі є дві машини з однаковою фізичною адресою, це спричиняє серйозні проблеми.

TCP/UDP

Сам по собі протокол IP забезпечує лише логічну адресацію хостів. Повідомлення більше не має надходити від відправника до одержувача, оскільки це завдання протоколу доставки. Найпоширенішими транспортними протоколами є TCP та UDP. Хоча UDP за останні роки здебільшого зник, можна сказати, що він майже зник.

Протокол TCP розділяє повідомлення, що надсилаються, на фрагменти до 64 Кб, а потім пересилає ці пакети. Протокол гарантує безпомилкову доставку повідомлень. Приймаюча машина надсилає зворотній зв'язок відправнику після кожного отриманого пакету. Якщо пакет втрачений під час передачі, відправник повторно відправить пакет.

UDP - це безпровідний протокол. Це означає, що відправник відмовляється від пакету, але не просить одержувача отримати відгук про отримання. Таким чином, доставка повідомлень не гарантується, але оскільки контрольна сума входить до кожного пакета, це дозволяє виявити неправильну доставку. Цей протокол доставки в основному використовується в місцях, де ретрансляцію повідомлення легко вирішити простим пошуком. Наприклад, служба DNS взаємодіє з транспортом UDP.

Служба DNS дозволяє уникнути запам'ятовування числових IP-адрес. Це дозволяє звертатися до комп’ютерів за їх іменем та доменом. Служба DNS розбиває мережу на накладений, багаторівневий, іменований домен.

З технічної точки зору, DNS - це не що інше, як спільна база даних. Термін, що використовується для баз даних, означає, що дані не зберігаються на одній машині.

У мережевій конфігурації потрібно завжди вводити адресу DNS-сервера. Наші запити щодо дозволу імен будуть надіслані на цей сервер. Якщо запитані дані не знайдені на цьому сервері, сервер перенаправляє запит на сервер, який має інформацію про адресу, пов’язану з іменем.

Для роботи мережі важливо, щоб підключені до мережі машини використовували один і той же клас адрес. Налаштування цього вручну незручно для багатьох машин. Ось чому був винайдений протокол DHCP, який дозволяє центральну конфігурацію та автоматичне присвоєння адрес на основі MAC-адреси.

Порти

IP-адреси використовуються для ідентифікації окремих машин, а порти - для ідентифікації програм, що беруть участь у мережевому зв'язку. Адресація портів становить 16 біт, тобто загалом існує 65536 портів. Виділення портів для перших 1024 портів зарезервовано для попередньо визначених програм за взаємною згодою. Виділення додаткових портів є динамічним, що означає, що програма розподіляє цей порт до тих пір, поки він вам потрібен, а потім звільняє його. Це рішення запобігає спілкуванню популярних та важливих мережевих служб. Наступна таблиця підсумовує порти, що використовуються основними службами та програмами: