“Я не сумасшедший, просто моя реальность отличается от вашей!”

- “Алиса в Стране Чудес” Льюис Кэрролл

Глава 1. Движение данных в сети

Передача данных по сети — это процесс, в котором информация перемещается от отправителя к получателю через различные уровни сетевой инфраструктуры. На практике это значит, что каким-то удивительным образом данные или запрос из вашего дома за считанные секунды могут отправиться на другой конец света - в солнечную Калифорнию или в туманный Лондон, там преобразоваться и вернуться с ответом. В 17 веке за такие разговоры нас непременно сожгли бы на костре, но сегодня мы имеем прекрасную возможность не только не превратиться в курочку на вертеле, но и исследовать этот процесс, ставший частью нашей повседневности. Давайте же заглянем под капот этой магии. 

Из учебников по информатике мы знаем, что данные передаются в виде пакетов, которые проходят через несколько этапов. Но чтобы нам было интереснее, рассмотрим передачу данных через призму приключений Алисы в стране чудес.

Первый этап – формирование данных, когда пользователь вводит информацию (например, отправляет сообщение или запрашивает веб-страницу). В этот момент запрос пользователя, словно Алиса, падает в кроличью нору и там начинают происходить невероятные и чудаковатые вещи. На втором этапе данные разбиваются на небольшие части (пакеты), которые смогут передаваться по сети – как и Алиса, которая выпивала зелья и ела пирожки для изменения своих размеров во время ее пути в страну чудес, данные должны пройти через трансформации, чтобы добраться до конечной точки. На этапе маршрутизации пакеты отправляются по маршруту через роутеры и коммуникаторы. Словно Чеширский Кот помогал выбрать нужное направление для Алисы, маршрутизатор выбирает путь для пакетов данных. Потом данные передаются через физические каналы – кабели, оптоволокно или беспроводные сети, повторяя путь Алисы между мирами и разнообразными локациями. В итоге, когда мы наконец-то оказались в финальной точке - в стране чудес, вместе с Алисой принявшей нормальные размеры, данные приобретают исходный целостный вид на стороне получателя. Ответ на наш запрос станет потоком данных и повторит весь этот замысловатый путь, чтобы вынырнуть из кроличьей норы прямо к пользователю.

Глава 2. Уровни сетей (модель OSI)

Модель OSI (Open Systems Interconnection) помогает стандартизировать и разделить процессы сетевой связи, облегчая диагностику и взаимодействие между различными системами и устройствами. Она разделяет передачу данных на 7 уровней. Это немного более усложненный вариант анализа передачи данных, который поможет нам увидеть в этом процессе скрытые в нем чудеса.

1. Физический уровень (он же кроличья нора) ответственен за передачу битов через кабели, Wi-Fi, оптоволокно. На этом уровне данные преобразуются в электрические сигналы, световые импульсы или радиоволны и передаются по проводам, оптоволокну или через воздух. Когда Алиса попадает в кроличью нору, это очень похоже на физическую передачу сигнала через определённый канал — кроличья нора выступает как «провод», по которому Алиса перемещается. Процесс её падения в нору можно сравнить с тем, как данные "передаются" по физической сети: она начинает свое движение (передачу данных), и по пути Алиса (как и сигнал) претерпевает различные изменения. Кроличья нора — это физический путь, по которому Алиса перемещается через пространство, как данные перемещаются по физическому каналу в сети.

2. Канальный уровень (двери и ключи) – отвечает за надежную передачу данных между устройствами, управление ошибками и обеспечивание корректности передачи через физический канал связи. Когда Алиса меняет свой размер, чтобы успешно преодолеть все двери, это можно сравнить с тем, как канальный уровень управляет "размером" данных, чтобы они корректно передавались через физический канал. Например, из-за аппетитного пирожка Алиса вырастает на несколько футов в высоту и упирается головой в потолок. В таком виде она не может пройти через дверь — аналогично тому, как данные, слишком большие для передачи через канал, в лучшем случае не смогут быть отправлены, а в худшем могут просто пропасть. Методом проб и ошибок, когда Алиса выпила флакончик, она начала стремительно уменьшаться в размерах, чтобы пройти через крошечную дверь - как и данные, которые должны быть отформатированы или «упакованы» правильно, чтобы они могли безопасно и без проблем поместиться в свой маленький канал.

3. Сетевой уровень (маршрутизация Чеширского кота) – фокусируется на маршрутизации данных, то есть за определение наилучшего пути для их доставки от отправителя к получателю через сеть. Чеширский Кот – это персонаж, который всегда знает, куда идти и как бы случайно появляетя, когда Алиса оказывается на перепутье. Он помогает Алисе выбрать правильный путь, даже если она запуталась или его советы кажутся туманными – в итоге Алиса всегда оказывается в нужном месте. Чеширский Кот помогает Алисе с выбором правильного пути, словно сетевой уровень обеспечивает правильную маршрутизацию данных через сеть, гарантируя, что они достигнут цели.

4. Транспортный уровень (два подхода) – обеспечивает надежный и высокоэффективный обмен данными между системами через контроль доставки данных. Есть два основных механизма передачи данных: TCP – надёжная передача, и UDP – быстрая, но без проверки. TCP можно сравнить со строгой Королевой Червей, которая требует точного подтверждения каждой фразы и всегда проверяет выполнение своих приказов, как TCP проверяет, дошли ли данные. Подход UDP похож на поведение Безумного Шляпника. Он говорит быстро, не особо заботясь, понимает ли его Алиса, словно UDP передаёт данные на высокой скорости, но без проверки.

5. Сеансовый уровень (чаепитие у Шляпника) – отвечает за управление сеансами связи между двумя устройствами. Этот уровень отвечает за установление, поддержку и завершение сеанса общения, а также за синхронизацию данных и контроль ошибок во время сеанса. В сцене чаепития со Шляпником можно представить сам процесс чаепития как сеанс связи. Этот сеанс организован и поддерживается за счет постоянного взаимодействия между участниками — Алиса, Шляпник и Мартовский Заяц. Они ведут диалоги, и каждый обмен фразами это часть поддержания коннекта между ними. Установление связи происходит в момент, когда Алиса присаживается за стол и начинает разговаривать со Шляпником. Они начинают обмениваться фразами, и это становится основой их общения. Каждый разговорный момент — это как пакет данных, который передается между участниками, поддерживая «коннект». Когда чаепитие заканчивается, или кто-то уходит, это аналогично завершению сеанса — связь прекращается, и общение завершено.

6. Представительский уровень (загадки и логика) – преобразование данных в формат, который понятен получателю. Он занимается кодированием, декодированием, сжатием и шифрованием данных. Этот уровень гарантирует, что данные представлены в нужном виде для того, чтобы их можно было понять и правильно обработать. Когда Алиса встречает Чеширского Кота, он может говорить загадками или фразами, которые требуют особого понимания. Например, если он говорит: «Я знаю, кто ты, но не скажу», Алиса должна понять не просто слова, а их скрытый смысл. Это похоже на процесс кодирования и декодирования на представительном уровне: информация передается в формате, который требует интерпретации и понимания.

7. Прикладной уровень (Алиса и Кот(д)) – это уровень, который взаимодействует напрямую с пользователем и его приложениями, обеспечивая доступ к сетевым сервисам, таким как веб-сайты, электронная почта и другие приложения. В Стране Чудес Алиса решает узнать, как выбрать правильный путь, и обращается к Коту за советом. Чеширский Кот отвечает загадками и дает ей подсказки. Алиса использует эти подсказки, чтобы двигаться вперед. Пример прикладного уровня — это процесс, через который Алиса получает информацию и решает свою задачу. Она обращается к системам (Коту и его загадкам), и эти системы предоставляют ей нужную информацию точно так же, как прикладной уровень предоставляет доступ к сетевым услугам и приложениям, позволяющим пользователю работать с данными.

Глава 3. Виды веб-серверов

Веб-сервер – это программа или устройство, которое принимает HTTP-запросы и отправляет клиенту веб-страницы. В нашей вселенной веб-серверы – это персонажи, которые хранят и передают информацию.

Статические веб-серверы  – хранят и отдают неизменяемые файлы (HTML, CSS, изображения) без обработки данных или изменения контента в зависимости от запроса. Например, волшебные предметы встречаются Алисе в неизменном виде. Флакончики с уменьшающей жидкостью и надписью «выпей меня» выполняют одну зафиксированную функцию и не меняют своей сути вне зависимости от действий Алисы. Флакончик не обрабатывает запросы динамически – если Алиса хочет что-то изменить, ей бесполезно умолять его стать увеличивающим пирожком - она сама должна адаптироваться – принять волевое решение: пить или не пить. 

Динамические веб-серверы обрабатывают запросы и генерируют страницы под запросы пользователей. Это тот самый любимый разработчиками и хранимый девопсами бэкэнд. У бэкэнда есть внутренняя логика, он реагирует на действия пользователей и системы. Лучше всего бэкэнду советует образ Безумного Шляпника – непредсказуемый, экстравагантный гений своего дела, немного обезумевший, немного в себе и точно никого не оставляющий равнодушным. Ответы Шляпника меняются в зависимости от его восприятия ситуации – точно, как динамический веб-сервер генерирует страницы под разные запросы, адаптируя содержимое под каждый конкретный случай.

Кэширующие серверы – это промежуточные серверы, которые хранят копии часто запрашиваемых данных, чтобы ускорить доступ к ним и снизить нагрузку на основной сервер. Представим, что Червонная Королева — это основной сервер, а её карты-воины — это кеширующие серверы. Когда Королева кричит: «Отрубите ей голову!», ближайшие карты слышат приказ и запоминают его. Теперь, если кто-то спросит: «Что приказывала Королева?», карты могут сразу повторить приказ, не беспокоя саму Королеву (тем более это может обернуться еще одной головой с плеч). Когда Королева даёт новый приказ: «Покрасить розы в красный!», карты сначала идут к источнику (Королеве), запоминают команду, а затем распространяют её среди слуг, не нагружая Королеву повторными вопросами. Таким образом, карты работают как кеширующие серверы — они хранят часто используемую информацию и помогают быстрее её отдавать.

Балансировщики нагрузки / Обратные прокси-серверы. Обратный прокси-сервер действует как посредник, взаимодействуя с пользователями, чтобы пользователи никогда не взаимодействовали напрямую с исходными серверами. Он также балансирует клиентские запросы на основе местоположения и спроса и обеспечивает дополнительную безопасность. Примером балансировщика может послужить Чеширский Кот. Если представить, что в Стране Чудес несколько серверов (разных персонажей), то Чеширский Кот действует как балансировщик нагрузки, направляя Алису к наиболее подходящему «серверу» (Шляпнику, Герцогине и т. д.), чтобы загрузить одного из них. Алиса спрашивает у Кота, куда ей идти, но сам он не даёт ей информацию о пункте ее назначения – только указывает направление (к Безумному Шляпнику или Герцогине). Его работа очень похожа на прокси-сервер, который перенаправляет запросы к разным серверам.

Заключение 

Каждый день, начиная от выбора фильма и заканчивая покупкой продуктов в интернете, мы сами того не зная отправляем миллионы Алис в их путешествия в Страну Чудес. Страна Чудес – это сложная сеть, в которой Алиса (словно данные) проходит через уровни OSI, взаимодействует с различными протоколами и серверами. Каждый персонаж в нашей Стране Чудес символизирует важный элемент сетевых технологий, каждая ее коммуникация с жителями Страны и каждое новое испытание – часть процесса передачи и преобразования данных. Но самое главное, что в итоге Алиса героически возвращается к нам, выполнив свое поручение. Алиса возвращается и уже не той, что была прежде, а с новым опытом и знаниями, чтобы мы с вами могли продолжить собственное путешествие, но уже в реальном мире с теми данными, которые мы получили благодаря вере в чудеса и упорству нашей Алисы.

2025 (с) Дарья Агуреева