Комп’ютерні мережі

Комп’ютерні мережі — це групи комп’ютерів та інших пристроїв, які з’єднані між собою, щоб вони могли надсилати інформацію один одному та спільно використовувати ресурси (наприклад, принтери). Ці мережі можна підключати різними способами, наприклад, кабелем, Wi-Fi або супутниковим з’єднанням. Комп’ютерні мережі дозволяють швидко обмінюватися інформацією навіть на великі відстані.

Тему комп’ютерних мереж можна розділити на кілька напрямів:

• Загальні принципи – базові мережеві архітектури, топологія, розподіл мереж за розміром, важливі поняття (пакети, VPN, фаєрпрограми)
• Протоколи – правила, які визначають трафік у мережах (TCP, UDP, IP, WiFi, Bluetooth та інші)
• Апаратне забезпечення – мережеві пристрої та засоби передачі, які фізично забезпечують роботу в мережах

Інтернет — це всесвітня комп’ютерна мережа. Це означає, що вона об’єднує комп’ютери. Інтернет було створено шляхом об’єднання менших комп’ютерних мереж, які часто належать приватним власникам (inter = між, network = мережа). Інтернет в цілому є загальнодоступним, без єдиного власника чи центральної адміністрації.

Підключення к Інтернету

Підключатися до Інтернету можна як дротовим, так і бездротовим способом. При дротовому з’єднанні використовується інфраструктура телефонних ліній (DSL) або кабельного телебачення (в обох випадках електричний сигнал поширюється по проводах) або новіші оптичні кабелі (якими поширюється світловий сигнал, який швидше за електричний). Бездротовий зв’язок використовує радіохвилі, що передаються від найближчих станцій (передавачів) або супутників на орбіті Землі (для з’єднання потрібна антена). Мобільні оператори, які використовують LTE або новішу технологію 5G, також забезпечують бездротове підключення до Інтернету через свої передавачі.

Для перетворення аналогового сигналу (який, наприклад, передається через кабель) у цифровий сигнал (який може розуміти комп’ютер) потрібен модем. Щоб мати можливість підключати більше пристроїв до мережі, необхідно додати після модему (або безпосередньо в нього) роутер, який визначає, кому які дані надсилати. Пристрої можна підключати до маршрутизатора за допомогою мережевого кабелю, але часто також бездротовим способом за допомогою технології Wi-Fi (тоді ми говоримо про маршрутизатор Wi-Fi). Мобільні пристрої дозволяють ділитися з’єднанням для передачі даних в Інтернеті з іншими пристроями, ця функція називається хот-спотом (англ. hotspot).

World Wide Web

World Wide Web або Вевестня мережа (часто скорочено просто web) — це мережа взаємопов’язаних веб-сторінок. Веб-сайти є «гіпертекстовими документами», що означає, що вони посилаються один на одного за допомогою так званих гіпертекстових посилань. Посилання мають форму URL (Uniform Resource Locator), яка містить протокол зв’язку, доменне ім’я та шлях до зазначеного ресурсу (наприклад, https://fi.muni.cz/contacts). Сайт пишуться на мові розмітки HTML, що дозволяє визначити структуру сторінки, форматування тексту та гіперпосилання.

Для перегляду веб-сайтів використовуються програми, відомі як веб-браузери або браузери (наприклад, Chrome, Firefox, Edge, Safari, Opera). Браузери спілкуються з веб-серверами згідно з правилами протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol) або його безпечного розширення HTTPS (S = Secure). Пошук в Інтернеті за допомогою ключових слів є можливий за допомогою пошукових систем Інтернету (наприклад, Google, Bing, Yahoo!).

Інші інтернет-сервіси

Інтернет – це не просто Всесвітнє павутиння. Він також підтримує використання інших сервісів та можливостей, таких як надсилання електронних листів, обмін миттєвими повідомленнями, відеоконференції (наприклад, Zoom, Google Meet), потокове передавання відео та музики або передача файлів. Інфраструктура Інтернету також використовується так званими хмарами (англ. cloud). Хмарне сховище (наприклад, Google Drive, Dropbox) дозволяє зберігати файли та отримувати доступ до них онлайн - дані фізично зберігаються на комп’ютері хмарного постачальника, а не на нашому комп’ютері. Хмари дають змогу не лише зберігати дані на віддаленому сервері, а й виконувати обчислення (так звані хмарні обчислення).

Безпека

З точки зору безпеки доцільно спілкуватися з веб-серверами через протокол HTTPS, який шифрує весь зв’язок, що особливо важливо під час надсилання персональних даних. Більш безпечний зв’язок між мережами забезпечує брандмауер, який є як частиною маршрутизаторів, так і окремою програмою на комп’ютері. Брандмауер перевіряє як вхідні, так і вихідні дані, і якщо вони містять підозрілий вміст, він не пропускає їх далі.

VPN (Virtual Private Network) — це віртуальна приватна мережа, тобто приватне з’єднання кількох комп’ютерів в Інтернеті (яке саме по собі не є безпечним). Таким чином, підключені комп’ютери можуть знаходитися в будь-якій точці світу, а зв’язок між ними захищений так, ніби вони є частиною приватної мережі.

Комп’ютерні мережі з’єднують комп’ютери разом і дозволяють їм обмінюватися інформацією один з одним.

Мережеві архітектури

Мережева архітектура – це структура мережі, яка визначає, як відбувається зв’язок між її елементами. Найбільш поширені дві архітектури:

У мережі клієнт-сервер пристрої можуть виконувати дві різні ролі. Сервер надає послуги, через нього йде весь мережевий зв’язок. Як правило, це великий комп’ютер, який належить, наприклад, компанії. Клієнти — це звичайні комп’ютери користувачів, які запитують послуги від сервера. Скажімо, коли ми хочемо переглянути веб-сторінку, наш комп’ютер (клієнт) надсилає запит на сервер, який запускає сторінку, щоб надіслати вміст сторінки.

У одноранговій (англ. peer-to-peer) мережі всі елементи рівноправні. Усі пристрої можуть запитувати послуги від інших і надавати певні послуги натомість.

Топологія

Фактична фізична форма підключення елементів до мережі називається топологією. Поширені типи топологій:

• кільцева
• морська зірка
• дерево
• шина

У реальних мережах ці топології часто поєднуються.

Розподіл мереж за розміром

Мережі також можна розрізняти за розміром і охопленням. Ось деякі вибрані типи:

• LAN (локальна мережа, англ. local area network) – мережа, що охоплює невелику територію, як-от, одну будівлю
• WLAN (бездротова локальна мережа, англ. wireless local area network) – локальна мережа з бездротовою передачею даних
• WAN (глобальна мережа, англ. wide area network) – мережа, яка обслуговує велику територію

Інші поняття

Дані найчастіше надсилаються мережею в окремих наборах, які називаються пакетами. Пакети складаються із заголовка, який містить керівну інформацію, і власне даних.

Найбільшою мережею у світі є Інтернет. Він утворюється шляхом з’єднання багатьох менших мереж, які належать приватним операторам. Таким чином, він не має центральної організації чи фіксованої структури. Більшість комунікацій через Інтернет відбувається за допомогою протоколів TCP та IP.

VPN (virtual private network) — віртуальна приватна мережа. VPN забезпечує приватний і безпечний зв’язок між декількома комп’ютерами в Інтернеті, який зазвичай не є безпечним.

Брандмауер забезпечує більш безпечний зв’язок між мережами. Він перевіряє дані, що проходять, і, якщо в них є підозрілий вміст, не пропускає його.

Робота в комп’ютерних мережах відбувається за правилами протоколів. Існує багато протоколів, кожен із яких виконує свої функції.

TCP і UDP керують передачею даних від користувача до одержувача. UDP надсилає дані без гарантії надійності, але дуже швидко. Він підходить, наприклад, для передачі відеодзвінків, де потрібно негайно реагувати. Однак через ненадійність UDP нам доводиться час від часу миритися з низькою якістю даних. TCP може гарантувати надходження повних даних без помилок, але ціною меншої швидкості. Зараз він передає більшість даних в Інтернеті: використовується для завантаження веб-сторінок, надсилання електронних листів або завантаження файлів.

IP забезпечує маршрутизацію, тобто шукає шлях, за яким дані будуть проходити через мережу. Він визначає, куди доставити дані, на основі IP-адреси, яка унікально визначається кожним комп’ютером у мережі. На даний момент існує дві функціональні версії протоколу: IPv4 і IPv6.

Оскільки людям важко запам’ятати IP-адреси, їх замінюють доменними іменами, які часто є частиною URL-адрес. Доменні імена організовані в ієрархічну систему, що полегшує їх пошук. Протокол DNS може дізнатися IP-адресу із запиту доменного імені.

WiFi і Bluetooth – це мережеві протоколи, які передають дані повітрям. WiFi використовується для створення невеликих мереж і підключення портативних пристроїв до Інтернету. Bluetooth використовується для підключення пристроїв і передачі даних між ними на короткій відстані.

Деякі інші протоколи, з якими ми можемо зіткнутися:

• DHCP дозволяє автоматично конфігурувати комп’ютер у мережі, серед іншого він може призначити IP-адресу.
• HTTP зв’язується з WWW-серверами й таким чином дозволяє відображати WWW-сторінки.
• FTP може передавати файли між комп’ютерами.
• SMTP надсилає повідомлення електронної пошти.
• IMAP і POP3 можуть бути посередниками в доступі до електронної поштової скриньки: як-от, для читання електронних листів.
• IRC дозволяє надсилати короткі повідомлення (чат).
• SSH забезпечує приватне з’єднання між двома комп’ютерами.

Апаратна частина комп’ютерних мереж складається з мережевих пристроїв, які з’єднані середовищами передачі.

Мережева карта є частиною апаратного забезпечення комп’ютера і забезпечує зв’язок із комп’ютерною мережею. Він приймає дані з комп’ютера для надсилання у мережу, пакує їх у пакети та надсилає. Він також отримує пакети з мережі та пересилає розпаковані дані на комп’ютер. Мережева карта однозначно ідентифікується у мережі за MAC-адресою.

Мережеві пристрої

Оскільки сигнал може бути ослаблений або пошкоджений під час проходження через середовище передачі, використовується ретранслятор. Він коригує та посилює отриманий сигнал, а потім надсилає його далі.

Хаб (англ. hub) дозволяє підключати кілька кабелів і таким чином може розгалужувати мережу в кількох напрямках. Він не фільтрує дані, які проходять через нього, він просто надсилає їх далі.

Світч (англ. switch) і Міст (англ. bridge) з’єднують менші сегменти мережі. Вони ведуть таблицю MAC-адрес пристроїв поблизу і надсилають вхідні дані лише в ті напрямки, де знаходяться їхні одержувачі. У той час як міст з’єднує лише 2 частини мережі, комутатор може з’єднувати декілька з них одночасно.

Роутер (англ. router) з’єднує більші частини мереж (або цілі мережі) разом. Наприклад, він може підключити локальну мережу до Інтернету. Він забезпечує маршрутизацію даних – намагається знайти найкоротший шлях до IP-адреси призначення для вхідних пакетів.

Середовища передачі

Середовищем передачі може бути, наприклад, повітря або кабель. Наприклад, в комп’ютерних мережах використовуються такі види кабелів:

Оптичний кабель складається з багатьох оптичних волокон. Він посилає сигнал у вигляді світла. Передача через оптичні кабелі дуже швидка і з низькими втратами, вони підходять для передачі на великі відстані.

Вита пара і коаксіальний кабель складаються з металевого провідника. Їх часто використовують для створення локальних мереж.

Підключення мережевого кабелю здійснюється за допомогою роз’єму RJ-45.