計算機科學基礎_9 - 計算機網絡

計算機網絡

• 局域網 Local Area Networks - LAN
• 媒體訪問控制地址 Media Access Control address - MAC
• 載波偵聽多路訪問 Carrier Sense Multiple Access - CSMA
• 指數退避 Exponential Backoff
• 衝突域 Collsion Domain
• 電路交換 Circuit Switching
• 報文交換 Message Switching
• 分組交換 Packet Switching

用戶在全球網絡中發送和接收信息的能力。
150年前，發一封信件從倫敦到加州，要花2～3周，並且仍是特快郵件。現在，電子郵件只要幾分之一秒，「時延」改善了上百萬倍（時延指傳播一條信息所須要的時間），幫助現代世界在遍及全球的光纖中快速發展。
可能以爲計算機和網絡密切相關，但事實上，1970年以前，大多數計算機是獨立運行的，然而，由於大型計算機開始隨處可見，廉價機器開始出如今書桌上。分享數據和資源漸漸變得有用起來，首個計算機網絡就出現了。

局域網

第一個計算機網絡出如今1950～1960年代，一般在公司或研究室內部使用，爲了方便信息交換。比把紙卡或磁帶送到另外一棟樓裏更快速可靠，這叫「球鞋網絡」，第二個好處是能共享物理資源。例如，與其每臺電腦配一臺打印機，能夠共享一臺聯網的打印機，早期網絡也會共享存儲空間，由於每臺電腦的配存儲太貴了。
計算機近距離構成的小型網絡，叫局域網，簡稱LAN。
局域網能小到是同一個房間裏的兩臺機器或大到校園裏上千臺機器，儘管開發和部署了不少不一樣LAN技術，其中最著名和成功的是「以太網」，開發於1970年代，在施樂的「帕洛阿爾託研究中心」誕生，今日仍被普遍使用。

媒體訪問控制地址

以太網的最簡單形式是：一條以太網電線鏈接數臺計算機。當一臺計算機要傳數據給另外一臺計算機時，它以電信號形式，將數據傳入電纜，固然，由於電纜是共享的，連在同一個網絡裏的其它計算機也看獲得數據。但不知道數據是它們的，仍是給其餘計算機的，爲了解決這個問題，以太網須要每臺計算機有惟一的媒體訪問控制地址，簡稱 MAC地址。

這個惟一的地址放在頭部，做爲數據的前綴發送到網絡中，因此，計算機只須要監聽以太網電纜，只有看到本身的MAC地址，才處理數據。這運做的很好，如今製造的每臺計算機都自帶了惟一的MAC地址，用於以太網和無線網絡。

載波偵聽多路訪問

多臺電腦共享一個傳輸媒介，這種方法叫「載波偵聽多路訪問」 簡稱「CSMA「，載體指運輸數據的共享媒介。以太網的「載體」是銅線，WiFi的」載體「是傳播無限電波的空氣，不少計算機同時偵聽載體，因此叫「偵聽」和「多路訪問」，而載體傳輸數據的速度 叫「帶寬」。

不幸的是，使用共享載體有個很大的弊端，當網絡流量較小時，計算機能夠等待載體清空，而後傳輸數據，但隨着網絡流量上升，兩臺計算機想同時寫入數據的機率也會上升，這叫衝突，數據全都亂套了。就像兩我的同時在講話。
幸運的是計算機可以經過監聽電線中的信號檢測這些衝突，最明顯的解決辦法是中止傳輸，等待網絡空閒，而後再試一遍。問題是，其它計算機也打算這樣作，其餘等着的計算機可能在任何停頓間隙闖入，致使愈來愈多衝突，很快，每一個人都一個接一個的講話，並且有一堆事要說，以太網有個超簡單有效的解決方法，當計算機檢測到衝突，就會在重傳以前等待一小段時間。

固然，若是全部計算機用一樣的等待時間，是不行的，它們會在必定時間內再次衝突，因此加入一個隨機時間，一臺計算機可能等1.3秒，另外一臺計算機等待1.5秒，要是運氣好，等1.3秒的計算機會醒來，發現載體是空閒的，而後開始傳輸。當1.5秒的計算機醒來後，會發現載體被佔用了，會等待其餘計算機完成。這有用，但不能徹底解決問題，因此要用另外一個小技巧。若是一臺計算機在傳輸數據期間檢測到衝突。會等一秒+隨機時間。（等待空令牌），然而，若是再次發生衝突，代表有網絡擁塞，此次不等1秒，而是等2秒。若是再發生衝突，等4秒，而後8秒，16秒等等，直到成功傳輸。由於計算機的退避，衝突次數下降了，數據再次開始流動起來，網絡變得順暢。（二進制退避算法）

指數退避

這種指數級增加等待時間的方法叫：指數退避。以太網和WiFi都用這種方法，不少其它傳輸協議也用。但即使有了「指數退避」這種技巧，想用一根網線連接整個大學的計算機仍是不可能的，爲了減小衝突 + 提高效率，須要減小同一載體中設備的數量，載體和其中的設備總稱「衝突域」。

爲了減小衝突，能夠用交換機把它拆成兩個衝突域。交換機位於兩個更小的網絡之間，必要時纔在兩個網絡間傳數據，交換機會記錄一個列表，寫着哪一個MAC地址在哪邊網絡。

若是A想傳C，交換機不會把數據轉發給另外一邊的網絡。
若是E想同一時間傳數據給F，網絡仍然是空的，兩個傳輸是同時發生的。
（鏈路層，處理的事情）

但若是F想發數據給A，數據就會經過交換機，兩個網絡都會被短暫佔用。

分組主要目的時間減少衝突域的範圍，switch是交換機，birdge是網橋

大的計算機網絡也是這樣構建，包括最大的網絡：互聯網。也是多個鏈接在一塊兒的稍小一點網絡。使不一樣網絡間能夠傳遞信息。

• 載體傳輸
• 減小衝突域，衝突檢測，交換機。

這些大型網絡有趣之處是，從一個地點到另一個地點一般有多條路線，引出路由概念。

鏈接兩臺相隔遙遠的計算機或網絡，最簡單的辦法，是分配一條專用的通訊線路，早期電話系統就是這樣運做的。

電路交換

假設（X，Y）兩地之間，有五條電話線，若是在1910年，A 想打電話給B，A要告訴操做員他想打到什麼地方，而後工做人員手動將A的電話連到通往Y地的未使用線路，通話期間，這條線路就被佔用，若是五條線都被佔用了，A要等待某條線空出來。 這叫 「電路交換」，由於是把電路鏈接到正確目的地。
能用卻是能用，但不靈活並且價格昂貴，由於總有閒置的線路。
好處是，若是有一條專屬於本身的線路，能夠最大限度地隨意使用，無需共享。

報文交換

所以軍隊，銀行和其它一些機構，依然會購買專用線路來鏈接數據中心，傳輸數據的另外一個方法是「報文交換」，「報文交換」就像郵政系統同樣，不像以前X和Y有一條專有線路，消息會通過好幾個站點。
若是A想寫一封信給B，信件可能從X出發，到其它地點，而後轉發最終到Y。每一個站點都知道下一站發哪裏，由於站點有表格，記錄到各個目的地，信件該怎麼傳，報文交換的好處是，能夠用不一樣路由使通訊更可靠更能容錯。在這個例子裏，城市就像路由器同樣，消息沿着路由跳轉的次數，叫「跳數（hop count）」記錄跳數頗有用，由於能夠分辨出路由問題。

例如，假設芝加哥認爲去米蘇拉的最快路線是奧馬哈，但奧馬哈認爲去米蘇拉的最快城市是芝加哥，這就致使，2個城市看到目的地是米蘇拉，結果報文會在2個城市之間不停傳來傳去。不只浪費帶寬，並且這個路由錯誤須要修復。這種錯誤會被檢測到，由於跳數記錄在消息中，並且傳輸時會更新跳數。若是看到某條消息的跳數很高，就知道路由確定哪裏錯了，這叫「跳數限制」（鏈路狀態協議會用到距離）
報文交換的缺點之一是有時候報文比較大，會阻塞網絡，由於要把整個報文從一站傳到下一站後才能繼續傳遞其它報文。傳輸一個大文件時，整條路都阻塞了，即使只有一個1KB的電子郵件要傳輸，也只能等大文件傳完，或是選另外一條效率稍低的路線。 解決方法是 將大報文分紅不少小塊，叫「數據包」。
就像報文交換，每一個數據包都有目標地址，所以路由器知道發到哪裏，報文具體格式由「互聯網協議」定義，簡稱IP，這個標準建立於1970年代。每臺聯網的計算機都須要知道一個IP地址。以點分割的4組數字。數百萬臺計算機在網絡上不斷交換數據，瓶頸的出現和消失是毫秒級的。
路由器會平衡與其餘路由器之間的負載，以確保傳輸能夠快速可靠，這叫「阻塞控制」

分組交換

有時，同一個報文的多個數據包，會通過不一樣線路，到達順序可能會不同，這對一些軟件是個問題。幸運的是，在IP之上還有其它協議，好比TCP/IP，以解決亂序問題。將數據拆分紅多個小數據包，而後經過靈活的路由傳遞，很是高效且可容錯，現在互聯網就是這麼運行的。這叫「分組交換」。
有個好處是，它是去中心化的，沒有中心權威機構，沒有單點失敗問題，事實上，由於冷戰期間有核攻擊的威脅，因此創造了分組交換。
現在，全球的路由器協同工做，找出最高效的線路，用各類標準協議運輸數據，好比「因特網控制消息協議（ICMP）」和「邊界網關協議（BGP）」世界上第一個分組交換網絡，以及現代互聯網的祖先是ARPANET。

每一個小圓表示一個點，好比大學或實驗室，那裏運行着一個路由器，而且有一臺或多臺計算機，能看到PDP-1和IBM 360系統，甚至還有一個倫敦的ATLAS是經過衛星連到網絡裏的。
顯然，互聯網在這幾十年發展迅速，現在再也不只有幾十臺計算機聯網，據估計，有接近100億臺聯網設備，並且互聯網會繼續快速發展。特別是現在各類智能設備層出不窮，好比聯網冰箱，恆溫器，以及其它智能家電，它們組成了「物聯網」。

互聯網

• IP - 互聯網協議 - Internet Protocol
• UDP - 用戶數據報協議 - User Datagram Protocol
• 校驗和 - Checksum
• TCP - 傳輸控制協議 - Transmission Control Protocol
• DNS - 域名系統 - Domain Name System
• OSI - 開放式系統互聯通訊參考模型 - Open System Interconnection

計算機和一個巨大的分佈式網絡連在一塊兒，這個網絡叫互聯網。

互聯網由無數聯網設備組成，並且日益增多，計算機爲了獲取這個資源，首先要連到局域網，也叫LAN。
家中WIFI路由器連着的全部設備，組成了局域網，局域網再連到廣域網，廣域網也叫WAN。
WAN的路由器通常屬於「互聯網服務提供商」，簡稱「ISP」。好比，Comcast, AT&T, Verizon這樣的公司。

廣域網裏，先連到一個區域性路由器，這路由器可能覆蓋一個街區，而後連到一個更大的WAN，可能覆蓋整個城市，可能再跳幾回，但最終會到達互聯網主幹。互聯網主幹由一羣超大型，帶寬超高路由器組成。

爲了從網絡上獲取視頻，數據包(packet)要先到互聯網主幹，沿着主幹到達對應有視頻文件的網站服務器中。數據包從計算機到網站服務器，可能要跳個10次，先跳4次到互聯網主幹，2次穿過主幹，主幹出來可能再跳4次，而後到網站服務器。
若是用windows，Mac OS或Linux系統，能夠用traceroute來看跳了幾回。

數據包究竟是怎麼過去的呢？
若是傳輸時數據包被弄丟了，會發生什麼？
若是在瀏覽器裏輸入 segmentfault.com，瀏覽器怎麼知道服務器地址是多少？

IP/TCP/UDP

互聯網是一個巨型分佈式網絡，會把數據拆成一個個數據包來傳輸，若是要發的數據很大，好比郵件附件，數據會被拆成多個小數據包。
例如：，網絡上的視頻就是一個個到達電腦的數據包，而不是一整個大文件發過來。

數據包（packet）想在互聯網上傳輸要符合「互聯網協議」的標準，簡稱「IP」。
就像郵寄手寫信同樣，郵寄是有標準的，每封信須要一個地址，並且地址必須是獨特的，而且大小和重量是有限制的。
IP數據包也是如此，由於IP是一個很是底層的協議。

數據包的頭部只有一個目標地址，頭部存「關於數據的數據」也叫元數據（metadata），這意味着當數據包到達對方電腦，對方不知道把包交給哪一個程序，所以須要在IP之上，開發更高級的協議，這些協議裏，最簡單最多見的叫「用戶數據報協議」，UDP。

UDP也有頭部，這個頭部位於數據前面，頭部裏包含有用的信息。

信息之一是端口號，每一個想訪問網絡的程序，都要想操做系統申請一個端口號。

當一個數據包到達時（好比是skype端口號3478），接收方的操做系統會讀UDP頭部，讀裏面的端口號。若是看到端口號是3478，就把數據包交給skype。

總結：

• IP負責把數據包送到正確的計算機。
• UDP負責把數據包送到正確的程序（端口負責送到正確的程序，由於TCP也有端口）。UDP頭部裏還有「校驗和」，用戶檢查數據是否正確。 正如「校驗和」這個名字所暗示的檢查方式是把數據求和來對比。

假設UDP數據包裏原始數據是89, 111, 33, 32, 58, 41。在發送數據包前，電腦會把全部數據加在一塊兒，算出「校驗和」。

例如,89 + 111 + 333...，以此推類。獲得364，這就是「校驗和」。
UDP中，「校驗和」以16位形式存儲（就是16個0或1），若是算出來的和，超過了16位能表示的最大值高位會被扔掉，保留低位。
當接收方電腦收到這個數據包，它會重複這個步驟，把全部數據加在一塊兒，89 + 111 + 333...以此推類。若是結果和頭部的校驗和保持一致，表明一切正常。若是不一致，數據確定壞掉了。也許傳輸時碰到了功率波動，或電纜出故障了。

UDP不提供數據修復或數據重發機制，接收方知道數據損壞後，通常只是扔掉。並且，UDP沒法得知數據包是否到達。發送方發了以後，沒法知道數據包是否到達目的地。
這些特性看起來很糟糕，可是有些程序不在乎這些問題。由於UDP又簡單又快。
例如，Skype，它用UDP來作視頻通話，能處理壞數據或缺失數據。全部網速慢的時候，Skype卡卡的，由於只有一部分數據包到了電腦中，但對於其它一些數據，這個方法不實用。好比，郵件。

若是「全部數據必須達到」就用「傳輸控制協議TCP」。
TCP和UDP同樣，頭部也在數據前面，所以，通常叫作TCP/IP。

就像UDP，TCP 頭部也有「端口號」和「校驗和」，但TCP有更高級的功能。

1. TCP數據包有序號。 15號以後是16號，16號以後是17號，以此推類，發上百萬個數據包也是有可能的。序號使接收方能夠把數據包排成正確順序，即便到達時間不一樣，哪怕到達順序是亂的，TCP協議也能把順序排對。
2. TCP要求接收方的電腦收到數據包而且「校驗和」檢查無誤後（數據沒有損壞）給發送方一個確認碼，表明收到了。「確認碼」簡稱ACK,得知上一個數據包成功抵達後，發送方會發送下一個數據包。若是過了必定時間還沒收到確認碼，發送方會再發送一次。注意，數據包可能的確到了，只是確認碼延誤了好久，或傳輸丟失了。但不礙事，由於收件方有序列號。若是收到重複的數據包就會刪掉。
3. TCP不是隻能一個包一個包發，能夠同時發送多個數據包，收多個確認碼，這大大增長了效率，不用浪費事件等確認碼。

確認碼的成功率和來回時間能夠推測網絡的擁堵程度，TCP用這個信息，調整同時發包數量，解決擁堵問題。
簡單說，TCP能夠處理亂序和丟失數據包，丟了就重發。還能夠根據擁擠狀況自動調整傳輸率。

迅雷是，P2P技術，是創建在TCP協議之上的。

既然TCP那麼厲害，還有人用UDP嘛？
TCP最大的缺點是，那些「確認碼」數據包把數量翻了一倍，但並無傳遞更多信息，有時候這種代價是不值得的，特別是對時間要求很高的程序，好比在線射擊遊戲。若是玩遊戲很卡，也會以爲這樣不值得。

當計算機訪問一個網址時，須要二個東西：

1. ip地址
2. 端口號

有了ip和端口號，就能正確訪問網站。但記憶一長串數字很討厭，因此互聯網有個特殊服務，負責把域名和ip地址一一對應。就像專爲互聯網的電話簿，它叫「域名系統」，簡稱DNS。

它的運做原理：
在瀏覽器輸入地址，瀏覽器會去問DNS服務器，它的IP地址是多少，通常DNS服務器是互聯網供應商提供的。DNS會查表，若是域名存在，就返回對應的IP地址。而後瀏覽器會給這個IP地址發TCP請求。

現在有三億個域名註冊，因此爲了更好管理，DNS不是存在一個超長超長的列表，而是存成樹狀結構。頂級域名（簡稱TLD），在最頂部，好比.com和.gov。下一層是二級域名，好比.com下面有baidu.com和dftba.com。更下一層叫子域名，好比image.baidu.com。這個樹超級大。

三億個域名，只是二級域名，不是全部子域名。所以，這些數據散佈在不少DNS服務器上，不一樣服務器負責樹不一樣部分。

能夠進行再次封裝。

線路里的電信號，以及無線網絡裏的無線信號。這些叫「物理層」。
而「數據鏈路層」負責操控「物理層」，數據鏈路層有：媒體訪問控制地址（MAC），碰撞檢測，指針退避，以及一些底層協議。
再上一層是「網絡層」，負責各類報文交換和路由。
「傳輸層」裏的一大部分是TCP和UDP這些協議，負責在計算機之間進行點到點的傳輸，並且還會檢測修復錯誤。
「會話層」，會使用TCP和UDP來建立鏈接，傳遞信息，而後關掉鏈接。

開放式系統互聯通訊參考模型

開放式系統互聯通訊參考模型(OSI)的底下5層，這個概念性框架，把網絡通訊劃分紅多層，每一層處理各自的問題，若是不分層，直接從上到下捏在一塊兒實現網絡通訊，是徹底不可能的。抽象使得科學家和工程師能分工同時改進多個層，不被總體複雜度難倒。

OSI模型還有兩層，「表示層」和「應用程序層」。其中有瀏覽器，Skype，HTML解碼，在線看電影等。

萬維網

• 超連接 Hyperlinks
• URL - 統一資源定位器
• HTTP - 超文本傳輸協議
• HTML - 超文本標記語言
• 第一個瀏覽器和服務器是Tim Berners-Lee 花了2個月在CERN寫的
• 1991年正式發佈，萬維網就此誕生
• 開始講搜索引擎的故事
• Jerry 和 David的萬維網指南 後來更名成 Yahoo
• 搜索引擎 JumpStation
• 搜索引擎Google
• 網絡中立性

互聯網是傳遞數據的管道，各類程序都會用。

電線，信號，交換機，數據包，路由器，協議，它們共同組成了互聯網。再抽象一層，就是萬維網。
萬維網（World Wide Web）和互聯網（Internet）不是一回事，萬維網在互聯網之上運行，互聯網之上有Skype，Instagram，互聯網是傳遞數據的管道，各類程序都會用，其中傳輸最多的數據的程序是萬維網。
分佈在全球數百萬個服務器上，能夠用「瀏覽器」來訪問萬維網。

超連接

萬維網的最基本單位，是單個頁面。頁面有內容，也有去其它頁面的連接，這些連接叫「超連接」。這些超連接造成巨大的互聯網絡，這就是萬維網的名字來源。
Vannevar Bush的形容是「關聯式索引..選一個物品會引發，另一個物品被當即選中」，他解釋說：「將兩樣東西聯繫在一塊兒的過程十分重要，在任什麼時候候，當其中一件東西進入視線，只須要點一下按鈕，立馬就能回憶起另外一件。」

爲了使網頁能相互鏈接，每一個網頁須要一個惟一的地址，這個地址叫「統一資源定位器」，簡稱URL
計算機首先會作「DNS查找」，「DNS查找」的輸入是一個域名，好比「www.google.com」，DNS會輸出對應的IP地址，如今有了IP地址，瀏覽器會打開一個TCP鏈接到這個IP地址，這個地址運行着「網絡服務器」，網絡服務器的標準端口是80端口，
下一步是 向服務器請求「courses」這個頁面，這裏會用「超文本傳輸協議」（HTTP），HTTP的第一個標準，HTTP 0.9，建立於1991年，只有一個指令，「GET」指令。該指令以「ASCII編碼」發送到服務器，服務器會返回該地址對應的網頁而後瀏覽器會渲染到屏幕上。
若是用戶點擊了另外一個連接，計算機會從新發一個GET請求，瀏覽網站的時候，這個步驟會不斷重複。
在以後的版本，HTTP添加了狀態碼，狀態碼放在請求前面。

「超文本」的存儲和發送都是以普通文本形式，由於若是隻有純文本，沒法代表什麼是連接，什麼不是連接。因此，有必要開發一種標記方法。由於有了超文本標記語言（HTML）。

HTML初版的版本號0.8，建立於1990年，有18種HTML指令。最新版的HTML，HTML5，有100多種標籤。

搜索引擎

網頁瀏覽器和網頁服務器溝通，瀏覽器不只獲取網頁和媒體，獲取後還負責顯示。
Tim Berners-Lee在1990年寫的，一共花了2個月，爲了作出來，同時創建了幾個最基本的網絡標準，URL，HTML和HTTP，在內部使用了一段時間，在1991年發佈出去，萬維網就此誕生，重要的是，萬維網有開放標準，均可以開發新服務器和新瀏覽器。

最先的搜索引擎，叫JumpStation，它有3個部分，

• 第一個是爬蟲，一個跟着連接處處跑的軟件，每當看到新連接，就加進本身的列表裏。
• 第二部分是不斷擴張的索引，記錄訪問過的網頁上，出現過哪些詞。
• 查詢索引的搜索算法。

與其信任網頁上的內容，搜索引擎會看其餘網站，有沒有連接到這個網站。因此這些「反向連接」的數量，特別是有信譽的網站，表明了網站的質量。

網絡中立性，應該平等對待全部數據包，不管是這個數據包是郵件，或則是在看對視頻，速度和優先級應該是同樣的。但不少公司會樂意讓它們的數據優先到達。例如，Comcast，它們不可是大型互聯網服務提供商並且擁有多家電視頻道，好比，NBC和The Weather Channel，能夠在線看。
Comcast可讓本身的內容優先到達，節流（Throttled，故意給更少的寬帶和更低優先級）其餘線上視頻。

支持網絡中立性的人說，沒有中立性後，服務商能夠推出提速的「高級套餐」，給剝削性商業模式埋下種子。互聯網服務供應商成爲信息的「守門人」，它們有着強烈的冬季去碾壓對手。另外一方面，從技術緣由看，也會但願不一樣數據傳輸速度不一樣。