# Как работает интернет

Об этом спрашивают на собеседованиях. Структурированное понимание этого может помочь вам, даже если вы давно строите сложные архитектурные процессы или кодите 20-ый год подряд. Я — программист уже много лет, последние пару из которых пишу на Go в Каруне. Работа работой, а внутренний исследователь не дремлет. И вот я наконец-то решил привести в порядок информацию, разбросанную по разным закоулкам чертогов разума, по добротным книгам и статьям на тему сетевых технологий.

Хочу представить краткую выжимку о работе протоколов. А если тема окажется интересной, могу продолжить работать с ней более детально. Рассмотрим простейший пример: вы ввели некоторый url в адресную строку. Поехали.

#### The Open Systems Interconnection model (OSI)

Для начала придётся упомянуть семиуровневую модель OSI, с которой, возможно, каждый из вас знаком не понаслышке. _Эталонная модель взаимодействия открытых систем_ является абстракцией, которая связывает и стандартизирует взаимодействие открытых систем. Она не описывает никакие используемые протоколы, а только определяет, какие функции выполняет каждый из её уровней. В основе любого сетевого взаимодействия лежит данная модель. Для привычного нам интернета схема OSI и соответствующие ей протоколы чаще всего имеют следующий вид:Эталонная модель OSI и соответствие ей протоколов Интернета

![Эталонная модель OSI и соответствие ей протоколов Интернета](https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/upload_files/674/0ba/466/6740ba466061e264b57a9779f794b3d0.jpeg)

Некоторые уровни могут отсутствовать и/или объединяться. Рассматривать работу схемы начнём с верхнего уровня — с того самого ввода адреса в адресную строку.

#### Прикладной уровень, HTTP

Прикладной уровень в модели OSI нужен для взаимодействия пользовательских приложений с сетью. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, называется _**сообщением**_. В описываемой системе уровень представлен протоколом HTTP. При вводе адреса google.com ваш браузер формирует HTTP сообщение, которое состоит из строки запроса, тела сообщения и заголовков со служебной информацией — такой как версия протокола, контрольная сумма сообщения, и т.д. Далее задача в том, чтобы передать HTTP-сообщение на следующий уровень — **представления,** если это HTTPS, или на TCP, если это HTTP.

#### Уровень представления, SSL (TLS)

Уровень представления отвечает за кодирование/декодирование, а также за шифрование/дешифрование данных. Благодаря этому уровню информация, передаваемая одной системой, всегда понятна другой системе.

Если сервер, к которому вы посылаете запрос, работает на протоколе HTTPS, то в него включён протокол защиты данных — SSL. SSL развивался до версии 3.0. Потом на основе него был создан TLS, который сейчас используется везде и гарантирует безопасность соединения. Принцип работы протокола базируется на [ассиметричном шифровании](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D0%BF%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%81_%D0%BE%D1%82%D0%BA%D1%80%D1%8B%D1%82%D1%8B%D0%BC_%D0%BA%D0%BB%D1%8E%D1%87%D0%BE%D0%BC) и для создания безопасного канала связи оперирует такими понятиями как _публичный ключ_, _приватный ключ_, _сеансовый ключ_.

Ваш браузер и сервер заново создают защищённое соединение при каждом открытии сайта. Как же это работает? Для начала браузер создаёт запрос на запрашиваемый адрес, чтобы узнать есть ли у него SSL-сертификат. В ответ на запрос он получает информацию и _публичный ключ_, с полученной информацией делает запрос в центр сертификации (адреса центров сертификации уже есть в вашем браузере по умолчанию). Если информация подтверждается, ваш браузер генерирует _сеансовый ключ_, зашифровывает его _публичным ключом_ и отправляет на сервер. Сервер расшифровывает сообщение с помощью _приватного ключа_ и сохраняет _сеансовый ключ_. После этого соединение можно считать установленным — при общении клиента и сервера используется для шифрования _сеансовый ключ_. И "общение" между клиентом и сервером переходит на симметричное шифрование с помощью сгенерированного _сеансового ключа_.

#### Транспортный уровень, TCP

Транспортный уровень по определению обеспечивает передачу данных со степенью надёжности, которая требуется приложениям. В сети Интернет, в рассматриваемом взаимодействии, этот уровень представлен протоколом TCP, задача которого — надёжно доставить HTTP(S)-сообщение в пункт назначения. Единица данных как для TCP уровня, так и для следующего (IP) носит название **пакет**.

Операционная система, получив HTTP-сообщение от браузера, должна "встроить" его в пакет протокола нижележащего уровня — TCP. Такой процесс встраивания называется _**инкапсуляцией.**_ Операция эта осуществляется на каждом уровне: пакеты вышележащего уровня инкапсулируются в пакеты нижележащего. И на самом нижнем уровне мы получаем информационную “матрёшку” с вложенными друг в друга пакетами, со служебной информацией в виде заголовков, добавленных на каждом уровне:

![](https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/upload_files/400/d4e/ce5/400d4ece552ae785fe2daa3d830dbe5a.jpeg)

Формируются TCP-пакеты чаще всего в ядре операционной системы. Вся прелесть протокола TCP — в надёжности доставки. Использование этого протокола предусматривает установление так называемого **логического соединения** между двумя конечными узлами сети (перед этим, естественно, такое соединение нужно согласовать). Надёжную доставку пакетов протокол TCP обеспечивает посредством нумерации пакетов, подтверждения их передачи _квитанциями_, а также контроля правильного порядка пакетов. Схема установления логического соединения, передачи данных и разрыва соединения представлена на рисунке ниже:Работа хостов с помощью логического соединения

![Работа хостов с помощью логического соединения](https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/upload_files/23f/4cf/71f/23f4cf71ff8e2d6dd44bf5407a40f00b.png)

#### Сетевой уровень, IP

Сетевой уровень в общем случае нужен для образования единой транспортной системы, которая объединяет несколько сетей. Сети, кстати, могут иметь разные стеки протоколов. Также на этом уровне определяется маршрут пересылки пакетов от отправителя к получателю.

По ходу перемещения IP-пакета по сети маршрутизаторы передают пакеты от одной сети к другой или же на конечный узел-получатель. Данный протокол не занимается установлением соединения, не контролирует целостность данных, не гарантирует доставку и не отвечает за их достоверность, то есть реализует политику доставки "по возможности". Всё это бремя возложено на вышележащий протокол — TCP. Получив TCP-пакет, ОС инкапсулирует его в IP-пакет, добавляет в него свои параметры и передаёт далее.

**DNS**

Для того чтобы отправить какие-то данные серверу в IP-пакете, нужно узнать его IP-адрес. Для этого есть специальный протокол DNS, с помощью которого делается отдельный от основного запрос. Запрос этот называется DNS-запросом, и посылается он на специальный DNS сервер — его адрес заведомо известен и прописал в настройках вашей операционной системы. DNS-протокол — это представитель протокола прикладного уровня. Кратко его работу можно описать так:

1. Клиент создает DNS-сообщение, добавляя неизвестный URL в раздел вопроса этого сообщения.
2. Сообщение DNS инкапсулируется в UDP-дейтаграмму протокола UDP транспортного уровня.
3. UDP-дейтаграмма инкапсулируется в IP-пакет данных с IP-адресом назначения DNS-сервера и отправляется на DNS-сервер.
4. DNS-сервер возвращает запись ресурса, в которой указан IP-адрес URL.

Строго говоря, запрос этот выполняется не всегда. Так как вначале браузер проверяет соответствие IP адреса и домена в своем кэше (для chrome это chrome://net-internals/#dns). Затем, если соответствия не найдено, браузер обращается к операционной системе, которая ищет информацию в системном файле hosts. И только в случае, если ничего не найдено в этом файле, посылается запрос DNS. Полученный адрес уже можно указать в формируемом IP-пакете основного запроса.

#### Физический и канальный уровни, Ethernet

Канальный уровень (также — уровень передачи данных) необходим для передачи сырых данных физического уровня по надежной линии связи. Основная задача на этом уровне — обнаружение и коррекция ошибок. Также он может исправлять ошибки за счёт повторной передачи поврежденных кадров. Канальный уровень тоже должен проверить доступность среды — можно ли выполнять пересылку данных в конкретный момент. Иногда эту функцию выделяют в отдельный _**подуровень управления доступом к среде**_ (MAC).

Физический уровень отвечает за передачу потока битов по каналам физической связи (коаксиальные кабеля, оптоволокно, витая пара). Со стороны компьютера функции физического уровня выполняет сетевой адаптер или **COM-порт**. На этом уровне есть только поток битов и ничего более: протокол "не задумывается" об информации, которую он передаёт.

В нашем случае протокол **Ethernet** объединяет эти два уровня. Ethernet оперирует единицей данных, которая называется **кадр**. Для физического уровня нет никакого анализа информации, которая передаётся. Для передачи данных между узлами протокол работает по схеме с коммутацией пакетов, то есть сеть ведёт себя менее "ответственно", не создавая для абонентов отдельных каналов связи. Данные могут задерживаться и даже теряться. Поэтому ошибки на этом уровне не исправляются. Это опять же возложено на протокол верхнего уровня — TCP.

Для физического уровня Ethernet описывается стандартом группы [IEEE 802.3](https://ru.wikipedia.org/wiki/IEEE_802), который определяет физические характеристики канала связи. Например, какой кабель будет использоваться для передачи данных: витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно. Тут же определяется вид кодирования и модуляции сигнала. Технические характеристики каждого стандарта хорошо описаны в [данной статье](https://habr.com/ru/post/208202/). Например, спецификация 100Base-T определяет в качестве используемого кабеля витую пару, с максимальной длинной физического сегмента 100 метров и манчестерским кодом для данных в кабеле.

#### Путь пакета

На следующей схеме представлена схема взаимодействия узлов сети. Наш пакет выходит из конечного узла слева, проходя через концентраторы, коммутаторы (работающие на канальном уровне) и маршрутизаторы, работающие на сетевом уровне:Общая схема взаимодействия узлов сети

![Общая схема взаимодействия узлов сети](https://habrastorage.org/r/w1560/getpro/habr/upload_files/050/dcf/43f/050dcf43f164deb65b70ec7777f7c575.png)

Как видно из схемы, концентратор работает с данными на физическом уровне, но в настоящее время они вытеснены сетевыми коммутаторами, умеющими работать на канальном и физическом уровнях.

Совершив путь от одного конечного узла до другого, он распаковывается в обратном порядке: из Ethernet-кадра вытаскивается IP-пакет, из него, в свою очередь, TCP-пакет. Получив в конечном счёте HTTP-сообщение и считав с него нужную информацию, сервер формирует и посылает ответное HTTP-сообщение. Оно, в свою очередь, также проходит через каждый уровень и возвращается в виде ответа клиенту, распаковывается каждым уровнем, и мы видим заветную информацию на экране.

Конечно, это краткий обзор того, что происходит в сети Интернет на примере HTTP-запроса. Существует много деталей, которые не вошли в эту статью, дабы не растягивать её до бесконечности, но, надеюсь, войдут в будущие мои обзоры.&#x20;

Ссылки:

[https://habr.com/ru/company/karuna/blog/568702/](https://habr.com/ru/company/karuna/blog/568702/)

