【读书笔记】计算机网络1章：课程介绍、协议、分层

时间：2014-05-13 15:58:19 阅读：367 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。

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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标签：计算机网络协议 coursera 通信 internet

原文地址：http://blog.csdn.net/caipeichao2/article/details/25650485

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