Содержание:

Если вы когда-нибудь задумывались, как же все эти компьютеры в сети общаются, не перебивая друг друга и не путая адреса, то вы попали в нужное место! Мы с вами разберём самые важные вопросы про сети: что такое подсеть, зачем нужна маска подсети, как работают устройства вроде коммутаторов и маршрутизаторов, почему в Ethernet бывают коллизии и как они решаются, что такое IP и MAC-адрес, и почему порты — это важные элементы сетевого разговора.

Статья будет как хорошее блюдо — с разными ингредиентами: объяснения, метафоры, примеры и даже таблицы для ясности. Готовьтесь, сеть — это настоящий живой организм, который мы сейчас вместе раскроем!

Подсети и IP-адреса: кто есть кто в сетевой семье?

Что такое подсеть?

Подсеть — это как квартал в огромном городе IP-адресов. Представьте, что IP-адрес — это полный почтовый адрес: страна, город, улица, дом, квартира. Так вот, подсеть — это улица или дом, объединяющий много квартир (устройств). Все компьютеры в одной подсети могут общаться напрямую, не выходя на главную улицу.

Что такое IP-адрес?

IP-адрес — логический адрес компьютера в сети. Он не привязан жестко к устройству, а зависит от сети, в которую подключился компьютер. Например, в офисе и дома у вашего ноутбука могут быть разные IP, а MAC-адрес останется тем же.

IP-адрес — это 32-битное число (в IPv4), разделённое на 4 части (октеты), каждое из которых — число от 0 до 255, например: 192.168.1.100.

Компонент IP Пример значения Что значит?
Октет 1 192 Первая часть адреса
Октет 2 168 Вторая часть адреса
Октет 3 1 Третья часть адреса
Октет 4 100 Четвёртая часть адреса

Что такое маска подсети?

Маска подсети — это хитрый инструмент, который делит IP-адрес на две части:

  • адрес подсети (номер дома в нашем примере)
  • адрес хоста (номер квартиры в доме)

Она показывает, сколько бит от IP-адреса отвечает за подсеть, а сколько — за устройство.

Например:

Маска подсети Кол-во бит подсети Адрес подсети Кол-во хостов
/16 16 172.16.0.0 65 534
/24 24 172.16.37.0 254
/12 12 172.16.0.0 1 048 574

(Чем больше бит в подсети, тем меньше адресов для устройств)

Почему это важно?

Если адрес получателя находится в вашей подсети, запрос пойдет напрямую. Если нет — придется обращаться к маршрутизатору, чтобы отправить сообщение в другую подсеть.

Устройства в сети: кто рулит маршрутом?

Коммутатор (Switch)

Это как суперумный распределитель писем. Он знает, кто живёт на каком этаже (MAC-адреса и порты) и отправляет посылки прямо в нужную квартиру, не рассылая всем соседям.

  • Работает на канальном уровне.
  • Хранит таблицу коммутации: сопоставление MAC-адрес — порт.
  • При первом сообщении, когда адрес получателя неизвестен, делает широковещательный запрос (broadcast).
  • Пример таблицы коммутации:
Порт MAC-адрес
1 AA:BB:CC:11:22:33
2 11:22:33:44:55:66
3 FF:EE:DD:00:11:22

Маршрутизатор (Router)

Он — как постовой на границе двух кварталов. Если письмо нужно отправить в другой квартал, он решает, куда именно его передать.

  • Работает на сетевом уровне.
  • Пересылает пакеты между подсетями.
  • Может быть частью сложной цепочки маршрутизаторов с таблицами маршрутизации.

Концентратор (Hub)

Старичок сети — простой разветвитель, который слепо рассылает сигнал на все порты. Как крик в комнате — кричишь, и все слушают, даже если сообщение адресовано одному.

  • Работает на физическом уровне.
  • Не различает адресов, не фильтрует трафик.
  • Используется в старых или простых сетях.

MAC-адрес и IP-адрес: физический и логический адреса

MAC-адрес

Физический адрес устройства в сети. Уникален для каждой сетевой карты, «вшит» производителем, выглядит как 6 пар шестнадцатеричных чисел: F8:63:3F:28:4E:CE.

  • Используется на канальном уровне.
  • Можно изменить вручную (но это не слишком хорошо для безопасности).
  • Нужен коммутатору, чтобы направлять кадры.

IP-адрес

Логический адрес, назначаемый сети или вручную, или автоматически (DHCP).

  • Меняется в зависимости от сети.
  • Используется маршрутизаторами для пересылки пакетов.
  • Представляет собой числовой адрес устройства в глобальной или локальной сети.

Как данные проходят по сети: конверты в конвертах

Представьте, что вы отправляете письмо с вложенной посылкой:

  • Пакет — это конверт с IP-адресами отправителя и получателя (сетевой уровень).
  • Кадр — внешний конверт с MAC-адресами (канальный уровень).
  • Внутри кадра — пакет, внутри пакета — сегмент (транспортный уровень), внутри сегмента — ваши данные.

Это помогает сетям понимать, куда и как доставлять данные.

Протоколы транспортного уровня: TCP и UDP

  • TCP (Transmission Control Protocol) — как почтальон, который проверяет, что все письма дошли. Если нет — отправляет заново. Надежно, но медленнее.
  • UDP (User Datagram Protocol) — отправил и забыл. Быстро, но не гарантирует доставку. Хорошо подходит для звонков, где небольшие потери не критичны.

Порты и сокеты: как найти нужную программу?

Порт — это «дверь» в компьютерную программу. Каждый сегмент данных имеет номер порта, чтобы попасть в нужное приложение.

Программа Стандартный порт
Веб-сервер (HTTP) 80
База данных (PostgreSQL) 5432
Почтовый сервер 25

Сокет — это связка IP-адреса и порта, например: 192.168.1.10:80.

NAT: как одна дверь на всех спасает IPv4

Проблема: IPv4-адресов не хватает, а нужно, чтобы каждый телефон, ноутбук и холодильник имели адрес.

Решение: NAT (Network Address Translation) — преобразователь, который позволяет всем устройствам вашей домашней сети пользоваться одним публичным IP, переводя внутренние адреса в публичный и обратно.

Пример:

Внутренний IP Внутренний порт Публичный IP Публичный порт
192.168.1.30 41000 95.165.32.14 41000
192.168.1.40 41001 95.165.32.14 41001

IPv4 vs IPv6: от тесноты к простору

  • IPv4 — 32 бита, примерно 4,3 миллиарда адресов.
  • IPv6 — 128 бит, это 2^128 адресов, хватит всем и ещё больше.

IPv6 решает проблему нехватки адресов, добавляет встроенное шифрование и убирает необходимость широковещательных адресов.

Почему не перешли полностью? Старое оборудование и несовместимость.

Топологии сети и сегменты Ethernet

Топология "звезда"

Все устройства подключены к центральному устройству — коммутатору или концентратору. Это удобно для диагностики и масштабирования.

Сегмент Ethernet 10BASE-T

  • Использует витую пару кабеля категории 3 и выше.
  • Топология пассивная звезда.
  • Требует концентратор.
  • Кабель длиной не более 100 м.
  • Передача по двум витым парам: одна — передача, другая — приём.

Прямой и перекрёстный кабели: как правильно соединять?

Соединение Тип кабеля
Компьютер — концентратор Прямой (direct)
Компьютер — компьютер Перекрёстный (crossover)
Концентратор — концентратор (обычные порты) Перекрёстный (crossover)
Концентратор UpLink — концентратор Прямой (direct)

Коллизии в Ethernet: когда все хотят говорить одновременно

В классическом Ethernet устройства делят общий канал и могут начать передавать одновременно — это и есть коллизия. Тогда данные искажаются.

Как избежать:

  • Используют метод CSMA/CD — перед передачей слушают канал, если занят — ждут.
  • При коллизии все отправители останавливаются, передают сигнал Jam и ждут случайный промежуток времени.

Коммутируемый Ethernet: как убрать коллизии и ускорить сеть

В коммутируемом Ethernet используется топология точка-точка между устройствами и коммутатором.

  • Каждое соединение выделенное, нет общего канала.
  • Нет коллизий.
  • Возможен полнодуплексный режим (одновременная передача в обе стороны).
  • Таблица коммутации помогает направлять трафик.

Модель OSI и TCP/IP: как понимать уровни сети

Уровень OSI Проекция TCP/IP Основная задача
7. Прикладной Прикладной Программы обрабатывают данные
6. Представления Прикладной Форматирование, шифрование
5. Сеансовый Прикладной Управление сессией
4. Транспортный Транспортный Деление на сегменты, надежность
3. Сетевой Сетевой Логическая адресация, маршрутизация
2. Канальный Канальный Физическая адресация (MAC), кадры
1. Физический Физический Передача сигналов по кабелю или радиоволнам

FAQ: Быстрые ответы на главные вопросы

Можно ли менять MAC-адрес?
Да, но это может нарушить работу сети и снизить безопасность.

Что будет, если IP-адрес в сети совпадёт?
Устройства не смогут корректно общаться, возможны конфликты.

Зачем нужен DHCP?
Чтобы автоматически раздавать IP-адреса, не заставляя администратора вручную прописывать их.

Можно ли использовать один IP для нескольких устройств?
Да, с помощью NAT, который преобразует адреса.

Чек-лист для домашней сети

  • [x] Используйте коммутатор, а не концентратор, для повышения скорости и безопасности
  • [x] Настройте DHCP, чтобы устройства получали IP автоматически
  • [x] Правильно выбирайте кабели: прямой для подключения к коммутатору, перекрестный для подключения напрямую к другому устройству
  • [x] Понимайте маску подсети, чтобы правильно планировать адресацию
  • [x] Обновляйте оборудование для поддержки IPv6

Советы сетевому новичку

  • Не пугайтесь длинных чисел и битов — главное понять принцип разделения адреса и ролей устройств
  • Представляйте сеть как почтовую систему с почтовыми адресами, почтальонами и сортировочными центрами
  • Помните, что коммутатор — это умный направитель трафика, а маршрутизатор — граница между сетями
  • Используйте модель OSI, чтобы не путаться в уровнях и понять, где происходит обработка данных
  • Учите основные протоколы TCP и UDP, чтобы понимать, как гарантируется или нет доставка данных

Вот так, без скучных формул, с примерами и метафорами, вы теперь немного больше знаете о том, как работает сеть вокруг нас. Теперь можно смело разговаривать с айтишниками и не теряться в терминах — вы точно не останетесь без сети!