計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之基礎(chǔ)篇
什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)？
主機(jī)之間通過交換網(wǎng)絡(luò)互連，交換節(jié)點(diǎn)一般是路由器或者交換機(jī)。
什么是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？
為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定。
協(xié)議的三要素是什么？
語法、語義、時(shí)序。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)？
網(wǎng)絡(luò)邊緣：主機(jī)（端系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
主機(jī)（端系統(tǒng)）：運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。
客戶/服務(wù)器（C/S）應(yīng)用模型：客戶發(fā)送請(qǐng)求，接受服務(wù)器響應(yīng)。
對(duì)等(P2P)應(yīng)用模型：不用依賴專用服務(wù)器；對(duì)等實(shí)體之間直接進(jìn)行通信。
接入網(wǎng)絡(luò)，物理介質(zhì)：有線或無線通信鏈路，將網(wǎng)絡(luò)邊緣接入核心網(wǎng)絡(luò)
帶寬(bps)：網(wǎng)絡(luò)中指數(shù)據(jù)傳輸速率，Mb/s。
無線局域網(wǎng)（LANs）：wifi。
廣域無線接入：通過電信運(yùn)營商，3G、4G。
網(wǎng)絡(luò)核心：互聯(lián)的路由器（或分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備），將數(shù)據(jù)從源主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)核心發(fā)送到目的主機(jī)
關(guān)鍵功能：路由+轉(zhuǎn)發(fā)。
路由：確定分組從源到目的傳輸路徑，路由算法。
轉(zhuǎn)發(fā)：將分組從路由器的輸入端口交換至正確的輸出端口，本地轉(zhuǎn)發(fā)表。
數(shù)據(jù)交換？
構(gòu)建：
最簡單的就是任意兩臺(tái)主機(jī)之間建立一條鏈路：O(N^2)。
然后一個(gè)交換設(shè)備，讓每臺(tái)主機(jī)都通過鏈路連接：如果主機(jī)規(guī)模很大，交換設(shè)備端口不夠用；如果主機(jī)與交換設(shè)備過遠(yuǎn)，無法保證連通性。
把交換設(shè)備連接到一起，構(gòu)造成交換網(wǎng)絡(luò)，讓每臺(tái)主機(jī)與交換網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)設(shè)備連到一起。
什么是交換？
動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)接： 數(shù)據(jù)通過交換設(shè)備從一個(gè)端口轉(zhuǎn)到另一個(gè)端口，而且可以在多組端口之間并行。
動(dòng)態(tài)分配傳輸資源：數(shù)據(jù)從源主機(jī)穿越交換網(wǎng)絡(luò)送達(dá)正確的目的主機(jī) 。
數(shù)據(jù)交換的類型？
1.電路交換—>典型的電話
選好鏈路占好資源。
資源獨(dú)占，不能被第三方共享。
電路交換網(wǎng)絡(luò)的鏈路共享：多路復(fù)用。
２.報(bào)文交換
源（應(yīng)用）發(fā)送信息整體，比如一個(gè)文件，完整的發(fā)到下一個(gè)站點(diǎn)。
３.分組交換
分組：報(bào)文分拆出來的一系列相對(duì)較小的數(shù)據(jù)包頭+數(shù)據(jù)。
需要報(bào)文的拆分和重組。
產(chǎn)生額外開銷：時(shí)間開銷必不可少，通常在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中源主機(jī)和目的主機(jī)之間進(jìn)行的，拆分重組開銷不嚴(yán)重。
４.報(bào)文交換與分組交換均采用存儲(chǔ)–轉(zhuǎn)發(fā)交換方式
路由器將數(shù)據(jù)分組完整的接收過來暫存一下，再?zèng)Q定怎么轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的鏈路可用了，再發(fā)出去。
丟包：隊(duì)列緩存容量有限，分組到達(dá)已滿隊(duì)列，到達(dá)分組被丟棄--丟包（loss）。
5.報(bào)文交換的效率高于分組交換
報(bào)文交換是串行，而分組交換很多分組之間是并行的，而且相比之下路由器需要的緩存更小。
６.分組交換VS電路交換，可支持更多用戶同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源充分共享
大家建立連接后，一般不一直傳送數(shù)據(jù)，一段時(shí)間根本不用網(wǎng)絡(luò)，平均活動(dòng)時(shí)間較少。
分組交換是統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用。
７.分組交換不是絕對(duì)優(yōu)于電路交換
分組交換更適用于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。
資源充分共享；簡單、無需呼叫建立，事先占好資源。
可能產(chǎn)生擁塞：分組延遲和丟失，需要協(xié)議處理可靠數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制。
網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)
速率：數(shù)據(jù)傳輸速率或比特率（單位時(shí)間傳輸比特量），最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。
帶寬：原指信號(hào)具有的頻帶寬度，單位是赫茲。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，指數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”。
延遲/時(shí)延：分組在路由器緩存中排隊(duì)，分組到達(dá)速率大于輸出鏈路容量時(shí)
結(jié)點(diǎn)處理延遲：差錯(cuò)檢測(cè)、確定輸出鏈路可用。
排隊(duì)延遲：等待輸出鏈路可用、取決于路由器擁塞程度。
傳輸延遲（發(fā)送一個(gè)分組需要的時(shí)間）：分組長度L、鏈路帶寬R， d=L/R。
傳播延遲：物理鏈路長度、信號(hào)傳播速度。
丟包率： 丟包數(shù)/已發(fā)分組總數(shù)。
吞吐量/率：表示在發(fā)送端與接收端之間傳送數(shù)據(jù)速率(b/s)，取決與端到端路徑之間的瓶頸鏈路（速率最小的鏈路）。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)？
從功能上描述，分層結(jié)構(gòu)，每層完成本層功能，體系結(jié)構(gòu)是抽象的。
為什么分層？
結(jié)構(gòu)清晰；模塊化的分層易于系統(tǒng)更新、維護(hù)；有利于標(biāo)準(zhǔn)化。
因?yàn)槊恳粚右瓿傻墓δ苁遣煌?，解決的問題是不一樣的，比如要傳遞可靠數(shù)據(jù)（傳輸層）、先要實(shí)現(xiàn)能傳遞數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)層）、傳遞之前要保證兩臺(tái)機(jī)器之間能發(fā)數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)鏈路層），所以分層的方式是將功能劃分給每一層去實(shí)現(xiàn)部分功能，下層協(xié)議為上層協(xié)議提供幫助，相互配合。
協(xié)議是控制兩個(gè)對(duì)等實(shí)體進(jìn)行通信的規(guī)則的集合，協(xié)議是“水平的”。
任一層實(shí)體使用下層服務(wù)，實(shí)現(xiàn)本層功能，向上層提供服務(wù)，服務(wù)是“垂直的”。
下層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)對(duì)上層的服務(wù)用戶是透明的。
網(wǎng)卡是什么？
網(wǎng)卡：網(wǎng)絡(luò)適配器，插在（或者集成在）主板上的硬件設(shè)備，每個(gè)網(wǎng)卡都有一個(gè)全球唯一的標(biāo)識(shí)，從一生產(chǎn)出來就確定了，48位，叫做MAC地址，如11：27：F5：8A：79：54。
網(wǎng)卡屬于OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層以上的部分則由操作系統(tǒng)中的協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，所以TCP/IP協(xié)議棧其實(shí)只包含了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。
網(wǎng)卡是怎么工作的？
首先需要一個(gè)IP地址，用到DHCP(動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，集中管理、分配IP地址)。網(wǎng)絡(luò)里有DHCP服務(wù)器，動(dòng)態(tài)的分配地址，CPU寫好報(bào)文。首先是一個(gè)應(yīng)用層的DHCP報(bào)文，然后被DUP報(bào)文封裝（目的地端口：67，源地址端口：68），之后再被IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝（目的地址：255.255.255.255，源地址：0.0.0.0）。
網(wǎng)卡是數(shù)據(jù)鏈路層的，需要知道MAC地址才能發(fā)送到指定對(duì)方，如果不知道就發(fā)廣播。然后又把數(shù)據(jù)報(bào)封裝了一下，廣播到同一子網(wǎng)內(nèi)的所有電腦，目的地址就是FF：FF：FF：FF：FF：FF。
然后網(wǎng)卡通過網(wǎng)線把報(bào)文發(fā)到交換機(jī)，交換機(jī)將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到所有連接到交換機(jī)的設(shè)備。過一會(huì)，交換機(jī)轉(zhuǎn)來報(bào)文，就是DHCP服務(wù)器發(fā)來的。然后網(wǎng)卡廣播發(fā)送一個(gè)報(bào)文確定要哪個(gè)IP，之后DHCP再回一個(gè)報(bào)文，包括網(wǎng)卡的IP、網(wǎng)關(guān)路由器的IP、DNS服務(wù)器IP。
如果系統(tǒng)重啟之后，這個(gè)獲取IP的步驟需要再走一遍，除非用戶手動(dòng)的配置IP地址、網(wǎng)關(guān)、DNS，但是這樣很煩還容易出錯(cuò)，所以一般情況下都是自動(dòng)的用DHCP搞定一個(gè)IP。
怎么訪問百度？
要想互聯(lián)，不僅自己要有IP地址，還要知道對(duì)方的IP地址，比如訪問www.baidu.com，要先經(jīng)過DNS查詢，知道它的IP。
DNS服務(wù)器不在局域網(wǎng)內(nèi)，我們將報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)關(guān)路由器，由網(wǎng)關(guān)路由器想辦法轉(zhuǎn)給DNS服務(wù)器。那么網(wǎng)關(guān)路由器的MAC地址在哪呢？這時(shí)候需要用到ARP（地址解析協(xié)議），通過廣播查詢一個(gè)IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址，得到網(wǎng)關(guān)路由器的MAC地址，網(wǎng)卡只需要將DNS查詢發(fā)送給網(wǎng)關(guān)路由器即可。之后就沒網(wǎng)卡的事情了，網(wǎng)卡只能管局域網(wǎng)的事情，出了局域網(wǎng)，就是路由器的事情了。
出了局域網(wǎng)之后的事情呢？
現(xiàn)在來看網(wǎng)關(guān)路由器，我還在想為什么叫網(wǎng)關(guān)呢？在網(wǎng)上看到的解釋是大家想上網(wǎng)，一定得經(jīng)過這一關(guān)，所有的對(duì)局域網(wǎng)之外的訪問必須得經(jīng)過網(wǎng)關(guān)。
網(wǎng)關(guān)直接和ISP（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商，比如聯(lián)通）的網(wǎng)絡(luò)相連，得到一個(gè)外網(wǎng)地址。
NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）
網(wǎng)關(guān)路由器不僅是個(gè)路由器，還是個(gè)DHCP服務(wù)器，掌握著整個(gè)局域網(wǎng)的IP生殺大權(quán)。局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)拿著內(nèi)網(wǎng)IP是無法直接上網(wǎng)的，這個(gè)地址只有局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)才知道，像百度這樣的網(wǎng)站根本就不知道；即使知道了也沒用，世界上無數(shù)的路由器都會(huì)分配192.168.xxx.xxx這樣的地址，也不知道到底要找哪一個(gè)。
那怎么通過網(wǎng)關(guān)路由器上網(wǎng)呢？下面看過程：
比如某個(gè)網(wǎng)卡想訪問百度，它通過交換機(jī)給網(wǎng)關(guān)路由器發(fā)來一個(gè)數(shù)據(jù)幀，如：
以太網(wǎng)幀：
目的地：88：25：93：97：E0：C8
源地址：11：27：F5：8A：79：54
IP數(shù)據(jù)報(bào)：
目的地：115.239.211.112
源地址：192.168.1.2
TCP報(bào)文：
目的地址端口：80
源地址端口：3345
HTTP報(bào)文：
GET /
Host:www.baidu.com
發(fā)過來之后，網(wǎng)關(guān)路由器這樣處理：它把數(shù)據(jù)鏈路層去掉，發(fā)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址是115.239.211.112，可以知道這是要向外網(wǎng)發(fā)出請(qǐng)求了，網(wǎng)關(guān)路由器把源IP地址換成從ISP那里拿來的外網(wǎng)IP，再創(chuàng)建一個(gè)新的端口號(hào)將TCP數(shù)據(jù)包中的源端口也替換掉，之后數(shù)據(jù)包就換成了下面這樣：
IP數(shù)據(jù)報(bào)：
目的地：115.239.211.112
源地址：61.52.247.112
TCP報(bào)文：
目的地址端口：80
源地址端口：2001
HTTP報(bào)文：
GET /
Host:www.baidu.com
總之就是網(wǎng)關(guān)路由器將源IP地址和源端口都替換了，目的就是讓外網(wǎng)認(rèn)為這是路由器發(fā)出的，他們根本不知道什么某一塊網(wǎng)卡。之后再給IP數(shù)據(jù)報(bào)封上數(shù)據(jù)鏈路層的頭，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)，剩下的事情就不用管了。
這個(gè)替換源地址和源端口的小把戲就叫做網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，簡稱為NAT。
當(dāng)然不止一臺(tái)電腦通過網(wǎng)關(guān)路由器上網(wǎng)，還有很多別的電腦，所以網(wǎng)關(guān)路由器將這些轉(zhuǎn)換關(guān)系記錄下來，形成了NAT轉(zhuǎn)換表，如下：
PS：路由器上的WAN口是用來連接外網(wǎng)的，或者說連接寬帶運(yùn)營商的；LAN口（1、2、3、4）是用來連接內(nèi)網(wǎng)中的設(shè)備的。
接著說，當(dāng)百度那邊的回復(fù)通過別的路由器轉(zhuǎn)到網(wǎng)關(guān)路由器這里，需要反過來處理：首先去掉數(shù)據(jù)鏈路層的頭，發(fā)現(xiàn)IP和TCP數(shù)據(jù)報(bào)中包含這樣的信息：目的IP：61.52.247.112，端口：2001，這時(shí)候網(wǎng)關(guān)去查表，找到了192.168.1.2:3345，就知道這是給哪一塊網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包了。就再次把數(shù)據(jù)報(bào)中的IP地址和端口號(hào)改了，讓網(wǎng)卡認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)包是網(wǎng)關(guān)發(fā)的。
就這樣，網(wǎng)關(guān)用一個(gè)外網(wǎng)的IP支持了局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)電腦的上網(wǎng)需求，并且他們根本不知道怎么回事！
NAT弊端
NAT使IP會(huì)話的保持時(shí)效變短。一個(gè)會(huì)話建立后會(huì)在NAT設(shè)備上建立一個(gè)關(guān)聯(lián)表，因?yàn)镮P和端口資源有限，通信的需求無限，所以必須在會(huì)話結(jié)束后回收資源。
NAT在實(shí)現(xiàn)將多個(gè)內(nèi)部主機(jī)發(fā)出的連接復(fù)用到一個(gè)IP上，這樣使得依賴IP進(jìn)行主機(jī)追蹤的機(jī)制失效了。NAT隱蔽了通信的一端，把簡單的事情復(fù)雜化了。
NAT工作機(jī)制依賴于修改IP頭部信息，這會(huì)妨礙一些安全協(xié)議的工作。NAT篡改了IP地址、端口和校驗(yàn)和，這會(huì)導(dǎo)致認(rèn)證協(xié)議徹底不能工作，因?yàn)檎J(rèn)證的目的就是要保證這些信息在傳輸過程中沒有發(fā)生變化。
NAT穿越
在P2P模式下，比如電驢，機(jī)器不僅僅是客戶端，同時(shí)也是一個(gè)能夠接受請(qǐng)求的服務(wù)器。但是其他人怎么能連上它呢？外網(wǎng)的人不知道它的IP地址呀。
解決方案是這樣的，網(wǎng)卡可以主動(dòng)的請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)建立一個(gè)NAT映射，比如(192.168.1.2 : 4096) <-> (61.52.247.112: 3001)，保存到NAT表中，當(dāng)有外網(wǎng)連接到來時(shí)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把連接請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到指定主機(jī)。這其實(shí)是UPnP。
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