Skip to content

43. (Л) Мережевий та транспортний рівні — роль у мережевій взаємодії

Зміст лекції

  1. Місце мережевого та транспортного рівнів
  2. Мережевий рівень: IP, маршрутизація, ICMP
  3. Транспортний рівень: TCP та UDP
  4. Порти й сокети
  5. Практика: що бачить програміст у Python
  6. Інструменти діагностики

Місце мережевого та транспортного рівнів

З попередньої лекції ми знаємо сім рівнів OSI. Сьогодні зосередимось на двох найважливіших для програміста:

graph TD
    L7["7. Application — HTTP, DNS, SMTP"]
    L4["4. Transport — TCP, UDP (порти)"]
    L3["3. Network — IP (адресація, маршрутизація)"]
    L1["1-2. Link / Physical — Ethernet, Wi-Fi"]

    L7 --> L4 --> L3 --> L1

    style L4 fill:#82c91e,stroke:#333,color:#000
    style L3 fill:#15aabf,stroke:#333,color:#fff
  • Мережевий рівень (Network) відповідає на запитання: «Куди доставити дані?» — між машинами в інтернеті.
  • Транспортний рівень (Transport) відповідає на запитання: «Кому саме на цій машині та як надійно?» — між програмами на машині.

Ці два рівні разом утворюють серцевину інтернету — саме за них відповідають такі терміни як TCP/IP.

Мережевий рівень: IP, маршрутизація, ICMP

IP-адреса

IP (Internet Protocol) — основний протокол мережевого рівня. Він задає формат адрес і правила, як пакети мандрують між мережами.

Версія Приклад Розмір Особливості
IPv4 192.168.1.10 32 біти (~4.3 млрд адрес) Поширена; адреси майже вичерпані
IPv6 2001:0db8::1 128 біт (~3.4 × 10³⁸ адрес) Майбутнє; повільне впровадження

Кожна IP-адреса має дві частини: префікс мережі і номер хоста в ній. Записується через CIDR: 192.168.1.0/24 означає, що перші 24 біти — це адреса мережі, останні 8 — адреси конкретних пристроїв.

Приватні vs публічні адреси

Не всі IP-адреси доступні з будь-якої точки інтернету. Для внутрішніх мереж зарезервовано спеціальні діапазони:

Діапазон Призначення
10.0.0.0/8 Великі приватні мережі
172.16.0.0/12 Приватні мережі (наприклад, Docker)
192.168.0.0/16 Домашні роутери
127.0.0.0/8 Loopback (локальний хост)

Коли ваш ноутбук виходить в інтернет, провайдер транслює приватну адресу в публічну через NAT (Network Address Translation).

Маршрутизація

Пакет із вашого комп'ютера до сервера в іншій країні проходить через десятки маршрутизаторів. Кожен маршрутизатор:

  1. Дивиться на IP призначення в заголовку пакета.
  2. Шукає у своїй таблиці маршрутизації найкращий шлях.
  3. Передає пакет наступному маршрутизатору («hop»).
graph LR
    A["Ваш ПК<br/>192.168.0.5"] --> R1["Домашній<br/>роутер"]
    R1 --> R2["Провайдер"]
    R2 --> R3["Магістраль"]
    R3 --> R4["Дата-центр"]
    R4 --> B["Сервер<br/>93.184.216.34"]

    style A fill:#339af0,stroke:#333,color:#fff
    style B fill:#51cf66,stroke:#333,color:#000

Подивитися реальний маршрут можна командою:

traceroute example.com

ICMP — службові повідомлення мережевого рівня

ICMP (Internet Control Message Protocol) — допоміжний протокол для діагностики й помилок. Класичний приклад — ping:

ping example.com

ICMP надсилає коротке повідомлення «echo request» і чекає на «echo reply». Якщо хост недоступний або маршрут зламаний, ICMP повертає помилку (Destination unreachable, TTL exceeded).

Цікавий факт

Команда traceroute працює саме через ICMP/UDP. Вона надсилає пакети з малим TTL (час життя), і кожен маршрутизатор, що відкидає пакет, відповідає ICMP-повідомленням, розкриваючи свою адресу.

Транспортний рівень: TCP та UDP

Мережевий рівень доставляє пакет на машину. Але на машині працюють десятки програм одночасно — браузер, Spotify, Slack. Як зрозуміти, кому саме віддати дані?

Відповідь дає транспортний рівень через поняття порту — числа від 0 до 65535, що ідентифікує програму.

Що таке порт

Адреса повного «з'єднання» в інтернеті — це чотири числа:

(IP_джерела, порт_джерела, IP_призначення, порт_призначення)

Цю четвірку часто називають socket pair.

Порт Призначення
0–1023 Системні («well-known»): 80 — HTTP, 443 — HTTPS, 22 — SSH, 53 — DNS
1024–49151 Зареєстровані для конкретних сервісів
49152–65535 Динамічні / тимчасові (вибирає ОС для клієнта)

TCP — Transmission Control Protocol

TCP — надійний протокол з установленням з'єднання. Гарантує:

  • доставку всіх байтів у правильному порядку
  • виявлення та повторну передачу втрачених пакетів
  • контроль перевантаження (не «затопити» мережу)

TCP handshake — три кроки до з'єднання

Перед обміном даними клієнт і сервер встановлюють з'єднання через 3-way handshake:

sequenceDiagram
    participant C as Клієнт
    participant S as Сервер

    C->>S: SYN (хочу підключитися, seq=x)
    S-->>C: SYN-ACK (згоден, seq=y, ack=x+1)
    C->>S: ACK (підтверджую, ack=y+1)
    Note over C,S: З'єднання встановлено<br/>обмін даними
    C->>S: FIN (завершую)
    S-->>C: ACK + FIN
    C->>S: ACK
    Note over C,S: З'єднання закрито

Завдяки цьому обидві сторони знають, що співрозмовник готовий, і домовляються про початкові номери послідовності.

Що дає TCP

Властивість Як працює
Надійність Кожен сегмент підтверджується (ACK)
Порядок Сегменти нумеруються; одержувач збирає їх у потрібному порядку
Контроль потоку Одержувач каже, скільки байтів готовий прийняти (window)
Контроль перевантаження Якщо мережа втрачає пакети — швидкість зменшується

UDP — User Datagram Protocol

UDP — простий протокол без з'єднання. Принцип «вистрелив і забув»:

  • немає handshake
  • немає підтверджень
  • немає гарантії порядку чи доставки
  • дуже низькі накладні витрати і затримка
sequenceDiagram
    participant C as Клієнт
    participant S as Сервер
    C->>S: Datagram 1
    C->>S: Datagram 2
    C->>S: Datagram 3
    Note over S: Може отримати в іншому<br/>порядку або не отримати взагалі

TCP vs UDP

Критерій TCP UDP
З'єднання Встановлюється (handshake) Немає
Надійність Гарантована Немає
Порядок Гарантований Немає
Швидкість Повільніший Швидший
Розмір заголовка 20 байт 8 байт
Типові протоколи HTTP(S), SSH, FTP, SMTP DNS, DHCP, VoIP, ігри, відео

Коли вибирати UDP

UDP виграє там, де затримка важливіша за надійність: відеоконференції, онлайн-ігри, потокове відео. Якщо один пакет втратиться, краще пропустити кадр, ніж зупинити все потокове відео для повторної передачі.

Коли вибирати TCP

Для всього, де важлива цілісність даних: завантаження файлів, веб, бази даних, банківські операції. Втрата одного байта в SQL-запиті — це катастрофа.

Розширення поверх TCP/UDP

  • HTTP/2 працює поверх TCP, HTTP/3 — поверх QUIC (надбудова над UDP, що додає надійність та шифрування).
  • WebSocket — двосторонній канал поверх TCP після HTTP-handshake.
  • DNS історично працює на UDP, але для великих відповідей переходить на TCP.

Порти й сокети

Сокет (socket) — програмна абстракція, що з'єднує програму з мережею. У Python є вбудований модуль socket, що дозволяє працювати безпосередньо з TCP/UDP.

TCP-сервер на Python

import socket


def main() -> None:
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server.bind(("127.0.0.1", 9000))
    server.listen()
    print("Listening on 127.0.0.1:9000")

    conn, addr = server.accept()
    with conn:
        print(f"Connected by {addr}")
        data = conn.recv(1024)
        # Луна-сервер: повертаємо те саме
        conn.sendall(data)


if __name__ == "__main__":
    main()

Розберемо рядки:

  • AF_INET — використовуємо IPv4 (мережевий рівень).
  • SOCK_STREAM — TCP (транспортний рівень).
  • bind — прив'язуємо сокет до конкретного IP та порту.
  • listen + accept — приймаємо вхідні з'єднання.
  • recv / sendall — обмін байтами через TCP.

TCP-клієнт

import socket


def main() -> None:
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    client.connect(("127.0.0.1", 9000))
    client.sendall(b"hello")
    response = client.recv(1024)
    print("Server replied:", response.decode())
    client.close()


if __name__ == "__main__":
    main()

UDP — лише два рядки відмінності

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.sendto(b"ping", ("127.0.0.1", 9000))
data, addr = sock.recvfrom(1024)

Замість SOCK_STREAM — SOCK_DGRAM, замість connect/send/recv — sendto/recvfrom. Жодного handshake немає.

На практиці

Прямо з модулем socket ми працюватимемо рідко. Зазвичай поверх нього лежать бібліотеки прикладного рівня (requests, aiohttp, psycopg). Але розуміння того, що відбувається на транспортному рівні, рятує під час налагодження.

Що бачить програміст у Python

Більшість мережевих помилок Python — це повідомлення з транспортного або мережевого рівня. Розпізнавати їх — половина успіху в діагностиці.

Часті винятки

Помилка Рівень Імовірна причина
ConnectionRefusedError Transport На вказаному порту ніхто не слухає
ConnectionResetError Transport Сервер різко обірвав TCP-з'єднання
TimeoutError Transport TCP не дочекався відповіді
socket.gaierror Application (DNS) Не вдалося знайти IP за іменем
OSError: [Errno 113] No route to host Network Маршрут до IP відсутній

Приклад: розпізнаємо рівень помилки

import socket


def probe(host: str, port: int) -> None:
    try:
        with socket.create_connection((host, port), timeout=2):
            print("OK:", host, port)
    except socket.gaierror as e:
        print("DNS error (Application):", e)
    except ConnectionRefusedError as e:
        print("Connection refused (Transport):", e)
    except TimeoutError as e:
        print("Timeout (Transport / Network):", e)
    except OSError as e:
        print("Network error:", e)


probe("example.com", 80)
probe("does-not-exist.invalid", 80)
probe("127.0.0.1", 1)            # майже точно ніхто не слухає

Дивлячись на тип винятку, ви одразу знаєте, на якому рівні шукати причину.

Інструменти діагностики

Інструмент Що показує Рівень
ping Доступність хоста, втрати, RTT Network (ICMP)
traceroute / tracepath Маршрут пакета через мережу Network
nslookup / dig DNS-резолвінг Application
telnet host port, nc -v host port Чи відкритий TCP-порт Transport
ss -tulpn (Linux) Локальні порти, що слухаються Transport
tcpdump / wireshark Захоплення пакетів Усі

Приклад: перевірити, чи працює локальний сервер на порту 9000:

ss -tulpn | grep 9000
nc -vz 127.0.0.1 9000

Wireshark — друг програміста

Якщо ви бачите дивну поведінку клієнт-серверного коду, запустіть wireshark чи tcpdump. Перегляд реальних пакетів відповіді — найшвидший спосіб зрозуміти, що насправді надсилає ваш код.

Підсумок

Концепція Опис
IP-адреса Глобальний ідентифікатор машини в мережі
Маршрутизація Шлях пакета через мережу маршрутизаторів
NAT Перетворення приватних IP у публічні
ICMP Службові повідомлення (ping, traceroute)
Порт Ідентифікатор програми на машині (0–65535)
TCP Надійний протокол з handshake, для даних, де важлива цілісність
UDP Швидкий протокол без гарантій, для real-time даних
Сокет Програмний об'єкт, що зв'язує програму з мережею
socket pair (IP джерела, порт джерела, IP призначення, порт призначення)

Ключові принципи:

  • Network доставляє пакет на машину, Transport — конкретній програмі.
  • TCP — для надійності, UDP — для швидкості.
  • Помилка має рівень — від типу винятку залежить, де шукати проблему.
  • Інструменти ping, traceroute, ss, tcpdump — мінімальний набір для мережевої діагностики.

Корисні посилання

Знайшли помилку чи бажаєте додати інформацію, щоб покращити курс? Створіть issue на GitHub