Rețele de calculatoare

Noțiuni despre arhitectura rețelelor, protocoale și servicii de rețea.

Ce este o rețea și cum o clasificăm după întindere

O rețea de calculatoare este un ansamblu de dispozitive independente legate printr-un mediu de comunicație, care pot schimba date și pot partaja resurse (fișiere, imprimante, conexiune la Internet). Cuvântul-cheie e independente: fiecare calculator are procesorul și memoria lui: dacă un dispozitiv l-ar controla complet pe celălalt, nu am mai vorbi de rețea, ci de un sistem cu terminale.

Clasificarea uzuală se face după aria geografică acoperită:

• LAN (Local Area Network) – rețea locală, într-o clădire sau într-un campus: laboratorul de informatică, rețeaua unei firme. Distanțe de ordinul sutelor de metri, viteze mari (100 Mbps – 10 Gbps), administrată de o singură organizație.
• MAN (Metropolitan Area Network) – acoperă un oraș sau o zonă metropolitană; leagă de obicei mai multe LAN-uri ale aceleiași instituții (filialele unei bănci dintr-un oraș).
• WAN (Wide Area Network) – acoperă țări sau continente, folosind infrastructura operatorilor de telecomunicații. Internetul este cel mai mare WAN — de fapt o rețea de rețele.

Mai apar și PAN (personal, câțiva metri, tipic Bluetooth) și VPN (rețea privată virtuală — un tunel criptat construit peste Internetul public, care face ca două LAN-uri depărtate să pară o singură rețea locală).

Confuzia clasică la teză: criteriul de clasificare LAN/MAN/WAN este întinderea geografică, nu numărul de calculatoare și nici viteza. O rețea LAN poate avea 500 de stații, iar un WAN poate lega doar două sedii.

Topologii de rețea și echipamentele care le susțin

Topologia descrie modul în care sunt conectate dispozitivele. Se distinge între topologia fizică (cum trec efectiv cablurile) și cea logică (cum circulă datele) — de exemplu, o rețea cablată în stea poate funcționa logic ca o magistrală.

• Magistrală (bus) – toate stațiile se leagă la un singur cablu principal. Ieftină, dar o întrerupere a cablului principal scoate din funcțiune toată rețeaua, iar coliziunile cresc cu numărul de stații.
• Inel (ring) – fiecare stație e legată de următoarea, datele circulă într-un singur sens. Defectarea unei stații poate întrerupe inelul (de aici inelul dublu, redundant).
• Stea (star) – toate stațiile se leagă la un echipament central (switch). Este topologia dominantă azi: defectarea unui cablu afectează o singură stație, dar căderea echipamentului central oprește tot.
• Plasă (mesh) – legături multiple între noduri; foarte fiabilă și scumpă, folosită în nucleul rețelelor mari și în Internet.
• Arbore (ierarhică) – mai multe stele legate între ele; tipică pentru o școală cu mai multe laboratoare.

Echipamente de reținut, cu nivelul la care lucrează:

• Repetorul și hubul – nivel fizic; hubul retransmite semnalul pe toate porturile, deci creează un singur domeniu de coliziune (motiv pentru care a fost scos din uz).
• Switch-ul (comutatorul) – nivel legătură de date; reține adresele MAC în tabela sa și trimite cadrul doar pe portul destinatarului.
• Ruterul – nivel rețea; leagă rețele diferite și decide drumul pachetelor pe baza adreselor IP.

Diferența hub–switch–ruter este una dintre cele mai frecvente întrebări de examen: hubul difuzează orbește, switch-ul comută după MAC, ruterul rutează după IP.

Modelul OSI și modelul TCP/IP

Comunicația în rețea e organizată pe niveluri (straturi): fiecare nivel oferă servicii nivelului de deasupra și folosește serviciile celui de dedesubt. Modelul de referință OSI are șapte niveluri, de jos în sus:

1. Fizic – biți, semnale electrice/optice, conectori, cabluri. 2. Legătură de date – cadre (frames), adrese MAC, detecția erorilor; aici lucrează switch-ul. 3. Rețea – pachete, adrese IP, rutare; aici lucrează ruterul. 4. Transport – segmente, comunicație cap-la-cap, TCP și UDP, porturi. 5. Sesiune – deschide, menține și închide dialogul dintre aplicații. 6. Prezentare – format, codificare, criptare, compresie. 7. Aplicație – protocoalele văzute de utilizator: HTTP, FTP, SMTP, DNS.

Modelul TCP/IP este cel implementat efectiv în Internet și are patru niveluri: acces la rețea, Internet (IP), transport (TCP/UDP) și aplicație. Practic, TCP/IP comasează nivelurile 1–2 ale OSI într-unul singur și nivelurile 5–7 în nivelul aplicație.

La nivelul transport, diferența TCP vs. UDP se cere aproape sigur:

• TCP este orientat pe conexiune (stabilește conexiunea prin three-way handshake), garantează livrarea, ordinea și lipsa duplicatelor, retransmite ce s-a pierdut. Folosit de web, e-mail, transfer de fișiere.
• UDP este fără conexiune, nu confirmă și nu retransmite; e mai rapid și cu antet mic. Folosit la streaming, jocuri online, VoIP, DNS.

Greșeala tipică: „UDP e nesigur pentru că nu criptează”. Nu — nici TCP nu criptează. UDP e „nesigur” în sensul că nu garantează livrarea; criptarea e treaba altui nivel (TLS).

Adresarea IPv4 și măștile de subrețea

O adresă IPv4 are 32 de biți, scriși ca patru octeți zecimali separați prin punct (notație zecimală cu punct): de exemplu 192.168.10.25. Fiecare octet ia valori între 0 și 255, deci o secvență ca 192.300.1.5 este invalidă din start.

Adresa are două părți: identificatorul de rețea (network ID) și identificatorul de gazdă (host ID). Ce anume separă cele două părți spune masca de subrețea: biții de 1 din mască marchează partea de rețea, biții de 0 partea de gazdă. Masca 255.255.255.0 înseamnă 24 de biți de rețea și se scrie prescurtat /24 (notația CIDR).

În orice subrețea, două adrese nu pot fi atribuite unei stații:

• adresa de rețea – toți biții de host pe 0 (ex. 192.168.10.0/24);
• adresa de difuzare (broadcast) – toți biții de host pe 1 (ex. 192.168.10.255/24).

De aici formula de calcul: pentru n biți de host, numărul de gazde utilizabile este 2^n − 2. Pentru /24 rezultă 2^8 − 2 = 254 de gazde.

Clasele istorice: A (1–126, /8), B (128–191, /16), C (192–223, /24), D (224–239, multicast), E (experimental). Adrese speciale de reținut: 127.0.0.1 = loopback (calculatorul propriu), iar intervalele private, neroutabile pe Internet, sunt 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 și 192.168.0.0/16 — de aceea acasă ai 192.168.x.x. Ieșirea lor spre Internet se face prin NAT, mecanismul care traduce adresele private în adresa publică a ruterului.

IPv6 folosește 128 de biți, scriși hexazecimal în opt grupuri, și a apărut tocmai pentru că spațiul IPv4 s-a epuizat.

Servicii de Internet: DNS, HTTP, FTP, e-mail

DNS (Domain Name System) traduce numele de domeniu în adrese IP: pentru www.edu.ro calculatorul întreabă un server DNS și primește adresa numerică. Fără DNS, Internetul ar funcționa, dar ar trebui să memorezi adrese IP. Ierarhia merge de la serverele rădăcină, la domeniile de nivel superior (TLD: .ro, .com, .org) și apoi la serverele autoritative ale domeniului. DNS folosește portul 53, de regulă peste UDP.

HTTP (HyperText Transfer Protocol), portul 80, este protocolul web: clientul (browserul) trimite o cerere (request), serverul răspunde cu un răspuns (response) care conține pagina și un cod de stare (200 – succes, 404 – resursă negăsită, 500 – eroare de server). HTTPS, portul 443, este același HTTP transportat printr-un canal criptat TLS: conținutul nu mai poate fi citit de cine interceptează traficul, iar certificatul digital confirmă identitatea serverului.

FTP (File Transfer Protocol), porturile 20 și 21, transferă fișiere între client și server; varianta clasică trimite parola în clar, motiv pentru care se preferă SFTP/FTPS.

Pentru e-mail se folosesc trei protocoale, iar rolul lor se confundă frecvent:

• SMTP (port 25/587) – trimite mesajul de la client spre server și între servere;
• POP3 (port 110) – descarcă mesajele pe calculator și, implicit, le șterge de pe server;
• IMAP (port 143) – sincronizează: mesajele rămân pe server și se văd la fel de pe telefon și de pe laptop.

Alte servicii utile de știut: DHCP, care atribuie automat adrese IP stațiilor din rețea, și Telnet/SSH pentru administrare la distanță (SSH fiind varianta criptată).

Securitatea rețelelor – noțiuni de bază

Securitatea unei rețele urmărește trei obiective, cunoscute ca triada CIA: confidențialitatea (datele sunt văzute doar de cine are dreptul), integritatea (datele nu sunt modificate neautorizat) și disponibilitatea (serviciul funcționează când e nevoie de el).

Amenințări tipice la nivel de rețea:

• Sniffing (interceptarea traficului) – citirea pachetelor care trec prin rețea; e motivul pentru care protocoalele în clar (HTTP, FTP, Telnet) sunt periculoase pe o rețea publică.
• Man-in-the-middle – atacatorul se interpune între client și server și retransmite traficul, putându-l modifica.
• Spoofing – falsificarea adresei sursă (IP sau MAC) pentru a păcăli echipamentele.
• DoS / DDoS – supraîncărcarea unui server cu cereri până devine indisponibil; DDoS-ul vine simultan de la mii de dispozitive infectate (botnet). Atenție: DDoS nu fură date, atacă disponibilitatea.

Mijloace de protecție:

• Firewall-ul filtrează traficul după reguli (adresă, port, protocol) și separă rețeaua internă de Internet. El nu este antivirus: nu scanează fișiere de malware, ci decide ce conexiuni sunt permise.
• Criptarea traficului: HTTPS/TLS pentru web, WPA2/WPA3 pentru rețelele wireless (WEP este demult compromis și nu mai trebuie folosit).
• VPN pentru acces securizat la distanță la rețeaua instituției.
• Autentificare puternică: parole lungi și unice, autentificare în doi pași (2FA).
• Segmentarea rețelei (VLAN-uri) și actualizarea la zi a echipamentelor și a sistemelor.

Principiul de fond: securitatea se construiește în straturi. Un singur firewall nu compensează parolele slabe, iar cea mai bună criptare nu ajută dacă utilizatorul dă clic pe un link de phishing.

Test — 6 întrebări ca la examen