【读书笔记】计算机网络1章：课程介绍、协议、分层

时间：2017-07-08 10:11:09 阅读：172 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

这是我在Coursera上的学习笔记。

课程名称为《Computer Networks》。出自University of Washington。

因为计算机网络才诞生不久。眼下正在以快速在发展。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，知识相对还是比較新的。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很细致。学完这门课程之后对计算机网络会有比較深刻的了解。

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
  - 互联网怎样工作
    - 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
  - 由于好奇
  - 由于互联网改变世界
  - 由于工作前景好
- 为什么要学习计算机网络基础
  - 由于全部的网络工作原理是一样的
  - 由于益智
    - 比方解决可靠性问题，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
    - 现在的互联网和曾经的互联网是不一样的
    - CDN P2P VoIP IPv6 Mobile
- 下面不是本课程的目标
  - 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
    - 取代电话：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
    - 大量用户使用同样的资源：3D打印搜索机器云端设备
    - 让每一个用户更加高效：statistical multiplexing
  - statictical multiplexing
    - 多个用户共享宽带
    - 由于不是每一个用户都同一时候占满宽带
    - 举例：1个100M的宽带分配给5M的用户。每一个用户使用网络的概率是50%，能分配多少用户？这个非常easy啊。100M/5M=20个用户。实际上20个用户并非每时每刻都在同一时候使用，所以实际上能分配的用户超过20个。最后依据二项分布原理，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
  - 同样的内容要分发多次
  - 使用replica能够使网络更加高效
  - Replica（镜像server）
    - 主server到每一个用户须要经过3跳，那么4个用户就要12跳。
      假设有一个replica。距离主server2跳。距离每一个用户都是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
  - 自己主动化处理信息
- 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：双向同一时候通信
  - 半双工：双向非同一时候通信
  - 单工：单向通信
- 无线通信
  - 全部的消息都是广播的，一端发送，全部端都能接收到
  - 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总体
- 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
  - 定义了应用怎样使用网络。让应用之间可以通过主机进行通信
- 应用之间的通信过程
  - client
- SocketAPI
  - 简化互联网通信
  - 支持两种网络服务
    - Stream流式
    - Datagram数据报
  - 同意应用附加到不同的port
- 接口列表
  - SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE
- Socket编程通常的程序
  - client连接server
  - client向server发送请求
  - server返回数据
  - 断开链接
- Socket程序接口调用情况
  - clientSOCKET。服务端SOCKET
  - 服务端BIND LISTEN ACCEPT*
  - clientCONNECT* SEND
  - 服务端RECEIVE* SEND
  - clientRECEIVE* CLOSE
  - 服务端CLOSE
  - *星号表示堵塞操作
- client程序演示样例
  - socket()
  - getaddrinfo()
  - connect()
  - ...
  - send()
  - recv()
  - ...
  - close()
- 服务端程序演示样例
  - 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
  - 它的作用是探測网络信息传播的路径
协议和分层
- 计算机网络须要模块化
  - 计算机网络实现了非常多功能，为了降低复杂度，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。仅仅有同类的协议才干进行通信，每种协议仅仅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？由于底层协议中包括了高层协议的种类信息。比方ethertype value、IP protocol field、TCP port number
- 分层的优点
- 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，有些应用可能须要知道是无线还是有线

參考模型
- 一点小建议
  - 每层协议须要实现哪些功能呢？这里有一些能够參考的协议模型。
- OSI 7层协议模型
  - 应用层：提供用户所须要的功能
  - 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
- 互联网參考协议
- 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
- 层上表能够看出。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
  - 全部的设备看起来都几乎相同
层的注意事项
- 一个层中可能有多个协议一起工作
- 有时候非常难说清某一层究竟是什么协议

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
  - 第一个网络仅仅有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，内容開始主导互联网

推荐教材：计算机网络第五版

【读书笔记】计算机网络1章：课程介绍、协议、分层

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