Компьютерные сети: модель OSI, стек TCP/IP и IP-адресация IPv4

В 1984 году Международная организация по стандартизации (ISO) утвердила концептуальную 7-уровневую модель взаимодействия открытых систем — модель OSI (Open Systems Interconnection).

Модель OSI делит сложнейший процесс передачи данных между приложениями по сети на 7 логических уровней (снизу вверх):

1. Физический уровень (Physical) — биты, напряжения, кабели, радиосигналы Wi-Fi;

2. Канальный уровень (Data Link) — формирование кадров (Ethernet), физические MAC-адреса сетевых карт, коммутаторы (Switch);

3. Сетевой уровень (Network) — логическая маршрутизация пакетов между разными сетями, IP-адреса, маршрутизаторы (Router);

4. Транспортный уровень (Transport) — надежная доставка сегментов данных между процессами программ (протоколы TCP с гарантией доставки и быстрый UDP);

5. Сеансовый уровень (Session) — управление сессиями связи, авторизация;

6. Уровень представления (Presentation) — кодирование, сжатие и шифрование (SSL/TLS, JPEG, ASCII);

7. Прикладной уровень (Application) — интерфейс для программ пользователя: веб-страницы (HTTP/HTTPS), почта (SMTP, IMAP), передача файлов (FTP), служба доменных имен (DNS).

Реальный Интернет работает не по 7-уровневой модели OSI, а по более практичному 4-уровневому стеку протоколов TCP/IP:

1. Уровень сетевого доступа (Network Access) — объединяет физический и канальный уровни OSI (Ethernet, Wi-Fi);

2. Межсетевой уровень (Internet) — протокол IP (Internet Protocol), маршрутизация пакетов;

3. Транспортный уровень (Transport) — протоколы TCP (с подтверждением получения и контролем целостности) и UDP (без подтверждения, для онлайн-видео и игр);

4. Прикладной уровень (Application) — HTTP, HTTPS, DNS, SSH.

Инкапсуляция данных:

При отправке сообщения сверху вниз каждый уровень оборачивает полученные данные в свой служебный заголовок (Header):

Данные → Сегмент TCP (+порты) → Пакет IP (+IP-адреса) → Кадр Ethernet (+MAC-адреса) → Биты в кабеле.

В протоколе IPv4 каждый сетевой узел идентифицируется 32-битным двоичным адресом, записываемым в виде четырех десятичных октетов: A.B.C.D (например, 192.168.10.15).

Любой IP-адрес логически состоит из двух частей:

1. Номер (адрес) сети (NetID) — общий для всех компьютеров данной локальной подсети;

2. Номер узла (хоста) в этой сети (HostID) — уникальный для конкретного компьютера.

Маска подсети (Subnet Mask) — 32-битное число, состоящее из цепочки единиц в разрядах адреса сети и цепочки нулей в разрядах адреса узла. Например: 255.255.255.0 (/24).

Чтобы получить адрес сети, компьютер выполняет поразрядную логическую конъюнкцию (AND) между IP-адресом и маской подсети:

$\text{Адрес сети} = \text{IP-адрес} \;\quad \& \;\quad \text{Маска}$

Префиксная нотация CIDR записывается как /M (например, 192.168.1.0/24):

• Длина маски $M = 24$ бита (24 единицы: 255.255.255.0);

• На адресацию компьютеров остается $32 - 24 = 8$ бит;

• Всего комбинаций $2^8 = 256$;

• Полезных IP-адресов для компьютеров: $256 - 2 = 254$ хоста (от 192.168.1.1 до 192.168.1.254).