Передача пакетов
В компьютерных сетях данные передаются в виде пакетов. У каждого пакета данных есть заголовок, в котором указан адрес назначения. Маршрутизаторы и коммутаторы в узлах сети просматривают этот заголовок и направляют пакет дальше в соответствии с информацией в адресной части пакета.
В каждом коммутаторе локальной сети находится таблица передачи (forwarding table), в которой содержится информация о том, куда направить пакет дальше. Эта таблица представляет собой пары соответствий «destination – next_hop» (destination: адрес доставки пакета, next_hop: номер выхода коммутатора, на который он направляет пакет). Когда пакет прибывает на один из входов коммутатора, последний просматривает адрес назначения (который должен быть уникальным во всей сети Интернет) и по таблице передачи определяет тот свой выход, на который пакет нужно отправить. Информация next_hop («следующий скачок») предоставляет собой сетевой адрес следующего коммутатора, который приняв пакет, проделывает с ним такие же операции. Таким образом, пакет продвигается по сети, как по эстафете (forwarding: передача по эстафете, продвижение).
Стоит заметить, что информация destination в таблице передачи не обязательно должна собой представлять адрес конечного устройства, на который должен прибыть пакет. Это может быть также адрес промежуточного устройства, например, межсетевого шлюза, который забирает пакеты из одной локальной сети и направляет их в другую локальную сеть, в которой уже может находиться конечное устройство, для которого пакет предназначен. Может быть и так, что пакет на своём пути проходит несколько сетей.
На рисунке ниже коммутатор S1 содержит внешние интерфейсы 0, 1, 2, а коммутатор S2 – интерфейсы 0, 1, 2, 3. Если сетевое устройство А посылает пакет на сетевое устройство В, то коммутатор S1 должен содержать в таблице маршрутизации запись о том, путь на устройство В лежит через его интерфейс 2, а S2 должен содержать запись, что этот коммутатор должен передать пакет на интерфейс 3.
Таблица передачи в коммутаторе S1, с номерами интерфейсов для параметра next_hop, может выглядеть следующим образом:
| S1 | |
| destination | next_hop |
| A | 0 |
| C | 1 |
| B | 2 |
| D | 2 |
| E | 2 |
Соответственно, таблица передачи в коммутаторе S2 будет такой:
| S2 | |
| destination | next_hop |
| A | 0 |
| C | 0 |
| B | 3 |
| D | 1 |
| E | 2 |
Коммутаторы и маршрутизаторы
Устройства коммутации, работающие на уровне локальной сети LAN, и передающие пакеты по их адресу внутри сети LAN называются коммутаторами (switch). Иногда их могут называть «мостами» (bridge). Сети LAN также называют сетями Ethernet.
Устройства коммутации пакетов, работающие на уровне IP, называются маршрутизаторами. Эти устройства передают пакеты на основании их IP-адресов. Соответственно, их таблицы передачи называются таблицами маршрутизации (routing table). Они работают в сетях IP, объединяющих локальные сети Ethernet.
В таблицах маршрутизации в граничных маршрутизаторах на локальных сетях (сайтах) конечных пользователей обычно содержится запись, которая подходит для всех возможных IP-адресов, которые не принадлежат этому сайту, и поэтому пакеты с таким адресом назначения нужно отправлять во внешний Интернет.
Топология сети
В сети из двух коммутаторов, показанной выше, нет никаких петель. В теории графов такую сеть определили бы как сеть с топологией «дерево» (Tree). В такой сети между каждыми двумя узлами сети существует только один путь. Поэтому таблицы передачи для таких сетей легко составляются и никаких двусмысленностей по поводу того, куда дальше передавать пакет, в них не возникает.
Однако, в таких сетях нет «избыточности» (redundancy), то есть нет запасных путей на тот случай, если какой-то путь вдруг окажется неисправным. При этом, между какими-то двумя узлами неисправного пути передавать данные будет невозможно. Поэтому при построении сети в них обычно добавляют альтернативные маршруты, чтобы в случае отказа какого-то пути, пакеты можно было передать по другому маршруту. Это, конечно, усложняет таблицы маршрутизации.
Рис. 3. Пример избыточной топологии сети.
Многие локальные сети LAN (в частности, Ethernet) обычно имеют топологию дерева. Напротив, сети IP имеют сложные протоколы, которые поддерживают избыточные маршруты передачи пакетов.
Обмен информацией между компьютерами — Введение в интернет
Представьте, что нам нужно отправить письмо по почте. В этот процесс вовлечено много людей, и у каждого свои обязанности: сортировка почты, регистрация письма, его отправка и доставка. У каждого звена в этой цепи свои правила работы.
В интернете тоже есть свои правила или соглашения — протоколы. Например, для выдачи адреса используется протокол IP. Он определяет, как именно даются адреса и какой у них вид. Для работы интернета используется много разных протоколов и они образуют стек TCP/IP.
В этом уроке рассмотрим, что такое стек TCP/IP и сколько в нем уровней. Также подробнее разберем транспортный уровень, который отвечает за передачу информации в сети, и познакомимся с протоколами TCP и UDP.
Стек протоколов TCP/IP
Чтобы интернет мог работать, используется сетевая модель или стек TCP/IP — набор правил, которые описывают, как компьютеры соединяются и передают информацию друг другу. Наименование модели состоит из названий двух главных протоколов:
- TCP — протокол, который описывает, как передается информация внутри сети
- IP — протокол, который описывает связь компьютеров друг с другом
Сетевая модель делится на 4 уровня, в каждом из которых применяются протоколы для работы той или иной функции:
- Канальный уровень или Link Layer — самый низкий уровень. На этом уровне описываются протоколы, которые обеспечивают связь компьютеров в сети, обработка данных устройствами. Проводное, спутниковое, беспроводное соединения, сетевые карты и свитчи — все это относится к канальному уровню
- Сетевой уровень или Network Layer — протоколы для взаимодействия сетей между собой. В модели TCP/IP на этом уровне используется протокол IP
- Транспортный уровень или Transport Layer — протоколы для передачи информации. В интернете на этом уровне используются протоколы TCP и UDP, которые мы рассмотрим в этом уроке
- Прикладной уровень или Application Layer — протоколы для связи сетевых приложений. Эти протоколы позволяют открывать сайты, смотреть онлайн-фильмы. Подробнее прикладной уровень разберем в следующих уроках
Передача информации в сети
Адресация устройств в сети
Физическое подключение устройств
Все протоколы зависят друг от друга. Нельзя использовать сетевой уровень, если отсутствует канальный. Например, между компьютерами нет подключения, но мы хотим дать им адреса. Поэтому модель называется стеком — все уровни наслаиваются друг на друга без возможности пропустить какой-то из уровней.
В этом курсе мы уже встречались с канальным и сетевым уровнями. На первом была построена связь компьютеров друг с другом с помощью проводного и беспроводного соединения. На сетевом уровне выдаются IP-адреса и обеспечивается связь нескольких локальных сетей друг с другом.
Для передачи информации используются протоколы UDP и TCP, которые находятся на третьем уровне модели TCP/IP — транспортном.
Транспортный уровень
Транспортный протокол отвечает за транспортировку информации между компьютерами. Когда между устройствами передается большое количество информации, она разбивается на небольшие части — пакеты, которые посылаются поочередно. Компьютер собирает все пакеты вместе и проверяет их целостность по соглашениям, если это определено в протоколе.
Представьте коробки с вещами при переезде. Если вещей много, то их не поместить внутрь одной коробки, поэтому нужно больше коробок. Пакеты в интернете работают по такому же принципу. Например, видео невозможно передать в один прием из-за ограничений на канальном уровне. Поэтому информацию разбивают на несколько пакетов и передают их последовательно.
Размер информации, который можно передать в пакете, зависит от разных обстоятельств, ограничений, соглашений. Например, от способа подключения, ограничений провайдера и особенностей оборудования. В среднем это значение составляет 1500-2000 байт или 1.5-1.9 килобайта. Например, если нам нужно передать музыкальную композицию весом 5120 килобайт, то понадобится