Некоторые ключевые задачи проектирования компьютерных сетей повторяются на разных уровнях. Ниже вкратце представлены наиболее важные.

Надежность — это свойство сети, работающей должным образом, даже если составляющие ее компоненты ненадежны. Представьте себе биты передаваемого по сети пакета. Вполне вероятно, что часть этих битов будет получена приемником в искаженном (инвертированном) виде вследствие скачка электричества, случайных беспроводных сигналов, изъянов в аппаратном обеспечении, ошибок программного обеспечения и т.д. Как же найти и исправить эти ошибки?

Один из механизмов поиска ошибок в полученной информации — использование кодов обнаружения ошибок (error detection). Полученная в искаженном виде информация отправляется заново до тех пор, пока не будет принята в правильном виде. Существуют также более мощные коды исправления ошибок (error correction). С их помощью правильное сообщение восстанавливается на основе полученных (возможно, неправильных) битов информации. Оба этих механизма основаны на добавлении избыточной информации в сообщение. Они применяются на низших уровнях (для защиты отправляемых по отдельным каналам пакетов) и на высших уровнях (для проверки корректности полученного содержимого).

Еще одна задача в обеспечении надежности — поиск работоспособного пути передачи данных по сети. Зачастую между источником и приемником существует несколько путей, а в большой сети некоторые каналы или маршрутизаторы могут не работать. К примеру, сеть в Берлине вышла из строя. Пакеты, отправленные из Лондона в Рим через Берлин, не пройдут, но вместо этого можно отправить пакеты из Лондона в Рим через Париж. Сеть должна принимать подобные решения автоматически. Это называется маршрутизацией (routing).

Распределение ресурсов

Вторая задача проектирования сетей — распределение ресурсов. С увеличением размеров сетей возникают новые проблемы. В крупных городах нередки транспортные пробки, нехватка телефонных номеров, а еще в них можно легко потеряться. Мало кто сталкивается с этими проблемами в родном дворе, но в масштабах всего города они могут оказаться очень серьезными. Архитектуры, сохраняющие должную работоспособность сети при ее росте, называются масштабируемыми (scalable). Сети предоставляют хостам услуги на основе имеющихся ресурсов, например пропускной способности линий передачи. Чтобы один хост не слишком мешал другому, необходимы механизмы разделения ресурсов.

Часто пропускная полоса сети делится между хостами динамически, в соответствии с их потребностями. Это делается вместо того, чтобы выделять каждому хосту фиксированную часть полосы, которую он может и не использовать. Подобная архитектура называется статистическим мультиплексированием (statistical multiplexing) — ресурсы распределяются в соответствии со статистикой запросов на них. Она может применяться на низших уровнях для отдельных соединений, на высших уровнях для сети или даже для использующих сеть приложений.

Проблема, возникающая на всех уровнях: как не допустить, чтобы быстрый отправитель перегрузил данными медленного получателя. Для ее решения часто используется обратная связь от получателя отправителю. Это называется управлением потоком (flow control). Иногда в сети возникает проблема перегрузки (congestion), поскольку множество компьютеров отправляет слишком большой объем трафика и сеть не может обеспечить его доставку. Решить проблему можно путем сокращения всеми компьютерами запроса ресурсов (то есть полосы пропускания). Этот способ можно использовать на всех уровнях.

Стоит обратить внимание, что сети обладают и другими ресурсами помимо полосы пропускания. Например, при онлайн-трансляции видео важную роль играет своевременность доставки. Большинству сетей приходится одновременно предоставлять услуги и приложениям, требующим доставки в реальном времени, и приложениям, которым нужна высокая пропускная способность. Способ согласования подобных разнонаправленных требований носит название QoS.

Способность к развитию

Еще одна задача проектирования связана с эволюцией сети. С течением времени сеть растет и возникают новые элементы, требующие подключения к ней. В последнее время применяется ключевой механизм поддержки изменений, работающий за счет разбиения общей задачи на составные части и сокрытия нюансов реализации, — разделение протокола на уровни (protocol layering). Разработчикам сетей доступно также множество других стратегий.

Поскольку в сети содержится множество компьютеров, на каждом уровне необходим механизм идентификации отправителей и получателей конкретных сообщений. Этот механизм называется адресацией (addressing) и именованием (naming) на низшем и высшем уровне соответственно.

При росте сетей возникает проблема различных ограничений у разных сетевых технологий. Например, не все каналы связи сохраняют порядок отправляемых по ним сообщений, поэтому сообщения приходится нумеровать. Еще одна проблема — несовпадение максимального размера сообщений, которые могут быть переданы в разных сетях. Вследствие этого приходится создавать механизмы для разбиения сообщений на части, передачи и последующей их сборки. Это называется организацией межсетевого взаимодействия (internetworking).