Лекция 4. Основы компьютерных сетей

1. Зачем нужны компьютерные сети

1.1. От локальных к глобальным

Компьютерная сеть — это совокупность узлов (компьютеров, серверов, маршрутизаторов, IoT-устройств и т.д.), соединённых каналами связи и взаимодействующих по определённым правилам (протоколам).

По масштабу сети делятся на:

Тип	Расшифровка	Масштаб	Пример
PAN	Personal Area Network	До нескольких метров	Bluetooth-наушники, смартфон ↔ ноутбук
LAN	Local Area Network	Здание, офис, кампус	Офисная сеть предприятия
MAN	Metropolitan Area Network	Город, регион	Городская сеть кабельного провайдера
WAN	Wide Area Network	Страна, континент, весь мир	Интернет

1.2. Понятие протокола

Протокол — это набор формальных правил, определяющих:

формат сообщений (какие поля, в каком порядке, какого размера);
порядок обмена сообщениями (кто начинает, как подтверждается получение);
действия при ошибках (повтор, уведомление, разрыв соединения).

Без стандартизированных протоколов устройства от разных производителей не смогли бы обмениваться данными. Протоколы организованы в стек уровней (layered model): каждый уровень решает свою задачу и предоставляет сервис вышестоящему.

2. Эталонная модель OSI

2.1. Общая характеристика

Модель OSI (Open Systems Interconnection) была разработана ISO в 1984 году. Она определяет 7 уровней, каждый из которых отвечает за определённый аспект сетевого взаимодействия. OSI — это эталонная (reference) модель: она используется для обучения и классификации, но реальные стеки протоколов (TCP/IP) не следуют ей дословно.

2.2. Семь уровней OSI

№	Уровень	Назначение	Единица данных (PDU)	Примеры протоколов / технологий
7	Прикладной (Application)	Интерфейс между приложением и сетью	Данные (Data)	HTTP, HTTPS, FTP, SMTP, DNS, SSH
6	Представления (Presentation)	Кодирование, шифрование, сжатие данных	Данные	TLS/SSL, JPEG, ASCII, UTF-8
5	Сеансовый (Session)	Установление, поддержание и завершение сеансов	Данные	NetBIOS, RPC, SOCKS
4	Транспортный (Transport)	Надёжная (или ненадёжная) доставка между процессами	Сегмент / Датаграмма	TCP, UDP, QUIC
3	Сетевой (Network)	Адресация и маршрутизация между сетями	Пакет (Packet)	IP (IPv4, IPv6), ICMP, ARP*, OSPF
2	Канальный (Data Link)	Передача кадров между соседними узлами, MAC-адресация	Кадр (Frame)	Ethernet (802.3), Wi-Fi (802.11), PPP
1	Физический (Physical)	Передача битов по среде	Бит (Bit)	Электрические сигналы, оптика, радиоволны

*ARP часто относят к канальному/сетевому уровню — классификация неоднозначна.

2.3. Принцип инкапсуляции

При отправке данные «спускаются» по стеку: каждый уровень добавляет свой заголовок (а иногда и трейлер), оборачивая данные вышестоящего уровня. На принимающей стороне происходит обратный процесс — декапсуляция: заголовки последовательно снимаются.

Приложение:  [Данные]
Транспорт:   [TCP-заголовок | Данные]
Сеть:        [IP-заголовок | TCP-заголовок | Данные]
Канальный:   [Ethernet-заголовок | IP-заголовок | TCP-заголовок | Данные | FCS]
Физический:  ...биты в среде передачи...

3. Модель TCP/IP

3.1. Четыре уровня

Модель TCP/IP (она же модель DoD — Department of Defense) была разработана для сети ARPANET и стала основой современного Интернета. Она содержит 4 уровня:

№	Уровень TCP/IP	Соответствие OSI	Ключевые протоколы
4	Прикладной (Application)	Прикладной + Представления + Сеансовый	HTTP, DNS, SMTP, FTP, SSH, TLS
3	Транспортный (Transport)	Транспортный	TCP, UDP, QUIC
2	Сетевой (Internet)	Сетевой	IPv4, IPv6, ICMP, ARP
1	Канальный (Network Access / Link)	Канальный + Физический	Ethernet, Wi-Fi, PPP

3.2. Почему TCP/IP победил на практике

Простота: 4 уровня вместо 7; чёткие, практически проверенные протоколы.
Открытость: стандарты описаны в RFC (Request for Comments), доступных всем.
Раннее внедрение: ARPANET, а затем Интернет, были построены на TCP/IP задолго до завершения стандартизации OSI.
Масштабируемость: IP-протокол масштабируется от домашней сети до глобального Интернета.
Программная доступность: стек TCP/IP реализован в ядре всех современных ОС (Linux, Windows, macOS, *BSD).

4. Физический и канальный уровень

4.1. Среды передачи

Среда	Тип	Скорость	Дальность	Применение
Витая пара (UTP/STP)	Медь	до 10 Гбит/с (Cat6a)	до 100 м	Офисные LAN
Оптоволокно	Свет	до 400 Гбит/с и выше	до десятков км (одномод)	ЦОД, магистрали, WAN
Радио (Wi-Fi)	Радиоволны	до 9.6 Гбит/с (Wi-Fi 6)	до ~100 м (в помещении)	Беспроводные LAN
Коаксиальный кабель	Медь	до 10 Гбит/с (DOCSIS 3.1)	до нескольких км	Кабельное ТВ, устаревшие LAN

4.2. Ethernet (IEEE 802.3)

Ethernet — доминирующая технология канального уровня для проводных локальных сетей.

Использует CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) — механизм разрешения коллизий. В современных полнодуплексных коммутируемых сетях коллизии практически не возникают.
Стандартный кадр Ethernet:

Поле	Размер	Назначение
Преамбула + SFD	8 байт	Синхронизация
MAC-адрес назначения	6 байт	Куда доставить
MAC-адрес источника	6 байт	Откуда отправлено
Тип / Длина (EtherType)	2 байта	Протокол верхнего уровня (0x0800 = IPv4)
Данные (payload)	46–1500 байт	Полезная нагрузка
FCS (CRC-32)	4 байта	Контрольная сумма

4.3. MAC-адрес

MAC-адрес (Media Access Control) — это 48-битный (6-байтовый) уникальный идентификатор сетевого интерфейса, записанный в прошивку (firmware) адаптера.

Формат: AA:BB:CC:DD:EE:FF (шесть пар шестнадцатеричных цифр).
Первые 3 байта — OUI (Organizationally Unique Identifier) — идентификатор производителя (назначается IEEE).
Последние 3 байта — серийный номер интерфейса.
Специальный адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF — широковещательный (broadcast): кадр доставляется всем устройствам в сегменте.

4.4. Коммутатор (switch) vs концентратор (hub)

Характеристика	Концентратор (hub)	Коммутатор (switch)
Уровень OSI	1 (Физический)	2 (Канальный)
Обработка кадров	Пересылает на все порты	Пересылает только на нужный порт
Таблица MAC-адресов	Нет	Да (MAC address table)
Коллизии	Все порты в одном домене коллизий	Каждый порт — отдельный домен
Безопасность	Низкая (все видят трафик)	Выше (трафик изолирован)
Современное использование	Практически не применяется	Основа любой LAN

Таблица MAC-адресов коммутатора: коммутатор запоминает, с какого порта пришёл кадр от определённого MAC-адреса, и в дальнейшем отправляет кадры для этого адреса только в соответствующий порт. Если MAC-адрес назначения неизвестен, кадр рассылается на все порты (flooding).

5. Сетевой уровень: протокол IP

5.1. IPv4

IPv4 (Internet Protocol version 4) — основной протокол сетевого уровня, обеспечивающий адресацию узлов и маршрутизацию пакетов.

Адрес: 32 бита, записывается в виде четырёх десятичных октетов: 192.168.1.10.
Каждый октет — от 0 до 255.
Общее число адресов: 2³² ≈ 4,3 миллиарда (недостаточно для современных потребностей).

5.2. Классы адресов (историческая система)

Класс	Первый октет	Маска по умолчанию	Назначение
A	1–126	255.0.0.0 (/8)	Крупные сети (до ~16 млн хостов)
B	128–191	255.255.0.0 (/16)	Средние сети (до ~65 тыс. хостов)
C	192–223	255.255.255.0 (/24)	Малые сети (до 254 хостов)
D	224–239	—	Multicast
E	240–255	—	Зарезервировано

Адрес 127.x.x.x — loopback (localhost), не передаётся в сеть.

5.3. Маска подсети и CIDR

Классовая система была расточительной (организации получали целые блоки класса A или B). На смену пришла бесклассовая адресация — CIDR (Classless Inter-Domain Routing).

Маска подсети определяет, какая часть адреса — сеть, а какая — хост:

Маска записывается в десятичном виде (255.255.255.0) или в CIDR-нотации (/24, что означает 24 единичных бита слева).
Адрес сети = IP AND маска.
Broadcast-адрес = адрес сети с единичными битами в хостовой части.

5.4. Пример расчёта

Дано: IP = 192.168.10.130, маска = 255.255.255.192 (/26)

Решение:

Маска /26 означает 26 бит сети и 6 бит хоста.
Размер подсети: 2⁶ = 64 адреса.
130 / 64 = 2 (целая часть) → начало подсети: 2 × 64 = 128.
Адрес сети: 192.168.10.128
Broadcast: 192.168.10.191 (128 + 64 − 1)
Диапазон хостов: 192.168.10.129 – 192.168.10.190 (62 адреса)

5.5. Частные (приватные) IP-адреса

Для использования внутри локальных сетей зарезервированы блоки (RFC 1918):

Диапазон	CIDR	Класс
10.0.0.0 – 10.255.255.255	10.0.0.0/8	A
172.16.0.0 – 172.31.255.255	172.16.0.0/12	B
192.168.0.0 – 192.168.255.255	192.168.0.0/16	C

Эти адреса не маршрутизируются в глобальном Интернете. Для доступа в Интернет используется NAT (см. раздел 9).

6. IPv6

6.1. Зачем нужен IPv6

Адресное пространство IPv4 (4,3 млрд адресов) было исчерпано — IANA распределила последние блоки /8 в 2011 году. IPv6 решает эту проблему и вносит архитектурные улучшения.

6.2. Формат адреса

128 бит — записывается как 8 групп по 4 шестнадцатеричных цифры, разделённых двоеточиями:

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Сокращения:
- Ведущие нули в группе можно опускать: 0db8 → db8.
- Одна непрерывная последовательность нулевых групп заменяется на :: (допускается один раз):

2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

6.3. Основные отличия IPv6 от IPv4

Характеристика	IPv4	IPv6
Длина адреса	32 бита	128 бит
Количество адресов	~4,3 × 10⁹	~3,4 × 10³⁸
Формат записи	Десятичный с точками	Шестнадцатеричный с двоеточиями
Заголовок	Переменной длины, с опциями	Фиксированный (40 байт), расширения — отдельные заголовки
Broadcast	Есть	Нет (заменён на multicast и anycast)
Автоконфигурация	DHCP	SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration) + DHCPv6
IPsec	Опционально	Встроен в стандарт
NAT	Широко используется	Не требуется (достаточно адресов)

7. Маршрутизация

7.1. Основы

Маршрутизация — это процесс определения пути, по которому пакет должен пройти от отправителя к получателю через промежуточные сети.

Каждый маршрутизатор (а также каждый хост) имеет таблицу маршрутов — набор правил вида:

Сеть назначения	Маска	Шлюз (next hop)	Интерфейс	Метрика
192.168.1.0	/24	— (directly connected)	eth0	0
10.0.0.0	/8	192.168.1.1	eth0	10
0.0.0.0	/0	192.168.1.1	eth0	100

Последняя строка — маршрут по умолчанию (default route): если ни одно более конкретное правило не подходит, пакет отправляется на шлюз по умолчанию (default gateway) — обычно это ближайший маршрутизатор.

7.2. Принцип выбора маршрута

Маршрутизатор выбирает запись с наибольшим совпадением по длине префикса (longest prefix match). Например, для адреса 10.1.2.3:

Запись 10.0.0.0/8 подходит (8 бит совпали).
Запись 10.1.0.0/16 подходит лучше (16 бит совпали) — она и будет выбрана.

7.3. Статическая vs динамическая маршрутизация

Характеристика	Статическая	Динамическая
Настройка	Вручную администратором	Автоматически протоколами
Реакция на изменения	Требует ручного обновления	Адаптируется автоматически
Нагрузка на сеть	Нет служебного трафика	Обмен маршрутной информацией
Применение	Малые сети, резервные маршруты	Средние и крупные сети, Интернет
Примеры протоколов	—	OSPF, BGP, RIP, EIGRP

8. DHCP — автоматическая настройка сети

8.1. Назначение

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) позволяет узлам автоматически получать сетевые параметры при подключении к сети:

IP-адрес
Маска подсети
Шлюз по умолчанию
DNS-серверы
Время аренды (lease time)

Без DHCP администратору пришлось бы вручную настраивать каждое устройство, что непрактично в сетях с десятками и сотнями хостов.

8.2. Процесс DORA

Взаимодействие клиента и DHCP-сервера проходит в 4 этапа (все сообщения передаются по UDP, порты 67/68):

Шаг	Название	Направление	Описание
1	Discover	Клиент → Broadcast	Клиент отправляет широковещательный запрос «Есть ли DHCP-сервер?»
2	Offer	Сервер → Клиент	Сервер предлагает IP-адрес и параметры
3	Request	Клиент → Broadcast	Клиент принимает предложение и запрашивает именно этот адрес
4	Acknowledge	Сервер → Клиент	Сервер подтверждает выделение адреса

После получения ACK клиент настраивает свой сетевой интерфейс и может работать в сети.

8.3. Аренда и продление

Адрес выдаётся на определённый срок (lease time). По истечении половины срока клиент отправляет запрос на продление (DHCP Request). Если сервер не отвечает, клиент повторяет попытку по истечении 87,5 % срока, а после истечения аренды — начинает процесс DORA заново.

9. NAT — Network Address Translation

9.1. Зачем нужен NAT

В IPv4 публичных адресов не хватает на все устройства. NAT позволяет целой локальной сети выходить в Интернет через один (или несколько) публичный IP-адрес, подменяя приватные адреса в заголовках пакетов.

9.2. Типы NAT

Тип	Описание	Применение
Static NAT	Один приватный адрес ↔ один публичный адрес (1:1)	Серверы, которые должны быть доступны извне
Dynamic NAT	Пул приватных адресов ↔ пул публичных (N:M, M < N)	Организации с несколькими публичными IP
PAT / Masquerade	Множество приватных адресов → один публичный + разные порты (N:1)	Домашние роутеры, малый бизнес

9.3. Как работает PAT (на примере домашнего роутера)

Рассмотрим типичную ситуацию: три устройства в домашней сети обращаются к веб-серверу в Интернете.

Шаг 1. Исходящий пакет:

Поле	До NAT	После NAT
Src IP	192.168.1.100	203.0.113.5 (публичный IP роутера)
Src Port	50001	60001 (выбран роутером)
Dst IP	93.184.216.34	93.184.216.34
Dst Port	80	80

Роутер сохраняет соответствие в NAT-таблице:

Внутренний адрес:порт	Внешний порт
192.168.1.100:50001	60001
192.168.1.101:50002	60002
192.168.1.102:50003	60003

Шаг 2. Ответный пакет: сервер отправляет ответ на 203.0.113.5:60001. Роутер находит запись в NAT-таблице и перенаправляет пакет на 192.168.1.100:50001.

Таким образом, множество устройств используют один публичный IP, различаясь по номерам портов.

10. ARP — Address Resolution Protocol

10.1. Зачем нужен ARP

Для отправки кадра на канальном уровне нужен MAC-адрес получателя. Но приложения и сетевой уровень оперируют IP-адресами. ARP обеспечивает преобразование IP-адреса → MAC-адрес в пределах одной локальной сети.

10.2. Как работает ARP

Ситуация: хост A (192.168.1.10) хочет отправить пакет хосту B (192.168.1.20) в той же подсети, но не знает его MAC-адрес.

ARP-запрос (ARP Request): хост A отправляет широковещательный кадр (Dst MAC = FF:FF:FF:FF:FF:FF):
- «Кто имеет IP 192.168.1.20? Ответьте на MAC AA:BB:CC:11:22:33» (MAC хоста A).
Все устройства в сегменте получают запрос, но только хост B (владелец 192.168.1.20) отвечает.
ARP-ответ (ARP Reply): хост B отправляет одноадресный (unicast) ответ хосту A:
- «192.168.1.20 — это DD:EE:FF:44:55:66» (MAC хоста B).
Хост A сохраняет соответствие в ARP-таблице (ARP cache) и использует MAC-адрес для отправки кадра.

10.3. ARP-таблица

Каждый хост и маршрутизатор хранит кэш ARP-записей, чтобы не отправлять ARP-запрос при каждом обращении. Записи имеют время жизни (TTL): обычно 2–20 минут, после чего устаревают и удаляются.

Просмотр ARP-таблицы:

Linux / macOS: arp -a или ip neigh (Linux)
Windows: arp -a

10.4. Безопасность ARP

ARP не имеет механизмов аутентификации, что делает его уязвимым:

ARP-spoofing (ARP poisoning): злоумышленник отправляет ложные ARP-ответы, связывая свой MAC-адрес с IP-адресом жертвы (например, шлюза). Это позволяет перехватывать или модифицировать трафик (атака «человек посередине» / MITM).
Защита: Dynamic ARP Inspection (DAI) на управляемых коммутаторах, статические ARP-записи, использование 802.1X.

11. ICMP — Internet Control Message Protocol

11.1. Назначение

ICMP (Internet Control Message Protocol) — это служебный протокол сетевого уровня, предназначенный для диагностики и уведомления об ошибках в IP-сетях. ICMP не передаёт пользовательские данные — он передаёт управляющие сообщения.

Примеры ICMP-сообщений:

Тип	Код	Назначение
0	0	Echo Reply (ответ на ping)
3	0	Destination Network Unreachable
3	1	Destination Host Unreachable
3	3	Destination Port Unreachable
8	0	Echo Request (запрос ping)
11	0	Time Exceeded (TTL expired)

11.2. Утилита ping

ping — это простейший инструмент диагностики сетевой доступности:

Отправляет ICMP Echo Request (тип 8) на целевой адрес.
Ожидает ICMP Echo Reply (тип 0).
Измеряет время прохождения (Round-Trip Time, RTT) и считает потери.

$ ping 8.8.8.8
PING 8.8.8.8: 56 data bytes
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=118 time=12.3 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=118 time=11.8 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=118 time=12.1 ms

TTL (Time To Live): каждый маршрутизатор уменьшает TTL на 1. Когда TTL = 0, пакет отбрасывается и отправитель получает ICMP Time Exceeded.
Потери пакетов: если Echo Reply не получен — узел недоступен, пакет потерян или заблокирован файрволом.

11.3. Утилита traceroute (tracert в Windows)

traceroute определяет маршрут пакета — последовательность маршрутизаторов на пути к цели.

Принцип работы:

Отправляет пакет с TTL = 1. Первый маршрутизатор уменьшает TTL до 0, отбрасывает пакет и возвращает ICMP Time Exceeded — так мы узнаём его IP-адрес.
Отправляет пакет с TTL = 2. Первый маршрутизатор пропускает, второй отбрасывает и отвечает ICMP Time Exceeded.
Процесс повторяется с увеличением TTL, пока пакет не достигнет цели.

$ traceroute 8.8.8.8
 1  192.168.1.1      1.2 ms   1.1 ms   1.0 ms
 2  10.0.0.1         5.3 ms   5.1 ms   5.4 ms
 3  72.14.204.68     8.7 ms   8.5 ms   8.9 ms
 4  8.8.8.8         12.1 ms  12.0 ms  12.3 ms

В Windows используется команда tracert, которая по умолчанию отправляет ICMP Echo Request. В Linux/macOS traceroute по умолчанию использует UDP-пакеты на высокие порты, но может использовать ICMP с флагом -I.

11.4. Практическое значение

Инструмент	Что проверяет	Когда использовать
`ping`	Доступность узла, RTT, потери	Быстрая проверка связи
`traceroute` / `tracert`	Маршрут до узла, задержки на каждом хопе	Диагностика проблем маршрутизации

Вместе эти инструменты позволяют локализовать проблему: если ping не проходит, traceroute покажет, на каком этапе маршрута происходит обрыв.

12. Вопросы для самопроверки

Перечислите уровни модели OSI и укажите для каждого единицу данных (PDU) и примеры протоколов.
Сколько уровней в модели TCP/IP? Как они соотносятся с моделями OSI?
Что такое инкапсуляция? Опишите процесс инкапсуляции при отправке HTTP-запроса.
Чем коммутатор (switch) отличается от концентратора (hub)? Почему коммутаторы полностью вытеснили хабы?
Дано: IP-адрес 172.16.50.200, маска /20. Определите адрес сети, broadcast-адрес и диапазон хостов.
Назовите три основных отличия IPv6 от IPv4. Почему переход на IPv6 происходит медленно?
Что такое шлюз по умолчанию? Что произойдёт, если он не настроен, а узел пытается обратиться к адресу в другой подсети?
Опишите четыре этапа процесса DHCP (DORA). Почему сообщения Discover и Request отправляются широковещательно?
Как работает PAT (Port Address Translation)? Объясните на примере, как три устройства в домашней сети могут одновременно обращаться к разным веб-сайтам через один публичный IP.
Объясните принцип работы traceroute. Какой механизм протокола IP позволяет определять промежуточные маршрутизаторы?