Введение в компьютерные сети (1)

1. Введение в компьютерные сети

ПРЕДМЕТ: КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

2. 1. Что такое компьютерные сети?

Определение:
Компьютерная сеть — это система взаимосвязанных устройств
(компьютеров, серверов, маршрутизаторов и др.), обменивающихся
данными по правилам (протоколам) для совместного использования
ресурсов и информации.
Примеры из жизни:
Интернет — глобальная сеть.
Локальная сеть университета (LAN).
Wi-Fi в кафе или дома.

3. Зачем нужны сети?

Для пользователей:
Обмен файлами и сообщениями (например, email, мессенджеры).
Доступ к интернету (соцсети, видео, поиск).
Совместное использование устройств (принтеры, диски).
Для бизнеса:
Удаленная работа (Zoom, облачные сервисы).
Централизованное хранение данных (Google Drive, серверы).
Автоматизация процессов (онлайн-банкинг, IoT).

4. 2. Основные компоненты сети

1.
2.
3.
Устройства:
Конечные узлы: компьютеры, смартфоны, серверы.
Сетевые устройства: маршрутизаторы, коммутаторы, точки доступа.
Среда передачи:
Проводная (кабели Ethernet, оптоволокно).
Беспроводная (Wi-Fi, Bluetooth).
Протоколы:
Правила обмена данными (например, TCP/IP, HTTP).
Пример: TCP/IP — «язык» интернета.

5. 3. Классификация сетей

Сети различают по масштабу:
PAN (Personal Area Network):
Личная сеть (например, Bluetooth между телефоном и наушниками).
LAN (Local Area Network):
Локальная сеть в здании (офис, университет).
Высокая скорость, ограниченная территория.
MAN (Metropolitan Area Network):
Городская сеть (например, сеть провайдера в пределах города).
WAN (Wide Area Network):
Глобальная сеть (интернет, корпоративные сети между странами).

6. 4. Базовые понятия

IP-адрес: Уникальный «номер» устройства в сети (например, 192.168.1.1).
Аналог почтового адреса для доставки пиццы.
MAC-адрес: Физический идентификатор сетевой карты (например,
00:1A:2B:3C:4D:5E).
Порт: Номер, указывающий на конкретное приложение (например, порт 80
для HTTP).
Пакет данных: «Кусочек» информации, передаваемый по сети (содержит
адреса, данные, контрольные суммы).

7. 5. Принципы работы сетей

Коммутация каналов (Circuit Switching):
Принцип: Перед передачей данных между устройствами устанавливается
выделенный физический канал, который сохраняется на всё время сеанса
связи.
Примеры:
Телефонные сети (ранее): когда вы звоните, линия занята, даже если молчите.
ISDN (цифровые телефонные линии).
Плюсы: Гарантированная пропускная способность, низкие задержки.
Минусы: Неэффективное использование ресурсов (канал простаивает, если
данные не передаются).

8. 5. Принципы работы сетей

Пакетная коммутация (Packet Switching):
Принцип: Данные разбиваются на небольшие блоки — пакеты, которые передаются
независимо друг от друга по разным маршрутам. На конечном узле пакеты
собираются в исходное сообщение.
Примеры: Интернет, Wi-Fi, LTE.
Плюсы:
Эффективное использование каналов (пакеты разных пользователей «делят»
пропускную способность).
Устойчивость к сбоям (если один маршрут недоступен, пакеты пойдут другим путем).
Минусы: Возможны задержки из-за обработки пакетов.

9. 5. Принципы работы сетей

Маршрутизация
Что это? Процесс определения оптимального пути для передачи пакетов от
источника к получателю через сеть устройств (маршрутизаторов).
Как работает?
Маршрутизаторы хранят таблицы маршрутизации — списки правил, куда отправлять
пакеты в зависимости от IP-адреса назначения.
Используют протоколы маршрутизации (например, OSPF, BGP) для обмена
информацией о доступных путях.
Пример:
Пакет из Москвы в Париж может пройти через маршрутизаторы в Берлине или
Лондоне, в зависимости от загруженности сети.

10. 5. Принципы работы сетей

Транспортировка данных
Уровни передачи данных (на примере модели OSI):
1.
Физический уровень (1): Передача битов по кабелю или радиоканалу (медные провода, оптоволокно,
Wi-Fi).
2.
Канальный уровень (2): Обеспечивает передачу данных между соседними устройствами (MAC-адреса,
коммутаторы).
3.
Сетевой уровень (3): Маршрутизация пакетов через сеть (IP-адреса, маршрутизаторы).
4.
Транспортный уровень (4): Гарантирует доставку данных (TCP — надежная передача, UDP — быстрая,
но без подтверждения).
5.
Сеансовый уровень (5): Управление сеансами связи (установка, поддержка, завершение соединения).
6.
Уровень представления (6): Преобразование данных в понятный формат (шифрование, сжатие,
кодирование).
7.
Прикладной уровень (7): Взаимодействие с пользовательскими приложениями (HTTP, FTP, SMTP).

11. 6. Модели сетевого взаимодействия

Модель OSI (7 уровней):
Прикладной → Представления → Сеансовый → Транспортный → Сетевой →
Канальный → Физический.
Пример: Веб-страница проходит через все уровни при передаче.
Модель TCP/IP (4 уровня):
Прикладной → Транспортный → Сетевой → Канальный/Физический. Более
практичная, лежит в основе интернета.

12. 6. Модели сетевого взаимодействия

Модель OSI (7 уровней)
Зачем нужна? Стандартизация взаимодействия устройств в сети.
Уровни и их функции:

13.

Уровень
Функция
Примеры
протоколов/устройств
7. Прикладной
Интерфейс для
приложений
(браузеры, почта).
HTTP, FTP, SMTP
6. Представления
Преобразование
данных (шифрование,
кодирование).
SSL/TLS, JPEG, ASCII
5. Сеансовый
Управление сеансами
связи
(начало/окончание
передачи).
RPC, SIP
4. Транспортный
Гарантирует доставку
данных между
приложениями.
TCP (надежный), UDP
(быстрый)
3. Сетевой
Маршрутизация
пакетов через сеть.
IP, ICMP,
маршрутизаторы
2. Канальный
Передача данных
между устройствами в
одной сети.
Ethernet, Wi-Fi, MACадреса, коммутаторы
1. Физический
Передача битов по
физической среде.
Кабели, повторители,
хабы

14. 6. Модели сетевого взаимодействия

Аналогия: Представьте, что OSI — это 7-этажное здание. Каждый этаж
выполняет свою задачу:
1 этаж (физический) — грузчики передают коробки (биты).
3 этаж (сетевой) — логисты выбирают маршрут доставки.
7 этаж (прикладной) — вы заказываете товар через приложение.

15. 6. Модели сетевого взаимодействия

Модель TCP/IP (4 уровня)
Особенности: Практическая модель, на которой построен
интернет. Объединяет некоторые уровни OSI.

16.

Уровень
Соответствие OSI
Функции
Примеры
протоколов
Прикладной
Уровни 5-7 OSI
Работа с
приложениями.
HTTP, DNS, SSH
Транспортный
Уровень 4 OSI
Доставка данных
между
приложениями.
TCP, UDP
Сетевой (Интернет)
Уровень 3 OSI
Маршрутизация
пакетов.
IP, ICMP
Канальный/Физичес
кий
Уровни 1-2 OSI
Передача данных по
физической среде.
Ethernet, Wi-Fi,
MAC-адреса

17. 6. Модели сетевого взаимодействия

Почему TCP/IP популярнее OSI?
OSI — теоретическая модель, TCP/IP — реально
используемая (лежит в основе интернета).
TCP/IP проще: меньше уровней, больше гибкости.

18. 6. Модели сетевого взаимодействия

Пример работы моделей
Как отправляется веб-страница (HTTP):
1.
Прикладной уровень (TCP/IP): Браузер формирует HTTP-запрос.
2.
Транспортный уровень: TCP разбивает данные на сегменты, добавляет порты.
3.
Сетевой уровень: IP добавляет адреса отправителя и получателя, формирует
пакеты.
4.
Канальный уровень: Ethernet добавляет MAC-адреса, передает кадры через
коммутатор.
5.
Физический уровень: Биты передаются по кабелю или радиоволнам.
На стороне получателя: Данные проходят уровни в обратном порядке, собираясь в
веб-страницу.

19. 6. Модели сетевого взаимодействия

Итог
OSI помогает понять теорию, TCP/IP — практическую реализацию.
Уровни обеспечивают модульность: можно менять технологии на одном
уровне, не затрагивая другие (например, переход от Ethernet к Wi-Fi).

20. 7. Примеры применения сетей

Интернет: Глобальный обмен информацией.
Облачные технологии: Google Drive, AWS.
Умные устройства (IoT): Умный дом, датчики.
Онлайн-игры: Мультиплеер через интернет.

21. 7. Примеры применения сетей

Интернет: Глобальный обмен информацией
Что это?
Самая крупная компьютерная сеть, объединяющая
миллиарды устройств по всему миру.

22. 7. Примеры применения сетей

Как работают сети в интернете?
Инфраструктура:
Магистральные каналы (оптоволокно под океанами, спутники).
Провайдеры (ISP) — компании, предоставляющие доступ (например, Ростелеком,
Comcast).
Протоколы:
HTTP/HTTPS — для веб-страниц.
DNS — преобразует доменные имена (google.com) в IP-адреса.
Примеры:
Социальные сети (ВК, OK).
Видеостриминг (VK Видео, Rutube).
Поисковые системы (Яндекс).

23. Интернет: Глобальный обмен информацией

Проблемы и решения:
Перегрузка трафика: Используются CDN (сети доставки
контента) для кеширования данных ближе к
пользователям.
Безопасность: Шифрование (SSL/TLS), VPN.

24. Облачные технологии

Что это?
Удаленные серверы, предоставляющие ресурсы (память, вычисления) через
интернет.
Типы облачных услуг:
IaaS (Infrastructure as a Service):
Аренда виртуальных серверов (Amazon EC2, Microsoft Azure).
PaaS (Platform as a Service):
Среда для разработки приложений (Google App Engine, Heroku).
SaaS (Software as a Service):
Готовые приложения (Google Workspace, Microsoft 365).

25. Облачные технологии

Примеры применения:
Хранение данных: Google Drive, Dropbox, Яндекс Диск.
Искусственный интеллект: Обучение моделей на облачных GPU
Резервное копирование: Автоматическая синхронизация данных компаний.
Преимущества:
Экономия на оборудовании.
Масштабируемость (можно увеличить ресурсы за минуты).

26. Умные устройства (IoT)

Что это?
Сеть физических устройств с датчиками и подключением к интернету.
Где применяется?
Умный дом:
Управление светом, отоплением через смартфон (Philips Hue, Nest Thermostat).
Голосовые ассистенты (Alexa, Google Home).
Промышленность:
Датчики на заводах для мониторинга оборудования.
«Умные» электросети (Smart Grid).
Здравоохранение:
Умные часы, отслеживающие пульс (Apple Watch).
Телемедицина — удаленные консультации врачей.

27. Умные устройства (IoT)

Технологии связи для IoT:
Wi-Fi, Bluetooth (для дома).
LPWAN (Low-Power Wide-Area Network): LoRaWAN, NB-IoT (для датчиков с
низким энергопотреблением).
Проблемы:
Безопасность: Уязвимость взлома устройств.
Совместимость: Разные стандарты связи.

28. Онлайн-игры

Что это?
Многопользовательские игры, где игроки взаимодействуют через интернет в
реальном времени.
Как работают сети в играх?
Клиент-серверная архитектура:
Игровой сервер обрабатывает действия всех игроков (например, World of
Warcraft).
Клиент (ваш компьютер/консоль) отправляет данные на сервер и получает
обновления.
P2P (Peer-to-Peer):
Игроки соединяются напрямую (например, Minecraft в локальной сети).

29. Онлайн-игры

Ключевые параметры:
Латентность (пинг): Задержка между действием игрока и откликом сервера.
Низкий пинг (<50 мс) — критичен для шутеров (CS:GO , Fortnite).
Синхронизация:
Алгоритмы прогнозирования движения (чтобы игра не лагала).
Примеры технологий:
Стриминг игр: NVIDIA GeForce NOW, Xbox Cloud Gaming (игры запускаются на
сервере, видео передается на устройство).
eSports: Турниры с тысячами зрителей в реальном времени (Twitch, YouTube
Gaming).
Проблемы:
Высокие требования к пропускной способности.
DDoS-атаки на игровые серверы.

30. Итог

Компьютерные сети проникли во все сферы жизни. Они позволяют:
Экономить ресурсы (облака).
Повышать комфорт (умный дом).
Создавать глобальные развлечения (онлайн-игры).
Спасать жизни (телемедицина).
Вопрос для обсуждения:
Какие еще применения сетей вы можете назвать? Как, по вашему мнению,
будут развиваться сети через 10 лет?

31. 8. Домашнее задание

1. Опишите, как устроена ваша домашняя сеть (устройства,
тип подключения).
2. Найдите примеры PAN, LAN, WAN в повседневной жизни.
3. Дополнительно: Установите Wireshark и посмотрите,
какие пакеты передаются в вашей сети (базовый
уровень).
4. Дополнительно: посмотреть Фильм «Социальная
сеть» (как создавался Facebook).