【Coursera】Fifth week(3)

Ethernet

• 在 PARC(Xerox) 发明。
• 第一个 Local-Area-Network (LAN 局域网)。
• 把 PCs 连接到 激光打印机上。
• 在夏威夷大学，被早期的无线网络 Aloha 所启发。

Bob 确实从无线网络中受到了启发：共享同一个媒介。他所发明的 Ethernet 的线路，不谈在天花板上运行，确实很像一个巨型的 无线电广播(giant radio)。所以，这种简单的设计为早期的 Ethernet 带来了许多好处，虽然很简单，但是它降低了整个线路的价格，并且让速率变得更快。在那之后，WIFI 是由 Ethernet 变种而来的。
Bob 后来也创建了 3 Con 公司，是最先生产PC cards的公司之一。所以当你买了一台PC，你也会购买一个 3 Con 的 PC cards 安装在你的电脑后面。

Link Layer，大约有 20000 或者 50000 工程师花费了持续20年之久的时间解决了 数据链路层线路连接的问题。

Internetwork Layer (IP)：Simple and Unreliable

这个层次所要解决的问题是：让所有的“post cards”有一个起始地址和一个目的地址，并且给予其充分的时间来允许其通过网络。

Internet Protocol Layer

• 目标：让从你的电脑 发送的数据 穿越网络 到达世界上另一个地方的目的主机上。
• 所有的路由器 都很清楚 周围有哪些路由器。
• IP is best effort - 如果数据转递出现了错误，直接丢弃数据报。这是它的独特的特点所在。

我们第一次接触了 end to end 的机制，从发送主机端的协议栈(下图左侧方框)，到目的主机端的协议栈(下图右侧方框)

IP address

• IP address 是一串全球性的数字，它与某一个特殊的工作站或者是服务器有关。
• 向 Internet 直接发送数据报的系统，必须有一个独一无二的IP address。
• IP address 基于(are based on)连接点的位置。
• IP address 并不是单纯的被某一个组织所控制，它的范围是被分配的。
• 它们就像电话号码一样，偶尔会被改编(reorganized)。

Link Layer 的 MAC address，在硬件设备被生产出来的时候，它就被分配了，是一串连续的数字。
**The IP address are based on where station is connected. **They get reorganized once in a great while but not very often.

* IP address format

• 4个数字，3个小数点，每一个数字在0-255之间(32 bit)。
• 就像电话号码一样，有一个area code。
• 地址的前置代号 说明了 “which network”。
• 当数据报穿越 network 的时候，起作用的是 网络号。

美国的电话号码：(734) 764 1855 括号中的数字就是 area code
相似的，Network Number：141.211.144.188 其中的 141.211 就是Network Number(网络号)。
子网掩码：255.255.0.0

Four numbers separated by nots.
准确的来说，IP地址被分成两块：网络号和主机号。课程中举了美国的电话号码的例子，我觉得并不是那么好理解。
当数据报穿越网络的时候，真正起作用的是网络号，主机号往往是被忽略的(在IP 路由选路中)。所以可以这样子理解，所有发往密歇根大学的数据报 的目的IP地址均为 141.255.. 。

* Mac Air 查询 IP address

左上角 -> 系统偏好设置 -> 网络 -> 高级 -> TCP/IP

* An example

当数据报经过一个路由器的时候，路由器做的工作其实是非常简单的，它只观察IP数据报的前半部分：网络号，而不是一整个。当它到达目的网络的时候，比如Stanford大学校园网络，大学网络就根据IP数据报后面的部分，也就是主机号，找到目的主机。而 如何把目的网络的信息封装到数据报里面 是发送端考虑的事情，如何把信息发送到正确的主机 是目的网络考虑的事情。
So while in the network, all that matter is the Network number.
数据报经过的中间网络，在某一个方面看上去十分复杂：既大又快；而在另外一个方面又十分简单：它只是把数据报从一个网络递送到另外一个网络中。

No single router knows the whole network - just which way to send data to get it "closer".
在中间网络中，没有一台路由器准确的知道整个网络是怎么样的，它们只是简单的转递数据报，为了让数据报离目的地“更近一些”。
network 的 其中一个目的是：就算是中间某一个路由器选择了错误的路径，中间网络也能自动的纠正它。所以，每个路由器都没有准确地知道整个网络的必要。

router tables 路由表

路由表中有许多网络号。根据转递的数据报的目的IP地址 决定了从哪个接口发送数据报；列举了相邻链路的带宽；链路的交通情况；以及相邻节点的状态(up or not)等等。
路由表动态更新(Update dynamically)，询问周围的路由器寻求信息。根据动态选路协议 进行 动态选路，将选路策略添加到系统中来对路由表进行更新。
在交换信息的过程中，如果它看见了一些在表内没有出现过的路径，则把它添加到表中(一般来说，路由守护程序根据 RIP 应答数据报中的 度量 与 其路由表中的度量 进行比对，最短路径优先，度量相同取最先到达的应答数据报的路径)。
它的更新速度比较慢(相对而言，30s一次)。

IP is simple

数以万计的网络连接，每秒以亿计的字节单位数据。One "area code" to keep track of inside the Internet.

比如你的学校所在的区域LAN，被分配了一个网络号：67.149.. ，世界各地的PC 或者网络 根据你的网络号 向你发送信息。所以，根据一个网络号，其它的网络可以很清楚地辨别出这个网络号所属的网络。

DHCP = Dynamic Host Configuration Protocol

当你在公司忙碌了一天，你很累，把正在工作的笔记本电脑合上，来到了咖啡厅，打开笔记本和自己的朋友们聊聊天，然后回到了家里，又一次打开了笔记本，呃开始游览网站，看一些视频来放松自己。
这个时候有人就会问了：Hey, guy. 你刚刚不是说 如果没有正确的IP地址我们是没有办法连接到Internet上，那我们怎么可能会在三个地方连接到 Internet？？
这是因为，当你的电脑在出厂的时候被分配了一个 Ethernet 的地址，大多数电脑在第一次开机并连接到WiFi的时候 进行 询问IP地址，而不是直接在你的电脑上配置一个 IP地址。它们向外发送了一个请求：

来到了咖啡厅。
我的Mac：Hey，你好吗，我是新来的，我的主人想和朋友们聊聊天，在这个地方有人能够给我分配一个IP地址吗？

如果这个地方有一个 access point(访问接入点，一种无线网络模式)，回答：

access point：当然啦，欢迎您，您可以使用这个：141.26.14.7 IP地址。

事实上，分配过来的IP地址的网络号，就是这个咖啡厅的网络号。
同理，在其他的办公室，学校等等其他的地方，都是类似的。

这就是 DHCP 协议的工作。

所以，我们有了一类很特殊的地址：Non-Routable Address

Non-Routable Address

• A typical home router does Network Address Translation (NAT).
• Your ISP gives your home router a real global routable address.
• Your router gives out local addresses in special range.(192.168..)
• The router maps remote address for each connection you make from within your home network.

名词解析：

NAT的作用是把内网的私有地址，转化成外网的公有地址。使得内部网络上的（被设置为私有IP地址的）主机可以访问Internet。
NAT的主要作用，是解决IP地址数量紧缺。当大量的内部主机只能使用少量的合法的外部地址，就可以使用NAT把内部地址转化成外部地址。
ISP(Internet Service Provider)，互联网服务提供商，即向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务、和增值业务的电信运营商。

NAT保证了 家庭routers 有一个独一无二的 明显的 地址，它给你分配一个短暂的地址，这个地址无法在Internet上面使用，它只在这间屋子里面有效，但是当你向外发送的数据报离开你的这间屋子的时候，真正的地址被封装进去。当送到你主机的数据报进到你的屋子的时候，它的地址又 转换成了 当地地址 (屋子里的家庭路由器分配的 短暂的 有局限性的地址)。
上述屋子里的家庭路由器分配的 短暂的 有局限性的地址，叫做 Non-Routable Address。因为这些地址，仅在你的房间里面有效，而不适用在外部的Internet。

比如，你来到了咖啡厅工作，咖啡厅的 base station IP地址 是 141.206.14.3 ，它给了你的PC一个 IP地址 192.168.0.20 ，当你向外部发送信息的时候，数据报经过 base station 的时候，数据报中的目的IP地址从 192.168.0.20 转换到了 141.206.14.3。外界向你发送信息的时候，目的IP地址从 141.206.14.3 转换为 192.168.0.20。
It's being translated in the access point. NAT：network address translation

Peering into the Internet

• 很多操作系统有显示到达目的地所经过的所有路由的一个命令，Mac 是 traceroute ，Windows 是 tracert 。
• 每一个IP数据报都有一个 TTL(Time To Live)。
• TTL解决IP数据报中的环路问题，简单的来说，环路的存在会使得路由器出现故障，造成网络阻塞。

关于路由环路，在我的上一篇博客：第十章 动态选路中有提到。路由器们一直做出它们认为的最优路由决定，造成了环路。解决方法是在 IP数据报 中添加TTL 字段。
当 IP数据报 每经过一个路由器的时候，TTL字段 的值自动减1。
当 TTL字段 的值为0时，路由器把它丢弃。

How Traceroute work

正常情况下，IP数据报 的 TTL字段值为255。
而 Traceroute 发送的数据报 TTL字段 为 1，2，3 ···
所以，每一个数据报，只经过一部分就被遗弃了。Traceroute 会获得一个通知：说明是在哪一个路由器终止的。
这样的话，Traceroute 建立了一幅关于数据报转递过互联网所经过路由器的地图。

重复运行 Traceroute 程序，得到的路由器信息会不一样，这是因为每一个路由器为 IP数据报 选择的路径不一定相同。

The perfect is the enemy of the good

TCP/IP 四层模型使得数据在网络中的传递速度十分之快，但是同时它也有很多的缺陷。
IP 做了最大的努力使得数据报能够从一个网络传递到另外一个网络。
IP 没有做到的是，保证数据传输的可靠性，它并不能保证数据能够安全的到达目的地。

2016/8/2