计算机网络——篇一

简介

• 计算机网络还没用统一的概念， 多少人认为：计算机网络是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用。
• 计算机网络包含硬件设备和软件应用，可以按不同的标准分类：
  • 按作用范围：
    
  • 按网络的使用者：公用网络（互联网）、专用网络（军政医等）
• 本篇结构：
  

计网简史

• 第一阶段：单一网络ARPANET
  • 机器数量少，网络未互连，主要用于军事机构等
    
• 第二阶段：三层结构互联网
  • 可以在学校、地区等拥有计算机的区域之间互连（主要还是米国）
    
• 第三阶段：出现ISP（网络服务提供商）
  • 中国电信、移动、联通都是
  • 可以通过主干ISP全球互连，形成了今天的互联网
    
  • 链接可以查看全球的互联网连接线路，如图：
    
  • 这些线大部分是海底电缆
• 中国计网简史：
  • 发展阶段：
    
  • 当前最大的公用计算机网络：出国流量也是通过这
    
  • 还有一些民营科技集团也推动了中国互联网发展：张朝阳（搜狐）、网易（丁磊）、新浪（王志东）、腾讯（马化腾）、百度（李彦宏）

计网层次结构

• 计网采用层次结构的设计，为什么分层呢？
  • 主机之间的网络通信要保证物理通路顺畅，识别目的计算机，校验数据错误等
  • 为了合理解决上述纷繁复杂的问题，使用分层结构，层与层之间相对独立（解耦），关注各自的功能，保证足够的灵活性；这也是分层原则
• OSI七层模型
  • 大致了解一下不同层次的功能：
    
  • OSI欲称为全球计算机遵循的标准，但是TCP/IP的成功推行，让OSI只成为了理论成果
  • 被打败是有原因的：
    • 缺乏实际经验，不贴合应用场景
    • 制定周期太长，无法及时投入市场
    • 模型设计不合理，有重复冗余
  • TCP/IP四层模型：
    
  • 通信流程：
    
• 我们以学习四层模型为主，从一开始的概念可以看出，计算机、路由器都是可编程的硬件（可以用Perl语言实现protocols），主机应用之间的数据要通过由上到下的数据封装、解析传递，由下到上的拆包等过程
• 当然，上述图示和分层都是抽象的概念，但的确可以帮助我们精简协议优化网络，对理解学习也很有帮助
• 接下来结合具体数据形式、硬件单元分层介绍

互联网拓扑

• 现代互联网拓扑
  • 边缘网络：可以理解成用户部分
  • 边缘部分除了散户，还可以是企业：
    
    • 一个企业有多个网关 ，需要统一网关接入ISP
  • 核心网络：
    
• 网络拓扑总览:
  
  • 用户并感知不到网关和ISP，最多是自家的路由器，也就是现在流行的C/S模式和P2P模式：
    
  • 对等连接的模式一般用在资源下载，还会介绍（flag立起来）

网络性能指标

• 峰值速度：常用单位Mbps，即Mbit/s，通常的百兆光纤只有12MB/s左右
• 时延：后续学习协议时会常出现以下概念
  • 发送时延：报文长度/发送速率（网卡决定）
  • 传播时延：路径长度/传播速率（受限于传播介质）
  • 排队时延：等待处理时间
  • 处理时延：
  • 怎么记？一个报文从主机A出发（发送时延）到达下一台路由器B（传播时延），在此等待处理（排队时延），开始处理准备转发（处理时延）
• RTT（Route-Trip time）
  • 表示数据报文在端到端通信中来回一次的时间
  • 评估网络质量的重要指标
  • 用ping命令查看，时间并不是稳定的：
    

物理层

• 正式开始分层学习
• 作用：
  • 传输比特流
  • 屏蔽设备差异
• 设备：
  • 双绞线
    
  • 同轴电缆
    
  • 光纤
    
  • 红外线、无线、激光等介质
• 物理特性（这个要考，你就背，背就完了）
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
  • 功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压意义
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
  • 记住：设备和通信手段种类繁多，物理层的目的是尽可能地屏蔽差异，传输比特，为数据链路层服务
    • 有些基本的概念后，会介绍协议、服务、接口之间的关系
• 信道
  • 往一个方向传送信息的媒体
  • 一条通信电路包含：接收信道+发送信道；为了避免冲突，出现了：
    • 单工信道：一个只能发，一个只能收
    • 半双工：一个发/收，另一个收/发
    • 全双工：可同时收发
  • 分用-复用技术：提高信道利用率：
    
    • 频分复用
    • 时分复用
    • 波分复用
    • 码分复用
    • 这些在物理层设备已经实现，属于信号通信技术就不再展开

数据链路层

• 作用
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错检测
• 比特位是物理层的基本单位，帧是链路层的数据基本单位
  • 在发送端将网络层的报文添加标记成帧（帧首部、帧尾部）
    • 需要通过字符计数法、首尾标志法等定界（帧长）
  • 在接收端识别拆帧交给网路层（下层给上层服务：下来了接着，上来了递上去）
• 如果帧定界符和内容冲突呢？需要透明传输
  • 透明：重要术语，屏蔽底层实现，只提供API，例如物理层对数链层是透明的（它就在那，但是你看不到）
  • 这里的意思是：控制字符在数据中，但要当做不存在处理，用转义字符实现
    
• 物理层只管传输，无法监测过程中的错误，需要在此差错检测
  • 奇偶校验码
    
    • 根据内容的奇偶个数添加校验位0或1，传输后再检测奇偶个数，看是否一致
    • 局限：只能检测奇数个位错误，如果上面的同时错两位，无法检测到
  • 循环冗余校验码（CRC）
    • 根据数据产生固定校验码位数，如何产生？（要考）
• 二进制模2除法
  • 作用：在这里产生CRC校验位
  • 和算术除法类似，但是不借位，使用异或操作（同0异1）
    
  • 得到CRC校验位：计算步骤的官方说法：
    
  • 但还是推荐看例子，这些规则的原理很伤脑筋，先记下就好：
    • 多项式G，填0：G的选取需要收发双发协商
      
    • 模2除法：注意写法，从高位开始除
      
    • 用得到的余数替换掉r个0，得到可校验数据串
  • 接收端如何校验的呢？
    • 将收到的数据模2除以G，根据余数判断
    • 余数为0则无错
  • 常用G(x)表：
    
• 数链层值检错不纠错，错误报文直接丢弃，等上层通知重传吧

MTU

• 最大传输单元（maximum transmission unit）
• 规定数据帧的最大长度
  • 物理硬件限制
  • 性能影响（考虑时延）
• 以太网的MTU=1500B
• 路径MTU
  • 由链路中MTU的最小值决定
    

小结

• 计网的知识点杂、碎~，不细想可能会觉得背就完了，细想发现想不通！
• 我觉得还是要结合计算机基础相关知识，抽象的协议最终要落地在硬件上（不是网络编程那么简单的事），规则可能纷繁复杂，但如果不谈高屋建瓴的算法优化、架构设计，基本原则还是节约资源、提高效率，从这些角度思考，理得清记得牢，是入门的第一步
• 这里更像是对物理层和数链层的介绍，还有一些细节的部分（要考）可以参考《计算机网络》
• 如果对底层有兴趣可以看《现代交换原理和通信网技术》，揭开物理层的神秘面纱，去吧再见。。。