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Chapter1 整体认知

1.1 Internet

1.1.1 分层

网络采用分层架构，自顶向下分为五层：
应用层 → 传输层 → 网络层 → 数据链路层 → 物理层
每一层只关心自己的职责，层与层之间通过接口通信。

1.1.2 计算机网络

先分清几个基本概念：路由器工作在网络层，交换机工作在链路层。

网络节点分两类：1. 路由器、交换机等交换设备 2. 主机及其运行的程序。

通信方式上，P2P（Point to Point）指网络中一个交换设备到另一个交换设备；E2E（End to End）指终端（PC/手机/Server等）到另一个终端。画图的时候，point 用圆圈表示，End 用方块表示。

链路也分两种：终端接入的叫接入链路，路由器之间的是主干链路。

1.1.3 协议

协议定义了通信的规则。PDU（协议数据单元）是同一层对等实体之间交换的数据单元，在不同层的叫法不同：应用层叫 message，传输层叫 segment。

从服务角度看计算机网络

计算机网络本质上是让分布式应用通过通信设施进行通信。

整个系统可以看作两部分：上面是应用进程，它们只认识其他的应用进程；下面是基础设施，负责在应用之下把所有数据传输到位。通信基础设施为 apps 提供编程接口，这样应用开发者不用关心底层传输细节。

1.2 网络边缘

网络可以分成三大块：边缘、核心和接入。上一节说的 End 就是边缘（edge），Point 是核心（core），把 PC 等边缘设备接入核心网络的过程，叫接入（access）。

边缘侧的通信模式主要有两种：

  • C/S 模式：客户端/服务器模式
  • P2P 模式：peer to peer，对等模式

传输层有一个重要概念：面向连接（也叫有连接）——通信前先建立连接，通信结束后释放。对应的就是无连接，直接发包。

TCP 就是面向连接的协议，提供三个关键保障：

  • 可靠传输
  • 流量控制
  • 拥塞控制

1.3 网络核心

网络核心的交换方式主要有两种：

电路交换——适合电话网络，不太适合计算机通信。建立连接耗时长，线路独享，带宽被分成片（piece），划分方式有频分、时分、波分。缺点是容易浪费资源。

分组交换——现代计算机网络的主流方式。带宽不分片，全用；数据在每个节点存储然后转发，每一跳都有存储时间和排队时间。问题是可能出现排队延迟和丢包。关键功能是路由和转发，核心思想是统计多路复用。

分组交换又分两类：

  • 数据报网络：无连接，每个数据包都携带目标主机的完整地址信息
  • 虚电路网络：每个交换节点需要维持连接状态

接入共享网络

  • 住宅接入：通过 modem（调制解调器）利用已有的电话线
  • 线缆接入
  • 无线接入

互联网结构——网络的网络

ISP 是全球互联的，ICP（内容提供商）会自建数据中心，就近接入 ISP。

延时类型

  • 节点处理延时：微秒级别
  • 排队延时：取决于拥塞程度
  • 传输延时：从节点把比特发到链路上的时间，微秒到毫秒级别
  • 传播延时：物理传播时间，几微秒到几百毫秒

其他概念

  • ICMP：互联网控制报文协议
  • SAP：服务访问点
  • DU：数据单元

Chapter2 应用层

2.1 应用层原理

应用层通信模式有三种：C/S 模式、P2P 模式、混合模式。

  • C/S 模式：不平等，资源集中在服务器，用户一多性能断崖式下降，可扩展性差。
  • P2P 模式：平等，性能平滑，但管理起来比较困难。

应用层通信需要解决三个问题：

1. 标识与寻址
进程间通信得有唯一的标识符——靠 IP 地址 + 端口号来定位。

2. 传输层的服务
无论用 UDP 还是 TCP，每次通信都得带上源 IP、源 port、目标 IP、目标 port，很麻烦。于是有了 socket API：用 TCP socket 时返回一个整型，代表这四元组；之后应用层通信只用这个整型就行了。这样做的目的：①便于管理 ②让穿过层间的信息量最少。

UDP socket：因为 UDP 是无连接的，不需要保存对端信息，接收方仅靠目标 IP 和端口就能区分不同报文。

注意：TCP 和 UDP 本身都不加密，都不安全。

3. 定义自己的协议
包括报文类型、语法、语义、规则。

传输层能提供的服务指标：数据丢失率、延迟、吞吐量、安全性。

举个例子：SSL 是应用层协议，跑在 TCP 之上，提供加密——HTTPS 就是跑在 SSL 上的 HTTP。

2.2 Web 和 HTTP

1. 请求格式

URL 的标准格式：

1
2
prot://user:psw@www.someSchool.edu/someDept/pic.gif:port
\[协议\]://\[用户口令\]@\[主机名\]/\[路径名\]:\[端口\]

2. 基本原理

  • HTTP 基于 TCP，TCP 向上层提供字节流服务——所以 HTTP 协议需要自己维护报文与报文之间的界限。举个例子：客户端 HTTP 给下层 TCP 传了两个 15k 的包；到了服务端，TCP 交给 HTTP 的是一个 30k 的包，HTTP 得自己把它拆回两个 15k。
  • 一开始需要基于 TCP 建立连接，默认端口 80。
  • HTTP 是无状态的。
  • RTT（往返时间）：一个小分组从客户端到服务器再回来的时间。

3. HTTP 1.0 和 1.1 的区别

  • HTTP 1.0：非持久连接，每次传完一个对象就关 TCP 连接，每传一个对象都得花 2 个 RTT。
  • HTTP 1.1：持久连接，传完不关；又分流水型和非流水型两种。

4. 报文

编码用 ASCII。

  • 请求方法：GET / POST / HEAD，以及 PUT / DELETE（通常网络管理员用）
  • 响应：状态码

保存在客户端，有过期时间——这个比较熟悉。

6. Web 缓存

  • 可以在局域网建立缓存服务器，通常由 ISP 部署。
  • 好处：用户访问更快，也减轻了远程服务器的压力。
  • 前提是大家搜的东西有趋同性，这样更容易命中缓存。

2.3 FTP

FTP（文件传输协议）使用两个连接：

  • 控制连接：客户端连服务器的 21 号端口，做身份确认、浏览远程目录、请求下载等操作。
  • 数据连接：服务器主动连客户端的 20 号端口，发送数据。

控制和数据分开走，互不干扰。

2.4 Email

三个主要组成部分

  • 用户代理：邮件实际是从发送服务器到目标服务器，用户在客户端操作，所以叫”代理”。
  • 邮件服务器
  • 简单邮件传输协议（SMTP）

SMTP

  • 使用 TCP，端口 25。
  • 负责从发送方服务器把邮件传到接收方服务器。
  • 流程：握手 → 传输报文 → 关闭。
  • 命令用 ASCII 文本，响应是状态码 + 状态信息。
  • 报文必须是 7 位 ASCII 码。
  • 和 HTTP 不同：邮件里可以有多个对象（附件等），HTTP 一次通常只传一个对象。
  • 那中文、图片怎么传？——报文首部声明 MIME（多媒体编码），比如 base64。

邮件拉取协议

邮件到了接收方服务器后，用户怎么取？三种方式：

  • POP3：邮局访问协议，比较简单。
  • IMAP：Internet 邮件访问协议，功能比 POP3 更复杂。
  • HTTP：像 Hotmail 这类网页邮箱直接用 HTTP 拉取。