Networking (16 mins)

У цій секції я збираюсь поговорити про те, як працюють комп'ютерні мережі. Отже,

комп'ютерні мережі є чимсь подібним до телефонної системи для комп'ютерів. Там кожен

комп'ютер може здійснити передачу даних будь-якому іншому. Базові риси, як там все працює

є несподівано простими, хоча деталі - доволі складні. Але не дивлячись на це,

згідно статистики, більшість студентів Стенфорда використовують мережу -

близько 10 хвилин під час прогулянки вранці і, можливо,

біля 10 хвилин ввечері перед сном. В будь-якому разі це варто знати.

Отже, почнемо з малого. LAN - це абревіатура для Local Area Network.

Взагалі - LAN це мережа, яка використовується для покриття

можливо, одного поверха в будівлі, або одного будинку чи чогось подібного.

Отже, я буду розповідати про цю систему першою. А в наступній секції

буде показано, як її масштаб збільшується і покриває всю планету за допомогою

Internet. Двома найзагальнішими прикладами технології
LAN є: 1) Ethernet - дротова

наземна технологія і 2) Wi-Fi - бездротовий, радіоподібний

аналог Ethernet. Це два найзагальніших випадки.

Так що, давате спершу поговоримо про Ethernet. Отже, проводовий Ethernet використовує

для передачі сигналу провіднички, які є розміром із соломку для коктейлю. Ось фото

одного з них. Провідники завершуються штекерами, подібними до зображеного (RJ-45),

які трошки більші від телефонних. Ще ви можете бачити провідники, які входять у штекер,

і для можливості розрізнення вони є сині й жовті. Ethernet добре працює на відстанях

до 100 метрів. Як ми вже згадували, він може покривати один корпус, або

один поверх чи ще щось подібне. Далі бачимо фото

безпровідного рутера. До його задньої частини заходять два кабелі Ethernet

І коли ви маєте якийсь пристрій, наприклад, комп'ютер чи щось подібне, що ви

збираєтесь підключити до Ethernet, то зрозуміло, що пристрій повинен мати

подібний штекер, за допомогою якого ви зможете підключити його

до гнізда Ethernet. Ось так це відбувається. А далі я хотів би розповісти ось що:

добре, маєте ви ці дроти, а як же дані попадають з одного місця до другого?

Отже випадок, який ми розглянемо - хай ми маємо на першому комп'ютері файл

flowers.jpg, просто файл з великою, великою кількістю бітів у ньому.

І я хочу подумати - як би то мені переслати його по кабелю Ethernet

на комп'ютер два. Спосіб яким це робиться, а він працює у всіх мережах, полягає в тому

що коли ви маєте порівняно великий файл,

то його потрібно розбити на частини меншого розміру, т.зв. пакети.

А кожен пакет є порівняно невеликим, наприклад він може мати 1000 байт або 1500 байт.

Для визначеності, давайте будемо брати 1500 байт. Це спільний розмір для мого прикладу.

Отже, якщо перший комп'ютер хоче переслати цей файл,

то йому потрібно взяти цей файл, всі ці байти, скажімо 50,000 байт

і розбити його на ряд пакетів, кожен з яких буде мати лише 1,500 байт.

Так що тепер ми маємо подумати лише про те, як переслати один пакет по провідниках.

А якщо ми будемо знати, як це зробити з одним, то, зрозуміло, ми зможемо

переслати всі пакети. Так що зараз я детально розберу

як Ethernet пересилає один пакет. Отже, я почну з правої частини

мого малюнка. Так що, ми маємо перший комп'ютер і цей пакет.

Якби ми заглянули всередину пакета, то побачили б, що фактично це є набір байтів,

кожен з яких є набором з восьми нулів та одиниць. Отже, ось як ми можемо уявити

передачу даних: передаючий комп'ютер читає перший байт пакета.

І, як ми вже знаємо, це є просто послідовність нулів і одиниць.

А далі просто треба слідувати схемі - скажімо, кожній одиниці ми приписуємо

три вольти, і будемо подавати ці три вольти на провідники. А коли буде нуль -

відповідно я буду подавати нуль вольт на провідники, ось так працює даний процес

зчитування. Ви навіть не повинні розумітися в електротехніці, а просто зчитувати

і поміщувати послідовність нулів і одиниць на провідник. На провіднику виникає хвиля із

цих бітів, і ясно, що таким чином послідовність нулів і oдиниць переміщується

по провіднику. Щоб краще уявити - просто подивіться на ліву частину малюнка.

Отже, отримувач просто слідкує за провідниками. А те що він сприймає - це є

просто послідовність змін напруги. Так що, коли отримувач бачить, що є три вольти,

добре, я вважаю що це одиниця. Тобто процес іде як з трубою,

по якій приходять електрони. Далі отримувач бачить нуль, добре,

значить це був нуль. А потім знову є три вольти - значить це одиниця.

А якщо все є три вольти, значить ще одна одиниця. А потім нуль ну і так далі.

Так що, можем уявити, як працює отримувач - просто спостерігаючи за цією послідовністю:

3 вольти i 0 вольт, що приходять по провідниках. Звичайно, це проходить дуже швидко.

І просто спостерігаючи за цією послідовністю 3 вольти i 0 вольт, можемо відновити,

що ж то було в байті, який посилали. Зрештою, таким чином і пересилається

весь пакет. Відправник просто зчитує всі біти й посилає послідовність змін напруги.

А отримувач, фактично, реконструює всі 1500 біт, шоб отримати весь пакет.

Ось так, насправді, все і працює.

Ви можете мати дані на одному комп'ютері і якщо до нього під'єднано кабель Ethernet,

то він зможе посилати всі ці нулі й одиниці по провідниках.

А тепер актуальне питання - як щодо помилок? В сучасному Ethernet

передавання йде на швидкостях порядку мільярда біт за секунду. Мільярд нулів

і одиниць за секунду на провідниках - це дуже швидко. І, само собою зрозуміло,

що часом в такому процесі трапляються помилки. Наприклад, замість одиниці

приходить нуль і таке подібне. Так що, я збираюсь розповісти про одну цікаву

техніку - яка зветься контрольною сумою і застосовується для

виявлення і корекції помилок. Щоб зрозуміти, як це працює, давайте поглянемо

на невелику діаграму ось тут. Перед передачею пакета відправник переглядає його,

а це, як ми вже знаємо, є просто набір чисел. Згадали, набір чисел

які знаходяться між нулем і 255. І що відправним може зробити -

це просто додати ці числа. В нашому прикладі сумою буде 491.

Ну і, скажімо, наша схема буде полягати в тому, що ми

просто беремо останні дві цифри. В даному прикладі цими цифрами

будуть 91. Далі ми скажемо, що це є наша контрольна сума, помістимо її в кінець

пакета і також надішлемо. Очевидно, щоб це запрацювало,

отримувач, маючи вже у себе цілий пакет, повинен виконати таке ж додавання.

Отже, отримувач додає всі ті біти, що він отримав. А далі дивиться, чи дають

вони 91? Чи співпадає значення останнього байта з контрольною сумою? Якщо значення

не співпадає, це означає, що якийсь біт перекрутився - трапилась помилка.

Отже не все передалось вірно. Значить отримувач повинен попростити відправника

ще раз переслати цей пакет. Кожен пакет порівняно невеликий, так що

це не є значною проблемою. А результат полягає в тому, що у нас є хоч і невелика,

гарантія, що кожен пакет буде передано коректно. І от, маючи змогу попросити

ще раз переслати пакет, в кінцевому підсумку отримувач буде мати повний набір пакетів,

кожен з яких буде перевірений. Ось так використовується дана схема,

насправді не лише в мережах, але в багатьох областях комп'ютерних систем.

Це є принцип перевірки, що при обміні інформацією з іншими компаніями,

кожна передача даних пройшла правильно. Отже ми пояснили, як так може бути,

що маючи якийсь великий .jpg файл на своєму комп'ютері ви можете взяти його на флешку,

а далі переслати його по мережі, і хоча, ви переміщуєте його з місця на місце

все це відбувається практично зі 100 % правильністю.

Кожен нуль чи одиниця, що знаходиться в якомусь маленькому бітові,

завдяки цій перевірці, продовжує залишатись нулем чи одиницею. І ще одне,

що треба згадати, ця схема перевірки, яка грунтується на просто додаванні,

наведена тут лише для пояснення. Реальна схема контрольної суми є трохи

більш складною. Існує ймовірність, що можуть бути дві помилки, які, зрозуміло,

взаємно компенсуються, так що помилки є, а контрольна сума не може їх виявити.

Хоча це і мікроскопічна ймовірність, але вона існує, і тому

дана схема не є повністю надійною. Так що я хочу розширити рамки нашого розгляду.

До цього часу я, фактично, розповідав про два комп'ютери, з'єднаних

кабелем Ethernet, а тепер ми розглянемо, що то буде, коли ми матимемо багато комп'ютерів,

які спілкуються за допомогою одного провідника. Я вважаю, що це є дуже елегантний витвір,

який варто розглянути. І всі ті зразки, які ви побачите в цій конструкції, будуть неодноразово

використовуватись в подальшому. Дизайн був настільки вдалим, що застосовується для вирішення

багатьох проблем. Отже, давайте сформулюємо задачу. Подивіться на цей малюнок, що ілюструє

роботу Ethernet у випадку, коли ви маєте багато комп'ютерів. Я зобразив чотири,

а провідник лише один. Це щось подібне до хребта, а вони всі його спільно використовують.

Тобто конструкція Ethernet полягає в тому, що є один спільний елемент апаратної частини

і багато комп'ютерів, які його використовують, причому вони здатні так кооперувати свої дії,

що використовують його ефективно. Отже, я розповім, як може один комп'ютер переслати

пакет другому по Ethernet, коли все виглядає як на малюнку, де я маю багато комп'ютерів,

що спільно використовують один провідник. Аналогією цього процесу є вечірка,

де присутні багато людей і вони хочуть поспілкуватись. Вони можуть

вести розмову, хоча в дійсності двоє людей не можуть балакати одночасно.

Просто їм треба узгодити свої дії і встановити черговість в розмові.

І Ethernet працює подібно до описаного.

Тут я зобразив, як це відбувається. Кожен з цих комп'ютерів має адресу,

унікальну адресу треба сказати, наприклад комп'ютер один, два три, чотири.

І комп'ютер хоче передати пакет, ось тут зліва я зобразив пакет.

Пакет починається з поля з двокрапкою, яке вказує комп'ютер призначення.

Хай для визначеності в нашому випадку буде, що комп'ютер один хоче

переслати пакет комп'ютеру чотири. Так що, комп'ютер один підготовлює пакет.

А далі що він має зробити - це дочекатися періоду мовчання на провіднику.

Можливо комп'ютери два і три мали розмову, тобто провідник був зайнятий,

переносячи їхні повідомлення. Але зрештою сигнали на провіднику затихають.

І от, користуючись цим періодом мовчання, комп'ютер один починає пересилати

пакет по провіднику. Ми можемо уявляти, що пакет отак проходить

і повертає сюди, прямо до комп'ютера чотири.

Але реально це більш схоже на трансляцію. Сигнал пакета поширюється

по провіднику і досягає кожного комп'ютера, під'єднаного до провідника.

Так що, це дійсно є трансляція, пакет просто займає весь провідник. А спосіб,

яким працює Інтернет полягає в тому, що кожен комп'ютер прослуховує провідник

весь час. Кожен прослуховує провідник. І дійсно, те що вони роблять - це просто

слідкують за пакетами, що адресовані їм. Так що, коли пакет для комп'ютера чотири

виходить, то четвертий комп'ютер почує його і скаже: добре, це для мене.

Далі скопіює нулі й одиниці цього пакета, бо це є для четвертого комп'ютера.

А комп'ютери два і три також будуть бачити нулі й одиниці, що поширюються по провіднику.

Але вони просто відмітять призначення - to: computer 4.

Добре, цей пакет не для мене, і просто ігноруватимуть його. Ось так все працює.

А тепер ще цікавий випадок спільного використання апаратури в Ethernet.

Нехай, як уже говорилось вище, комп'ютер один збирається переслати пакет на комп'ютер чотири.

Але так сталось, що комп'ютер три також має переслати пакет. І, припустимо,

що і комп'ютер один, і комп'ютер три почули

один і той же період мовчання на провіднику. Звісно, вони обидва вирішують

почати передачу по спільному провіднику. Але провідник не може переносити

одночасно декілька передач. І якщо вони обидва почнуть передачу, то буде зіткнення,

і дві розсилки накладуться та заглушать одна одну.

Інформація буде незворотньо перекручена,

обидва пакети пошкодженими і, відповідно, непотрібними.

А далі, і комп'ютер один, і комп'ютер три

врешті решт помітять, що ще хтось балакає крім них і, нарешті,

припинять передачу. І на провіднику знову буде період мовчання. А потім знову

і комп'ютер один, і комп'ютер три зрозуміють, що нічого не працює.

А оскільки вони почують тишу, то знову почнуть передачу, і знову буде

подібне зіткнення. А ось тут і знаходиться мудра конструкція Ethernet.

Як зробити так, щоб вони працювали по черзі?

Розумієте? Коли один передає, то другий чекає. Способом вирішення цієї проблеми

стало те, що і комп'ютер один, і комп'ютер три в Ethernet очікують на протязі часу,

який вибирається випадково. Вони просто вибирають випадкове число і кажуть, я чекаю

ось стільки, а далі пробую передавати. І дійсно, це є гарна ідея,

один із них завершить очікування першим, на провіднику не буде мовчання,

бо по ньому йтиме передача, а ми можемо просто повернутись до нашої попередньої

стратегії. Так що коли ви маєте зіткнення, то обидва комп'ютери пригальмовують,

а далі один з них скористається своєю чергою, і ми будемо

використовувати провідник дуже ефективно. Це пояснює, як ви,

маючи багато комп'ютерів підключених до одного провідника Ethernet, можете досягти,

щоб вони використовували його досить ефективно. Сьогодні, мабуть, більшість людей,

що дивляться цей матеріал, не використовують дротовий Ethernet взагалі. Він здається

трохи застарілим. Найзагальнішим способом підключення до будь-яких мереж сьогодні є Wi-Fi.

І я говоритиму про Wi-Fi дуже коротко, оскільки у нього така ж сама стратегія.

Отже, відмінною ознакою Ethernet є те, що ви маєте спільний провідник, і лише

одна особа може здійснювати передачу в даний момент. І ви маєте якось спільно його

використовувати. Wi-Fi - це точнісінько те саме. Просто в цьому випадку замість провідника

ви маєте радіо канал. Просто радіо-канал, що спільно використовується.

Також ми маємо всі ці комп'ютери, вони містять в собі невелике радіо,

як показано на малюнку схематичними радіохвилями. Отже є якийсь

радіо-канал, і вони всі спільно його використовують, а це дуже схоже на дротовий

Ethernet. Вони мають стратегію очікування періоду мовчання, і коли дочекаються - починають

трансляцію. Всі комп'ютери прослуховують ефір весь час і виловлюють пакети,

що адресовані їм і ігноруючи пакети, які адресовані не їм.

Іноді трапляється зіткнення - два пристрої почали трансляцію

одночасно. Коли це буде виявлено, застосовується стратегія призупинки на період часу,

вибраний випадковим чином, так що ви можете дочекатись мовчання знову і транслювати

без накладання. Значить, працює дуже схожа стратегія. А тепер підсумуємо

ті корисні ідеї, які присутні в структурі Ethernet і які, як я вже згадував,

постійно виникають в певних складних задачах. Це є просто оберемок

корисних рішень. Я вважаю, що вони варті розгляду.

Отже, ідея, що лежить в основі - ви маєте провідник, як певний спільний ресурс

і хочете використати його ефективно. І вирішення не потребує якоїсь зовнішньої

наглядової сили. Навпаки, всі учасники дотримуються правил розподілу і

співробітництва. І вони можуть так кооперуватись один з одним, що використовують

спільний ресурс ефективно. Іншою рисою, яка ще не була відмічена

є те, що Ethernet є дуже незахищеною системою. Згадаємо, як проходило

передавання пакета з комп'ютера один на комп'ютер чотири.

Цей пакет попадав також на комп'ютер три. Правда ж? І якби третій комп'ютер хотів,

він міг би його переглянути. І реально це означає, що спільний ресурс це така річ -

коли хтось транслює, то той хто хоче, може слухати.

Зрозуміло, не будь хто на Землі, а будь-хто на відстані цієї сотні метрів,

на яку, як ми вже знаємо, і поширюється ця локальна мережа.

Це не означає, що безпека в Internet є безнадійною, це значить, що ми

маємо додати інший рівень шифрування і безпеки. Сама по собі локальна мережа

LAN не є безпечною. Я буду розповідати про це більш детально трохи пізніше,

в секції безпеки. Ще однією рисою даної системи буде те, що коли ви маєте спільний

ресурс, то при збільшенні числа комп'ютерів, які його використовують,

продуктивність, доступна якомусь одному комп'ютеру буде зменшуватись.

Це знову повертає нас до спільного ресурсу. Якщо комп'ютери два і три зв'язуються

через бездротову область, наприклад, пересилаючи якийсь великий файл,

то це означає, що буде менше мовчання. І, таким чином, комп'ютер один

буде мати менше можливостей переслати щось, ніж він міг би.

Ви хочете мати добру якість і не бажаєте, щоб продуктивність

зменшувалась. Ви отримуєте меншу потужність, але з цього непросто вибратись.

Ethernet має цю виразну тенденцію до зменшення. І як я вже сказав,

це є дуже популярний, дуже вдалий набір рішень. І саме тому ми будемо розглядати

цю цікаву річ в подальшому.