Структура сети Интернет
Единого определения Интернета не существует. Интернет состоит из множества локальных и глобальных сетей, принадлежащих различным компаниям и предприятиям и связанных между собой различными линиями связи. Основная функция Интернета – объединение отдельных устройств, а также обеспечение связи между различными сетями в глобальном масштабе.
Отличительной особенностью Интернета является одноранговость. Это означает, что все устройства в сети пользуются равными правами, то есть каждое устройство может связаться с другим устройством, подключенным к Интернету. Каждый компьютер может посылать запросы на предоставление каких-либо ресурсов другим компьютерам в пределах этой сети и, таким образом, выступать в роли клиента. В то же время каждый компьютер может выступать сервером и обрабатывать запросы от других компьютеров в сети, отсылая запрошенные данные.
Для передачи данных и организации сети нужны линии связи. Они могут быть проводными (телефонными), кабельными (например, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно), беспроводными (радио, спутниковыми, сотовыми).
Провайдеры
Пользователи подключаются к сети благодаря провайдерам – организациям, оказывающим услуги доступа в Интернет и другие услуги, связанные с Интернетом, например выделение дискового пространства для хранения и обеспечения работы сайтов (хостинг); поддержка работы почтовых ящиков или виртуального почтового сервера; содержание линий связи, то есть поддержание их в рабочем состоянии, и другие.
Пиринговое соглашение – двухстороннее коммерческое соглашение между провайдерами о взаимной передаче трафика.
Магистральные провайдеры, как правило, имеют пиринговые соглашения со всеми остальными магистральными провайдерами, а региональные провайдеры обычно заключают пиринговые соглашения с одним из магистральных провайдеров и несколькими другими региональными провайдерами.
Для простоты организации пиринговых сетей существуют специальные центры обмена трафиком (NAP, Network Access Point), в которых соединяются сети большого количества провайдеров. Крупные провайдеры имеют так называемые точки присутствия (POP, Point of Presence), в которых расположено аппаратное обеспечение для подключения локальных пользователей к Интернету. Обычно крупный провайдер имеет точки присутствия в нескольких крупных городах.
Адресация в сети Интернет
Компьютер, подключенный к Интернету, называют хостом (host). Его реальная вычислительная мощность не имеет принципиального значения. Чтобы стать хостом, надо быть соединенным с другим хостом, который, в свою очередь, будет соединен с третьим, и так далее. Так формируется постоянно работающая часть Интернета. Зная адреса хостов, пакеты данных прокладывают себе путь от отправителя к получателю.
В Интернете существует единая система адресации, которая помогает компьютерам найти друг друга в процессе обмена информацией. Интернет работает по протоколу TCP/IP, который отвечает за физическую пересылку сообщений между компьютерами в сети Интернет. Протокол – это правило передачи информации в Сети.
Передача данных происходит через уникальный IP-адрес. IP-протокол – это набор правил, который позволяет доставить данные от одного компьютера к другому благодаря знанию IP-адресов отправителя и получателя.
В современной сети Интернет используется IPv4. В этой версии протокола IP-адрес представляет собой последовательность из четырех отделяемых друг от друга точками десятичных чисел, каждое из которых может иметь значение от 1 до 255, например 19.226.192.108. Этот номер может быть постоянно закреплен за компьютером или же присваиваться динамически – в тот момент, когда пользователь соединился с провайдером, но в любой момент времени в Интернете не существует двух компьютеров с одинаковыми IP-адресами.
Эта версия протокола позволяет получить более четырех миллиардов уникальных IP-адресов, но, поскольку Интернет постоянно разрастается, в эксплуатацию постепенно вводится протокол IPv6. В нем длина IP-адреса расширена до 128 бит, что позволяет увеличить число доступных идентификаторов практически до бесконечности.
Маршрутизация
Информация доставляется по необходимому адресу с помощью маршрутизаторов, которые выбирают оптимальный маршрут. Это происходит благодаря протоколу TCP. Его задача – разбить передаваемые данные на небольшие пакеты фиксированной структуры и длины, которые проходят через несколько серверов. Маршруты доставки могут отличаться друг от друга. Пакет, отправленный первым, может прийти последним, поскольку скорость получения зависит не от того, насколько близко друг к другу расположены серверы получателя и отправителя, а от выбранного маршрута. Оптимальным считается маршрут, который позволяет снизить нагрузку на сеть. Самый короткий путь (через ближайшие серверы) не всегда оказывается оптимальным, поскольку канал связи с другим континентом может работать быстрее, чем канал в соседний город.
Протокол TCP (Transfer Control Protocol) обеспечивает надежную доставку данных, контролируя оптимальный размер пакета и осуществляя повторную рассылку в случае сбоя.
Доменная система
Людям неудобно запоминать последовательность цифр, поэтому была введена система доменных имен Domain Name System (DNS). Она обеспечивает соответствие числовому IP-адресу каждого компьютера уникального доменного имени, которое обычно состоит из двух-четырех слов, разделенных точками (доменов).
Доменное имя читается слева направо. Самое правое слово в доменном имени является доменом верхнего, или первого, уровня. Существует два типа доменов верхнего уровня: географические (двухбуквенные – указывают на страну, в которой находится узел) и административные (трехбуквенные) – указывают на тип или профиль организации. Каждой стране мира выделен свой географический домен. Например, России принадлежит географический домен ru, в котором российские организации и граждане имеют право зарегистрировать домен второго уровня.
Для США наименование страны по традиции опускается, там самыми крупными объединениями являются сети образовательных (edu), коммерческих (com), государственных (gov), военных (mil) учреждений, а также сети других организаций (org) и сетевых ресурсов (net).
После домена верхнего уровня следует домен второго уровня, затем третьего и т. д. Например, в доменном имени gosuslugi.samara.ru RU является доменом верхнего уровня, SAMARA – второго, а GOSUSLUGI – третьего.
Таблицы соответствия DNS-адресов IP-адресам размещают на специальных DNS-серверах, подключаемых к Интернету. Если устройство не знает IP-адреса компьютера, с которым собирается установить связь, а имеет только символьный DNS-адрес, то оно запрашивает DNS-сервер, предоставляя ему текстовый вариант, и получает в ответ IP-адрес нужного адресата.
Текущее управление Интернетом
Существуют специальные организации, которые занимаются вопросами адресации и маршрутизации.
В 1998 году была создана международная некоммерческая организация ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers). ICANN обеспечивает универсальные возможности связи в Интернете, надзор и координацию адресного пространства IP и системы DNS.
Задачи адресации и маршрутизации начали появляться в начале 1970-х годов, и ранее их выполняла американская некоммерческая организация IANA (Internet Assigned Numbers Authority). В настоящее время IANA является подразделением ICANN и отвечает за распределение IP-адресов и доменов верхнего уровня, а также за регистрацию параметров различных протоколов Интернета.
В задачу ICANN входит также регистрация региональных Интернет-регистраторов, которые занимаются технической стороной функционирования Интернета: выделением IP-адресов, номеров автономных систем, регистрацией обратных зон DNS и другими техническими проектами. На данный момент их пять: для Северной Америки; для Европы, Ближнего Востока и Центральной Азии; для Азии и Тихоокеанского региона; для Латинской Америки и Карибского региона и для Африки.
В России функционирует Координационный центр национального домена сети Интернет – администратор национальных доменов верхнего уровня .RU и .РФ. Эта организация обладает полномочиями по выработке правил регистрации доменных имен в доменах .RU и .РФ, аккредитации регистраторов и исследованию перспективных проектов, связанных с развитием российских доменов верхнего уровня.
Популярные сервисы Интернета
Всемирная Паутина – это распределенная система, предоставляющая доступ к связанным между собой документам, расположенным на различных компьютерах, подключенных к Интернету. Интернет является физической основой для Всемирной паутины. Всемирная паутина использует технологию гипертекста, в которой документы связаны между собой гиперссылками. Документы, содержащие гиперссылки, называются веб-страницами, а серверы Интернета, их хранящие, – веб-серверами. Передача веб-страниц по сети Интернет осуществляется с помощью протокола пересылки гипертекста Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Посредством HTTP можно передавать любую информацию, в том числе изображения, звук, видео. Всемирная паутина работает по принципу клиент-сервер. Веб-сервер принимает HTTP-запросы от клиентов, которыми обычно являются веб-браузеры, и выдает HTTP-ответы.
Для доступа к документам (веб-страницам), связанным посредством гиперссылок, в Паутине используются, например, такие браузеры как Internet Explorer или Google Chrome. Чтобы начать путешествие по Всемирной паутине, необходимо подключиться к Интернету и запустить браузер.
С помощью Всемирной паутины удобно искать информацию в Интернете, поскольку она без каких-либо видимых «стыков» интегрирует текст, графику, аудио- и видеоданные в виде гипертекста. Гипертекст дает возможность пользователю, просматривая один документ, одновременно переходить на смежные элементы другого документа при помощи гиперссылок.
Еще одним популярным сервисом Интернета является электронная почта. Она появилась еще до возникновения Интернета, в 1971 году, и служила для обмена сообщениями между локальными пользователями компьютера (персональных компьютеров, предназначенных для одного пользователя, тогда еще не существовало). В операционных системах для ранних ЭВМ, где к одной машине можно было подключать до нескольких сотен терминалов, электронная почта полностью моделировала работу обычной почты. Отправить письмо можно было, как и в реальной жизни, без обратного адреса, а для получения нужно было иметь свой ящик.
Идея использования подобной услуги для обмена документами и сообщениями между пользователями сети оказалась настолько востребованной, что электронная почта стала одним из ключевых приложений, стимулировавших развитие раннего Интернета. И сегодня, несмотря на многообразие возможностей обмена информацией, электронная почта по-прежнему является одним из наиболее часто используемых сервисов.
Потоковое медиа представляет собой насыщенный Интернет-контент (аудио-, видео- или аудиовидеофайлы), который пользователь может смотреть или слушать как непрерывный поток в режиме реального времени, не дожидаясь окончания загрузки всего файла на персональный компьютер. Потоковое медиа пересылается непрерывным потоком в виде последовательности сжатых пакетов и проигрывается по мере того, как передается на компьютер получателя.
Популярность потокового медиа объясняется быстрым доступом к богатому по содержанию медийному материалу. Все больше людей сегодня предпочитают смотреть фильмы, спортивные трансляции, музыкальные видеоклипы без предварительного скачивания, чтобы не тратить время на загрузку файлов.
Если медиа не потоковое, то посмотреть файл можно только после его полной загрузки на жесткий диск, а этот процесс, учитывая большой размер многих медиафайлов, занимает значительное время (порой до нескольких часов).
Служба FTP обеспечивает удаленный доступ к файлам других компьютеров сети, к гигантским объемам информации в Интернете. Назначение FTP-сервера – хранение набора файлов самого разнообразного назначения.
Благодаря сервису FTP пользователи могут пересылать (копировать, передавать) файлы в Интернете с удаленного компьютера на локальный и с локального на удаленный. В отличие от веб-серверов, которые предоставляют информацию только для чтения, FTP-серверы позволяют пользователям не только скачивать информацию, но и добавлять ее на сервер.
Этот сервис остается одним из основных способов распространения бесплатных программ, а также различных дополнений и исправлений к коммерческим версиям программ.
Поисковые системы решают задачу поиска по большим объемам неструктурированной информации. Это программно-аппаратные комплексы, предназначенные для осуществления поиска в сети Интернет и реагирующие на запрос пользователя выдачей списка ссылок на источники информации в порядке релевантности, сервис, который помогает пользователям быстро найти необходимые сведения.
В настоящее время новостные группы почти полностью вытеснены веб-форумами. Суть веб-форума заключается в том, что пользователь может зайти на специальную веб-страницу, привязанную к конкретной теме, и разместить там сообщение, которое могут обсудить все желающие. Пользователи могут комментировать заявленную тему, задавать вопросы, касающиеся ее, и получать ответы, а также отвечать на вопросы других пользователей форума и давать им советы. Внутри темы также могут устраиваться опросы и голосования, если это позволяет движок. Пользователи форума, в отличие от пользователей чата, где все участвуют одновременно, могут заходить на него в разное время.
С помощью службы мгновенных сообщений кроме текстовых сообщений можно передавать звуковые сигналы, картинки, видео, файлы, а также, например, производить такие действия как совместное рисование или игры. Для этого необходима клиентская программа, так называемый мессенджер (от англ. Messenger – курьер). Система мгновенного обмена сообщениями является одним из самых доступных и востребованных средств общения в Интернете в режиме реального времени. Наиболее известными сетями и клиентами обмена сообщениями являются IRC, Skype, ICQ, MSN, Yahoo!, Windows Live Messenger. Если один из адресатов пользуется только сетью ICQ, а другой – только сетью MSN, то можно общаться с ними одновременно, установив на своем компьютере и ICQ, и MSN Messenger.
Это сервис, который позволяет осуществлять удаленный доступ в другую вычислительную систему. Информация вводится на одном компьютере, передается на обработку другому, а результаты возвращаются на первый. Telnet позволяет работать так, будто клавиатура одного компьютера подключена непосредственно к другому, то есть дает возможность пользоваться всеми средствами, которые удаленный компьютер предоставляет локальным терминалам, входить в систему, выполнять команды или получать доступ к множеству специальных сервисных средств.
Модель OSI
Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI связывает открытые системы, то есть системы, открытые для связи с другими системами. Ее использует Windows и большинство других сетевых операционных систем.
Модель OSI имеет семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления и прикладной.
Таким образом, задача взаимодействия систем разделена на семь отдельных задач, каждая из которых может быть решена независимо от других.
Задача физического уровня, самого нижнего, состоит в создании физического канала, например оптоволоконного кабеля, для отправки битов. Физический уровень – это среда передачи данных, которые представляются в виде электрических импульсов, пучков света, электромагнитных волн.
Канальный уровень обеспечивает передачу данных через физический канал. Этот уровень связывает абстрактный адрес компьютера (например, его IP-адрес) с физическим компьютером. Если данные поступают снизу, то есть с физического уровня, то канальный уровень преобразует электрический сигнал в кадры или пакеты, если данные приходят с сетевого уровня, то пакеты преобразуются в электрические сигналы. В числе задач канального уровня – проверка доступности среды передачи и реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок, то есть повторная посылка поврежденного кадра. Примером протокола, работающего на канальном уровне, является Ethernet для локальных сетей.
На сетевом уровне происходит маршрутизация пакетов, на которые были разбиты данные на транспортном уровне, то есть определение маршрутов пересылки пакетов от источника к пункту назначения. На этом уровне работают протоколы IP, RIP, OSPF. Сетевой уровень отвечает за определение того, каким образом данные достигнут точки назначения.
Основная функция транспортного уровня – принять данные от сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части (пакеты), передать их сетевому уровню и гарантировать, что пакеты в правильном виде прибудут по назначению. Существует два известных протокола этого уровня: TCP и UDP.
Сеансовый уровень позволяет пользователям различных компьютеров устанавливать сеансы связи друг с другом. Он нужен для согласования и поддержания соединений с другими устройствами и гарантирует, что передающие и принимающие устройства смогут взаимодействовать, не «перебивая» друг друга. Сеансовый уровень отвечает за поддержание сеанса во время передачи данных, а также разрывает соединение, когда обмен данными заканчивается. На этом уровне работают такие протоколы как ASP, L2TP, PPTP и другие.
Уровень представления гарантирует, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. Уровень представления может при необходимости выполнять преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Здесь данные кодируются, сжимаются или шифруются. Например, отправляя сообщение, его нужно предварительно сжать для уменьшения трафика. На этом уровне работают такие протоколы как RDP, LPP, NDR и другие.
Прикладной уровень содержит набор популярных протоколов, необходимых пользователям. Этот уровень не относится к приложениям, которые пользователь запускает на компьютере, а обеспечивает инфраструктуру, поверх которой запускается собственно приложение. В контексте модели OSI «приложение» не означает Excel, Word или подобные программы. Прикладной уровень представляет собой протокол, который программа, например Outlook или Internet Explorer, использует для отправки данных по сети. Например, программа передачи файлов, которую вы используете для отправки файла, взаимодействует с прикладным уровнем и определяет, какой протокол (например, FTP, TFTP или SMB) будет использоваться для отправки.
Перечислим наиболее популярные протоколы верхнего, прикладного уровня, по которым передаются данные.
