计算机网络之基础篇

什么是计算机网络？

主机之间通过交换网络互连，交换节点一般是路由器或者交换机。

什么是网络协议？

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

协议的三要素是什么？

语法、语义、时序

计算机网络的结构？

1. 网络边缘：主机（端系统）、网络应用

   主机（端系统）：运行网络应用程序
   客户/服务器（C/S）应用模型：客户发送请求，接受服务器响应
   对等(P2P)应用模型：不仅依赖专用服务器；对等实体之间直接进行通信
   

2. 接入网络，物理介质：有线或无线通信链路，将网络边缘接入核心网络

   带宽(bps)：网络中指数据传输速率，Mb/s
   共享/独占？ 
   无线接入网络：
       无线局域网（LANs）：wifi
       广域无线接入：通过电信运营商，3G、4G
   

3. 网络核心：互联的路由器（或分组转发设备），将数据从源主机通过网络核心发送到目的主机

   关键功能：路由+转发
   路由：确定分组从源到目的传输路径
       路由算法
   转发：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口
       本地转发表
   

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数据交换？

构建：

最简单的就是任意两台主机之间建立一条链路：O(N^2)

然后一个交换设备，让每台主机都通过链路连接：如果主机规模很大，交换设备端口不够用；如果主机与交换设备过远，无法保证连通性

把交换设备连接到一起，构造成交换网络，让每台主机与交换网络中的某台设备连到一起

什么是交换？

动态转接： 数据通过交换设备从一个端口转到另一个端口，而且可以在多组端口之间并行
动态分配传输资源：数据从源主机穿越交换网络送达正确的目的主机 

数据交换的类型？

电路交换—>典型的电话

    实现选好链路占好资源
    资源独占，不能被第三方共享        
    电路交换网络的链路共享：多路复用

报文交换

    源（应用）发送信息整体，比如一个文件，完整的发到下一个站点

分组交换

    分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包  **头+数据**
    需要报文的**拆分**和**重组**
    产生**额外开销**：时间开销必不可少，通常在计算机网络中源主机和目的主机之间进行的，拆分重组开销不严重

报文交换与分组交换均采用存储–转发交换方式

路由器将数据分组完整的接收过来暂存一下，再决定怎么转发，转发的链路可用了，再发出去
丢包：队列缓存容量有限，分组到达已满队列，到达分组被丢弃--丢包（loss）

报文交换的效率高于分组交换

报文交换是串行，而分组交换很多分组之间是并行的，而且相比之下路由器需要的缓存更小

分组交换VS电路交换，可支持更多用户同时使用网络，网络资源充分共享

大家建立连接后，一般不一直传送数据，一段时间根本不用网络，平均活动时间较少
分组交换是统计多路复用

分组交换不是绝对优于电路交换

分组交换更适用于**突发**数据传输网络
资源充分共享；简单、无需呼叫建立，事先占好资源
缺点：
可能产生拥塞：分组延迟和丢失，需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
如何提供性能保障？ 音/视频需要的带宽保障

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网络性能的评价

速率：数据传输速率或比特率（单位时间传输比特量），最重要的一个性能指标

带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。在计算机网络中，指数字信道所能传送的“最高数据率”

延迟/时延：分组在路由器缓存中排队，分组到达速率大于输出链路容量时

结点处理延迟：差错检测、确定输出链路可用
排队延迟：等待输出链路可用、取决于路由器拥塞程度
传输延迟（发送一个分组需要的时间）：分组长度L、链路带宽R， d=L/R
传播延迟：物理链路长度、信号传播速度

丢包率： 丢包数/已发分组总数

吞吐量/率：表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)，取决与端到端路径之间的瓶颈链路（速率最小的链路）。

计算机网络体系结构？

从功能上描述，分层结构，每层完成本层功能，体系结构是抽象的。

为什么分层？

结构清晰；模块化的分层易于系统更新、维护；有利于标准化

因为每一层要完成的功能是不同的，解决的问题是不一样的，比如要传递可靠数据（传输层）、先要实现能传递数据（网络层）、传递之前要保证两台机器之间能发数据包（数据链路层），所以分层的方式是将功能划分给每一层去实现部分功能，下层协议为上层协议提供帮助，相互配合。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。
任一层实体使用下层服务，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。
下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。

网卡是什么？

网卡：网络适配器，插在（或者集成在）主板上的硬件设备，每个网卡都有一个全球唯一的标识，从一生产出来就确定了，48位，叫做MAC地址，如11：27：F5：8A：79：54。

网卡属于OSI模型中的物理层和数据链路层，网络层以上的部分则由操作系统中的协议栈实现，所以TCP/IP协议栈其实只包含了网络层和传输层。

网卡是怎么工作的？

首先需要一个IP地址，用到DHCP(动态主机配置协议，集中管理、分配IP地址)。网络里有DHCP服务器，动态的分配地址，CPU写好报文，内容如下：首先是一个应用层的DHCP报文，然后被DUP报文封装，之后再被IP数据报封装。

网卡是数据链路层的，需要知道MAC地址才能发送到指定对方，如果不知道就发广播。然后我又把数据报封装了一下，广播到同一子网内的所有电脑，目的地址就是FF：FF：FF：FF：FF：FF。

然后网卡通过网线把报文发到交换机，交换机将报文转发到所有连接到交换机的设备。过一会，交换机转来报文，就是DHCP服务器发来的。然后网卡广播发送一个报文确定要哪个IP，之后DHCP再回一个报文，包括网卡的IP、网关路由器的IP、DNS服务器IP。

如果系统重启之后，这个获取IP的步骤需要再走一遍，除非用户手动的配置IP地址、网关、DNS，但是这样很烦还容易出错，所以一般情况下都是自动的用DHCP搞定一个IP。

怎么访问百度？

要想互联，不仅自己要有IP地址，还要知道对方的IP地址，比如访问www.baidu.com，要先经过DNS查询，知道它的IP。

DNS服务器不在局域网内，我们将报文发送到网关路由器，由网关路由器想办法转给DNS服务器。那么网关路由器的MAC地址在哪呢？这时候需要用到ARP（地址解析协议），通过广播查询一个IP地址对应的MAC地址，得到网关路由器的MAC地址，网卡只需要将DNS查询发送给网关路由器即可。之后就没网卡的事情了，网卡只能管局域网的事情，出了局域网，就是路由器的事情了。

出了局域网之后的事情呢？

现在来看网关路由器，我还在想为什么叫网关呢？在网上看到的解释是大家想上网，一定得经过这一关，所有的对局域网之外的访问必须得经过网关。

网关直接和ISP（网络服务供应商，比如联通）的网络相连，得到一个外网地址。

NAT（网络地址转换）

网关路由器不仅是个路由器，还是个DHCP服务器，掌握着整个局域网的IP生杀大权。局域网内的主机拿着内网IP是无法直接上网的，这个地址只有局域网的网关才知道，像百度这样的网站根本就不知道；即使知道了也没用，世界上无数的路由器都会分配192.168.xxx.xxx这样的地址，也不知道到底要找哪一个。

那怎么通过网关路由器上网呢？下面看过程：
比如某个网卡想访问百度，它通过交换机给网关路由器发来一个数据帧，如下：

发过来之后，网关路由器这样处理：它把数据链路层去掉，发现IP数据包中的目标地址是115.239.211.112，可以知道这是要向外网发出请求了，网关路由器把源IP地址换成从ISP那里拿来的外网IP，再创建一个新的端口号将TCP数据包中的源端口也替换掉，之后数据包就换成了下面这样：

总之就是网关路由器将源IP地址和源端口都替换了，目的就是让外网认为这是路由器发出的，他们根本不知道什么某一块网卡。之后再给IP数据报封上数据链路层的头，将数据包发送给服务商的网络，剩下的事情就不用管了。

这个替换源地址和源端口的小把戏就叫做网络地址转换，简称为NAT。
当然不止一台电脑通过网关路由器上网，还有很多别的电脑，所以网关路由器将这些转换关系记录下来，形成了NAT转换表，如下：

PS：路由器上的WAN口是用来连接外网的，或者说连接宽带运营商的；LAN口（1、2、3、4）是用来连接内网中的设备的。

接着说，当百度那边的回复通过别的路由器转到网关路由器这里，需要反过来处理：首先去掉数据链路层的头，发现IP和TCP数据报中包含这样的信息：目的IP：61.52.247.112，端口：2001，这时候网关去查表，找到了192.168.1.2:3345，就知道这是给哪一块网卡的数据包了。就再次把数据报中的IP地址和端口号改了，让网卡认为这个数据包是网关发的。

就这样，网关用一个外网的IP支持了局域网内多个电脑的上网需求，并且他们根本不知道怎么回事！

NAT弊端

1. NAT使IP会话的保持时效变短。一个会话建立后会在NAT设备上建立一个关联表，因为IP和端口资源有限，通信的需求无限，所以必须在会话结束后回收资源。

2. NAT在实现将多个内部主机发出的连接复用到一个IP上，这样适使得依赖IP进行主机追踪的机制失效了。NAT隐蔽了通信的一端，把简单的事情复杂化了。

3. NAT工作机制依赖于修改IP头部信息，这会妨碍一些安全协议的工作。NAT篡改了IP地址、端口和校验和，这会导致认证协议彻底不能工作，因为认证的目的就是要保证这些信息在传输过程中没有发生变化。

NAT穿越

在P2P模式下，比如电驴，机器不仅仅是客户端，同时也是一个能够接受请求的服务器。但是其他人怎么能连上它呢？外网的人不知道它的IP地址呀。

解决方案是这样的，网卡可以主动的请求网关建立一个NAT映射，比如(192.168.1.2 : 4096) <-> (61.52.247.112: 3001)，保存到NAT表中，当有外网连接到来时，网关负责把连接请求转发到指定主机。这其实是UPnP。

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