Компьютерные сети: понятие, типы, протоколы¶

Компьютерная сеть — это система, объединяющая два и более вычислительных устройства (компьютеров, серверов, сетевого оборудования, встраиваемых устройств) каналами связи с целью обмена данными и совместного использования ресурсов. Компьютерные сети являются основой современной информационной инфраструктуры и лежат в основе работы интернета, корпоративных систем, облачных сервисов и большинства информационных технологий.

¶Основные понятия

Ключевые характеристики компьютерной сети определяются набором параметров:

• Топология — схема соединения узлов (шина, кольцо, звезда, дерево, полная связность, гибридная).
• Тип передачи данных — широковещательный (broadcast), когда данные принимают все узлы, или индивидуальный (unicast), многоадресный (multicast).
• Протокол — набор правил обмена данными, определяющий формат пакетов, адресацию и порядок взаимодействия (TCP/IP, Ethernet, Wi-Fi, HTTP, FTP и другие).
• Скорость передачи — измеряется в битах или байтах в секунду (Мбит/с, Гбит/с).
• Среда передачи — проводная (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно) или беспроводная (радиоканал, инфракрасный канал).

¶Классификация по масштабу

Компьютерные сети принято разделять по географическому охвату:

¶Устройство и оборудование

Для построения компьютерной сети используются специализированные устройства:

• Сетевая карта (NIC) — интерфейс подключения устройства к сети.
• Коммутатор (switch) — устройство уровня канального передачи, пересылающее кадры по MAC-адресам внутри локальной сети.
• Маршрутизатор (router) — устройство уровня сети, определяющее маршрут пакетов между разными сетями на основе IP-адресов.
• Точка доступа (access point) — устройство, обеспечивающее беспроводное подключение по Wi-Fi.
• Модем — преобразует сигнал для передачи по каналам связи (DSL, кабельный, оптический).
• Брандмауэр (firewall) — фильтрует трафик по заданным правилам безопасности.
• Программно-определяемые сети (SDN) — архитектура, в которой управление сетью отделено от аппаратной пересылки трафика.

¶Модель OSI и модель TCP/IP

Стандартной моделью описания сетевого взаимодействия является семиуровневая модель OSI (Open Systems Interconnection), разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1980-х годах:

1. Физический уровень — передача битов по среде.
2. Канальный уровень — кадрирование, MAC-адресация.
3. Сетевой уровень — маршрутизация, IP-адресация.
4. Транспортный уровень — надёжная доставка (TCP, UDP).
5. Сеансовый уровень — управление сессиями.
6. Уровень представления — кодирование данных.
7. Прикладной уровень — сетевые приложения (HTTP, SMTP, DNS).

На практике используется модель TCP/IP, в которой нижние уровни объединены, а протоколы стека TCP/IP (IP, TCP, UDP, HTTP, DNS, DHCP и другие) образуют основу работы интернета.

¶Сетевые протоколы

Протоколы определяют, как устройства обмениваются данными. Основные из них:

• IP (Internet Protocol) — адресация и маршрутизация пакетов. Существуют версии IPv4 (адрес вида 192.168.1.1) и IPv6 (128-битные адреса, разработаны из-за исчерпания адресного пространства IPv4).
• TCP (Transmission Control Protocol) — надёжная, ориентированная на соединение передача данных с контролем потерь и порядка.
• UDP (User Datagram Protocol) — быстрая передача без гарантий доставки, используется в стриминге, играх, VoIP.
• HTTP/HTTPS — протоколы передачи веб-страниц, HTTPS использует шифрование TLS.
• DNS (Domain Name System) — преобразование доменных имён в IP-адреса.
• DHCP — автоматическое назначение IP-адресов устройствам в сети.
• FTP/SFTP — передача файлов.
• SMTP, POP3, IMAP — электронная почта.

¶Сетевые адреса

В сетях на основе TCP/IP используются два уровня адресации:

• MAC-адрес — уникальный 48-битный адрес сетевого адаптера, определяется производителем оборудования.
• IP-адрес — логический адрес устройства в сети. В IPv4 адрес состоит из 32 бит, в IPv6 — из 128 бит. Частные (внутренние) диапазоны IP-адресов (10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16) используются внутри локальных сетей, а для выхода в интернет применяется механизм трансляции адресов NAT.

¶История

Первой компьютерной сетью считается система SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), созданная в США в конце 1950-х годов для противовоздушной обороны. В 1969 году была запущена сеть ARPANET, объединившая четыре узла в Калифорнии и ставшая предшественником интернета. В 1970-х годах Винтон Серф и Роберт Кан разработали набор протоколов TCP/IP, который с 1 января 1983 года стал стандартом ARPANET. В 1991 году Тим Бернерс-Ли представил проект World Wide Web, сделавший интернет доступным для массового пользователя.

В СССР первые компьютерные сети появились в 1970-х годах: в 1974 году была создана Единая сеть вычислительных центров (ЕСВЦ), объединившая ЭВМ ЕС-1000 по территории страны. В 1990 году в СССР была зарегистрирована первая доменная зона .su.

¶Применение

Компьютерные сети используются практически во всех сферах:

• Корпоративная автоматизация — внутренние сети организаций, электронная почта, ERP-системы, видеоконференции.
• Интернет — глобальная сеть, объединяющая миллиарды устройств.
• Облачные вычисления — удалённый доступ к вычислительным ресурсам и хранению данных.
• Промышленность — системы промышленной автоматизации, IoT (интернет вещей).
• Телекоммуникации — мобильные сети (3G, 4G, 5G), IPTV, VoIP.
• Наука и образование — распределённые вычисления, доступ к научным базам данных.

В России развитие сетевой инфраструктуры осуществляется, в частности, под эгидой «Ростелекома», крупнейшего оператора связи, и при участии Минцифры, которое отвечает за реализацию национального проекта «Цифровая экономика». На территории страны действует российский сегмент интернета (RUnet), а также развивается система «Зеркало DNS» для обеспечения устойчивости доменной системы.

¶Сетевая безопасность

Основные угрозы компьютерным сетям — несанкционированный доступ, перехват данных, отказ в обслуживании (DoS/DDoS), вредоносное ПО. Для защиты применяются:

• шифрование каналов (TLS, VPN);
• средства аутентификации (пароли, сертификаты, двухфакторная аутентификация);
• брандмауэры и системы обнаружения вторжений (IDS/IPS);
• сегментация сети;
• регулярное обновление программного обеспечения.

В России безопасность информационных систем регулируется Федеральным законом «О защите персональных данных» (№152-ФЗ) и рядом подзаконных актов, а также стандартами ФСТЭК.

Источники:

• Таненбаум Э. Компьютерные сети. — СПб.: Питер, 2015.
• Григорьев В. В., Грунский И. С. Информационные технологии. — М.: Юрайт.
• RFC 791 (Internet Protocol), RFC 793 (Transmission Control Protocol).
• Стандарт ISO/IEC 7498-1 (модель OSI).
• Данные РКН и Минцифры России о развитии сетевой инфраструктуры.