System-Design-Tutorial

Section 3: Networking Basics

Networking Basics Wallpaper

সিস্টেম ডিজাইন শেখার সময় Networking Basics খুব গুরুত্বপূর্ণ। কারণ আমরা যখন একটি scalable application design করি, তখন client কীভাবে server-এ request পাঠায়, DNS কীভাবে domain name resolve করে, IP address কীভাবে destination খুঁজে পায়, TCP/UDP কীভাবে data transport করে—এসব না বুঝলে load balancer, CDN, reverse proxy, API gateway, microservice communication, timeout, latency, retry, connection pooling—এসব concept গভীরভাবে বোঝা কঠিন হয়ে যায়।

এই section-এ আমরা ৪টি core networking topic বুঝবো:

  1. OSI Model
  2. IP Address
  3. TCP / UDP
  4. DNS

লক্ষ্য: খুব বেশি academic না হয়ে, System Design perspective থেকে concept, example, real-world use case এবং common misconception—সব একসাথে পরিষ্কারভাবে বোঝা।

Table of Contents

1. OSI Model

OSI Model কী?

OSI এর পূর্ণরূপ হলো Open Systems Interconnection। এটি একটি conceptual বা theoretical model, যা বুঝায় network communication কীভাবে ধাপে ধাপে ঘটে।

এই model টি ISO (International Organization for Standardization) দ্বারা তৈরি করা হয়েছিল। OSI Model সরাসরি কোনো software বা hardware নয়। বরং এটি একটি reference model—যার সাহায্যে আমরা বুঝতে পারি networking system-এর বিভিন্ন কাজ কোন layer-এ হয়।

সহজভাবে বললে:

OSI Model হলো এমন একটি guideline, যা বলে দেয় একটি computer থেকে আরেকটি computer-এ data পাঠানোর সময় data কোন কোন ধাপ অতিক্রম করে।

যখন আমরা browser-এ google.com লিখি, তখন মনে হয় browser শুধু Google-এর page খুলে ফেললো। কিন্তু ভিতরে ভিতরে অনেক কাজ হয়:

এই পুরো journey-কে logically বুঝানোর জন্যই OSI Model ব্যবহার করা হয়।

OSI Model কেন দরকার?

Networking সমস্যা debug করার সময় OSI Model অনেক কাজে লাগে।

ধরুন আপনার application server respond করছে না। সমস্যা কোথায়?

System Design এবং Backend Engineering-এ OSI Model বুঝলে নিচের বিষয়গুলো পরিষ্কার হয়:

Data Encapsulation কীভাবে হয়?

Sender যখন data পাঠায়, তখন data উপর থেকে নিচের দিকে যায়:

Application Layer
Presentation Layer
Session Layer
Transport Layer
Network Layer
Data Link Layer
Physical Layer

প্রতিটি layer data-র সাথে নিজের header বা control information যোগ করে। এই process-কে বলা হয় Encapsulation।

Receiver side-এ data নিচ থেকে উপরের দিকে যায় এবং প্রতিটি layer নিজের header remove করে। এটাকে বলা হয় Decapsulation।

flowchart TD
    A[Application Data] --> B[Transport Segment]
    B --> C[Network Packet]
    C --> D[Data Link Frame]
    D --> E[Physical Bits]

OSI Model-এ data unit বা PDU সাধারণত এভাবে দেখা হয়:

Layer Data Unit
Application / Presentation / Session Data
Transport Segment বা Datagram
Network Packet
Data Link Frame
Physical Bits

OSI Model-এর ৭টি Layer

OSI Model-এর ৭টি layer নিচে উপরের দিক থেকে সাজানো হলো:

7. Application
6. Presentation
5. Session
4. Transport
3. Network
2. Data Link
1. Physical

Layer 7: Application Layer

Application Layer হলো user-facing network service layer। এখানে end-user application সরাসরি network service ব্যবহার করে।

যেমন:

এই layer-এ user application এবং network service-এর মধ্যে interface তৈরি হয়।

Application Layer-এর কাজ

Common Protocols

Protocol Full Form Use Case
HTTP HyperText Transfer Protocol Website/API request
HTTPS HTTP Secure Encrypted website/API request
FTP File Transfer Protocol File transfer
SMTP Simple Mail Transfer Protocol Email send
POP3 / IMAP Post Office Protocol / Internet Message Access Protocol Email receive/read
SSH Secure Shell Secure remote server access
Telnet Telnet Insecure remote access
DNS Domain Name System Domain name to IP resolution
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Automatically IP assign
SMB Server Message Block File/printer sharing

Note: অনেক বইয়ে DNS/DHCP Application Layer protocol হিসেবে দেখানো হয়, কারণ এগুলো application-level service provide করে। তবে এগুলো transport হিসেবে UDP/TCP ব্যবহার করে।

Example

যখন আপনি browser-এ https://example.com লিখেন, browser Application Layer-এ HTTPS ব্যবহার করে server-এর সাথে communication করে।

Layer 6: Presentation Layer

Presentation Layer data-কে এমন format-এ convert করে, যাতে sender এবং receiver দুজনই data বুঝতে পারে।

সহজভাবে:

Presentation Layer হলো data translator.

Presentation Layer-এর কাজ

Example

যখন HTTPS request যায়, data encrypt হয়ে যায়। Receiver side-এ decrypt হয়ে application data পাওয়া যায়।

Layer 5: Session Layer

Session Layer দুইটি device বা application-এর মধ্যে session establish, manage এবং terminate করে।

সহজভাবে:

Session Layer connection-এর conversation lifecycle manage করে।

Session Layer-এর কাজ

Communication Mode

Session বা communication mode সাধারণত ৩ ধরনের হতে পারে:

  1. Simplex
    Data একদিকে যায়।
    Example: Keyboard → Computer

  2. Half Duplex
    Data দুইদিকে যেতে পারে, কিন্তু একই সময়ে নয়।
    Example: Walkie-talkie

  3. Full Duplex
    Data দুইদিকে একই সময়ে যেতে পারে।
    Example: Phone call, modern TCP connection

Example

Video conference, remote desktop, database session—এসব ক্ষেত্রে session management গুরুত্বপূর্ণ।

Layer 4: Transport Layer

Transport Layer-এর কাজ হলো source application থেকে destination application পর্যন্ত data delivery manage করা।

এই layer host-to-host না, বরং process-to-process communication নিশ্চিত করে। এখানে port number ব্যবহার করা হয়।

Transport Layer-এর কাজ

Important Protocols

Protocol Type Use Case
TCP Connection-oriented, reliable HTTP/HTTPS, Email, FTP, SSH
UDP Connectionless, fast DNS, Video call, Gaming, Streaming

Segment কী?

Transport Layer data-কে ছোট ছোট অংশে ভাগ করে। TCP-এর ক্ষেত্রে এগুলোকে সাধারণত Segment বলা হয়। UDP-এর ক্ষেত্রে বলা হয় Datagram।

Segment-এর মধ্যে থাকে:

Example

আপনি browser দিয়ে https://example.com visit করলে সাধারণত:

Layer 3: Network Layer

Network Layer source device থেকে destination device পর্যন্ত packet পৌঁছানোর logical path নির্ধারণ করে।

এই layer-এ IP Address ব্যবহার করা হয়।

Network Layer-এর কাজ

Important Protocols

Protocol Use Case
IP Addressing and routing
ICMP Error reporting, ping
IPSec Secure IP communication
OSPF/BGP/RIP Routing protocols

Packet কী?

Network Layer data unit হলো Packet।

Packet-এর মধ্যে থাকে:

Example

আপনার laptop-এর private IP 192.168.1.10, আর Google server-এর IP 142.250.x.x। Network Layer decide করে packet কোন route দিয়ে destination-এ যাবে।

Data Link Layer একই local network-এর মধ্যে frame transfer করে। এখানে MAC Address ব্যবহার করা হয়।

যদি Network Layer বলে “এই IP-তে packet পাঠাও”, Data Link Layer বলে “local network-এ কোন MAC address-এ frame পাঠাতে হবে?”

Important Concepts

Concept Meaning
MAC Address Physical address of network interface
Frame Data Link Layer data unit
Switch Layer 2 device
ARP IP address থেকে MAC address বের করে

ARP কী?

ARP এর পূর্ণরূপ হলো Address Resolution Protocol।

এর কাজ:

Local network-এ কোনো IP address-এর corresponding MAC address বের করা।

Example:

IP: 192.168.1.1
MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF

আপনার computer router-এ packet পাঠাতে চাইলে প্রথমে router-এর MAC address জানতে হবে। ARP সেই কাজ করে।

Layer 1: Physical Layer

Physical Layer হলো actual physical transmission layer। এখানে data bits আকারে cable, fiber বা wireless signal দিয়ে যায়।

Physical Layer-এর কাজ

Physical Medium

Example

যদি LAN cable unplugged থাকে, তাহলে সমস্যা Physical Layer-এ।

OSI Layer Summary Table

Layer Name Main Responsibility Data Unit Example Protocol/Device
7 Application User-facing network service Data HTTP, DNS, SMTP, FTP
6 Presentation Format, encryption, compression Data TLS, JPEG, UTF-8, gzip
5 Session Session establish/manage/end Data RPC, session management
4 Transport End-to-end delivery using ports Segment/Datagram TCP, UDP
3 Network Routing using IP Packet IP, ICMP, Router
2 Data Link Local delivery using MAC Frame Ethernet, ARP, Switch
1 Physical Bit transmission Bits Cable, Fiber, Wi-Fi signal

Real-life Example: Browser দিয়ে Website খোলা

ধরুন আপনি browser-এ লিখলেন:

https://google.com

তখন প্রায় এই flow ঘটে:

  1. Application Layer
    Browser HTTPS request তৈরি করে।

  2. Presentation Layer
    TLS encryption data secure করে।

  3. Session Layer
    Client-server communication session maintain হয়।

  4. Transport Layer
    TCP connection তৈরি হয়, port 443 ব্যবহার করে।

  5. Network Layer
    Packet destination IP address অনুযায়ী route হয়।

  6. Data Link Layer
    Local network-এ MAC address ব্যবহার করে frame পাঠানো হয়।

  7. Physical Layer
    Data bits আকারে cable/Wi-Fi signal দিয়ে যায়।

Receiver side-এ ঠিক উল্টো process হয়।

OSI Model মনে রাখার সহজ উপায়

Top থেকে bottom:

Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
Physical

Mnemonic:

All People Seem To Need Data Processing

Bottom থেকে top:

Physical
Data Link
Network
Transport
Session
Presentation
Application

Mnemonic:

Please Do Not Throw Sausage Pizza Away

OSI Model নিয়ে Common Mistake

Mistake 1: HTTP আর TCP একই জিনিস ভাবা

HTTP হলো Application Layer protocol। TCP হলো Transport Layer protocol। HTTP সাধারণত TCP-এর উপর চলে।

HTTP/HTTPS → TCP → IP → Ethernet/Wi-Fi

Mistake 2: IP Address আর MAC Address একই ভাবা

IP address logical address। এটি network-to-network routing-এর জন্য ব্যবহৃত হয়।

MAC address physical/local address। এটি local network-এর মধ্যে frame delivery-এর জন্য ব্যবহৃত হয়।

Mistake 3: ARP Application Layer protocol ভাবা

ARP মূলত IP থেকে MAC resolve করে এবং Data Link/Network boundary-তে কাজ করে। এটাকে Application Layer protocol বলা ঠিক নয়।

Mistake 4: OSI Model-কে exact implementation ভাবা

বাস্তব Internet stack সাধারণত TCP/IP model follow করে। OSI Model mainly learning এবং troubleshooting reference হিসেবে ব্যবহৃত হয়।

2. IP Address

IP Address কী?

IP এর পূর্ণরূপ হলো Internet Protocol।

IP Address হলো network-এ থাকা কোনো device বা host-এর logical address। এই address ব্যবহার করে এক device আরেক device-কে network-এর মধ্যে খুঁজে পায়।

সহজভাবে:

IP Address হলো network-এর মধ্যে কোনো device-এর পরিচয় বা ঠিকানা।

যেমন বাস্তব জীবনে চিঠি পাঠাতে address লাগে, তেমনি Internet বা network-এ data পাঠাতে IP address লাগে।

Example:

192.168.1.10
8.8.8.8
142.250.190.46

প্রতিটি host-এর সাধারণত দুই ধরনের address থাকে:

Address Type Meaning
MAC Address Physical address, device/network interface-এর সাথে related
IP Address Logical address, network communication-এর জন্য ব্যবহৃত

IP Address কেন দরকার?

IP Address ছাড়া network communication practically সম্ভব নয়। কারণ sender-কে জানতে হয়:

Example:

আপনি যখন google.com visit করেন, আপনার computer সরাসরি google.com নাম বোঝে না। DNS থেকে Google-এর IP address বের হয়, তারপর packet সেই IP address-এ পাঠানো হয়।

IP Address-এর দুইটি প্রধান অংশ

IPv4 address সাধারণত ২টি logical অংশে ভাগ করা যায়:

  1. Network Part
  2. Host Part

Example:

192.168.1.10/24

এখানে /24 মানে প্রথম 24 bits network portion, বাকি 8 bits host portion।

Network: 192.168.1.0
Host:    .10

Subnet mask দিয়ে network এবং host অংশ আলাদা করা হয়।

Example:

IP Address:  192.168.1.10
Subnet Mask: 255.255.255.0
CIDR:        /24

Public IP vs Private IP

IP address broadly দুই ধরনের হতে পারে:

  1. Public IP
  2. Private IP

Public IP Address

Public IP হলো এমন IP address যা Internet থেকে directly reachable।

Example:

8.8.8.8
1.1.1.1
142.250.190.46

Public IP সাধারণত ISP assign করে। Web server, API server, DNS server, Load Balancer—এসব Internet-facing system-এর public IP থাকতে পারে।

Public IP কোথায় ব্যবহার হয়?

Private IP Address

Private IP হলো এমন IP address যা private/local network-এর মধ্যে ব্যবহার করা হয়। Internet থেকে এগুলো directly reachable নয়।

Example:

192.168.1.10
10.0.0.5
172.16.5.20

আপনার বাসার Wi-Fi router সাধারণত connected devices-কে private IP দেয়।

Example:

Phone:       192.168.1.2
Laptop:      192.168.1.3
Smart TV:    192.168.1.4
Router LAN:  192.168.1.1

সব device private IP ব্যবহার করলেও Internet-এ বের হওয়ার সময় router NAT ব্যবহার করে public IP share করে।

Private IP Range

RFC 1918 অনুযায়ী IPv4 private address ranges হলো:

Class-like Range Private IP Range
Class A private range 10.0.0.0 - 10.255.255.255
Class B private range 172.16.0.0 - 172.31.255.255
Class C private range 192.168.0.0 - 192.168.255.255

Practical note: Modern networking-এ classful addressing-এর বদলে CIDR বেশি ব্যবহৃত হয়। তবে Class A/B/C শেখা basic understanding-এর জন্য useful.

Static IP vs Dynamic IP

IP address assignment-এর ভিত্তিতে IP দুই ধরনের হতে পারে:

Static IP

Static IP manually fixed করা থাকে। এটি change হয় না বা খুব কম change হয়।

Use case:

Example:

Production API Server: 203.0.113.10

Dynamic IP

Dynamic IP automatically assign হয়, সাধারণত DHCP server দিয়ে।

Use case:

Example:

আপনার laptop আজ 192.168.1.12, কাল router restart হলে 192.168.1.15 পেতে পারে।

DHCP কী?

DHCP এর পূর্ণরূপ হলো Dynamic Host Configuration Protocol।

DHCP automatically device-কে network configuration দেয়:

আপনি যখন Wi-Fi connect করেন, সাধারণত router DHCP server হিসেবে কাজ করে এবং আপনার device-কে IP assign করে।

IPv4 এবং IPv6

IPv4

IPv4 হলো Internet Protocol Version 4। এটি 32-bit address system।

Example:

192.168.1.10
8.8.8.8

IPv4 address ৪টি octet-এ ভাগ করা হয়। প্রতিটি octet 8 bit।

192 . 168 . 1 . 10
8bit  8bit 8bit 8bit

IPv4 theoretically প্রায় 4.29 billion unique address support করে। কিন্তু Internet-connected device অনেক বেশি হয়ে যাওয়ায় IPv4 address shortage তৈরি হয়েছে।

IPv6

IPv6 হলো Internet Protocol Version 6। এটি 128-bit address system।

Example:

2001:4860:4860::8888

IPv6 অনেক বড় address space provide করে। ভবিষ্যতের Internet scaling-এর জন্য IPv6 গুরুত্বপূর্ণ।

IPv4 থেকে IPv6 transition technique

Technique Meaning
Dual Stack একই network/device-এ IPv4 এবং IPv6 দুটোই চালানো
Tunneling IPv4 network-এর ভিতর IPv6 packet carry করা
Translation IPv4 এবং IPv6-এর মধ্যে translate করা, যেমন NAT64

IP Address Class

পুরোনো classful addressing অনুযায়ী IPv4 address ৫টি class-এ ভাগ করা হতো:

Class First Octet Range Use
A 0 - 127 Large networks
B 128 - 191 Medium networks
C 192 - 223 Small networks
D 224 - 239 Multicast
E 240 - 255 Experimental / reserved

Class A

Range:

0.0.0.0 - 127.255.255.255

Class A বড় network-এর জন্য design করা হয়েছিল। তবে 127.0.0.0/8 loopback address হিসেবে reserved।

Important example:

127.0.0.1 → localhost / loopback

Class B

Range:

128.0.0.0 - 191.255.255.255

Medium-sized network-এর জন্য।

Class C

Range:

192.0.0.0 - 223.255.255.255

Small network-এর জন্য।

Class D

Range:

224.0.0.0 - 239.255.255.255

Multicast communication-এর জন্য।

Class E

Range:

240.0.0.0 - 255.255.255.255

Experimental/reserved use-এর জন্য।

Special address:

255.255.255.255 → limited broadcast

Unicast, Broadcast, Multicast

Network communication pattern-এর ভিত্তিতে IP communication তিনভাবে দেখা যায়:

Unicast

One-to-one communication।

এক sender এক receiver-এর সাথে communicate করে।

Example:

Your laptop → Google server

Use case:

Broadcast

One-to-all communication in a local network।

এক sender local network-এর সব device-কে message পাঠায়।

Example:

ARP request:
"Who has 192.168.1.1? Tell 192.168.1.10"

Broadcast সাধারণত local network-এর মধ্যে সীমাবদ্ধ থাকে। Router সাধারণত broadcast forward করে না।

Multicast

One-to-many selected group communication।

এক sender নির্দিষ্ট group-এর members-দের data পাঠায়।

Use case:

Class D IP range multicast-এর জন্য ব্যবহৃত হয়:

224.0.0.0 - 239.255.255.255

NAT কী এবং কেন দরকার?

NAT এর পূর্ণরূপ হলো Network Address Translation।

NAT private IP address-কে public IP address-এর মাধ্যমে Internet access করতে সাহায্য করে।

ধরুন আপনার বাসায় ৫টি device আছে:

Phone:    192.168.1.2
Laptop:   192.168.1.3
TV:       192.168.1.4
Tablet:   192.168.1.5
Desktop:  192.168.1.6

কিন্তু ISP আপনাকে একটি public IP দিয়েছে:

Public IP: 103.x.x.x

সব device কীভাবে একই public IP দিয়ে Internet ব্যবহার করে?

উত্তর: Router NAT ব্যবহার করে।

flowchart LR
    A[Phone<br/>192.168.1.2] --> R[Home Router<br/>NAT]
    B[Laptop<br/>192.168.1.3] --> R
    C[Smart TV<br/>192.168.1.4] --> R
    R --> I[Internet<br/>Public IP: 103.x.x.x]

Router source private IP এবং port track করে রাখে। Reply আসলে সে বুঝতে পারে কোন device-এ response পাঠাতে হবে।

NAT Table Example

Private Device Private Port Public IP Public Port
192.168.1.2 51510 103.x.x.x 40001
192.168.1.3 51511 103.x.x.x 40002

Default Gateway কী?

Default Gateway হলো local network থেকে outside network বা Internet-এ যাওয়ার দরজা।

আপনার device যদি local network-এর বাইরের কোনো IP-তে packet পাঠাতে চায়, তাহলে packet default gateway-তে পাঠায়।

Home network example:

Device IP:        192.168.1.10
Default Gateway:  192.168.1.1

এখানে 192.168.1.1 সাধারণত router।

Loopback IP

Loopback address নিজের machine-কেই refer করে।

Common loopback IP:

127.0.0.1

Hostname:

localhost

Use case:

Example:

http://127.0.0.1:3000

Rails বা React app local machine-এ run করলে আমরা প্রায়ই localhost ব্যবহার করি।

IP Address System Design-এ কেন গুরুত্বপূর্ণ?

System Design-এ IP Address বুঝা দরকার কারণ:

Example architecture:

User
 ↓
Public DNS
 ↓
Public Load Balancer IP
 ↓
Private Application Servers
 ↓
Private Database

Production system-এ সাধারণত database-এর public IP থাকে না। Application server private IP দিয়ে database-এর সাথে communicate করে।

3. TCP / UDP

Transport Layer কী করে?

TCP এবং UDP দুটোই Transport Layer protocol।

Transport Layer-এর main responsibility হলো:

এক machine-এর application process থেকে আরেক machine-এর application process পর্যন্ত data পৌঁছে দেওয়া।

IP address device identify করে। কিন্তু একই device-এ অনেক application চলতে পারে।

Example:

Browser
Slack
VS Code
Postman
Database client

তাহলে packet কোন application-এ যাবে?

এখানে port number দরকার হয়।

Example:

Service Port
HTTP 80
HTTPS 443
SSH 22
DNS 53
PostgreSQL 5432
MySQL 3306
Redis 6379

TCP কী?

TCP এর পূর্ণরূপ হলো Transmission Control Protocol।

TCP হলো:

সহজভাবে:

TCP data পাঠানোর আগে connection তৈরি করে এবং নিশ্চিত করে data ঠিকমতো, সম্পূর্ণভাবে, সঠিক order-এ পৌঁছেছে।

TCP-এর বৈশিষ্ট্য

1. Connection-oriented

TCP data পাঠানোর আগে sender এবং receiver-এর মধ্যে connection establish করে।

2. Reliable delivery

TCP packet পৌঁছেছে কিনা acknowledgement দিয়ে নিশ্চিত করে। Packet হারালে retransmit করে।

3. Ordered delivery

Data wrong order-এ আসলেও TCP sequence number ব্যবহার করে সঠিক order-এ সাজিয়ে application-কে দেয়।

4. Error checking

Checksum দিয়ে corrupted data detect করে।

5. Flow control

Receiver যতটা data নিতে পারে, sender যেন তার বেশি না পাঠায়—TCP সেটা control করে।

6. Congestion control

Network congested হলে TCP sending rate কমিয়ে দেয়।

TCP 3-Way Handshake

TCP connection শুরু হয় ৩ ধাপের handshake দিয়ে।

sequenceDiagram
    participant C as Client
    participant S as Server

    C->>S: SYN
    S->>C: SYN-ACK
    C->>S: ACK
    Note over C,S: Connection Established

Step-by-step:

  1. SYN
    Client বলে: “আমি connection শুরু করতে চাই।”

  2. SYN-ACK
    Server বলে: “ঠিক আছে, আমিও ready।”

  3. ACK
    Client বলে: “Great, তাহলে communication শুরু করি।”

এরপর data transfer শুরু হয়।

TCP কোথায় ব্যবহৃত হয়?

TCP ব্যবহৃত হয় যেখানে reliability গুরুত্বপূর্ণ।

Examples:

Example

Payment API call করার সময় যদি packet হারিয়ে যায়, তাহলে সেটা serious issue। তাই payment system সাধারণত TCP-based protocol ব্যবহার করে।

UDP কী?

UDP এর পূর্ণরূপ হলো User Datagram Protocol।

UDP হলো:

সহজভাবে:

UDP data দ্রুত পাঠায়, কিন্তু data পৌঁছাবে কিনা বা order ঠিক থাকবে কিনা সেটার guarantee দেয় না।

UDP-এর বৈশিষ্ট্য

1. Connectionless

UDP data পাঠানোর আগে handshake করে না।

2. Fast

Handshake এবং acknowledgement না থাকায় overhead কম।

3. No guaranteed delivery

Packet হারিয়ে গেলে UDP নিজে থেকে resend করে না।

4. No ordering guarantee

Packet আগে-পরে পৌঁছাতে পারে।

5. Lightweight header

UDP header ছোট, তাই fast communication-এর জন্য useful।

6. Error checking আছে, কিন্তু retransmission নেই

UDP checksum দিয়ে error detect করতে পারে, কিন্তু TCP-এর মতো নিজে retransmit করে না।

UDP কোথায় ব্যবহৃত হয়?

UDP ব্যবহৃত হয় যেখানে latency কম হওয়া reliability-এর চেয়ে বেশি গুরুত্বপূর্ণ।

Examples:

TCP vs UDP Comparison

Topic TCP UDP
Connection Connection-oriented Connectionless
Reliability Reliable Best-effort
Ordering Ordered delivery No ordering guarantee
Speed Slower than UDP Faster
Overhead Higher Lower
Retransmission Yes No
Flow control Yes No
Congestion control Yes No built-in
Use case Web, API, Email, File transfer Gaming, Video call, DNS, Streaming

Real-world Examples

WhatsApp Chat Message

Chat message অবশ্যই পৌঁছাতে হবে এবং order ঠিক থাকা দরকার।

Protocol choice:

TCP

কারণ message হারিয়ে গেলে user experience খারাপ হবে।

WhatsApp Video Call

Video call-এ কিছু frame drop হলেও সমস্যা নেই। কিন্তু delay বেশি হলে conversation অসহ্য হয়ে যায়।

Protocol choice:

UDP

কারণ low latency বেশি important।

Online Gaming

Game state দ্রুত update হওয়া জরুরি। একটি পুরোনো packet পরে এসে লাভ নেই।

Protocol choice:

UDP

কারণ real-time response important।

File Download

File corrupted বা incomplete হলে চলবে না।

Protocol choice:

TCP

কারণ complete এবং correct delivery দরকার।

DNS Query

DNS query ছোট এবং দ্রুত response দরকার। তাই সাধারণত UDP port 53 ব্যবহার করে। তবে বড় response বা zone transfer-এর ক্ষেত্রে TCP-ও ব্যবহার হতে পারে।

Protocol choice:

UDP mostly, TCP when needed

TCP/UDP নিয়ে Common Misconception

Misconception 1: UDP মানেই খারাপ

না। UDP খারাপ নয়। UDP real-time communication-এর জন্য excellent।

Misconception 2: TCP সবসময় best

না। Video call বা gaming-এ TCP-এর retransmission delay user experience খারাপ করতে পারে।

Misconception 3: UDP-তে error checking নেই

UDP-তে checksum আছে। তবে error detect হলেও TCP-এর মতো automatic retransmission নেই।

Misconception 4: HTTP মানেই TCP

Traditional HTTP/1.1 এবং HTTP/2 TCP ব্যবহার করে। কিন্তু HTTP/3 QUIC ব্যবহার করে, যা UDP-এর উপর built।

System Design-এ TCP/UDP নির্বাচন

System design করার সময় protocol choice application requirement-এর উপর depend করে।

Requirement Better Choice
Data must not be lost TCP
Order must be maintained TCP
Low latency is critical UDP
Real-time media UDP
Financial transaction TCP
File transfer TCP
DNS lookup UDP mostly
Game state update UDP
Internal API call TCP/HTTP/gRPC
Streaming telemetry UDP or message queue depending on reliability need

Practical Thinking

যদি user payment করে:

Reliability > Speed

তাই TCP-based communication better।

যদি live video call হয়:

Latency > Perfect reliability

তাই UDP better।

4. DNS

DNS কী?

DNS এর পূর্ণরূপ হলো Domain Name System।

DNS হলো Internet-এর naming system, যা human-readable domain name-কে machine-readable IP address-এ convert করে।

Example:

google.com → 142.250.190.46

সহজ উদাহরণ:

DNS হলো Internet-এর phonebook. আমরা মানুষের নাম মনে রাখি, phone number না। DNS domain name দিয়ে IP address খুঁজে দেয়।

Browser google.com নাম বুঝলেও network packet পাঠানোর জন্য IP address দরকার হয়। তাই DNS lookup লাগে।

DNS কেন দরকার?

IP address মনে রাখা কঠিন। Domain name মনে রাখা সহজ।

Imagine করতে পারেন, যদি website visit করতে এমন লিখতে হতো:

142.250.190.46

তার চেয়ে সহজ:

google.com

DNS এই human-friendly naming system possible করে।

DNS কীভাবে কাজ করে?

ধরুন আপনি browser-এ লিখলেন:

google.com

Flow roughly এমন:

sequenceDiagram
    participant U as User/Browser
    participant OS as OS Cache
    participant R as Recursive Resolver
    participant Root as Root Server
    participant TLD as TLD Server (.com)
    participant Auth as Authoritative Server

    U->>OS: google.com এর IP আছে?
    OS-->>U: Cache miss
    U->>R: Resolve google.com
    R->>Root: .com কোথায়?
    Root-->>R: .com TLD server-এর address
    R->>TLD: google.com কোথায়?
    TLD-->>R: authoritative name server-এর address
    R->>Auth: google.com এর A record কী?
    Auth-->>R: IP address
    R-->>U: IP address

Step-by-step:

  1. Browser Cache Check
    Browser আগে নিজের cache-এ দেখে।

  2. OS Cache Check
    Browser না পেলে OS cache check হয়।

  3. Recursive Resolver
    সাধারণত ISP DNS resolver বা public DNS resolver query handle করে।

  4. Root Server
    Resolver root server-কে জিজ্ঞেস করে: .com কোথায়?

  5. TLD Server
    Root server .com TLD server-এর address দেয়।

  6. Authoritative Name Server
    TLD server বলে google.com-এর authoritative server কোথায়।

  7. IP Return
    Authoritative server actual IP address return করে।

  8. Caching
    Resolver, OS এবং browser response cache করে রাখে TTL অনুযায়ী।

DNS Server-এর ধরন

1. Recursive Resolver

Recursive Resolver client-এর পক্ষে DNS query resolve করে।

Common resolver:

Google DNS:      8.8.8.8, 8.8.4.4
Cloudflare DNS:  1.1.1.1
OpenDNS:         208.67.222.222

আপনার ISP-ও সাধারণত DNS resolver provide করে।

2. Root Name Server

Root server DNS hierarchy-এর top-level server। Root server directly google.com-এর IP জানে না, কিন্তু .com, .org, .net, .bd ইত্যাদি TLD server কোথায় আছে সেটা জানে।

বিশ্বে ১৩টি logical root server identity আছে:

a.root-servers.net
b.root-servers.net
...
m.root-servers.net

এগুলো physical server হিসেবে অনেক distributed location-এ anycast দিয়ে run করে।

3. TLD Server

TLD মানে Top-Level Domain।

Example:

.com
.org
.net
.bd
.dev
.io

TLD server জানে কোন domain-এর authoritative name server কোথায়।

Example:

.com TLD server → google.com-এর authoritative server কোথায় জানে

4. Authoritative Name Server

Authoritative Name Server নির্দিষ্ট domain-এর actual DNS records রাখে।

Example:

example.com authoritative server জানে:
- example.com এর A record
- www.example.com এর CNAME
- mail.example.com এর MX record

Important DNS Record Types

Record Meaning Example Use
A Domain to IPv4 address example.com → 93.184.216.34
AAAA Domain to IPv6 address example.com → IPv6 address
CNAME Alias to another domain www.example.com → example.com
MX Mail server Email delivery
NS Name server Authoritative server identify
TXT Text record SPF, DKIM, domain verification
PTR Reverse DNS IP to domain
SOA Start of Authority Zone metadata
SRV Service locator Service discovery
CAA Certificate authority authorization কোন CA certificate issue করতে পারবে

DNS Caching এবং TTL

DNS query প্রতিবার root → TLD → authoritative server পর্যন্ত যায় না। Caching-এর কারণে DNS fast হয়।

TTL এর পূর্ণরূপ হলো Time To Live।

TTL বলে দেয় একটি DNS record কতক্ষণ cache-এ রাখা যাবে।

Example:

example.com A record TTL = 3600 seconds

মানে resolver ১ ঘণ্টা পর্যন্ত record cache করতে পারে।

DNS Cache কোথায় থাকে?

DNS Propagation কী?

যখন আপনি domain-এর IP address change করেন, সেটা instantly সব user-এর কাছে update নাও হতে পারে। কারণ পুরোনো DNS record TTL অনুযায়ী cache-এ থাকতে পারে।

এটাকে সাধারণভাবে বলা হয়:

DNS propagation delay

Practical example:

আপনি api.example.com পুরোনো server থেকে নতুন load balancer-এ point করলেন। কিন্তু কিছু user এখনও পুরোনো IP hit করতে পারে যতক্ষণ cache expire না হয়।

DNS Security

DNS critical infrastructure। তাই DNS attack হলে user ভুল server-এ চলে যেতে পারে।

Common DNS Security Issue

DNS Spoofing / Cache Poisoning

Attacker fake DNS response দিয়ে user-কে malicious IP-তে পাঠাতে পারে।

Example:

bank.com → fake attacker server IP

DNS Hijacking

ISP/router/malware DNS response manipulate করতে পারে।

DDoS on DNS

DNS server down হলে domain resolve হবে না, ফলে website practically unavailable হয়ে যাবে।

DNS Security Techniques

Technique Purpose
DNSSEC DNS response cryptographically verify করা
DoH DNS over HTTPS, encrypted DNS query
DoT DNS over TLS
Anycast DNS Multiple global DNS server দিয়ে availability বাড়ানো
Multiple NS Provider DNS provider failure avoid করা

System Design-এ DNS-এর গুরুত্ব

DNS শুধু domain-to-IP mapping নয়। Modern system design-এ DNS অনেক বড় role play করে।

1. Load Balancing

DNS একই domain-এর জন্য একাধিক IP return করতে পারে।

Example:

api.example.com → 203.0.113.10
api.example.com → 203.0.113.11
api.example.com → 203.0.113.12

এটাকে simple round-robin DNS বলা যায়।

2. Geo Routing

User-এর location অনুযায়ী কাছাকাছি server-এর IP return করা যায়।

Example:

Bangladesh user → Singapore server
US user         → Virginia server
Europe user     → Frankfurt server

3. CDN Integration

CDN provider DNS ব্যবহার করে user-কে nearest edge server-এ পাঠায়।

Example:

user → cdn.example.com → nearest CDN edge

4. Failover

Primary server down হলে DNS record secondary server-এ point করা যায়।

Example:

Primary region down → DNS routes traffic to backup region

5. Service Discovery

Internal microservice architecture-এ DNS-based service discovery ব্যবহৃত হতে পারে।

Example Kubernetes service:

users-service.default.svc.cluster.local

Application hardcoded IP না রেখে service name দিয়ে communicate করে।

Browser-এ google.com লিখলে পুরো flow

এখন OSI + DNS + IP + TCP একসাথে connect করি।

আপনি browser-এ লিখলেন:

https://google.com

এরপর:

  1. Browser DNS lookup করে google.com এর IP বের করে।
  2. Device দেখে IP local network-এর কিনা।
  3. Local না হলে packet default gateway/router-এ পাঠায়।
  4. Router NAT ব্যবহার করে private IP → public IP translate করে।
  5. TCP 3-way handshake হয় Google server-এর সাথে port 443-এ।
  6. TLS handshake হয় secure communication-এর জন্য।
  7. Browser HTTPS request পাঠায়।
  8. Server response পাঠায়।
  9. Browser HTML/CSS/JS render করে page দেখায়।

Simplified flow:

flowchart TD
    A[Browser: google.com] --> B[DNS Lookup]
    B --> C[Google IP Found]
    C --> D[TCP 3-Way Handshake<br/>Port 443]
    D --> E[TLS Handshake]
    E --> F[HTTPS Request]
    F --> G[Google Server Response]
    G --> H[Browser Renders Page]

Chapter Summary

এই section-এ আমরা Networking Basics-এর ৪টি important topic দেখলাম।

OSI Model

IP Address

TCP / UDP

DNS

System Design Questions

এই section পড়ার পর নিচের প্রশ্নগুলোর উত্তর দিতে পারা উচিত:

  1. OSI Model কী এবং কেন দরকার?
  2. HTTP কোন layer-এ কাজ করে?
  3. TCP এবং UDP কোন layer-এর protocol?
  4. IP Address এবং MAC Address-এর পার্থক্য কী?
  5. Private IP Internet থেকে directly accessible নয় কেন?
  6. NAT কীভাবে একাধিক device-কে একই public IP দিয়ে Internet access করতে দেয়?
  7. TCP 3-way handshake কী?
  8. UDP কখন TCP-এর চেয়ে better?
  9. DNS lookup step-by-step কীভাবে কাজ করে?
  10. DNS TTL কী এবং deployment-এর সময় কেন গুরুত্বপূর্ণ?
  11. Load Balancer Layer 4 এবং Layer 7 হলে পার্থক্য কী?
  12. Browser-এ https://example.com লিখলে ভিতরে ভিতরে কী কী ঘটে?

Final Mental Model

Networking বুঝার জন্য একটি সহজ chain মনে রাখতে পারেন:

Domain Name
   ↓ DNS
IP Address
   ↓ Routing
TCP/UDP Port
   ↓ Transport
HTTP/HTTPS Request
   ↓ Application Response

আরেকভাবে:

Name tells WHERE to start looking.
IP tells WHICH machine/network.
Port tells WHICH application.
Protocol tells HOW to communicate.

এই mental model মাথায় থাকলে System Design-এর অনেক বড় concept—Load Balancer, CDN, API Gateway, Reverse Proxy, Microservices, Service Discovery, Rate Limiting, Connection Pooling—অনেক সহজ হয়ে যাবে।