Локальная сеть (LAN): что это и как работает

Локальная сеть (LAN, Local Area Network) — это компьютерная сеть, которая объединяет устройства на ограниченной территории (квартира, офис, здание, учебный класс) и позволяет им обмениваться данными и совместно использовать ресурсы: файлы, принтеры, доступ в интернет. Устройства в LAN подключены к общему сетевому оборудованию и, как правило, управляются одним владельцем.

Ниже разбираю тему для начинающего: какие бывают топологии, какое оборудование строит сеть, как устроена адресация по IP и MAC, чем проводная сеть отличается от беспроводной и как LAN соотносится с WAN и VLAN. Специальных знаний не потребуется.

Топологии LAN: звезда, шина, кольцо

Топология — это схема того, как устройства соединены между собой. От нее зависят надежность, стоимость и удобство расширения сети. Разберу три классические топологии.

Звезда (star) — все устройства подключены отдельными кабелями к одному центральному узлу, обычно к коммутатору. Это основная топология современных проводных сетей. Обрыв одного кабеля отключает только одно устройство, остальные продолжают работать. Слабое место — центральный узел: если выходит из строя он, останавливается вся сеть.

Шина (bus) — устройства подключены к одному общему кабелю, на концах которого стоят терминаторы. Топология использовалась в ранних сетях Ethernet на коаксиальном кабеле (10BASE2, 10BASE5). Сегодня почти не встречается: обрыв общего кабеля рушит всю сеть, а устройства делят одну среду и мешают друг другу.

Кольцо (ring) — каждое устройство соединено с двумя соседями, образуя замкнутый контур; данные передаются по кругу от узла к узлу. Применялась в технологиях Token Ring и FDDI. Как и шина, сейчас считается устаревшей и в обычных офисных сетях не используется.

На практике почти все проводные LAN строятся по звезде на коммутаторах, а крупные сети — по древовидной схеме, где несколько звезд объединены в иерархию. Шину и кольцо полезно знать для понимания истории и терминологии.

Оборудование локальной сети: коммутатор, маршрутизатор, точка доступа

Разные устройства работают на разных уровнях модели OSI. Разберу главные и явно разведу коммутатор и маршрутизатор — их часто путают.

Коммутатор (switch) работает на канальном уровне (L2) модели OSI. Он пересылает кадры внутри одной локальной сети, ориентируясь на MAC-адреса устройств. Коммутатор запоминает, какое устройство подключено к какому порту (таблица MAC-адресов), и отправляет кадр только на нужный порт, а не всем подряд. Это ядро современной проводной LAN.

Маршрутизатор (router) работает на сетевом уровне (L3). Он соединяет разные сети между собой и передает пакеты по IP-адресам, выбирая маршрут. Именно маршрутизатор связывает вашу локальную сеть с другими сетями и с интернетом и обычно выполняет NAT — подмену приватных адресов на внешний.

Ключевое различие простое: коммутатор работает внутри одной сети по MAC-адресам (L2), а маршрутизатор соединяет разные сети по IP-адресам (L3).

Точка доступа (access point) подключает беспроводные устройства к проводной сети, преобразуя Wi-Fi в Ethernet и обратно; она тоже работает на канальном уровне.

Отдельно упомяну концентратор (hub) — устаревшее устройство физического уровня (L1), которое просто повторяло сигнал на все порты сразу. Коммутаторы вытеснили хабы, потому что не создают лишних коллизий.

В домашнем роутере эти функции обычно совмещены в одной коробке: маршрутизатор, коммутатор на несколько LAN-портов и точка доступа Wi-Fi.

Адресация в LAN: MAC и IP

Чтобы устройства находили друг друга, в сети используют два типа адресов. Их легко перепутать, поэтому разведу явно.

MAC-адрес — это физический (аппаратный) адрес сетевого интерфейса, зашитый производителем. Он занимает 48 бит (6 байт) и записывается в шестнадцатеричном виде, например 00:1A:2B:3C:4D:5E. MAC работает на канальном уровне и используется для доставки кадров внутри одного сегмента сети. За его пределы MAC-адрес не выходит.

IP-адрес — это логический адрес сетевого уровня, который назначается устройству вручную или автоматически по DHCP. Адрес IPv4 занимает 32 бита (4 байта) и записывается четырьмя числами, например 192.168.1.10; более поздний IPv6 занимает 128 бит. По IP-адресам маршрутизаторы передают пакеты между разными сетями.

Связь между ними такая: внутри локальной сети доставка идет по MAC-адресам, а между сетями — по IP. Сопоставление IP-адреса с MAC-адресом внутри сегмента выполняет протокол ARP.

Приватные диапазоны IP

Для локальных сетей выделены специальные приватные диапазоны адресов (стандарт RFC 1918). Они не маршрутизируются в публичном интернете, поэтому одни и те же адреса свободно используются в миллионах домашних и офисных сетей, а выход наружу обеспечивает NAT на маршрутизаторе.

Домашние сети чаще всего используют диапазон 192.168.0.0/16, например подсеть 192.168.1.0/24. Посмотреть выданный адрес и MAC можно командой ipconfig /all в Windows или ip addr в Linux.

Проводная и беспроводная LAN

Локальная сеть бывает проводной и беспроводной, и на практике их обычно совмещают в одной сети.

Проводная сеть строится на технологии Ethernet: витая пара (категории cat5e, cat6) с разъемом RJ-45 или оптоволокно. Она дает стабильную скорость и низкие задержки, ее сложнее прослушать без физического доступа, но она требует прокладки кабелей.

Беспроводная сеть (Wi-Fi) удобна и не привязывает устройство к месту, но использует общую радиосреду: скорость зависит от помех, расстояния и числа клиентов, а безопасность обеспечивается шифрованием (WPA2, WPA3).

Как выбрать: стационарным устройствам (ПК, сервер, игровая консоль) обычно выгоднее проводное подключение ради стабильности, а ноутбукам и смартфонам — Wi-Fi ради мобильности.

LAN, WAN и VLAN: чем различаются

Эти три сокращения похожи, но означают разное. Развожу их прямо.

LAN (Local Area Network) — локальная сеть на ограниченной территории, под управлением одного владельца, с высокой скоростью и приватной адресацией.

WAN (Wide Area Network) — глобальная (территориально распределенная) сеть, которая объединяет удаленные локальные сети через каналы операторов связи. Самый крупный пример WAN — интернет.

VLAN (Virtual LAN) — это не отдельная физическая сеть, а логическое разделение одной физической сети на несколько изолированных. На одном коммутаторе можно создать, например, VLAN для бухгалтерии и VLAN для гостей: они не видят трафик друг друга, хотя используют одно и то же оборудование. Разметку кадров задает стандарт 802.1Q.

Промежуточный вариант между LAN и WAN — городская сеть MAN (Metropolitan Area Network), охватывающая примерно один город.

FAQ

Сколько устройств можно подключить к домашней локальной сети?
Практический предел задают адресное пространство подсети и оборудование. Типичная домашняя подсеть 192.168.1.0/24 вмещает до 254 адресов для устройств; реальное число ограничено портами коммутатора и возможностями роутера.

Чем LAN отличается от интернета?
LAN — это ваша локальная сеть на ограниченной территории с приватными адресами. Интернет — это глобальная сеть (WAN), объединяющая миллионы сетей; LAN подключается к нему через маршрутизатор с NAT.

Нужен ли маршрутизатор, если устройств всего два?
Нет. Два устройства можно соединить напрямую кабелем или через один коммутатор. Маршрутизатор нужен, когда сеть выходит за свои пределы, например для доступа в интернет.

Выводы

Локальная сеть — это способ объединить устройства на ограниченной территории для обмена данными и совместного использования ресурсов. Большинство современных LAN строятся по топологии звезда на коммутаторах, адресация опирается на пару MAC (внутри сегмента) и IP (между сетями), а приватные диапазоны RFC 1918 вместе с NAT дают выход в интернет. Разведение ролей — коммутатор на канальном уровне, маршрутизатор на сетевом, точка доступа для Wi-Fi — ключ к пониманию того, как сеть работает.

Смежные темы: Сетевые узлы, Протоколы передачи данных, Wi-Fi: описание и особенности.