Вопрос 21: Локальные и глобальные компьютерные сети

1. Введение: что такое компьютерная сеть?

Компьютерная сеть — это совокупность компьютеров и других устройств, соединённых линиями связи и обменивающихся данными по определённым правилам (протоколам).

Сети позволяют:

• совместно использовать ресурсы (файлы, принтеры, интернет-каналы);

• обмениваться информацией (электронная почта, мессенджеры);

• централизованно управлять и хранить данные;

• организовывать распределённые вычисления.

По территориальному охвату сети делятся на:

• Локальные (LAN) — в пределах одного здания или предприятия.

• Глобальные (WAN) — охватывают большие территории (страны, континенты).

• Муниципальные (MAN) — промежуточный вариант (город, район).

• Персональные (PAN) — вокруг одного человека (Bluetooth).

Часть 1. Локальные сети (lan — Local Area Network)

1.1. Определение и характеристики

Локальная сеть — это сеть, которая объединяет компьютеры в пределах ограниченной территории (одно здание, этаж, офис, квартира).

Характерные черты LAN:

• Высокая скорость передачи данных — от 100 Мбит/с до 100 Гбит/с и выше.

• Низкая задержка — миллисекунды.

• Ограниченная территория — обычно до нескольких километров.

• Частная собственность — сеть принадлежит одной организации или лицу.

• Использование определённых технологий — Ethernet, Wi-Fi.

1.2. Топологии локальных сетей

Топология — это способ соединения устройств в сети.

А) Шина (Bus)

Все устройства подключены к одной линии (кабелю). Сигнал распространяется по всей шине.

Плюсы: Простота, мало кабеля. Минусы: Если кабель повреждён — сеть не работает. Низкая безопасность. Устарела.

Б) Звезда (Star)

Все устройства подключены к центральному устройству (коммутатору или концентратору).

Плюсы: Надёжность (выход из строя одного компьютера не влияет на остальные), легко добавлять новые устройства. Минусы: Требуется больше кабеля, центральное устройство — единая точка отказа (но обычно оно надёжно). Применение: Самая распространённая топология сегодня.

В) Кольцо (Ring)

Устройства соединены последовательно, образуя замкнутое кольцо. Данные передаются по кругу.

Плюсы: Нет коллизий. Минусы: Выход из строя одного устройства может нарушить работу всего кольца (в современных реализациях с двойным кольцом проблема решается). Применение: Использовалось в Token Ring, FDDI. Сейчас редко.

Г) Полносвязная (Mesh)

Каждое устройство соединено с каждым отдельной линией.

Плюсы: Максимальная надёжность, отличная производительность. Минусы: Требуется огромное количество кабелей, дорого. Применение: В ядре сетей, в беспроводных mesh-сетях (как логическая, а не физическая).

Д) Древовидная (Tree)

Иерархическое соединение нескольких звёзд. Используется в крупных сетях предприятий.

1.3. Технологии локальных сетей

Ethernet

Самая распространённая технология проводных LAN.

Эволюция Ethernet:

• 10BASE-T — 10 Мбит/с, витая пара (устарело).

• 100BASE-T (Fast Ethernet) — 100 Мбит/с, витая пара (устаревает).

• 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) — 1 Гбит/с, витая пара (стандарт сегодня).

• 10GBASE-T — 10 Гбит/с, витая пара (для серверов и ЦОД).

• 40GBASE-T, 100GBASE-T — для магистралей ЦОД.

Стандарты IEEE 802.3 — описывают Ethernet.

Wi-Fi (беспроводные LAN)

Технология беспроводной связи в локальных сетях.

Стандарты IEEE 802.11:

• 802.11n (Wi-Fi 4) — до 600 Мбит/с, 2.4 и 5 ГГц.

• 802.11ac (Wi-Fi 5) — до 3.5 Гбит/с, только 5 ГГц.

• 802.11ax (Wi-Fi 6) — до 9.6 Гбит/с, 2.4, 5, 6 ГГц, лучше работает в плотной среде.

• 802.11be (Wi-Fi 7) — до 46 Гбит/с, новые возможности.

Другие технологии

• Token Ring — устарела.

• FDDI — оптоволокно, устарела.

• ARCNET — устарела.

1.4. Оборудование локальных сетей

• Коммутаторы (Switch) — центральные устройства в топологии "звезда".

• Маршрутизаторы — для выхода в другие сети (интернет).

• Точки доступа (Access Point) — для подключения беспроводных устройств.

• Сетевые карты (NIC) — в каждом устройстве.

• Кабели — витая пара (Cat5e, Cat6), оптоволокно.

1.5. Адресация в локальных сетях

В локальных сетях устройства идентифицируются по MAC-адресам (Media Access Control) — уникальным 48-битным адресам, "зашитым" в сетевую карту производителем.

MAC-адрес выглядит как 00:1A:2B:3C:4D:5E. Он используется на канальном уровне модели OSI для доставки кадров внутри одного сегмента сети.

Для связи между разными сетями используются IP-адреса (о них в следующей части).

Часть 2. Глобальные сети (WAN — Wide Area Network)

2.1. Определение и характеристики

Глобальная сеть — это сеть, охватывающая большие географические территории (страны, континенты). Самая известная глобальная сеть — Интернет.

Характерные черты WAN:

• Большая территория — тысячи километров.

• Более низкая скорость по сравнению с LAN (хотя магистрали интернета очень быстрые, но "последняя миля" часто ограничена).

• Большие задержки — сотни миллисекунд.

• Использование арендованных каналов связи — сети провайдеров, спутники, оптоволоконные магистрали.

• Сложная топология — множество маршрутизаторов, связей.

• Нет единого владельца — Интернет состоит из сетей разных провайдеров.

2.2. Технологии глобальных сетей

А) Выделенные линии (leased lines)

Постоянное соединение между двумя точками. Может быть медным, оптоволоконным, радиорелейным. Используется провайдерами для связи своих узлов и для подключения крупных клиентов.

Б) Коммутация каналов

Устанавливается выделенный канал на время сеанса связи. Пример: старая телефонная сеть (PSTN). Сейчас почти не используется для данных.

В) Коммутация пакетов

Данные разбиваются на пакеты, которые передаются независимо друг от друга и могут идти разными маршрутами. Основа современного Интернета.

Г) Технологии "последней мили" (подключение абонентов):

• xDSL (ADSL, VDSL) — по телефонной линии.

• DOCSIS — по сети кабельного телевидения (коаксиал).

• FTTx (Fiber To The...) — оптика до дома/здания/квартиры (GPON, Ethernet).

• Спутниковый интернет — Starlink, геостационарные спутники.

• Сотовая связь — 3G, 4G, 5G.

• Wi-Fi (как доступ в интернет от провайдера, но это уже LAN).

Д) Магистральные технологии:

• SDH/SONET — синхронная цифровая иерархия, передача по оптоволокну.

• DWDM — плотное волновое мультиплексирование, множество каналов по одному волокну.

• MPLS — многопротокольная коммутация по меткам, используется провайдерами для создания VPN и управления трафиком.

2.3. Адресация в глобальных сетях

В глобальных сетях (и вообще в сетях TCP/IP) используется IP-адресация.

IPv4

32-битный адрес, записывается как четыре десятичных числа, разделённых точками: 192.168.1.1.

• Всего около 4.3 миллиардов адресов, что уже недостаточно.

IPv6

128-битный адрес, записывается в шестнадцатеричном виде: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334.

• Практически неограниченное количество адресов.

Классы IP-адресов (для IPv4):

• Публичные (глобальные) — уникальны во всём Интернете.

• Частные (локальные) — используются внутри локальных сетей, не маршрутизируются в интернете:

  • 10.0.0.0/8

  • 172.16.0.0/12

  • 192.168.0.0/16

• Специальные: 127.0.0.0/8 (localhost, петля), 169.254.0.0/16 (APIPA, автонастройка).

Для преобразования частных адресов в публичные используется NAT (Network Address Translation) на маршрутизаторе.