【读书笔记】计算机网络1章：课程介绍、协议、分层

这是我在Coursera上的学习笔记。课程名称为《Computer Networks》，出自University of Washington。

由于计算机网络才诞生不久，目前正在以高速在发展，所以有些旧的教材可能都已经跟不上时代了。这门课程在2013年左右录制，知识相对还是比较新的。覆盖了计算机网络中的各个协议层，从物理层到应用层都讲得非常仔细。学完这门课程之后对计算机网络会有比较深刻的了解。

本章讲述了这门课程的大致情况，讲述了协议、协议层等基本概念。

• 目标和动机
  • 课程的主要目标就是介绍计算机网络中的通信过程
  • 要点
    • 互联网如何工作
      • 浏览网页的时候发生什么
      • 什么是VPN HTTP TCP/IP DNS等
    • 计算机网络基础
      • 计算机网络必须解决的问题
      • 哪种设计思路是最有价值的
  • 为什么要学习计算机网络
    • 因为好奇
    • 因为互联网改变世界
    • 因为工作前景好
  • 为什么要学习计算机网络基础
    • 因为所有的网络工作原理是一样的
    • 因为益智
      • 比如解决可靠性问题，用编码检查错误、绕过错误的路由
      • 可靠性 安全性 网络增长 资源分配
    • change / reinvention
      • 互联网一直在变
      • 如今的互联网和以前的互联网是不一样的
      • CDN P2P VoIP IPv6 Mobile
  • 以下不是本课程的目标
    • 学习IT职业技能
      • 配置路由器
• 网络的应用
  • 生活中的应用举例
    • 工作、家庭、移动设备
    • 用户通信
      • 代替电话：VOIP、视频会议、即时通信、社交网络
      • 远程通信：实时交互
    • 资源共享
      • 大量用户使用相同的资源：3D打印 搜索机器 云端设备
      • 让每个用户更加高效：statistical multiplexing
    • statictical multiplexing
      • 多个用户共享宽带
      • 因为不是每个用户都同时占满宽带
      • 举例：1个100M的宽带分配给5M的用户，每个用户使用网络的概率是50%，能分配多少用户？这个很简单啊，100M/5M=20个用户。实际上20个用户并不是每时每刻都在同时使用，所以实际上能分配的用户超过20个。最后根据二项分布原理，得出能分配30个用户
      • 名词：statistical multiplexing gain。上一题中，该值等于30/20 = 1.5X
  • 内容分发
    • 相同的内容要分发多次
    • 使用replica可以使网络更加高效
    • Replica（镜像服务器）
      • 主服务器到每个用户需要经过3跳，那么4个用户就要12跳。如果有一个replica，距离主服务器2跳，距离每个用户都是1跳，那么总共的跳数就是2+4*1=6跳，节约了6跳
  • 用于计算机之间通信
    • 电子商务、预订
    • 自动化处理信息
  • 将计算机连接到显示世界
    • webcam gps 门锁
    • 这是即将发展的物联网
  • 互联的价值
    • Metcalfe定律 1980
      • N个节点的网络，其价值为N的平方
      • 网络越大，价值越高
• 网络组件
  • 网络有哪些部分
    • 应用 节点 连接
      • 应用+节点=主机
      • 连接+节点=路由器
  • 部件名称
    • 应用、用户：Skype iTunes Amazon
    • 主机、终端：笔记本 手机 PC
    • 路由器、交换机、HUB、中间系统：AP 电缆 DSL调制解调器
    • 连接、通道：有线、无线
  • 连接的种类
    • 全双工：双向同时通信
    • 半双工：双向非同时通信
    • 单工：单向通信
  • 无线通信
    • 所有的消息都是广播的，一端发送，所有端都能接收到
    • 无线的连接会相互干扰
  • 网络举例
    • Wifi(802.11)、企业网/以太网、ISP、电缆/DSL、移动/电话、蓝牙、电话、卫星
  • 按规模分类
    • 个人网PAN：蓝牙
    • 局域网LAN：WIfi、以太网
    • 城域网MAN：线缆、DSL
    • 广域网WAN：大的ISP
    • 互联网Internet
  • 互联网
    • 互联网就是将各种规模的网络链接成一个整体
  • 网络边界
    • 网络 = 主机 + 路由器 + 连接
    • ISP = 路由器 + 连接
  • 关键边界
    • Socket：应用和主机的边界
    • Traceroute：主机和主机的边界
• Socket
  • 网络应用接口
    • 定义了应用如何使用网络，让应用之间能够通过主机进行通信
  • 应用之间的通信过程
    • 客户端
  • SocketAPI
    • 简化互联网通信
    • 支持两种网络服务
      • Stream流式
      • Datagram数据报
    • 允许应用附加到不同的端口
  • 接口列表
    • SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE
  • Socket编程通常的程序
    • 客户端连接服务器
    • 客户端向服务器发送请求
    • 服务器返回数据
    • 断开链接
  • Socket程序接口调用情况
    • 客户端SOCKET，服务端SOCKET
    • 服务端BIND    LISTEN    ACCEPT*
    • 客户端CONNECT*    SEND
    • 服务端RECEIVE*    SEND
    • 客户端RECEIVE*    CLOSE
    • 服务端CLOSE
    • *星号表示阻塞操作
  • 客户端程序示例
    • socket()
    • getaddrinfo()
    • connect()
    • ...
    • send()
    • recv()
    • ...
    • close()
  • 服务端程序示例
    • socket()
    • getaddrinfo()
    • bind()
    • listen()
    • loop{  accept()
    • ...
    • recv()
    • ...
    • send()   }
    • close()
• Traceroute 路由跟踪
  • 网络服务API隐藏了网络传输的细节
  • Traceroute
    • 这是广泛使用的命令行工具，unix中是traceroute，windows是tracert
    • 它的作用是探测网络信息传播的路径
• 协议和分层
  • 计算机网络需要模块化
    • 计算机网络实现了很多功能，为了减少复杂度，引入了模块的概念
  • 协议和层
    • 协议和层是计算机网络中的主要结构。协议是水平的，而层是垂直的。只有同类的协议才能进行通信，每种协议只能使用下一层的协议进行通信。
    • 协议栈：1层～N层叠加是一个协议栈
      • 举例：用无线设备浏览网页，协议栈是HTTP TCP IP 802.11
  • 封装
    • 底层的协议将高层的协议进行封装，并加上自己的特殊信息
    • 就像写信一样，邮局无法看到邮件中的内容
    • 协议的封装就像洋葱，一层一层地封装
    • 封装的时候可能出现加密、压缩、分段、重组等
  • demultiplexing 拆封
    • 底层协议为什么知道高层协议是什么呢？因为底层协议中包含了高层协议的种类信息。比如ethertype value、IP protocol field、TCP port number
  • 分层的好处
  • 隐藏信息，使重用性更高
• • 隐藏信息，使得无线设备能和有线设备进行透明通信。HTTP - TCP - IP - 802.11 - IP - Ethernet - IP - TCP - HTTP
• 分层的坏处
  • 封装过多使消息太长
  • 隐藏信息，有些应用可能需要知道是无线还是有线

• 参考模型
  • 一点小建议
    • 每层协议需要实现哪些功能呢？这里有一些可以参考的协议模型。
  • OSI 7层协议模型
    • 应用层：提供用户所需要的功能
    • 表示层：转换不同的表示方法
    • 会话层：提供任务对话
    • 传输层：提供端对端的对话
    • 网络层：将信息封装成包
    • 数据链路层：将信息封装成帧
    • 物理层：发送比特信息
  • 互联网参考协议
  • 应用层：7层 HTTP DNS BGP RTP SMTP
  • 传输层：4层 TCP UDP
  • 网络层：3层 IP
  • 链路层：1 2 层 802.11 3G Ethernet Cable DSL
  • 层上表可以看出，IP协议是核心
• 标准机构
  • ITU：G.992  H.264 MPEG4  ADSL
  • IEEE：802.3  802.11
  • IETF：RFC2616 HTTP/1.1 RFC1034/1035 DNS
  • W3C：HTML5 CSS
• 基于协议层的名词
  • 传输单位
    • 应用层：消息
    • 传输层：分段
    • 网络层：包
    • 链路层：帧
    • 物理层：比特
  • 设备
    • 物理层：中继器，HUB
    • 交换机、网桥：链路层
    • 网络层：路由器
    • 应用层：代理、网关
    • 所有的设备看起来都差不多
• 层的注意事项
  • 一个层中可能有多个协议一起工作
  • 有时候很难说清某一层到底是什么协议

• 互联网历史
  • 大概的互联网时间线
    • ARPANET：1969 10^3
    • NSFNET：1982 10^6
    • 现代网络：2005 10^9
  • ARPANET 起点
    • 目的是分享资源
    • 第一个网络只有4个节点
    • 第一个杀手级应用就是电子邮件
    • 影响
      • 分组交换（packet switching）
      • 去中心化的控制
  • NSFNET 成长
    • 支持教育网
    • 经典的互联网协议出现了：TCP/IP   DNS   BGP   SOCKET
  • 现代互联网 WEB诞生
    • ISP  IXP
    • Web大发展，CDN  ICANN，大部分流量是视频，内容开始主导互联网

推荐教材：计算机网络第五版

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