计算机网络笔记

ccattempt
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0. 简单了解计算机网络

考虑这样一个问题，如果我们想要在两台电脑（电脑A、电脑B）之间建立通信，应该怎么做？很容易想到以下方法：将两台电脑用一根线连接起来不就行呢？

连接电脑.png

看起来还不错，但是如果多来几台电脑，就会变得很乱。而且这样成本也很高：

连接多台电脑.png

为了解决这个问题，我们可以创建一个中转站，所有电脑的连接都通过这个中转站进行转发：

通过中转站转发.png

所有电脑都可以向这个中转站发送信号，然后中转站将这个信号发送出去，其余电脑都能收到这个信息。这时就需要确定这个信号预期应该传输到哪个电脑。每个电脑都有一个唯一的Mac地址（Media Access Control Address：媒体访问控制地址，每台电脑生产时就确定的，一般电脑会有两个Mac地址，一个用于有线网卡，一个是WIFI使用的无线Mac地址），为了达到这个目的，我们可以在信号中包含目标机器的Mac地址，这样其余机器就可以通过这个地址判断是否应该接收这个信号。这种中转站被称为HUB集线器。

集线器存在一个缺陷：每次只能有一个信号在线路中传输。因为如果存在两个电信号，由于没有别的信息可以区分这两个信号，因此会导致信号杂糅起来，无法识别。集线器通过CSMA/CD协议解决这个问题，首先查看线路中是否已经有信号，如果有则不发送信号，保证每次只发送一个信号。对于CSMA/CD协议，可以查看：CSMA/CD协议。

让我们用gpt来总结下集线器：

集线器（Hub）的优缺点总结

✅ 优点

  • 结构简单、价格便宜
    集线器是一种非常简单的网络设备，成本低，适合早期小型网络环境。

  • 即插即用
    不需要复杂的配置，连接上网线就可以工作。

  • 放大信号
    具有物理层信号放大的作用，可延长网络的物理距离（中继作用）。

  • 多设备互联
    可以轻松实现多个设备的网络互连，适合非高性能需求的环境。

❌ 缺点

  • 带宽共享
    所有端口共享同一个带宽，设备一多时网络拥塞严重，性能下降。

  • 冲突域大
    所有连接的设备在同一个冲突域中，数据包很容易发生碰撞（依赖CSMA/CD协议处理）。

  • 无智能转发
    不具备识别MAC地址的能力，接收到数据时会广播到所有端口，浪费带宽。

  • 半双工通信
    只能实现半双工通信，无法同时发送和接收数据。

  • 不支持分段隔离
    无法像交换机那样隔离广播域，也无法进行VLAN划分等高级功能。

  • 不安全
    由于是广播机制，任何连接到集线器的设备都能监听到其他设备的数据包，存在安全隐患。

🔎 总结

集线器是一种简单的物理层设备，适用于早期的小型局域网，但由于性能低下、冲突多、带宽浪费等缺点，已逐渐被更智能的交换机取代。

既然集线器不行，咱们就得另外想办法了。集线器存在的一个巨大缺陷就在于每次都要广播到所有线路，这样造成了大量浪费。有过编程经验的都明白，这种情况通常用个Map记录下Mac地址和对应的端口，下次发送信号时先查询Map中是否已经保存了Mac地址和端口的对应关系，如果已经存在，则直接从对应端口转发就行，否则再去找其余端口。用伪代码描述下：

// 记录Mac地址和端口信息
const map = new Map();
// 所有端口
const ports = new Set();

// sourceMac: 源mac地址
// targetMac: 目标mac地址
// sourcePort: 源端口
// message: 发送的信息
function send (sourceMac, targetMac, sourcePort, message) {
    // 从map中查找目标端口
    const targetPort = map.get(targetMac);
    // 记录mac地址和port的对应关系
    map.set(sourceMac, sourcePort);
    if (targetPort) {
        // 将信息从targetPort这个端口发送给目标机器
        notify(targetPort, message);
        return;
    }
    
    // 如果map中不存在，则依次查询其余端口是否是目标端口
    for (const port of ports) {
        if (isTargetPort(targetMac, port)) {
            // 将信息从targetPort这个端口发送给目标机器
            notify(port, message);
            // 记录mac地址和port的对应关系
            map.set(targetMac, port);
            return;
        }
    }
}

// 将信息传递给电脑
function notify (port, message) {
    console.log(`给端口${port}发送信息: ${message}`);
}

// 判断当前端口和mac地址是否对应
function isTargetPort (mac, port) {}

这种记录了mac地址和端口的机器被称为交换机。

Sat 2_33 PM.png

交换机虽然在集线器的基础上进行了优化，但是仍然无法处理大量用户的问题。我们可以再把问题细化，既然没法依次处理大量用户，我们就分批次进行。假设我们有多台交换机，分别位于不同的地方。为了让这些交换机能够通信，我们就需要引入一个新的中转站，这个中转站通常是路由器。由于Mac地址仅用来标识通信设备，通常是固定的且不够灵活，我们需要引入一个新的地址用于路由器通信，这个地址称为IP地址。通过ARP协议可以根据路由地址找到Mac地址。我们日常使用的路由器中一般内置了交换机，所以我们现在信号传输如下：

  1. 电脑A发送一个消息到电脑B
  2. 判断A和B是否在同一个网络下，如果是，则通过ARP协议，从电脑B的IP地址得到电脑B的Mac地址，根据Mac地址将信号发送给电脑B。如果不是，则发送到路由器。
  3. 路由器查找路由表，如果表中有记录，则根据记录找到电脑B所在的网络，通过ARP协议找到Mac地址，发送信号到电脑B。否则继续跳到下一个路由器。
  4. 电脑B接收到信号后，如果要将信号发送回电脑A，则重复上述过程。

通过上述原理，我们就可以在世界各地建立网络，这就是互联网。当然上述描述非常简单，只是用来建立对网络的初步印象，实际网络更加复杂。需要后续学习。

1. 计算机分层结构

主要介绍两种分层结构：OSI（开放系统互连）分层和TCP/IP分层。其中OSI是七层，TCP/IP是四层。日常应用通常是五层分层结构(结合了OSI和TCP/IP)，OSI分层常用于理论指导，用于学习计算机网络。

1.1 OSI分层

OSI分层是国际标准化组织（ISO）在1984年提出的，自顶向下分为七层：

  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
  • 传输层
  • 网络层
  • 数据链路层
  • 物理层

image.png

以下是一个网络通信的模拟图，从主机A发送信息到主机B，实线箭头部分表示信息的传输过程。从主机A的应用层往下，依次经过七层，达到主机B的物理层，再一路往上，整体路线是一个U字型。

image.png

发送端(这里是主机A)前6层都会包装一些控制信息达到下一层，除了数据链路层是在头尾都添加信息，其余层都在头部添加信息，这些信息包含发送地址、接收地址等。添加控制信息主要是为了保证数据传输准确：

image.png

image.png

1.1.1 物理层

物理层完成以下功能：

  1. 规定接口特性：机械特性（例如接口是什么几何形状）、电气特性（例如使用多大电压）、功能特性（例如接口有几个引脚，引脚的功能）、规程特性（定义工作过程，哪个引脚发送什么信号，哪个引脚接收什么信号等）
  2. 规定比特编码：例如用什么信号表示比特（用什么信号表示0，用什么信号表示1）
  3. 规定数据率：定义数据传输速率（日常说的百兆网络、千兆网络）
  4. 进行比特同步：发过去的比特，刚好被接收到，防止比特被漏掉
  5. 规定传输模式：以什么模式传输数据。分成单工通信（只能单向传输，例如电视机只能接受从电视台发送的信号，不能发送信号到电视台）、半双工通信（可以在双向传输，但是发和收不能同时进行，例如对讲机，发送信号的时候无法接收信号，接收信号时不能发送信号）、全双工通信（可以双向通信）

image.png

1.1.2 数据链路层

物理层解决了单一比特的传输问题，但是无法解决比特由谁接收、以及比特出现错误的情况。这些问题在数据链路层得到解决。

数据链路层负责物理链路直接相连的两个相邻节点（例如主机）之间的数据传输。 数据链路层将从网络层过来的PDU（协议数据单元）的头尾添加信息，构成一个数据帧（这叫做组帧），发送到物理层。物理层可以通过数据帧头尾的信息区分这些数据帧。

  • 结点-结点数据传输：例如两个主机之间

  • 组帧：将从网络层过来的PDU（协议数据单元）的头尾添加信息(例如添加发送地址、接收地址)，构成一个数据帧

  • 物理寻址：在数据帧头部中存在发送端和接收端的物理地址，用于确定发送端和接收端。例如在广播通信中，多个机器都可以收到发送过去的信号，这时就通过这些物理地址来保证哪些信号需要被接收。

image.png

image.png

(广播通信时，通过头部的物理地址确定接收信号)

  • 流量控制：保证发送端和接收端的数据传输速率保持匹配，防止发送数据太快导致数据淹没接收端，漏掉数据。
  • 差错控制：在数据帧中添加差错编码，用于判断数据是否出错。
  • 访问(接入)控制：如果使用共享介质传输数据，决定某个时刻哪个设备拥有链路使用权，防止冲突。

image.png

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