计算机网络引言【读书笔记】02

　　关于计算机网络，没有一种普遍接受的分类方法，但有两个维度非常重要。

　　一个是传输技术，一个是网络尺度

　　从广义上讲，目前普遍使用的传输技术有两种，分别是广播式链路和点到点链路。

　　点到点链路将一对单独的机器连接起来的，在一个由点到点链路组成的网络中，

　　为了从源端到达接收方，短消息（数据包packet）必须首先访问一个或多个中间机器。

　　通常网络中可能存在多条不同长度的路由。

　　因此，找到一条好的路由，对点到点网络非常重要。

　　点到点传输通常只有一个发送方和一个接收方，所以也称为单播。

　　相反，在一个广播的网络上，通信信道被网络上的所有机器所共享。任何一台机器发出的数据包能被所有其他任何机器收到。

　　每个数据包的地址字段 指定了预期的接受方。

　　当一台机器收到一个数据包，它要检查地址字段，如果包的目的就是接受机器，则该机器要处理此数据包；如果包的目的地址是某台其他机器，则该机器就忽略此数据包。

　　无线网络就是广播链路的一个常见例子，一个覆盖区区域内的通信由所有该区域内的机器共享，而该区域的划分取决于无线信道和传输机器。我们举个例子，比如我在实验室大喊“傻逼，快来。”虽然所有人都收到了数据包，但只有傻逼会过来。其他人都会忽视它。

　　广播系统往往还提供一个数据包发送给所有目标机器的可能性，只要在地址字段使用一个特殊的编码，如果被传输的数据包待遇这种地址编码，那么网络中的每一台机器都会将接受这个数据包并对其进行处理。这种传输模式称为广播（boradcasting）

　　有些广播系统还支持给一组机器发送数据包的模式，这种传输方式称为组播（multicasting）。

　　另一种对网络进行分类的标准是网络尺度。距离作为分类标准指标非常重要，因为不同的距离尺度采用了不同的技术。

　　

　　首先来谈一下个域网（PAN，Personal Area Network）允许设备围绕着一个人进行通信。例子就是计算机通过无线网络与外设连接。如：无线耳机、无线鼠标、无线键盘等等。

　　如果不适用无线技术，那么这些设备必须要通过电缆连接到计算机。新用户有学习成本。

　　为了减轻用户的障碍，大多数计算机供应商联合起来设计了一种短距离短距离无线网络来连接这些计算机组件而无需电线。

　　这种无线网络，也就是蓝牙。

　　最简单的形式下，蓝牙网络采用主从模式。PC通常是主设备，鼠标、键盘是从设备。

　　主设备告诉从设备以后广播时使用什么地址、它可以传输多长时间，它们可以使用什么频率等所有与传输有关的信息。

　　蓝牙也可以用在其他设备中。它通常可以把耳麦与手机相连而无须连线。

　　当一些嵌入式医疗设备，比如心脏起搏器、胰岛素泵、助听器受到用户操作的远程控制时，就形成了一种完全不同类型的PAN。

　　PAN也可以采用其他短程通信技术来搭建，比如智能卡和图书馆书籍上的RFID。

 

　　接下来讨论的时局域网（LAN，Local Area Network）。局域网是一种私有网络，一般在家庭、办公室、工厂内。局域网被广泛用来连接个人计算机和消费类电子设备，比如可以共享打印机和共享交换信息。当局域网被用于公司时，它们就称为企业网络（enterprise network）

　　无线局域网近来受到非常大的欢迎，尤其是家庭，旧办公楼、食堂和其他一些安装电缆太麻烦的场地。

　　在这些系统中，每台计算机都有一个无线调制解调器和一个天线用来和其他计算机通信。

　　在大多数情况下，每台计算机与安装在天花板的一个设备通信

　　无线局域网的一个标准称为IEEE 802.11，俗称WiFi，已经被广泛地运用，它在任何地方可以从11Mbps到几百个Mbps的速率运行。

　　有线局域网使用了各种不同的传输技术，大多使用铜线作为传输介质，但也有使用光纤的。

　　局域网的大小受到限制，这意味着最坏情况下传输时间也是有界的，并且可以事先知道，了解这些界限有助于网络协议的设计。

　　通常情况下，有限局域网运行速度在100Mbps到1Gbps之间，延迟很低，而且很少发生错误。较新的局域网可以工作高达10Gbps的速率。和无线网络相比，有线局域网在性能各方面都超过了它们，因为通过电线或者光纤发送信号比空气更容易。

　　许多有线局域网的拓扑结构是以点到点链路为基础的。俗称以太网的IEEE802.3是迄今为止最常见的一种有线局域网。

　　上图显示了一个交换式以太网的例子，每台计算机按照以太网协议的方式运行。通过一条点到点链路连接到一个盒子，这个盒子称为交换机（switch）。这就是交换式以太网名字的由来。一个交换机有多个端口（port），每个端口连接一台计算机。交换机的工作是中继与之连接的计算机之间的数据包，根据每个数据包中的地址来确定这个数据包要发送给哪台计算机。

　　为了建立较大的局域网，交换机必须插入彼此的端口中。如果把它们插入一起形成一个环，会如何？

　　这些是协议工作的任务，协议必须梳理数据包的路径并选择该走的路径，抵达预定的计算机。

　　也有可能我们将一个大型的物理局域网分成两个较小的逻辑局域网，有啥子用？有时，网络设备的布局不一定与组织结构匹配例如一个公司的不同部门它们的计算机有可能在同一个物理局域网上。如果这两个部门逻辑上有自己的独享虚拟局域网（Virtual LAN）简称VLAN，那么更容易方便各自的管理。

　　当然，还有其他形式的有线局域网拓扑结构，事实上，交换式以太网是原始以太网的现代版，在最初的以太网设计中，所有数据包在一条线性电缆上广播，因而一次至多只有一台机器能够发送成功。为此需要一台分布式仲裁机制来解决冲突问题。

　　分布式仲裁机制的算法非常简单：只要有空闲的计算机就可以传输，如果两个或两个以上的数据包发生冲突，那么每台计算机只是等待一个随机时间后再次试图发送，为清晰可见，我们称该版本的以太网为经典以太网。

　　无线和有线广播网络可以分为静态设计和动态设计，两种设计取决于如何分配信道。一个典型的静态分配方案是将时间划分成离散的时间间隔。每台机器只能在分配给它的时间槽到来时广播。

　　当一台机器在分配给它的时间槽到来时没有任何数据需要发送，这种分配算法就浪费了信道容量。

　　因此，大多数系统都试图动态分配信道（按需分配）

　　一个公共信道的动态分配方法是可以是集中式或者分散式。在集中式分配方法中，有一个蜂窝网络中的基站，由这个中心实体决定接下来谁指使用信道。具体的算法可能是它接受多个数据包，按照某个内部算法确定这些数据包的优先级。在分散式信道分配方法中，没有一个中央实体。每台机器必须自行决定是否可以传输。你可能认为这种做法将会导致信道使用的混乱，但事实并非如此。稍后，我们将研究旨在将这种潜在的混乱秩序化的许多算法。

　　家庭局域网值得多花一点时间来讨论。在未来，很可能每台家电都具备与其他设备进行通信的能力，而且它们全都可以访问Internet。这种发展可能是那些有远见的概念之一，没有人要求这样。（如电视机和遥控器或移动电话）

　　许多设备早就具备了联网能力，这些设备包括计算机，手机以及其他消费类产品（比如照相机）、家庭的远程监控，因为许多成年子女愿意多花一些钱来使居住在自己家中的年迈父母住的更加安全。

　　虽然，我们可以认为家庭网络只是另一种局域网，但它可能比其他网络拥有不同的属性。

　　第一，网络设备的安装必须十分容易。

　　第二，网络和设备操作必须万无一失。

　　第三，价格低廉

　　第四，必须从一两个设备开始，逐步扩大网络的覆盖范围。

　　第五，安全和可靠性非常重要

　　一个有趣的问题是家庭网络应该是用有线还是无线。

　　因为没有布好的线可以用或者更糟的是需要重新布线，所以从便利性和成本两方面来看，无线网络比较有利。

　　但从安全的角度出发考虑问题，有线网络却比较有利，因为无线网络使用的无线电波能很好的穿透墙壁。不是每个人都愿意邻居蹭网。

　　对于如何设置家庭网络，可能有吸引力的方案就是重复利用家里早已存在的网络。最明显的候选网络是遍布整所房子的电线。

　　电线网络允许插入到墙上插座上的设备在全房子内广播信息。

　　无论如何你都必须以某种方式把电视插入插座才能使其工作，在插上插座的同时，你便获得了与Internet的连接。困难的是如何在同一时间携带电源信号和数据信号，解决该问题的部分答案是让他们使用不同的频段。

　　总之，家庭局域网面临着许多机遇和挑战。大多数挑战与网络易于管理、高可靠性和高安全性等方面的需求有关，特别是针对非技术用户而言。

 

　　下面谈谈城域网（MAN ，Metropolitan Area Network）

　　城域网的范围额可以覆盖一个城市，最有名的城域网是许多城市都有的有线电视网。这种系统由早期的社区天线系统发展而来，主要用在那些从空中接收电视信号条件较差的地区

　　有线电视不是唯一的城域网，虽然它是一种局域网。最近发展的告诉无线Internet接入催生了另一种城域网，并且已经被标准化为IEEE802.16，这就是所谓的WiMAX

 

　　紧接着，我们来谈谈广域网（WAN，Wide Area Network）的范围很大，它能跨越很大的地理区域，通常是一个国家、地区或者一个大陆。

　　我们将从有线广域网开始讨论，采用在不同城市由分支机构的公司案例进行分析说明。

　　下图是一个公司的广域网，它连接了该公司在墨尔本、珀斯和布里斯班三个城市的办事处，每个办事处都有专门运行用户程序的计算机。我们称之为主机（host），然后把连接这些主机的网络其余部分称为通信子网，或简称为子网（subnet）。子网的工作是把信息从一个主机携带到另一个主机。就像电话系统把说话者的话传递给接听者一样。

　　在大多数广域网中子网由两个不同部分组成：传输线路和交换元素。传输线路负责在机器之间移动比特。它们可以是铜线、光纤、甚至无线链路。

　　交换元素或简称交换机是专用的计算机，负责连接两条或两条以上的传输路线。

　　当数据到达一条入境线路时，交换元素必须选择一条出境线路把数据转发出去。这些负责交换的计算机在过去有各种不同的名称，现在最常用的名称是路由器（router）

　　关于子网的含义我们这里给出一个简单的注释，最初子网的唯一含义是一组路由器和通信链路的集合，主要负责将数据包从源主机移动到目标主机。读者应该知道，它已经拥有第二个并且更新的含义，那就是与网络寻址紧密相关。我们将在第五章讨论这个新含义。

　　现在我们将子网的含义设定为一组线路与路由器的集合。

　　我们现在所描述的广域网看起来类似于应该大型有线局域网，但除了路线更长之外，也有一些非常重要的差异。

　　通常在广域网中，主机和子网是由不同的人拥有和经营。子网往往由网络提供商负责经营，主机往往是用户自己负责，把网络中纯粹的通信方面（子网）与应用方面（主机）分离开来将大大简化整个网络的设计。

　　第二个区别是路由器通常连接不同类型的网络技术。例如办公室的内部网络可能是以太网，而长途传输线路可能是sonet链路，这显然需要某些设备将它们结合在一起。细心的读者会发现这个任务超出了我们对网络的定义，这意外这许多广域网事实上是互联网络，或者复合网络，即由多个网络组成的网络。我们将在下一节介绍有关互联网络的更多内容。

　　广域网和局域网最后一个差异就是在于子网连接什么。子网可以连接单个计算机，就像连接到局域网的情形一样，或者连接到整个局域网。说明了大型网络是如何从小网络构造出来的。只要涉及子网，基本上都做相同的工作。

　　我们现在来看两种不同类型的广域网。第一种广域网，公司并不租聘专用的传输线路，而是把自己的办事处直接连接到Internet。

　　在这种方式下，办事处之间可以通过虚拟链路相互连接，而这些虚拟链路使用了底层Internet的容量。这样的安排称为虚拟专用网络（VPN Virtual Private Network）。相比租赁专线，VPN具有虚拟化的一贯优势，它提供了重要某种资源的灵活性。

　　当然VPN也有虚拟化的一些缺点，即缺乏对底层资源的控制。采用专用线路能获得容量是明确的，而使用vpn，你走的里程数可能随着Internet的服务变化而变化。

　　子网由不同的公司负责经营，子网经营者称为网络服务提供商（network service provider），公司办事处是它的客户，其实客户只要支付费用并且它能提供客户所需的服务，子网运营商就把这些用户连接进来。如果客户只能给连接在同一个网络内的其他客户发送数据包，那么这将是一个令人失望的网络服务，因此子网运营商还与Internet的其他网络相连。这样的子网运营商称为ISP，相应的子网称为ISP网络。连接到ISP的客户就能享受Internet服务。

　　我们可以利用ISP网络来预览一些将在后面章节研究的关键问题，在大多数广域网中，网络包含了许多传输线路，每条线路连接一对路由器。如果两个通信的路由器没有共享一条传输线路，那么它们必须通过其他路由器来简介的通信，网络中可能存在许多条路径都可以连接这两个路由器，网络如何决定使用哪条路径的策略称为路由算法。（routing algorithm）这样的算法有很多。每个路由器如何决定把一个数据包发送到哪个位置的策略称为转发算法（forwarding algorithm），这样的算法也有很多，我们将在第五章中详细研究这两类算法。

 

　　其他种类的广域网使用了大量的无线技术。在卫星系统中，地面上每台计算机都有一个天线，通过它给轨道上的卫星发送数据和接受来自卫星的输出，而且在某些情况下，还能侦听到同胞计算机向上给卫星传输，卫星网络在本质上是广播的，在某些广播属性很重要的情况下显得特别有用。

　　蜂窝移动网是采用无线技术的另一个例子，该系统已经经历了四代。第二章中详细叙述。

 

互联网络

　　世界上存在着许多许多的网络，它们常常使用不同的硬件和软件。连接到一个网络中的人常常需要和另一个连接到网络中的人通信，为了做到这一点，那些互相之间不同且通常不兼容的网络必须能够连接起来。一组互相连接的网络称为互联网络或者互联网。这些术语一般具有通用意义，因特网则通常首字母大写。

　　子网、网络和互联网经常发生混淆。，术语子网通常在广域网的上下文中才有意义。它指的是网络运营商所拥有的一组路由器和通信线路。

　　一个子网和它的主机结合在一起就形成了一个网络，然而网络这个词的使用往往具有比较松散的含义。一个子网可以是一个网络。一个互联网络也可以是一个广域网，所以我们坚持用网络的最初定义：即由一种单一技术相互连接在一起的计算机集合。

　　让我们来看看说明构成了互联网络。我们知道，当不同网络互相连接在一起时就形成了互联网，从这观点来看，一个局域网和一个广域网相连，或者把两个局域网连接起来是构成互联网络的惯用做法，但行业内针对该领域很难达成一致意见。

　　两个经验原则很有用。第一如果不同的组织出资构建了网络的不同部分，并且各自维持自己出资构建的那一部分，那么我们就说这是一个互联网络，而不是单个网络。

　　第二，如果网络的不同部分采用了不同的底层技术，我们就说这是一个互联网络（例如广播技术与点到点链路，及有线与无线）

　　继续深入下去我们必须谈到如何连接两个不同的网络，将两个或多个网络连接起来并提供必要的转换机器，其硬件和软件方面的总称是网关（gateway）。工作在协议不同层次的网关是有所区别的。我们从下一节开始将更多的谈到层和协议的层次结构，但现在可以想象，层次越高与应用程序绑定的越紧密，比如web应用，而下层则与传输链路相关，比如以太网。

　　由于形成互联网带来的好处是可以把不同的网络上的计算机连接起来，我们不希望使用太低层次的网关，否则我们无法将不同类型的网络连接起来。同时我们也不希望使用层次太高的网关，否则我们只能互联特定的应用程序。“恰到好处”的中间层称为网络层。

　　路由器是一个网关，它在网络层交换数据包，现在，我们可以通过找到一个具有路由器的网络来定位/辨别一个互联网。