Сети с нуля 01. Что такое сеть: устройства, модель TCP/IP и OSI

Вы пользуетесь сетью каждый день: открываете сайт, печатаете на сетевом принтере, подключаетесь к файловому серверу. Пока всё работает, об устройстве сети никто не думает. Когда ломается, непонятно, с чего начинать. Эта серия из двенадцати статей даёт основу, чтобы понимать, что происходит «под капотом», и находить причину неполадки.

Первая статья — общая картина, без адресов, масок и сложных команд. Мы разберём:

• что такое сеть, узел, протокол, клиент и сервер;
• какие бывают устройства и что делает каждое;
• что такое модели TCP/IP и OSI и почему говорят «второй уровень» и «третий уровень»;
• как данные «упаковываются» на пути из программы в кабель;
• в чём измеряют скорость, задержку и потери.

Сквозной пример всей серии — небольшая офисная сеть; её схема приведена ниже.

Что нужно знать заранее

Ничего. Достаточно уметь открыть командную строку Windows: она понадобится в конце статьи для короткого упражнения.

Сеть, узел и протокол

Компьютерная сеть — это система связи, которая соединяет компьютеры и другие устройства, чтобы они могли обмениваться данными. Устройство, подключённое к сети и имеющее в ней адрес, называют узлом. Конечное устройство, ради программ которого сеть и работает (компьютер, сервер, принтер), по-английски называют host, «хост». RFC 1122 (RFC — Request for Comments, «запрос комментариев»: нумерованные документы, в которых публикуют стандарты интернета) описывает хост как «конечного потребителя услуг связи». Коммутатор и маршрутизатор пересылают чужие данные и хостами в этом смысле не являются. В серии, когда речь о конечном устройстве, слова «узел» и «хост» — синонимы.

Чтобы устройства поняли друг друга, они должны «говорить на одном языке». Такой язык называется протоколом: это формальное описание формата сообщений и правил обмена ими. Протоколы описаны в документах RFC и в стандартах таких организаций, как IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, институт инженеров по электротехнике и электронике). Поэтому в одной сети спокойно работают устройства разных производителей: все следуют общим правилам.

Клиент и сервер

Большая часть сетевых приложений устроена по схеме «клиент — сервер». Клиент запрашивает услугу, сервер предоставляет ресурс. Браузер на PC1 — клиент, сайт отвечает ему как сервер.

Роль принадлежит не железу, а программе: один и тот же компьютер может быть сервером для одних программ и клиентом для других.

Локальные и глобальные сети

• LAN (Local Area Network, локальная сеть) — сеть на небольшой территории: офис, этаж, здание;
• WAN (Wide Area Network, глобальная сеть) — сеть, которая покрывает большую территорию: например, каналы между филиалами в разных городах или линия до провайдера.

Интернет — объединение огромного числа сетей, соединённых маршрутизаторами. (В английском «Internet» с заглавной буквы — глобальная сеть, а «internet» со строчной — любое объединение сетей; так различает их глоссарий RFC 1983.) Офисная локальная сеть при этом работает и без интернета: принтер и файловый сервер доступны, даже если провайдер отключил канал.

Устройства сети

На каждое устройство нам хватит одной-двух фраз, подробности — в следующих статьях.

Различие между коммутатором и маршрутизатором стоит запомнить сразу: коммутатор работает внутри одной сети, маршрутизатор соединяет разные сети. В старых документах маршрутизатор называют также шлюзом (gateway), а устройство, работающее как коммутатор, — мостом (bridge).

Межсетевой экран ограничивает трафик между сетями и тем самым защищает «внутреннюю» сеть от «внешней». Он бывает отдельным устройством, функцией маршрутизатора или программой на компьютере (в Windows это брандмауэр).

Домашний «роутер», как правило, совмещает несколько устройств в одном корпусе: маршрутизатор, коммутатор, точку Wi-Fi и межсетевой экран. В серии «роутер» и «маршрутизатор» — синонимы. Шлюз (по умолчанию) — маршрутизатор, через который компьютеры сети выходят за её пределы; подробнее — в статье 05.

Наша учебная сеть

                          интернет
                              |
                              |  203.0.113.1  шлюз провайдера
                              |
                          [ RTR1 ]    внешний адрес 203.0.113.2
                              |       внутренний адрес 192.168.10.1
                              |
                           [ SW1 ]
            +-----------+-----+-----+-----------+
            |           |           |           |
         [ PC1 ]     [ PC2 ]    [ SRV1 ]    [ PRN1 ]
          .101        .102         .10         .50

    Офисная сеть 192.168.10.0/24: цифры под устройствами
    обозначают последнее число адреса в этой сети

Здесь RTR1 — роутер (он же шлюз), SW1 — коммутатор, PC1 и PC2 — рабочие компьютеры, SRV1 — сервер, PRN1 — сетевой принтер. Адреса пока воспринимайте как «номера»: как они устроены, разберёт статья 03. Внешние адреса в серии взяты из блоков, которые RFC 5737 зарезервировал для примеров в документации, поэтому они не принадлежат реальным узлам. Если провайдер подключает вас по оптике, перед RTR1 обычно стоит ONT; в нашей схеме провайдер отдаёт обычный Ethernet-кабель, и отдельного модема нет.

Модель TCP/IP: четыре уровня

Передача данных между программами — сложная задача: нужно найти нужный компьютер, договориться о соединении, довезти данные по конкретному кабелю или радиоканалу. Чтобы не решать всё сразу, задачу делят на уровни: каждый решает свою часть и пользуется услугами нижнего. Аналогия — доставка посылки: вы пишете письмо (прикладной уровень), транспортная служба решает, как гарантировать доставку (транспортный), диспетчеры выбирают маршрут между городами (сетевой), а водитель едет по конкретной дороге (канальный).

Рабочая модель интернета — TCP/IP (по названиям двух главных протоколов, TCP и IP; ещё её называют стеком протоколов интернета). Четыре уровня описаны в RFC 1122:

Три замечания к таблице:

• Названия единиц данных условны: в спецификации IP единица называется датаграммой, а в быту «пакетом» часто зовут любую порцию данных. Главное — понимать, какому уровню она принадлежит: кадр относится к каналу, пакет — к IP.
• В архивной документации Microsoft (Windows Server 2003) ARP отнесён к уровню «интернет» (в её таблице: IP, ICMP, ARP, RARP), а RFC 1122 описывает его в главе о канальном уровне (п. 2.3.2). Протокол стоит на границе уровней, поэтому источники размещают его по-разному.
• TCP гарантирует программе доставку данных и их порядок, UDP — нет. Подробности — в статье 09.

Полезно держать в голове: у каждого уровня свой «адрес». Канальный уровень различает узлы по MAC-адресам, сетевой — по IP-адресам, транспортный указывает на нужную программу номером порта, а прикладной оперирует понятными людям именами (например, www.example.com). Вся серия — про то, как эти адреса связываются между собой.

Модель OSI: семь уровней и зачем она нужна

Кроме TCP/IP, в сетевой лексике постоянно встречается модель OSI (Open Systems Interconnection, эталонная модель взаимодействия открытых систем). Это стандарт ITU-T X.200 (1994; ITU-T — сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи), идентичный текст издан как ISO/IEC 7498-1 (ISO/IEC — Международная организация по стандартизации и Международная электротехническая комиссия). Модель делит сеть на семь уровней, которые нумеруются снизу вверх:

RFC 1122 пишет, что прикладной уровень TCP/IP объединяет функции двух верхних уровней OSI — представления и прикладного — и дальше не делится на подуровни. Сеансовый уровень (5) в TCP/IP отдельно не выделяют; в учебниках его, как правило, относят к прикладному, поэтому соответствие в таблице приблизительное. Физический и канальный уровни OSI в TCP/IP объединены в канальный.

Важно понимать статус моделей. TCP/IP — реальные протоколы, на которых работает интернет, а OSI — общий язык для разговора об устройстве сети; её не привязывают к конкретному набору протоколов.

Почему говорят «L2» и «L3»

На практике номера уровней OSI стали профессиональным сленгом:

• Уровень 1 (L1) — кабель, разъём, радиоканал, сигналы. «Проблема на первом уровне» — сломанный кабель или неисправный порт.
• Уровень 2 (L2) — кадры и MAC-адреса. «L2-коммутатор» — обычный коммутатор.
• Уровень 3 (L3) — IP-адреса и маршрутизация. «L3-коммутатор» умеет не только коммутировать, но и маршрутизировать.
• Уровень 4 (L4) — TCP/UDP и порты. Правило межсетевого экрана «разрешить порт 443» — уровень 4.
• Уровень 7 (L7) — прикладные протоколы: HTTP, DNS, SMTP.

Модель удобна для диагностики: если не работает нижний уровень, верхние работать не будут. Нет линка — бессмысленно искать ошибку в DNS. Мы вернёмся к этому в статье 10.

Инкапсуляция: как данные «упаковываются»

Когда программа отправляет данные, они проходят вниз по уровням. Каждый уровень добавляет к ним собственный заголовок со служебной информацией, необходимой его протоколу; на приёме заголовки снимают в обратном порядке. Процесс называется инкапсуляцией.

Представьте письмо: его кладут в конверт с адресом, конверт — в почтовый мешок с маркировкой направления, мешок — в машину. Получатель на каждом этапе вынимает то, что внутри. Для запроса к сайту это выглядит так:

Прикладной:                       [ данные HTTP ]         сообщение
Транспортный:              [ TCP ][ данные HTTP ]         сегмент TCP
Сетевой:             [ IP ][ TCP ][ данные HTTP ]         пакет
Канальный:    [ Eth ][ IP ][ TCP ][ данные HTTP ][ FCS ]  кадр

Здесь Eth — заголовок Ethernet, а FCS (Frame Check Sequence) — контрольная сумма в конце кадра: по ней получатель замечает, что кадр повреждён в пути. Устройство в середине пути «распаковывает» ровно столько, сколько ему нужно: коммутатору, как правило, хватает заголовка кадра, маршрутизатору — заголовка IP. До данных HTTP добирается только конечный получатель.

У заголовков есть цена: они увеличивают объём передаваемых данных. Поэтому реальная скорость передачи полезных данных всегда ниже номинальной скорости канала.

Пример: открываем сайт в браузере

Посмотрим, что происходит, когда пользователь PC1 вводит в браузере https://www.example.com. Это упрощённая схема: каждый шаг подробно разобран в своей статье.

1. Имя в адрес (прикладной уровень). Компьютеру нужен адрес сервера, а у него есть только имя. Он спрашивает DNS-сервер, и тот отвечает: 198.51.100.10 (статья 07).
2. «Свой или чужой?» (сетевой уровень). PC1 сравнивает адрес сервера со своей сетью. 198.51.100.10 не входит в 192.168.10.0/24, поэтому данные нужно отдать шлюзу — RTR1 (статья 03 и статья 05).
3. Кому физически отправить кадр (канальный уровень). В локальной сети кадры адресуются по MAC. PC1 выясняет MAC-адрес RTR1 и отправляет кадр; SW1 доставляет его к нужному порту.
4. Соединение (транспортный уровень). PC1 устанавливает с сервером TCP-соединение на порт 443, стандартный для https (статья 09).
5. Защита и запрос (прикладной уровень). Поверх соединения браузер включает шифрование (TLS, Transport Layer Security), отправляет запрос, а сервер отвечает страницей.
6. Дорога наружу. RTR1 заменяет частный адрес 192.168.10.101 на внешний 203.0.113.2 (NAT — Network Address Translation, трансляция сетевых адресов; статья 08) и пересылает пакет провайдеру; ответ возвращается тем же путём.

Здесь описан классический вариант: HTTP поверх TLS поверх TCP. Современные браузеры могут использовать HTTP/3: тот же HTTP поверх протокола QUIC, который передаёт свои пакеты в датаграммах UDP. На схеме инкапсуляции в этом случае вместо TCP стоял бы UDP.

Обратите внимание: MAC-адреса действуют только внутри одной сети, и на каждом новом участке пути в кадре стоят другие. IP-адреса отправителя и получателя в пакете остаются прежними (пока не вмешивается NAT).

Единицы измерения: скорость, задержка, потери

Бит и байт. Бит — минимальная единица информации (0 или 1), байт — 8 бит. В сетевых документах встречается и слово «октет»: это тоже ровно 8 бит.

Скорость. Скорость каналов измеряют в битах в секунду: Мбит/с, Гбит/с. Приставка «мега» по системе СИ означает миллион, поэтому 1 Мбит/с — это 1 000 000 бит в секунду. Размеры файлов считают в байтах: КБ, МБ, ГБ. Чтобы приблизительно перевести скорость в мегабайты в секунду, разделите её на 8: канал в 100 Мбит/с даёт не более 12,5 МБ/с, а реальная скорость будет ещё ниже.

Пропускная способность (bandwidth) обычно означает максимум, на который рассчитан канал. Не путайте её с фактической скоростью, которую вы получаете сейчас: она зависит от нагрузки, качества линии и накладных расходов на заголовки.

Задержка — время, за которое данные доходят до адресата. Чаще измеряют время кругового обращения (RTT, round-trip time): сколько проходит от отправки пакета до получения ответа. Высокая скорость канала не гарантирует малую задержку: это разные характеристики.

Потери — пакеты, которые не дошли до получателя: пакет считают потерянным, если он не получен в течение заданного времени ожидания. В звонке потери слышны как «рассыпающийся» звук; для TCP это повторная отправка данных и, как правило, замедление.

Практика: найдите уровни на своём компьютере

Откройте командную строку и выполните:

C:\Users\admin-lab>ipconfig /all

Ключ /all показывает полную конфигурацию TCP/IP для всех адаптеров. Пример вывода (значения вымышленные; названия строк зависят от языка и версии Windows, а набор полей — от адаптера):

Ethernet adapter Ethernet:

   Connection-specific DNS Suffix  . : lab.example
   Description . . . . . . . . . . . : Ethernet Adapter
   Physical Address. . . . . . . . . : 00-00-5E-00-53-01
   DHCP Enabled. . . . . . . . . . . : Yes
   IPv4 Address. . . . . . . . . . . : 192.168.10.101(Preferred)
   Subnet Mask . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   Default Gateway . . . . . . . . . : 192.168.10.1
   DNS Servers . . . . . . . . . . . : 192.0.2.53

Попробуйте отнести каждую строку к уровню:

• Physical Address — MAC-адрес сетевой карты: канальный уровень (в русской версии Windows строка называется «Физический адрес»);
• IPv4 Address, Subnet Mask, Default Gateway — сетевой уровень: ваш IP-адрес, маска и шлюз, через который данные уходят в другие сети;
• DNS Servers и Connection-specific DNS Suffix — настройки прикладного уровня: кому компьютер адресует вопросы «какой адрес у этого имени?».

Транспортного уровня в этом выводе нет: порты появляются, когда программа открывает соединение (статья 09).

Мини-глоссарий

• Кадр — единица данных канального уровня (например, Ethernet).
• IP-пакет (датаграмма) — единица данных сетевого уровня; лежит внутри кадра.
• Сегмент TCP — единица данных TCP; лежит внутри IP-пакета.
• MAC-адрес — аппаратный адрес сетевого интерфейса на канальном уровне; IP-адрес — адрес узла на сетевом уровне.
• Порт — число, которое указывает, какой программе на узле адресованы данные; есть и у TCP, и у UDP.
• Шлюз по умолчанию — маршрутизатор, которому узел отдаёт данные для других сетей.

Типичные ошибки и недоразумения

• «Интернет и локальная сеть — одно и то же». Интернет — объединение множества сетей. Локальная сеть работает и без выхода наружу: «нет интернета» не означает «нет сети».
• «Wi-Fi — это интернет». Wi-Fi лишь способ подключиться к локальной сети по радио. Выход в интернет даёт маршрутизатор и провайдер.
• Путаница Мбит/с и МБ/с. Скорость каналов указывают в битах, размеры файлов — в байтах. Разница — в восемь раз.
• «Кадр, IP-пакет и сегмент TCP — одно и то же». Это единицы данных разных уровней, вложенные друг в друга. В быту «пакетом» называют всё подряд, но в диагностике уровни важно различать.
• «OSI описывает реальные протоколы». Это эталонная модель; на практике работает TCP/IP. Границы уровней условны, и один и тот же протокол разные источники размещают по-разному.
• «Сервер — это обязательно мощная машина». Сервер — роль: ноутбук с общей папкой для остальных тоже сервер.

Проверьте себя

1. Чем коммутатор отличается от маршрутизатора? Коммутатор пересылает кадры внутри одной сети (по MAC-адресам), маршрутизатор соединяет разные сети (по IP-адресам).
2. Чем кадр отличается от IP-пакета? Кадр — единица канального уровня (например, Ethernet), IP-пакет — сетевого. Пакет находится внутри кадра.
3. Канал имеет скорость 100 Мбит/с. Сколько мегабайт в секунду это максимум? Делим на 8: не более 12,5 МБ/с. Реальная скорость ниже из-за заголовков и нагрузки.
4. Что такое инкапсуляция? Добавление собственного заголовка на каждом уровне при отправке данных; при получении заголовки снимают в обратном порядке.
5. Что имеют в виду, когда говорят «проблема на втором уровне»? Проблема на канальном уровне модели OSI: кадры, MAC-адреса, коммутатор. Например, петля между коммутаторами или два устройства с одинаковым MAC-адресом.

Что дальше

• Сети с нуля 02. Ethernet, MAC-адреса, коммутатор и кабели — второй уровень изнутри: как устроена локальная сеть.
• Сети с нуля 03. IPv4-адреса и маски подсети — третий уровень: что такое IP-адрес и маска.
• Сети с нуля 05. Как пакет находит путь: шлюз, маршруты и ARP — как работают шаги 2 и 3 из примера про сайт.
• Сети с нуля 10. Диагностика сети в Windows — как искать неполадки по уровням снизу вверх.

Источники

• RFC 1122: Requirements for Internet Hosts — Communication Layers — четыре уровня стека, определение хоста, ARP в главе о канальном уровне.
• RFC 1180: A TCP/IP Tutorial — названия единиц данных, инкапсуляция.
• RFC 9293: Transmission Control Protocol — TCP как надёжный упорядоченный поток байтов.
• RFC 1983: Internet Users' Glossary — протокол, клиент, сервер, LAN, WAN, интернет и Internet, шлюз и мост.
• RFC 4949: Internet Security Glossary — определение межсетевого экрана.
• RFC 2681: A Round-trip Delay Metric for IPPM — время кругового обращения.
• RFC 7680: A One-Way Loss Metric for IPPM — определение потери пакета.
• RFC 5737: IPv4 Address Blocks Reserved for Documentation — адреса для примеров.
• RFC 9114: HTTP/3 и RFC 9000: QUIC — HTTP поверх QUIC, пакеты QUIC в датаграммах UDP.
• ITU-T X.200: Basic Reference Model (OSI) — семь уровней модели OSI; текст идентичен ISO/IEC 7498-1.
• Microsoft Learn: The TCP/IP model (Windows Server 2003, архив) — четыре уровня и протоколы на каждом.
• Microsoft Learn: TCP/IP Architecture (архив) — OSI и модель DoD, сопоставление уровней, инкапсуляция.
• Microsoft Learn: ipconfig — ключ /all.