Как компьютеры общаются: сети и интернет

Компьютеры общаются, пересылая друг другу небольшие порции данных — пакеты. На каждом пакете указан адрес получателя, и специальные устройства, маршрутизаторы, передают его по цепочке, пока он не дойдёт до места. Интернет — это множество сетей, которые соединены между собой и договорились об общих правилах.

Сеть и интернет

Сеть — несколько компьютеров, соединённых для обмена данными. Дома это телефон, ноутбук и телевизор, подключённые к роутеру. В школе — компьютеры кабинетов и учительской. У провайдера — сеть, к которой подключены тысячи квартир.

Интернет — сеть из сетей: домашние, школьные, сети провайдеров и крупных компаний соединены друг с другом. Главного компьютера в интернете нет. Работает он потому, что все участники соблюдают одни и те же правила обмена — протоколы. Это ещё один пример кода как договорённости из урока Коды вокруг нас.

Данные режут на пакеты

Одноклассник заболел и просит прислать конспект — двадцать страниц. Одним снимком тетрадь не сфотографировать, поэтому Вы снимаете по странице и на каждой ставите номер. Если снимки придут вперемешку, друг разложит их по номерам. Если седьмая страница вышла смазанной, он попросит переслать только её.

Сеть поступает так же. Файл или сообщение режут на пакеты. В каждом пакете есть кусочек данных и служебная часть: адрес отправителя, адрес получателя и номер, по которому пакеты потом соберут в правильном порядке. В настоящем пакете служебных полей больше, но главные — эти.

Резать выгодно по трём причинам.

• Линия связи общая. Короткие пакеты разных людей идут по ней вперемешку, и никому не приходится ждать, пока сосед докачает фильм.
• Если пакет потерялся или испортился, заново отправляют только его, а не весь файл.
• Пакеты одного файла могут идти разными дорогами и обходить перегруженные участки.

В домашней сети пакет обычно вмещает до 1500 байтов. Фотография в 3 000 000 байтов — это не меньше двух тысяч пакетов.

3 000 000 : 1500 = 2000

IP-адрес: куда доставить пакет

IP-адрес — это номер компьютера в сети. Буквы IP означают Internet Protocol, «протокол интернета». В четвёртой его версии, IPv4, адрес занимает 4 байта, то есть 32 бита. Записывают его четырьмя десятичными числами через точку, по числу на байт. Каждое число — от 0 до 255.

203      . 0        . 113      . 25
11001011   00000000   01110001   00011001

Из 32 битов получается 2³² разных адресов.

2³² = 4 294 967 296

Около 4,3 миллиарда. Когда протокол придумывали, это казалось огромным запасом. Но людей на Земле больше восьми миллиардов, и у многих по нескольку устройств: телефон, ноутбук, телевизор, часы. В феврале 2011 года из общего мирового запаса раздали последние свободные блоки адресов.

Выходов нашлось два. Первый — делиться. Обычно у всех устройств в квартире внутренние адреса вроде 192.168.1.5, которые действуют только в домашней сети, а наружу все они выходят под одним общим адресом роутера.

Второй выход — новая версия протокола, IPv6, с адресами длиной 128 битов.

Адрес IPv6 пишут шестнадцатеричными цифрами — иначе он был бы слишком длинным. Сегодня обе версии работают одновременно.

Маршрутизаторы: передать дальше

Маршрутизатор — устройство, которое соединяет сети и пересылает пакеты из одной в другую. Домашний роутер — тоже маршрутизатор, только маленький: он связывает сеть квартиры с сетью провайдера.

Действует он как ученик, через парту которого передают записку. Тот смотрит, кому она адресована, и отдаёт в нужную сторону. Всего пути он не знает, да это и не нужно: хватает следующего шага. Маршрутизатор читает адрес получателя, находит в своей таблице подходящее направление и отправляет пакет соседнему маршрутизатору. Тот поступает так же. Обычно на пути от дома до сайта десяток-другой таких передач.

Если одна из линий оборвётся, соседние маршрутизаторы пустят пакеты в обход. Поэтому интернет трудно сломать целиком.

DNS: имя вместо числа

Запоминать числа неудобно, поэтому у сайтов есть имена, например example.com. Но пакету нужен числовой адрес. Перевод выполняет DNS — система доменных имён.

В навигаторе Вы пишете «школа № 5», а он сам находит координаты. Так же и браузер: он спрашивает у DNS-сервера, какой адрес у имени, получает число и только после этого отправляет пакеты. Ответ на время запоминается, чтобы не спрашивать при каждом щелчке.

Клиент и сервер

Клиент — программа, которая о чём-то просит: браузер, мессенджер, игра. Сервер — программа, которая ждёт просьб и отвечает на них: выдаёт страницы, хранит сообщения, сводит игроков в матч. Сервером называют и компьютер, на котором она работает. Внутри у него всё знакомое: процессор, память, накопитель, операционная система. Только экрана обычно нет, и он не выключается ни днём, ни ночью.

Клиент и сервер тоже общаются по протоколам. Вот два самых известных.

• TCP отвечает за доставку: нумерует пакеты, проверяет, что все дошли, просит повторить потерянные и собирает данные по порядку.
• HTTP — правила разговора браузера с сайтом: как попросить страницу и как на эту просьбу ответить. Знаменитая «ошибка 404» — это ответ сервера «такой страницы нет». HTTPS — тот же HTTP, но с шифрованием, чтобы по дороге никто не прочитал данные.

Что происходит, когда Вы открываете сайт

Соберём всё вместе. Вы набрали в браузере example.com — это имя специально отведено для примеров — и нажали Enter.

1. Браузер спрашивает у DNS-сервера, какой IP-адрес у имени example.com.
2. DNS-сервер отвечает. Допустим, это адрес 203.0.113.25.
3. Браузер устанавливает с этим адресом соединение по протоколу TCP.
4. Браузер отправляет запрос по правилам HTTP: «пришли главную страницу».
5. Пакеты с запросом проходят домашний роутер, сеть провайдера и цепочку маршрутизаторов.
6. Сервер находит страницу и отправляет ответ — тоже пакетами, в обратную сторону.
7. Браузер собирает пакеты по номерам и рисует страницу. Картинки он запрашивает так же, по одной.

Всё это занимает доли секунды.

Частые вопросы

Интернет и Wi-Fi — одно и то же?

Нет. Wi-Fi связывает устройство с роутером без проводов — это последние метры пути. Интернет начинается за роутером. Бывает, что Wi-Fi работает, а интернета нет: значит, оборвалась связь между роутером и провайдером.

Что будет, если пакет потеряется по дороге?

Получатель заметит, что одного номера не хватает, и попросит прислать пакет ещё раз. Поэтому при плохой связи файл скачивается медленно, но целым.

У моего телефона есть IP-адрес?

Да, пока телефон подключён к сети. Дома он получает внутренний адрес от роутера, в мобильной сети — от оператора. При следующем подключении адрес может оказаться другим.

Коротко

• Данные пересылают пакетами. В каждом пакете — адрес получателя и номер для сборки.
• Адрес IPv4 занимает 32 бита, поэтому адресов всего 2³² — около 4,3 миллиарда. В IPv6 адрес длиной 128 битов.
• Маршрутизаторы передают пакет по цепочке; каждый знает только следующий шаг.
• DNS по имени сайта находит его IP-адрес.
• Клиент просит, сервер отвечает. TCP следит за доставкой пакетов, HTTP задаёт правила запроса и ответа.

От бита до сети

Это последний урок учебника, и теперь виден весь путь. Он начался с бита — ответа «да» или «нет». Битами Вы записали числа, текст, картинки и звук. Из выключателей получились вентили, из вентилей — сумматор и ячейка памяти, из них — процессор, который команда за командой выполняет программу. Потом у процессора появились накопитель и устройства, операционная система, файлы и связь с другими компьютерами. Страница, которую Вы сейчас читаете, прошла этот путь целиком: пришла пакетами по сети, легла в память, стала точками на экране. И на каждом шаге это были только нули и единицы.

Куда идти дальше? Если хочется самому писать программы, откройте бесплатный учебник по C++. А разборы ошибок, подборки задач и новости ждут Вас в журнале.