Коммуникационные технологии

Страница не открывается: в углу браузера крутится загрузка, а внизу — надпись «нет подключения к интернету». Что сломалось — Wi-Fi в квартире, кабель провайдера или сам сайт? Чтобы ответить, нужно понимать, как устроена сеть и по каким правилам она передаёт данные. Эти правила называются протоколами, а их полный набор — стеком TCP/IP — держит на себе весь интернет. Разберёмся, чем локальная сеть отличается от глобальной, как файл режется на пакеты и добирается до адресата, почему провайдер обещает одни числа, а файлы качаются медленнее, и как с помощью логики И и ИЛИ считать результаты поиска — это база заданий 11 и 12 ОГЭ. Понимание сети — навык на каждый день: он подсказывает, куда смотреть, когда «всё висит», и почему сосед с тем же тарифом скачивает фильм вдвое быстрее.

Локальные и глобальные сети

Локальная сеть соединяет компьютеры на небольшой территории: кабинет, этаж, здание. В школьном кабинете машины воткнуты кабелями в коммутатор, к сети подключены сетевой принтер и сервер с раздаточными материалами; дома то же самое делает роутер, только часть устройств сидит в нём по Wi-Fi. Управляет такой сетью одна организация — школа, компания, семья. Глобальная сеть объединяет миллионы машин по всему миру: города связывают магистральные каналы и подводные кабели, а доступ каждому дому продаёт провайдер. Внутри интернета нет единого хозяина — тысячи операторов договариваются между собой о правилах передачи. Скорости тоже разные: внутри локальной сети файлы летают на сотнях мегабит в секунду, а темп загрузки из интернета зависит от тарифа и загруженности канала.

Данные в сети ходят не сплошным потоком, а пакетами — кусочками по полтора килобайта примерно. Каждый пакет снабжён адресом получателя, как конверт почтовым индексом. Файл размером с мегабайт рассыпается на сотни пакетов, они уходят в сеть и добираются до адресата, возможно, разными маршрутами: маршрутизаторы на развилках выбирают, куда отправить каждый кусочек. Прибывшие пакеты собираются в файл по номерам. В заголовке каждого пакета, кроме адреса, живут номер и контрольная сумма — по ним получатель замечает потерю или порчу кусочка и просит прислать его заново. Такая конструкция живуча: если один путь перегружен или оборвался, пакеты пойдут в обход, и пользователь этого почти не заметит.

Стек TCP/IP: адресация и доставка

Пакет#

кусок данных с адресом, номером и контрольной суммой в заголовке

Маршрутизатор#

устройство, выбирающее следующий участок пути для пакета

Провайдер#

компания, дающая дому доступ в глобальную сеть

Доменное имя#

удобная человеческая запись адреса сайта

Пинг#

время хождения пакета до цели и обратно в миллисекундах

Стек TCP/IP — это набор протоколов, на которых работает интернет: договорённостей о том, как пакеты адресуются, отправляются и собираются. Внутри него у каждого протокола своя обязанность. Протокол IP отвечает за адресацию: у каждой машины в сети есть IP-адрес, и маршрутизаторы ведут пакеты именно по нему. Протокол TCP отвечает за надёжность: он нумерует пакеты, отслеживает доставку, запрашивает заново потерянные и раскладывает пришедшее в правильном порядке. Если коротко: IP говорит «куда», TCP гарантирует «всё дошло и по порядку». Для звонков и игр, где важна скорость, а потеря одного пакета не смертельна, чаще берут его лёгкого брата UDP — без гарантий, зато без задержек.

Адрес четвёртой версии, IPv4, записывают четырьмя числами от 0 до 255: например, 142.250.184.14. Каждое число — это байт, восемь бит, поэтому «четыре байта адреса» и «IPv4» — одно и то же. Числами компьютеры обходятся отлично, а человек лучше запоминает имена: доменное имя вроде schoolgid.ru. Одна машина может иметь несколько имён — так один мощный сервер обслуживает разные сайты. Переводит имя в адрес система DNS — распределённая телефонная книжка интернета. Домен читается справа налево: ru — зона верхнего уровня, schoolgid — имя организации внутри зоны; слева дописываются поддомены вроде www. Вбивая адрес, браузер сначала спрашивает у DNS-сервера, какому IP соответствует имя, и только потом отправляет запрос серверу сайта.

Когда сайт «не открывается», эти же знания работают как инструмент диагностики. Команда ping проверяет, отвечает ли машина: она отправляет несколько маленьких пакетов и замеряет, через сколько миллисекунд каждый вернулся. Если ответа нет вовсе — проблема в пути или адресе; если ответы есть, но с большой задержкой — канал перегружен. Команда трассировки показывает весь путь пакета: список маршрутизаторов от твоего роутера до сервера, прыжок за прыжком. По номерам в списке видно, где связь тонет: внутри дома, у провайдера или уже за его пределами. Сетевые инженеры начинают разбор любой жалобы именно с этих двух команд.

Скорость канала — это сколько данных проходит через него за секунду, и измеряют её в битах, а не байтах. Связь простая: $v=\frac{I}{t}$, объём, поделённый на время. Файл в 36 МБ при скорости 24 Мбит/с скачается так: переводим объём в биты, 36 · 8 = 288 Мбит, и делим на скорость — 12 секунд. Обратная задача работает так же: известно время и скорость — объём равен их произведению. На тарифах провайдера важен ещё один нюанс, о котором ниже.

Поиск информации: логика запросов

Поисковый запрос — это логическое выражение над словами: страница выдачи обязана содержать то, что требует выражение. Запрос с союзом И выполняется, когда в документе есть все слова сразу, — выдача сужается. Запрос с ИЛИ выполняется, когда есть хотя бы одно слово, — выдача расширяется. На ОГЭ это спрашивают не на глаз, а числами: в таблице дано, сколько страниц нашёл поисковик по каждому запросу, и нужно найти количество страниц для четвёртого. Помогает формула включений: $N(A\vee B)=N(A)+N(B)-N(A\wedge B)$ — страницы, где есть оба слова, при таком сложении посчитаны дважды, поэтому их вычитают. Проверим на числах: «окунь» нашёл 500 страниц, «рыба» — 200, а вместе «окунь И рыба» — 80. Тогда по запросу «окунь ИЛИ рыба» будет 500 + 200 − 80 = 620 страниц. Формула читается и в обратную сторону: если известно объединение и два слагаемых, легко достать пересечение — именно так обычно и построена задача 12 ОГЭ.

Практикум на неделю: замерь скорость своего канала любым онлайн-тестом и переведи мегабиты в мегабайты — проверь, сходится ли с реальным скачиванием файла. Потом возьми таблицу из любой задачи ОГЭ про запросы и нарисуй два круга: пересечение и объединение станут видны без формулы. Дальше в старших классах появится более сложная математика сетей: маски подсети, число адресов в сети и двоичная арифметика адресов — но фундамент везде один: пакеты, адреса и протоколы, о которых ты только что прочитал.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема