Связь и коммуникация

Сеть — это набор вычислительных устройств, соединенных друг с другом для обмена данными и совместного использования ресурсов. Преимущества:

• совместное использование ресурсов (принтеры, файловые серверы, интернет) — дешевле, чем оснащать каждый компьютер.
• совместное использование данных — многие пользователи имеют доступ к одним и тем же файлам.
• центральное управление — установка программного обеспечения, управление пользователями и резервное копирование один раз на сервере.
• связь — электронная почта, видеозвонки, мессенджеры.
• удаленный доступ — работа из любого места.

Локальная вычислительная сеть (LAN) охватывает небольшую территорию — дом, офис или школу, обычно принадлежит организации, обеспечивает высокие скорости передачи данных и низкую задержку.

Глобальная вычислительная сеть (WAN) охватывает большую территорию — город, страну или весь мир (Интернет — самая большая WAN). Она использует инфраструктуру телекоммуникационных компаний — часто общественную коммутационную телефонную сеть (PSTN), арендованные линии или оптоволокно — со скоростями ниже и задержками выше. WAN соединяет локальные сети между собой.

Для вопроса «назовите две характеристики LAN»: она охватывает небольшую географическую область (один объект или здание); оборудование принадлежит организации, а не арендуется у телекоммуникационной компании; соединение осуществляется через собственные коммутаторы, кабели и точки доступа. Для вопроса «два способа, которыми WAN отличается»: она охватывает большую географическую область; использует инфраструктуру третьих лиц (арендуемую или общественную); скорости передачи данных ниже, а задержка выше; обычно объединяет несколько локальных сетей. Школа на одном участке — это LAN; компания с офисами в двух городах требует WAN, с арендованной линией или Интернетом между участками. Обоснуйте выбор площадью покрытия и владельцем каналов связи.

Клиент-серверная архитектура

• мощные машины выступают в роли серверов, предоставляя услуги (файлы, веб-страницы, электронную почту).
• другие машины являются клиентами, запрашивающими услуги.
• Центральная и простая в управлении, но сервер является точкой единого отказа, если нет резервного копирования.

Одноранговая сеть (P2P)

• все машины являются равными пэрами; каждая может выступать как клиент, так и сервер (peer-to-peer).
• ресурсы распределены по пэрам — нет центрального сервера. Устойчивость к отказу одного узла, но сложнее обеспечить безопасность и целостность данных.

Выбор модели. Клиент-сервер подходит для школы или бизнеса: файлы хранятся и резервируются централизованно, пользователь входит с одной учетной записи с любого устройства, программное обеспечение и защита настраиваются один раз, а сервером может быть мощный компьютер. Недостатки: стоимость сервера и технического специалиста, а также то, что сервер является единой точкой отказа. Peer-to-peer подходит для небольшой группы друзей, обменивающихся файлами, или для игры: не нужно покупать сервер, легко настроить, и каждый пользователь сохраняет контроль над своим устройством. Недостатки, перечисленные в схеме: файлы разбросаны по множеству машин, поэтому их трудно резервировать, и файл недоступен, когда устройство владельца выключено; каждое устройство необходимо защищать отдельно; пэр, обслуживающий других, замедляет работу. Онлайн-игра через веб-браузер с другими пользователями использует модель клиент-сервер: браузер — это клиент, а игра и её общее виртуальное пространство работают на сервере компании, который поддерживает согласованность представления каждого игрока.

Тонкий клиент выполняет минимум локальной обработки и полагается на мощный сервер (веб-терминалы, удаленные рабочие столы). Толстый клиент обладает сильной локальной обработкой и хранилищем и сам запускает полные приложения (обычный настольный ПК).

Роли: в модели тонкого клиента сервер выполняет обработку и хранит данные, а клиент только отправляет входные данные и отображает результат. Достаточно дешевого терминала, все резервируется и обновляется на сервере, но ничего не работает при отказе сети или сервера. В модели толстого клиента клиент запускает программное обеспечение и хранит файлы самостоятельно, поэтому он может работать без сетевого подключения и снижает нагрузку на сервер, ценой более мощных (и дорогих) клиентов, которые требуют отдельного обновления и защиты. Компьютерный класс в школе может использовать тонкие клиенты (дешевые, централизованное управление); видеомонтажеру нужен толстый клиент.

Топология — это расположение узлов и связей между ними.

• шина — все устройства подключены к одному общему кабелю. Дешево; если шина выходит из строя, падает вся LAN; производительность снижается по мере увеличения числа устройств, делящих полосу пропускания.
• звезда — каждое устройство подключено к центральному коммутатору. Отказ одного устройства не влияет на остальные; отказ коммутатора приводит к остановке всей сети. Наиболее распространенная сегодня топология.
• ячеистая — каждое устройство соединено напрямую с другими, существует множество путей. Очень отказоустойчивая (трафик перенаправляется), но требует большого количества кабеля.
• гибридная — сочетание (звезда в каждом офисе, ячеистые связи между офисами).

Как пакеты проходят через каждую топологию

Шина: отправляющее устройство помещает пакет на общий кабель; его видят все устройства, и только то, чей адрес совпадает, принимает его. Одновременно передавать данные может только одно устройство, поэтому возможны коллизии (CSMA/CD, ниже). Звезда: отправитель передает пакет центральному коммутатору, который читает адрес назначения и пересылает его только по кабелю к этому устройству; два других устройства могут общаться одновременно. Ячеистая: пакет передается от узла к узлу по одному из нескольких возможных маршрутов до достижения места назначения; если канал выходит из строя, используется другой маршрут.

Обоснование выбора топологии: звезда для класса или офиса (отказ кабеля затрагивает только одно устройство; устройство легко добавить; с коммутатором нет коллизий); ячеистая там, где важнее всего надежность (больница, магистраль Интернета); шина только там, где важна стоимость и малое количество устройств делят её. «Нарисовать топологию звезды» означает: коммутатор посередине, одна линия от коммутатора к каждому компьютеру, а сервер (и роутер, если он есть) на отдельных линиях к коммутатору.

Облачные вычисления предоставляют вычислительные услуги (серверы, хранилища, программное обеспечение) через Интернет, размещенные у третьей стороны. Преимущества: масштабируемость (плата за необходимое), низкая стоимость, доступ из любой точки и надежные избыточные центры обработки данных. Недостатки: требуется Интернет, ваши данные находятся у третьей стороны, возможна привязка к поставщику.

Для определения на один балл: облачные вычисления — это вычислительные услуги по требованию (хранение, обработка, программное обеспечение), предоставляемые через интернет третьей стороной. Публичное облако принадлежит поставщику и используется совместно многими клиентами через интернет; частное облако посвящено одной организации, работает на собственном оборудовании или хостится исключительно для неё. Преимущества данной схемы: файлы доступны с любого устройства, подключённого к интернету; объём хранения масштабируется вверх и вниз по мере необходимости; поставщик обеспечивает обслуживание оборудования, резервное копирование и обновления безопасности; нет необходимости покупать или обслуживать локальный сервер. Недостатки: отсутствие доступа без подключения к интернету; данные находятся на оборудовании третьей стороны, поэтому безопасность и конфиденциальность зависят от поставщика; постоянная абонентская плата; риск банкротства поставщика или кибератак; крупные файлы могут передаваться медленно. Ответ на вопрос «почему компания использует публичное облако» заключается в том, что ей не требуется собственное оборудование, она платит только за фактически используемые ресурсы, а её пользователи могут получить доступ из любой точки.

• проводные (Ethernet по витой паре или оптоволоконному кабелю): более высокая скорость, меньшая задержка, меньше ошибок, выше уровень безопасности.
• беспроводные (Wi-Fi, Bluetooth, сотовая связь): отсутствие кабелей, мобильность устройств, но более низкая скорость, подверженность помехам и прослушиванию.

Для одного и того же поколения проводные сети превосходят беспроводные по скорости и надёжности; беспроводные выигрывают за счёт удобства.

Среды передачи данных

На экзамене требуется сравнение в обоих направлениях. Проводные сети превосходят беспроводные по скорости, надёжности (отсутствие помех), безопасности (для физического подключения кабеля необходимо его физическое вскрытие) и стабильности; беспроводные выигрывают у проводных по мобильности, стоимости монтажа и возможности подключения устройства без прокладки кабелей. Совмещение обоих типов позволяет студентам перемещаться с ноутбуками и телефонами, в то время как стационарные настольные компьютеры обеспечивают более быстрое и безопасное соединение, а устройство без сетевого порта может всё равно подключиться. Спутниковая связь вместо медного кабеля достигает мест, куда не дотянется кабель, но сопряжена с большей задержкой, погодными помехами и высокой стоимостью.

• сетевой адаптер (NIC) — позволяет устройству отправлять и получать данные в сети; имеет уникальный MAC-адрес MAC (48-битный аппаратный адрес). Беспроводное устройство использует беспроводной сетевой адаптер (WNIC).
• коммутатор (switch) — пересылает Ethernet-кадры только на порт назначения, соответствующий MAC-адресу получателя.
• хаб (hub) — простое устройство, копирующее трафик на все порты (сейчас устарело).
• беспроводная точка доступа (WAP) — позволяет беспроводным клиентам подключаться к проводной ЛВС.
• кабели — витая пара для коротких участков; оптоволокно для длинных и быстрых соединений.
• сервер — компьютер, предоставляющий другим устройствам сервисы: файлы, печать, веб-страницы, хранение электронной почты.
• мост (bridge) — объединяет два сегмента ЛВС в одну сеть, пересылая трафик между ними.
• ретранслятор (repeater) — принимает ослабленный сигнал и передаёт его с полной мощностью, расширяя зону действия кабеля.

Функции WNIC, для ответа на четыре балла опишите: она преобразует данные в радиосигналы и обратно; содержит уникальный MAC-адрес устройства; подключает устройство к беспроводной точке доступа и соблюдает беспроводной протокол (какой канал и частоту использовать); и декодирует входящие сигналы для устройства. Два устройства, которые могут физически подключить тридцать компьютеров с NIC: коммутатор или хаб.

Маршрутизатор (router) соединяет разные сети и пересылает данные между ними — обычно на границе ЛВС и интернета. Он выполняет:

• маршрутизацию — читает целевой IP-адрес IP каждого пакета и отправляет его через нужный порт, используя таблицу маршрутизации.
• трансляция сетевых адресов (NAT) — позволяет множеству частных адресов ЛВС использовать один публичный IP-адрес.
• DHCP — раздача частных IP-адресов устройствам в ЛВС.
• межсетевой экран (firewall) — блокирует нежелательный входящий трафик.

При пакетной коммутации сообщение разбивается на пакеты, которые отправляются независимо. Каждый маршрутизатор читает IP-адрес назначения пакета, ищет следующий узел в своей таблице маршрутизации и пересылает его, поэтому пакеты одного сообщения могут следовать по разным маршрутам и собираются в правильном порядке на целевом узле. Маршрутизатор принимает пакеты, пересылает их между сетями и раздает IP-адреса; он не находит IP-адрес для URL (это делает DNS) и не хранит веб-страницы. Домашний маршрутизатор также содержит модем и точку доступа Wi-Fi, поэтому одно устройство соединяет локальную сеть с интернетом.

Ethernet — это стандарт (протокол) для проводных локальных сетей: устройства соединены витой парой или оптоволоконным кабелем, данные передаются в кадрах, содержащих MAC-адреса источника и назначения, а в общей среде для устранения коллизий используется механизм CSMA/CD. В общей среде коллизия может возникнуть, когда два устройства отправляют данные одновременно. Протокол называется CSMA/CD / (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

1. carrier sense — прослушивание перед отправкой; ожидание, если кабель занят.
2. multiple access — множество устройств делят среду передачи.
3. collision detection — непрерывное прослушивание во время отправки; столкновение сигналов является коллизией.
4. при коллизии оба устройства останавливаются, отправляют краткий сигнал помехи, затем ожидают случайное время задержки перед повторной попыткой.

Три основных действия согласно описанию схемы: устройство прослушивает (воспринимает несущую) перед передачей; оно продолжает проверять наличие коллизии во время передачи; при возникновении коллизии оно останавливается, отправляет сигнал помехи, ждет случайное время и повторяет передачу.

Современный коммутируемый Ethernet использует полудуплексные каналы «точка–точка», поэтому коллизии больше не происходят.

Потоковая мультимедиа отправляет контент непрерывным потоком, который получатель воспроизводит по мере поступления, вместо того чтобы сначала загружать весь файл целиком.

• в реальном времени (трансляция): захватывается и транслируется непосредственно в момент события (спортивные трансляции, видеозвонки). Перемотка невозможна; критически важна низкая задержка.
• по требованию: предварительно записанный на сервере (YouTube, Netflix). Возможно ставление на паузу и перемотка; сервер может буферизировать данные вперед.

Потоковая передача в реальном времени работает как короткий конвейер:

1. захват и дискретизация исходного сигнала (камеры или микрофона).
2. кодирование с использованием сжатия для уменьшения объема данных.
3. отправка данных по сети в виде пакетов.
4. получатель буферизирует небольшую часть, затем воспроизводит в прямом эфире — отбрасывая любые пакеты, пришедшие с опозданием, поскольку прямой поток не может ждать их.

Здесь применяется потерянное сжатие: движущиеся изображения маскируют небольшие потери, а сам поток должен быть достаточно компактным, чтобы уместиться в пропускную способность канала.

Почему видео сжимается перед потоковой передачей в реальном времени: uncompressed (несжатый) поток потребовал бы больше пропускной способности, чем есть у соединения, поэтому кадры приходили бы с опозданием, а воспроизведение зависало бы. Сжатие сокращает количество бит, поэтому битрейт остается ниже скорости широкополосного подключения, задержка сохраняется небольшой, а на обоих концах требуется меньше места для хранения и средств. Битрейт должен быть ниже скорости соединения: более высокий битрейт обеспечивает лучшее качество, но требует более быстрого соединения; если данные поступают медленнее, чем воспроизводятся, буфер опустошается и видео зависает. При потоковой передаче по требованию можно буферизировать большую часть файла заранее, что позволяет справляться с медленным соединением; при потоковой передаче в реальном времени это невозможно.

Интернет — это глобальная сеть сетей, использующая единый набор протоколов (TCP/IP). Всемирная паутина (WWW) — это сервис, работающий поверх нее: гипертекстовые документы, идентифицированные по URL, просматриваются в браузерах через HTTP/HTTPS. Электронная почта и файловый обмен — это другие сервисы Интернета, не входящие в состав WWW.

Веб-почта использует оба компонента: WWW, потому что почтовый ящик представляет собой веб-страницу, доступную через URL в браузере по протоколу HTTP; и Интернет, потому что само письмо передается по сети сетей (электронная почта — это отдельный сервис Интернета, отличный от веб-сервиса).

Аппаратное обеспечение, обеспечивающее работу Интернета

• модем — преобразует цифровой сигнал компьютера в аналоговый для телефонной линии и обратно на другом конце (модуляция и демодуляция).
• PSTN — публичная телефонная сеть коммутационных узлов и линий; соединение dial-up или DSL передает через него интернет-данные.
• выделенная линия — арендуемая линия между организацией и ее провайдером: постоянно активна, имеет фиксированную пропускную способность, которая не делится, поэтому быстрее и надежнее, но дороже.
• сотовая сеть — телефон отправляет данные по радиоканалу ближайшей базовой станции (вышке); базовые станции соединены с сетью оператора, которая направляет данные в интернет; при перемещении телефона происходит хэндовер (передача) от одной ячейки к следующей.

IP-адрес уникально идентифицирует устройство.

• IPv4 — 32-битный, четыре десятичных числа от 0 до 255 (192.168.1.10); около $4.3 \times 10^{9}$ адресов (сейчас исчерпаны).
• IPv6 — 128-битный, восемь групп по четыре шестнадцатеричных цифры; около $3.4 \times 10^{38}$ адресов.

IPv4 записывается как четыре группы десятичных чисел, разделённых точками; каждая группа — это 8-битное число, поэтому диапазон составляет от 0 до 255. IPv6 записывается как восемь групп четырехзначных шестнадцатеричных цифр, разделённых двоеточиями, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, а последовательность нулевых групп может быть сокращена до ::. Следовательно, 192.168.3.2 не является IPv6: у него четыре группы, а не восемь, разделённые точками, а не двоеточиями, и его группы — десятичные, а не шестнадцатеричные. 256.0.0.A не является ни одним из допустимых адресов: группа IPv4 не может превышать 255 и не может содержать буквы, а IPv6 потребовал бы двоеточий и восьми групп.

Сегментация подсетей

Сеть можно разделить на подсети. IP-адрес делится на часть сети и часть хоста, определяемые маской подсети (например, 255.255.255.0 = первые 24 бита — это часть сети). Сегментация подсетей улучшает управление, снижает трафик широковещательной рассылки и повышает безопасность.

Две части адреса в подсети: идентификатор сети (первые биты, одинаковые для каждого устройства в этой подсети, определяются единицами в маске) и идентификатор хоста (остальные биты, уникальные для каждого устройства). Преимущества сегментации подсетей для вопроса «опишите два преимущества»: меньший трафик в каждой части, так как широковещательные рассылки остаются внутри своей подсети; лучшая безопасность, так как трафик одного отдела защищен от доступа других отделов; облегченное управление и поиск неисправностей; более эффективное использование адресов. Два устройства с маской 255.255.255.0 находятся в разных подсетях, если их первые три группы различаются.

Публичные и приватные адреса

• приватные адреса используются внутри LAN и не маршрутизируются в интернете (например, 192.168.0.0/16).
• публичный IP-адрес является глобально уникальным и маршрутизируемым, назначается провайдером (ISP).

Устройства за NAT с приватными адресами недоступны напрямую из интернета, что обеспечивает некоторую защиту.

Описания, которые требуют таблицы: публичный адрес виден в интернете и уникален по всему миру, выделяется провайдером; приватный адрес виден только внутри LAN, используется многими LAN и требует NAT для выхода в интернет. Статический адрес никогда не меняется (устанавливается вручную или резервируется, например, для серверов); динамический адрес выделяется DHCP при каждом подключении устройства и может меняться.

Статические и динамические адреса

• статический IP-адрес фиксирован; используется для серверов, которые должны быть доступны по известному адресу.
• динамический IP-адрес назначается DHCP и может меняться; проще для клиентских устройств и эффективно использует ограниченный пул адресов.

Разобранное решение. Хост имеет IP-адрес 192.168.10.130 с маской подсети 255.255.255.192. В какой он подсети и находится ли 192.168.10.200 в той же? Последний октет маски, 192, равен 11000000 в двоичной системе, поэтому первые 26 бит — это часть сети, а последние 6 бит адресуют хост. Это означает, что подсети идут с шагом в блоках по $256 - 192 = 64$: .0, .64, .128, .192. Адрес 130 попадает в блок, начинающийся с .128, значит, хост находится в сети 192.168.10.128/26, где используемые хосты варьируются от .129 до .190 (.191 — это адрес широковещательной рассылки). 200 попадает в следующий блок (.192), поэтому он находится в другой подсети, и трафик между ними должен проходить через маршрутизатор. Сначала определите размер блока по маске ($256$ минус октет маски) — попытки угадать по первым трем октетам приводят к ошибкам.

URL (Uniform Resource Locator) определяет расположение ресурса в WWW:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• протокол: http, https и т. д.
• имя домена: читаемый адрес сервера.
• путь: ресурс на этом сервере.

Система доменных имен (DNS, также называемая службой доменных имен) представляет собой распределенный набор серверов, преобразующих имена доменов в IP-адреса. Когда вы вводите URL, браузер запрашивает у резолвера DNS IP-адрес, который опрашивает DNS-серверы (корневые → верхнего уровня → авторитетные), пока не найдет его; затем браузер подключается к этому IP-адресу и запрашивает путь. DNS освобождает людей от необходимости запоминать IP-адреса и позволяет сайту менять сервер без изменения имени.

Для вопроса «объясните, как браузер использует URL»: браузер разбивает URL на протокол, имя домена и путь; отправляет имя домена на DNS-сервер, который возвращает соответствующий IP-адрес (кэш на компьютере или у провайдера может ответить раньше); устанавливает соединение с этим IP-адресом, используя протокол (HTTPS на порту 443); отправляет запрос пути; веб-сервер возвращает страницу, которую браузер отображает. Если поиск в DNS не удался, браузер сообщает, что сервер не найден.

*Как DNS находит IP-адрес сайта перед подключением браузера

Вопросы с определениями оцениваются по фиксированной формулировке. Выучите их точно.

• Различайте LAN vs WAN и client-server vs peer-to-peer по тому, кто хранит и контролирует ресурсы.
• Соотнесите каждую топологию (шина, звезда, ячеистая) с ее преимуществами и недостатками (стоимость, надежность, коллизии).
• Знать функции каждого устройства: коммутатор направляет трафик внутри локальной сети по MAC-адресу, маршрутизатор осуществляет маршрутизацию между сетями по IP-адресу.
• Объясните потоковую передачу битов и необходимость буферизации (данные поступают со скоростью, отличной от скорости воспроизведения).
• Различайте IPv4 vs IPv6 и публичные vs приватные адреса; DNS преобразует URL в IP-адрес.

Распространенные ошибки

• Утверждение, что коммутатор работает по IP-адресу. Коммутатор перенаправляет по MAC-адресу внутри локальной сети; маршрутизатор перенаправляет по IP-адресу между сетями.
• Равнозначное понимание интернета и Всемирной паутины. Паутина — это лишь одна из служб, работающих поверх интернета; другими являются электронная почта и файловый обмен.
• Указание «быстрее» как единственного сравнения проводных и беспроводных сетей. Необходимо указать «быстрее», а также «надежнее» и «безопаснее»; при запросе сравнения необходимо привести преимущества беспроводных сетей (мобильность, отсутствие кабелей).
• Утверждение, что маршрутизатор определяет IP-адрес для URL. Этим занимается DNS; маршрутизатор лишь перенаправляет пакеты к нему.
• Описание IPv6 с использованием точек и десятичных групп. Восемь групп по четыре шестнадцатеричных цифры, разделенных двоеточиями.
• Отрисовка топологии «звезда» в виде кольца или цепи. Каждое устройство должно иметь отдельный кабель к коммутатору в центре.