计算机网络笔记

贡献者： addis

　　 参考：图解计算机网络（小林）。如果写成教程需要避免版权问题。

• 以浏览器访问小时百科 https://wuli.wiki/index.html 为例。浏览器发送了一个 http 协议的包，发到了服务器的 Nginx 程序，然后 Nginx 返回一个 http 包，里面包含了 index.html 文件，也就是小时百科首页的网页。但这看似简单的过程中，要确保这个包要送到想要的应用，并返回一个包到原地址，是较为复杂的。
• 一个电脑可能有一张或多张网卡，一张网卡提供一个以太网插口，具有一个写死到硬件中的 MAC 地址（当然也有网卡为了隐私可以改变 MAC），还有一个没那么固定的 IP 地址（可以由操作系统设置）。MAC 地址用于两个（由交换机）直接相连的网卡通信。当然现在许多网卡有自动跳线功能，把两个网卡直连也通常没问题。
• 一个电脑可能同时运行多个程序，所以一个程序直接占用一个网卡太浪费了，还需要区分（虚拟的）端口。这些虚拟端口是 TCP 或 UDP 协议中的概念。一张网卡的端口数以万计，一个端口一次只能被一个程序占用（监听）。某些特定数字的端口一般被作为一些常用软件的默认端口，例如 https 通常是服务器的 443 端口。
• 先假定 IP 都是公网 IP，互联网每张网卡都有一个唯一的 IP。所以浏览器想发包给 Nginx，就直接指定 IP 和端口即可精确送达。但要先把域名 wuli.wiki 转为 IP（域名的作用就是给 IP 一个更好记的名字），这需要对互联网的 DNS 服务器进行询问，但我们先跳过这一步，假设已经问到了 IP。所以现在浏览器把这个 http 包外面再加一个包装纸，填好 IP 和端口（443），递给操作系统。
• 操作系统根据 IP 地址在它的路由表中的范围决定包裹的下一站网卡 IP 是多少，以及如果电脑有多块网卡用哪块网卡发送（每张网卡可能连接不同局域网，需要找到下一站 IP 所在的局域网）。在发送网卡随机选一个端口专门用于本次连接（待会要用同一个端口接收返回 html 文件的包）。为了表明寄件人地址方便回信，在包中添加上寄件所用网卡的 IP 和这个随机端口。发完以后对该端口持续监听等待回信。
  
  图 1：路由表示例
• 但发件网卡要把包发到下一张网卡，写到包裹上的并不是它的 IP 地址而是 MAC 地址，因为 MAC 地址就是专门用于直连的网卡之间通信的。它会在 IP 包的外面再贴一层 MAC 地址信息。但 MAC 如何获取呢？
• 电脑网卡通常用以太网线或者 wifi 直接连接到交换机。交换机比 IP 协议更底层，它只根据 MAC 地址把包发到下一张网卡。电脑网卡通过网线插入交换机时，它会在一张表记录第几个插口（或 wifi 连接）对应哪个 MAC 地址。所以交换机自己并没有 IP。
• 事实上如果局域网只有两台电脑，可以把它们用一根网线连接组成局域网，效果和连到一台交换机是一样的。交换机只是充当了一个分线器的角色把两台电脑直接相连变为多台 “直接” 相连。
• 若操作系统通过路由表知道了下一块网卡的 IP 但不知道 MAC，就用 ARP 协议对所有同一个局域网进行广播询问，局域网的所有 MAC 地址都能收到。然后具有被询问 IP 的网卡就会用 ARP 协议回答 MAC 地址。
  
  图 2：ARP 表的例子
• 局域网如果不连接互联网，就只能内部通信，上不了 wuli.wiki。其实互联网本质上就是很多不同的局域网通过路由器互相连起来。
• 路由器可以看作一个专门用于转发包的电脑，把不同的局域网相连。它有多块网卡，每块有自己的 IP，连接不同的局域网。路由器的操作系统也有路由表。收到一个包后，就根据包中的最终 IP 地址决定把它转到哪个局域网的哪台机器（通常是下一个路由器），最后到达小时百科服务器所在的局域网，进入服务器的网卡。
• 如果一个路由器把局域网连接到互联网，它就叫做网关。操作系统发包时，如果发现路由表中的 IP 是同一局域网的，就直接填写对应的 Mac 地址，如果不认识就默认它是别的局域网的并填写本局域网默认网关的 Mac 地址。
• 但 IP 地址不够用了，所以就有了 NAT，把事情搞得更复杂。
• 实际上家里的 wifi 路由器一般既充当交换机由充当路由器。

　　 拓展内容：

• IP 地址如何分配？DHCP 协议。
• 子网掩码？

1. 具体笔记

• IPv4 有 4 byte，32 bit
• IP 分为网络号和主机号，可以开头有多少个连续的 1 来区分 A-E 五类。A-C 类具有不同的网络号比特数和主机号比特数。
• 一个网络中主机号全为零的地址用于表示该网络本身，全为 1 的地址用于表示广播到所有主机
• 最常用的 C 类地址的主机号占 8 位，那么 C 类地址的最大主机个数位 256-2=254
• 另外还可以用 CIDR 做子网划分，例如 10.100.122.2/24 指定前 24bit（3 字节）为网络号，最后一个字节为主机号。24 也可以用子网掩码 255.255.255.0 表示。把主机 IP 和掩码做与运算就可以得到子网号（主机 bit 都为零）。
• 在本网络内广播的叫做本地广播，在不同网络之间的广播叫做直接广播，多数情况下会在路由器上设置为不转发直接广播。
• 两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。如果网络地址相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机。
• 路由器寻址工作中，也就是通过这样的方式来找到对应的网络号的，进而把数据包转发给对应的网络内。
• 在主机和路由器上都会有各自的路由表
• 计算机使用一个特殊的 IP 地址 127.0.0.1 作为环回地址，数据包不离开电脑
• 每种数据链路的最大传输单元 MTU 都是不相同的，如以太网的 MTU 是 1500 字节。

IPv6

• IPv6 的地址是 128 位（16 字节，IPv4 的 4 倍）的，这可分配的地址数量是大的惊人，说个段子 IPv6 可以保证地球上的每粒沙子都能被分配到一个 IP 地址

2. TCP 笔记

• 没有 IP，有两个端口号
• 通常说的（虚拟）端口不是 TCP 就是 UDP 的
• TCP 是可靠通信，如果丢包了会重传，会验证每个包的数据 hash
• 包的序号，这个是为了解决包乱序的问题
• 确认号，目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送，直到送 达，这个是为了解决不丢包的问题
• 状态位。例如 SYN 是发起一个连接，ACK 是回复，RST 是重新连接，FIN 是 结束连接等。TCP 是面向连接的，因而双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态变更。
• 窗口大小。TCP 要做流量控制，通信双方各声明一个窗口（缓存大小），标识自己 当前能够的处理能力
• 拥塞控制，对于真正的通路堵车不堵车，它无能为力，唯一能做的就 是控制自己，也即控制发送的速度
• TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接
• TCP 传输数据之前，要先三次握手建立连接
• TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
• 这个所谓的「连接」，只是双方计算机里维护一个状态机，在连接建立的过程中，双方的状态变化时序 图就像这样。
• TCP 的连接状态查看，在 Linux 可以通过 netstat -napt 命令查看
• 如果 HTTP 请求消息比较长，超过了 MSS 的长度，这时 TCP 就需要把 HTTP 的数据拆解成一块块 的数据发送，而不是一次性发送所有数据。
• TCP 实现可靠传输的方式之一，是通过序列号与确认应答。
• 在 TCP 中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个确认应答消息，表示已收到消 息。
• 重传机制的其中一个方式，就是在发送数据时，设定一个定时器，当超过指定的时间后，没有收到对方 的 ACK 确认应答报文，就会重发该数据，也就是我们常说的超时重传。
• 下面还有一大堆几十页 TCP 的内容，看到头图。

3. Socket 编程

• 服务端和客户端初始化 socket ，得到文件描述符
• 服务端调用 bind ，将绑定在 IP 地址和端口;
• 服务端调用 listen ，进行监听
• 服务端调用 accept ，等待客户端连接
• 客户端调用 connect ，向服务器端的地址和端口发起连接请求
• 服务端 accept 返回用于传输的 socket 的文件描述符
• 客户端调用 write 写入数据；服务端调用 read 读取数据
• 客户端断开连接时，会调用 close ，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF ，待处理完数据后，服务端调用 close ，表示连接关闭

　　 ＝＝＝＝＝＝＝ 旧内容 ＝＝＝＝＝＝＝＝

　　 参考书：An Introduction to Computer Networks (Peter L Dordal)

• Local Area Network (LAN): 物理上的网络，链接，家庭，学校或者公司中的设备。例如 wifi
• Internet Protocol (IP): 将 LAN 连接成 Internet
• layers: LAN 是 link layer, IP 是 internet layer 或 network layer, TCP 是 transport layer
• 以上三个 layer 加上 application layer 叫做 4 layer model
• 每个 layer 就是一个 programming interface 和 library，只和上面和下面的 layer 直接交流
• 每层 layer 调用下一层的 layer。软件调用 TCP 库发送数据，TCP 调用 IP 库，IP 库使用 LAN。软件库不会直接使用 IP 或者 LAN
• LAN 也可以细分为两层，底层是纯物理的，模拟电路数字电路，光纤，导线。上面一层是数据层面的对包的操作。
• data rate：数据（比特）传输的速率
• throughput：净传输量，考虑 overhead 等
• bandwidth：可以是以上两个中的一个，但该书中主要指 data rate。这个词是从无线电来的。
• goodput：aplication-layer throughput
• Kbps 和 Mbps 中的 b 是 bits，K 是 $10^3$, M 是 $10^6$。
• KB 和 MB 是 1024 bytes 和 1024*1024 bytes，新符号也记为 KiB 和 MiB
• packet 是传输过程中的一个整体，每个 packet 的 header 中有 delivery information (address)，类比快递的包裹
• 最大的 packet 大小由 LAN 决定，Ethernet 是 1500 byte
• 大包的 LAN 如何传输数据到小包 LAN 呢？这个由 IP 来解决
• 一般来说，每一个 layer 会在包前面加一个 header。Ethernet header 一般 14 byte，IP header 一般 20 byte，TCP 20 bytes

4. 杂

　　 参考这篇文章。

• packet-switched network 使用 package 可以让不同设备间在同一条线路上通讯。这种叫做方式 connectionless
• 如果一条线路只给两个设备传输信息，就是 dedicated
• Internet 基本上是一个 connectionless network.
• circuit-switched network 例如电话网络，当两个人通话时，communication circuit (path) 被设立起来在通话过程中专门给两个人使用。
• router（路由器）在两个或者多个 packet-switched network 之间传递信息。router 查看 packet 的 IP 地址，决定传递 packet 的最佳路线，并向该路线发送 packet。
• router 是一种常见的 gateway
• wide area network (WAN) 是地理上长距离的 private 网络，将若干个 LAN 连接起来。例如公司用 WAN 将不同的分公司连接起来。通常使用 router 将 LAN 连接成 WAN。
• virtual private network (VPN) 是一个程序，在一个没那么安全的网络上（例如 internet）创建一个安全加密的连接。VPN 使用 tunneling protocols 在一端加密然后在另一端解密。地址同样被加密。VPN 是 point-to-point connection
• Ethernet 以太网，是一种连接 LAN 的传统技术（LAN 基本上就是用 Ethernet），对应的 layer 是 link layer。 IEEE 802.3 系列标准
• Power line networking: 基本上就是用墙上的电源插座传递上网信号，基本可以达到 Gigabit 网线的一半
• Media Access Control (MAC) 地址是硬件的地址，每个设备有一个永远不变的 MAC 地址（烧在硬件里面的）。例如 00:70:40:42:8A:60。前三个数字通常是制造商的编号

5. Wi-Fi

• wireless LAN (WLAN)，IEEE 802.11 系列标准规定 WLAN 使用 Ethernet protocol，简称 wifi
• dynamic host configuration Protocol (DHCP) 例如公司的像衣柜一样的服务器，用于动态给各个设备分发 IP 地址
• Access point (AP) 就是发出 wifi 的设备。可以单独购买，连接路由器，发射无线网络。但是一般的做法是直接买无线路由器
• dual band 路由器有两个 AP，不同频率，一般是 2.4GHz 和 5GHz
• WLAN client 或 wifi client 就是连接到 wifi 的设备。可以假设这些设备有隐形的 port 和 cable
• wifi 加密方式：WEP (淘汰), WPA, WPA2 (最安全)。后两者的两种加密方式为 Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) 和 Advanced Encryption Standard (AES)

6. 路由器

• 【错】严格来说我们可以将两台电脑直接用网线连起来，但是需要使用特殊的 crossover cable，以及手动设置 IP 地址，比较麻烦，所以常见的做法还是把所有设备通过路由器相连。
• 基本所有市场上的路由器都有 web interface，即用浏览器设置
• 路由器上只有一个 WAN 接口，用来连接墙上的插头（如果不需要 internet 则不需要连接）
• 路由器有多个 LAN 接口，许多路由器有 4 个 LAN 口
• 如果需要更多 LAN 接口，可以使用 switch 或者 hub 来完成，一般家用路由器可以最多连接 250 个设备
• Ethernet 一般有两种，Ethernet (理论 13 MB/s，实际约 8 MB/s) 和 Gigabit Ethernet (150 MB/s，实际约 45-100MB/s)
• 一般使用的网线是 category 5 (CAT5)，其实大部分是 CAT5e，支持 Gigabit。CAT6 和 CAT5 的性能基本差不多
• 要使用 Gigabit Ethernet，路由器，电脑和网线都需要支持才行。如果连接路由器的一台设备是 Gigabit，另一台是普通 Ethernet，速度就会等于后者的速度
• hub 将所有的 LAN 端口 share 一个 channel，而 switch 给每个端口一个 channel
• hub 连接的设备越多，速度越慢，而 switch 不会变。现在基本用 switch。
• reset 按钮用户恢复默认设置
• 连接好以后，可以在浏览器中输入 IP 地址 92.168.x.1 访问浏览器设置页面，x 一般是 0, 1, 2, 3, 10 或者 11

路由器设置

• 登录用户名一般是 admin，密码一般是 admin, password, default 或者 1234. 也可以查看说明书或者机身
• 在 windows 上要查看 router 的 ip，在 cmd 用 ipconfig 命令，会在显示 Default Gateway
• login 以后注意要改密码
• 设置板块一般有 Wireless, WAN, LAN, password, System
• Wireless 板块：设置 wifi 名称和密码
• WAN 设置：大部分时候使用默认，除非 ISP 网络提供商有特殊要求
• LAN 设置：可以设置路由器的 IP 地址。可以设置设备的本地 IP 地址范围。也可以设置 DHCP reservation list，该列表中 IP 地址是静态的。