1. Фундаментальные основы: модели OSI и TCP/IP, физическая среда и коммутация на канальном уровне
Фундаментальные основы: модели OSI и TCP/IP, физическая среда и коммутация на канальном уровне
Добро пожаловать в курс «Компьютерные сети: от новичка до профессионала». Мы начинаем наше путешествие с фундамента, на котором держится весь интернет и локальные сети. Чтобы понять, как ваше сообщение в мессенджере мгновенно оказывается на телефоне друга на другом конце света, нам нужно разобраться в правилах игры — сетевых моделях и физике передачи данных.
Зачем нужны сетевые модели?
Представьте, что вы строите дом. У вас есть электрики, сантехники, каменщики и маляры. Если каждый будет работать как ему вздумается, дом рухнет. Нужен чертеж и четкое разделение обязанностей: сначала стены, потом проводка, затем покраска.
В сетях роль такого «чертежа» выполняют сетевые модели. Они разбивают сложный процесс передачи данных на простые этапы (уровни). Это позволяет оборудованию от разных производителей (Cisco, Juniper, Huawei или сетевая карта в вашем ноутбуке) понимать друг друга.
Существует две основные модели:
Модель OSI: Семь кругов сетевого взаимодействия
Модель OSI состоит из 7 уровней. Нумерация всегда начинается снизу (от «железа») вверх (к пользователю).
!Структура семиуровневой модели OSI от физического уровня до прикладного
Разбор уровней (снизу вверх)
> «Все проблемы в сетях можно свести к одному из семи уровней, либо к прокладке между стулом и монитором». — Народная мудрость системных администраторов
Инкапсуляция и Декапсуляция
Когда вы отправляете фото, данные проходят путь с 7-го уровня по 1-й. На каждом уровне к данным добавляется заголовок (служебная информация). Это называется инкапсуляция (как матрешка).
На принимающей стороне происходит обратный процесс — декапсуляция: уровни снимают свои заголовки и передают «чистые» данные выше.
Модель TCP/IP: Реальность интернета
В реальной жизни модель OSI слишком громоздка. Модель TCP/IP упрощает её, объединяя некоторые уровни. Обычно выделяют 4 уровня:
| Уровень TCP/IP | Соответствие OSI | Протоколы | | :--- | :--- | :--- | | Прикладной | Прикладной, Представления, Сеансовый | HTTP, DNS, SSH | | Транспортный | Транспортный | TCP, UDP | | Интернет (Сетевой) | Сетевой | IP, ICMP | | Канальный (Доступа к среде) | Канальный, Физический | Ethernet, Wi-Fi |
В этом курсе мы будем часто ссылаться на номера уровней из модели OSI (L1, L2, L3), так как это общепринятый язык инженеров, даже если сеть работает на стеке TCP/IP.
Уровень 1: Физическая среда (L1)
Прежде чем говорить о протоколах, нужно соединить устройства физически. Задача L1 — передать поток битов.
Основные типы кабелей
Скорость передачи данных
В физике сетей важно понимать, сколько времени займет передача файла. Это описывается формулой времени передачи:
Где — время передачи (секунды), — размер данных (биты), — пропускная способность канала (биты в секунду).
Например, если нам нужно передать изображение размером 10 Мегабит по каналу 100 Мбит/с:
Где — итоговое время, равное 0.1 секунды. Это идеальная теоретическая задержка без учета накладных расходов протоколов.
Уровень 2: Канальный уровень и Коммутация (L2)
Если физика просто «льет» биты в трубу, то канальный уровень (Data Link Layer) наводит порядок. Он группирует биты в кадры (frames) и обеспечивает доставку внутри одной локальной сети.
Главное устройство здесь — Коммутатор (Switch). Главный идентификатор — MAC-адрес.
MAC-адрес: Паспорт устройства
У каждой сетевой карты в мире есть уникальный физический адрес — Media Access Control (MAC). Он «прошит» на заводе.
Формат: 48 бит, записывается в шестнадцатеричном виде. Пример: 00:1A:2B:3C:4D:5E.
00:1A:2B) — идентификатор производителя (OUI).3C:4D:5E) — уникальный номер карты.Как работает коммутатор (Switch)?
В отличие от старых концентраторов (Hub), которые тупо рассылали сигнал всем подряд, коммутатор «умный». Он знает, кто где находится.
!Принцип адресной передачи данных коммутатором на основе таблицы MAC-адресов
Алгоритм работы коммутатора:
Collision Domain (Домен коллизий)
В старых сетях (на хабах) устройства могли перебивать друг друга, пытаясь говорить одновременно. Это называлось коллизией.
Коммутаторы решают эту проблему. Каждый порт коммутатора — это отдельный микро-сегмент. Поэтому в современных сетях на базе коммутаторов коллизии практически отсутствуют (режим Full Duplex).
Итоги
Сегодня мы заложили первый камень в фундамент ваших знаний:
В следующей статье мы поднимемся на уровень выше и разберем L3 (Сетевой уровень): узнаем, что такое IP-адрес, маска подсети и как работает интернет-маршрутизация.