通信

一个网络(network)是一组连接起来以便能通信和共享资源的计算设备。好处:

• 共享资源(打印机、文件服务器、互联网)——比给每台计算机都配备更便宜。
• 共享数据——许多用户访问相同的文件。
• 集中管理——在一台服务器上一次性安装软件、管理用户和备份。
• 通信——电子邮件、视频通话、消息。
• 远程访问——从任何地方工作。

一个局域网(local area network,LAN)覆盖一个小区域——一个家庭、办公室或学校,通常由组织拥有,数据速率高、延迟(latency)低。

一个广域网(wide area network,WAN)覆盖一个大区域——一个城市、国家或全世界(互联网是最大的 WAN)。它使用电信公司的基础设施——常常是公共交换电话网(Public Switched Telephone Network,PSTN)、租用线路或光纤——数据速率较低、延迟较高。一个 WAN 把各个 LAN 连接在一起。

对于"给出 LAN 的两个特征":它覆盖一个小的地理区域(一个场所或一栋楼);硬件由组织自己拥有,而不是向电信公司租用;它通过自己的交换机、电缆和接入点连接。对于"WAN 的两点不同":它覆盖一个大的地理区域;它使用第三方(租用的或公共的)基础设施;数据速率更低、延迟更高;它通常把几个 LAN 连接起来。一所只有一个校区的学校是一个 LAN;在两个城市设有办公室的公司需要一个 WAN,两地之间用一条租用线路或互联网。用覆盖的区域和链路的归属来论证选择。

客户端-服务器

• 强大的机器充当服务器(servers),提供服务(文件、网页、电子邮件)。
• 其他机器是请求服务的客户端(clients)。
• 集中且易于管理,但除非备份,服务器是单点故障。

对等网络(P2P)

• 所有机器都是平等的对等方(peers);每个既可以是客户端又可以是服务器(对等网络(peer-to-peer))。
• 资源分散在各对等方上——没有中央服务器。对单个故障稳健,但更难保持安全和一致。

选择模型。 客户端-服务器适合学校或企业:文件集中存储和备份,用户用一个账户从任何机器登录,软件和安全只需管理一次,而且服务器可以是一台强大的机器。缺点是服务器和技术员的成本,以及服务器是单点故障。对等网络适合几个朋友共享文件或玩游戏:不用买服务器,容易搭建,每个用户保留对自己机器的控制。评分标准列出的缺点:文件分散在许多机器上,所以难以备份,而且拥有者的机器关机时文件就不可用;每台机器都必须单独做好安全;为别人提供服务的对等方会变慢。通过网页浏览器与其他用户一起玩的在线游戏是客户端-服务器模型:浏览器是客户端,游戏和它的共享虚拟世界运行在公司的服务器上,由它保持每个玩家看到的内容一致。

一个瘦客户端(thin client)在本地做很少的处理,依赖一台强大的服务器(网页终端、远程桌面)。一个胖客户端(thick client)有强的本地处理和存储,自己运行完整的应用程序(一台普通的台式 PC)。

各自的角色:在瘦客户端模型中,服务器做处理并存储数据,客户端只发送输入和显示输出。一台便宜的终端就够了,而且一切都在服务器上备份和更新,但网络或服务器一旦故障就什么都不能用。在胖客户端模型中,客户端自己运行软件并存储文件,所以没有网络连接也能工作,并且给服务器的负载更小,代价是客户端更强大(也更贵),而且每台都必须分别更新和做好安全。学校的计算机房可以用瘦客户端(便宜、集中管理);视频剪辑师需要胖客户端。

拓扑(topology)是节点和链路如何排列。

• 总线(bus)——所有设备在一条共享电缆上。便宜;如果总线故障,整个 LAN 就故障;随着更多设备共享带宽(bandwidth),性能下降。
• 星形(star)——每个设备连到一个中央交换机。一个设备故障不影响其他;交换机故障使全部瘫痪。今天最常见。
• 网状(mesh)——每个设备直接连到其他设备,有许多路径。非常容错(fault-tolerant,流量重新路由),但需要大量布线。
• 混合(hybrid)——一种混合(每个办公室内一个星形,办公室之间网状链路)。

数据包在各种拓扑中如何传输

总线:发送设备把数据包放到共享电缆上;每个设备都能看到它,只有地址匹配的那个设备接收它。一次只能有一个设备发送,所以会发生冲突(见下面的 CSMA/CD)。星形:发送方把数据包交给中央交换机,交换机读取目标地址,只把它沿通往那个设备的电缆转发出去;另外两个设备可以同时通信。网状:数据包沿几条可能路线之一从一个节点传到下一个节点,直到到达目的地;一条链路故障时,改用另一条路线。

论证拓扑的选择:教室或办公室用星形(一根电缆故障只影响一个设备;容易增加设备;有交换机就没有冲突);最看重可靠性的地方用网状(医院、互联网的骨干);只有在成本最重要、共享的设备很少时才用总线。"画出星形拓扑"的意思是:交换机在中间,从交换机到每台计算机各一条线,服务器(以及路由器,如果有的话)也各用自己的一条线连到交换机。

云计算(cloud computing)通过互联网交付计算服务(服务器、存储、软件),由第三方托管。好处:可扩展性(scalability,按需付费)、较低的成本、从任何地方访问,以及可靠的冗余数据中心。缺点:需要互联网、你的数据由第三方持有,以及可能的供应商锁定。

对于一分的定义:云计算是由第三方通过互联网按需提供的计算服务(存储、处理、软件)。公有云(public cloud)由提供商拥有,许多客户通过互联网共享;私有云(private cloud)专属于一个组织,或在它自己的硬件上,或单独为它托管。评分标准接受的好处:任何有互联网连接的设备都能访问文件;存储按需伸缩;提供商负责硬件、备份和安全更新;不用购买或维护本地服务器。缺点:没有互联网连接就无法访问;数据在第三方的硬件上,所以安全和隐私取决于提供商;持续的订阅费用;提供商可能倒闭或遭到攻击;大文件传输可能很慢。"公司为什么用公有云"这类题要答:他们不需要自己的硬件,只为用到的部分付费,而且用户从任何地方都能访问。

• 有线(以太网(Ethernet)通过双绞线(twisted-pair)或光纤(fibre-optic)):速度更高、延迟更低、错误更少、更安全。
• 无线(Wi-Fi、蓝牙、蜂窝):没有电缆、设备可以移动,但更慢、易受干扰和窃听。

对于同一代,有线在速度和可靠性上胜出;无线在便利性上胜出。

传输介质

考试要求两个方向的比较。有线在速度、可靠性(没有干扰)、安全(必须物理接触电缆才能窃听)和稳定性上胜过无线;无线在移动性、安装成本以及不用布线就能增加设备上胜过有线。同时允许两者,让学生可以带着笔记本和手机走动,而固定的台式机保留更快、更安全的连接,没有网络端口的设备也仍能连接。用卫星代替铜缆能到达任何电缆都到不了的地方,但延迟更长、受天气干扰、成本更高。

• 网络接口卡(network interface card,NIC)——让一个设备能在网络上发送和接收;有一个唯一的 MAC 地址(MAC address,一个 48 位的硬件地址)。一个无线设备用一个无线网络接口卡(wireless network interface card,WNIC)。
• 交换机(switch)——只把以太网帧转发到目标 MAC 地址所对应的端口。
• 集线器(hub)——一个更简单的设备,把流量复制到所有端口(现已过时)。
• 无线接入点(wireless access point,WAP)——让无线客户端加入一个有线 LAN。
• 布线——短距离用双绞线;较长、较快的用光纤。
• 服务器——为其他设备提供服务的计算机:文件、打印、网页、电子邮件存储。
• 网桥(bridge)——把两个 LAN 网段连成一个网络,在它们之间传递流量。
• 中继器(repeater)——接收减弱的信号并以全强度重新发送,以延长电缆的覆盖距离。

WNIC 的功能,用于四分的描述题:它把数据转换成无线电信号并转换回来;它带有设备唯一的 MAC 地址;它把设备连到无线接入点并遵循无线协议(用哪个信道和频率);它为设备解码收到的信号。能把三十台带 NIC 的计算机物理连接起来的两种设备:交换机,或集线器。

一个路由器(router)连接不同的网络并在它们之间转发数据——通常在一个 LAN 与互联网的边界处。它做:

• 转发——读取每个数据包(packet)的目标 IP 地址(IP address),并用一个路由表(routing table)从正确的端口把它发出去。
• 网络地址转换(network address translation,NAT)——让许多私有 LAN 地址共享一个公共 IP。
• DHCP(动态主机配置协议)——向 LAN 设备分发私有 IP 地址。
• 防火墙(firewall)——阻止不需要的入站流量。

在分组交换(packet switching)中,一条消息被拆成独立发送的数据包。每个路由器读取数据包的目标 IP 地址,在它的路由表中查出下一跳并转发,所以同一条消息的数据包可能走不同的路线,在目的地按顺序重新组装。路由器确实会接收数据包、在网络之间转发它们并分发 IP 地址;它不查找 URL 的 IP 地址(那是 DNS 做的),也不存储网页。家里的路由器还包含调制解调器和无线接入点,所以一台设备就把 LAN 连到互联网。

以太网是有线 LAN 的标准(协议):设备用双绞线或光纤电缆连接,数据以携带源和目标 MAC 地址的帧发送,共享介质用 CSMA/CD 处理冲突。在共享介质上,当两个设备同时发送时可能发生一次冲突(collision)。协议是 CSMA/CD(载波侦听多路访问,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

1. 载波侦听——发送前先听;如果电缆繁忙就等待。
2. 多路访问——许多设备共享介质。
3. 冲突检测——发送时持续听;一次碰撞就是一次冲突。
4. 发生冲突时,两者都停止,发送一个短暂的"干扰"信号,然后等待一个随机退避时间再重试。

按评分标准措辞的三项任务:设备在发送前先侦听(载波侦听);发送期间持续检查是否有冲突;发生冲突时停止、发送干扰信号、等待随机时间后重发。

现代交换式以太网使用全双工(full-duplex)点对点链路,所以冲突不再发生。

流式传输(bit streaming)把多媒体作为一个连续的流发送,接收方在它到达时播放,而不是先下载整个文件。

• 实时(直播):在事件发生时被捕捉并流出(现场体育、视频通话)。你不能倒退;低延迟至关重要。
• 点播:在一台服务器上预先录制(YouTube、Netflix)。你可以暂停和倒退;服务器可以提前缓冲(buffer)。

实时流作为一个短流水线工作:

1. 捕捉并采样源(一个摄像机或麦克风)。
2. 编码它,用压缩(compression)缩小数据。
3. 作为数据包在网络上发送它。
4. 接收方缓冲一点,然后实时播放它——丢弃任何迟到的数据包,因为一个直播流不能等它。

这里用有损(lossy)压缩:活动画面掩盖小的损失,而流必须小到足以适应带宽。

为什么视频在实时流式传输前要压缩:未压缩的流需要的带宽超过连接所能提供的,帧会迟到,播放会卡顿。压缩减少比特数,使比特率(bit rate)保持在宽带速度以下,让延迟很小,并减少两端所需的存储和成本。比特率必须低于连接的速度:更高的比特率画质更好,但需要更快的连接;如果数据到达得比播放慢,缓冲区就会清空,视频就会卡住。点播流可以提前缓冲更多文件内容,所以能应付较慢的连接;实时流不能。

互联网(internet)是一个使用共同协议(protocol)族(TCP/IP)的全球网络的网络。万维网(World Wide Web,WWW)是在它上面运行的一项服务:由 URL 标识的超链接文档,通过 HTTP/HTTPS 在浏览器中查看。电子邮件和文件传输是其他不属于 WWW 的互联网服务。

网页邮箱两者都用:用万维网,因为邮箱是通过浏览器中的 URL、经 HTTP 访问的网页;用互联网,因为电子邮件本身在网络的网络上传送(电子邮件是与网页分开的一项互联网服务)。

支持互联网的硬件

• 调制解调器(modem)——把计算机的数字信号转换成电话线用的模拟信号,在另一端再转换回来(调制和解调)。
• PSTN——由交换局和线路组成的公共电话网;拨号或 DSL 连接通过它传送互联网数据。
• 专线(dedicated line)——组织与它的 ISP 之间的租用线路:始终在线,带宽固定且不共享,所以更快、更可靠,但昂贵。
• 蜂窝网络(cell phone network)——手机通过无线电把数据发送到最近的基站;基站连到电话公司的网络,由它把数据路由到互联网;手机移动时,从一个小区切换到下一个小区。

一个 IP 地址唯一地标识一个设备。

• IPv4——32 位,四个 0–255 的十进制数字(192.168.1.10);约 $4.3 \times 10^{9}$ 个地址(现已耗尽)。
• IPv6——128 位,八组四个十六进制数位;约 $3.4 \times 10^{38}$ 个地址。

IPv4 写成用点分隔的四组十进制数;每组是一个 8 位数,所以范围是 0 到 255。IPv6 写成用冒号分隔的八组四个十六进制数位,如 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329,连续的零组可以缩写成 ::。所以 192.168.3.2 不是 IPv6:它有四组而不是八组,用点而不是冒号分隔,而且各组是十进制而不是十六进制。256.0.0.A 两种都不是有效的地址:IPv4 的一组不能超过 255,也不能是字母,而 IPv6 需要冒号和八组。

子网划分

一个网络可以被分成子网(subnets)。IP 地址分成一个网络部分和一个主机部分,由一个子网掩码(subnet mask,例如 255.255.255.0 = 前 24 位是网络)给出。子网划分改善管理、减少广播流量,并改善安全。

子网中一个地址的两个部分:网络 ID(前面的若干位,同一子网中的每个设备都相同,由掩码中的 1 给出)和主机 ID(其余的位,每个设备唯一)。"描述子网划分的两个好处"要答:每个部分的流量更少,因为广播留在自己的子网内;安全性更好,因为一个部门的流量与其他部门隔开;更容易管理和排查故障;更高效地使用地址。掩码为 255.255.255.0 的两个设备,前三组不同就在不同的子网中。

公共地址与私有地址

• 私有地址在一个 LAN 内使用,在互联网上不可路由(例如 192.168.0.0/16)。
• 一个公共 IP 地址(public IP address)全球唯一且可路由,由一个 ISP(互联网服务提供商)分配。

在 NAT 后面带私有地址的设备不能从互联网直接到达,提供了一些保护。

表格要的描述:公共地址在互联网上可见且在整个互联网上唯一,由 ISP 分配;私有地址只在 LAN 内可见,被许多 LAN 重复使用,需要 NAT 才能到达互联网。静态地址永不改变(手动设置或保留,如服务器所需);动态地址由 DHCP 在设备每次连接时分配,可能改变。

静态与动态

• 一个静态 IP 地址(static IP address)是固定的;用于必须在一个已知地址被找到的服务器。
• 一个动态 IP 地址(dynamic IP address)由 DHCP 分配,可能改变;对客户端设备更容易,并高效地使用一个有限的地址池。

例题。 某主机的 IP 地址是 192.168.10.130,子网掩码是 255.255.255.192。它在哪个网络上?192.168.10.200 和它在同一个网络上吗?掩码的最后一段 192 的二进制是 11000000,所以前 26 位是网络部分,后 6 位用于主机寻址。这使得各子网以 $256 - 192 = 64$ 为步长划分:.0、.64、.128、.192。地址 130 落在从 .128 开始的那一块,所以该主机在网络 192.168.10.128/26 上,其可用主机地址从 .129 到 .190(.191 是广播地址)。200 落在下一块(.192)里,所以它在不同的子网上,两者之间的通信必须经过路由器。要先从掩码算出块大小($256$ 减去掩码那一段的值) - 只看前三段来猜,正是这类题出错的原因。

一个 URL(统一资源定位符,Uniform Resource Locator)定位 WWW 上的一个资源:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocol:http、https 等。
• domain name 域名:一个可读的服务器地址。
• path:那台服务器上的资源。

域名系统(Domain Name System,DNS,也叫域名服务)是一组分布式服务器,它把域名变成 IP 地址。当你输入一个 URL 时,浏览器向一个 DNS 解析器询问 IP,解析器查询 DNS 服务器(根 → 顶级 → 权威)直到找到它;然后浏览器连到那个 IP 并请求路径。DNS 使人类免于记忆 IP 地址,并让一个站点在不改变它名称的情况下更换服务器。

对于"解释浏览器如何使用 URL":浏览器把 URL 拆成协议、域名和路径;它把域名发给 DNS 服务器,后者返回对应的 IP 地址(计算机或 ISP 上的缓存可能先给出答案);它用该协议(HTTPS,端口 443)打开到那个 IP 地址的连接;它发送对该路径的请求;网页服务器返回页面,浏览器把它渲染出来。如果 DNS 查询失败,浏览器就报告找不到服务器。

定义题按固定的表述给分。把这些记准确。

• 通过谁存储和控制资源来区分 LAN 与 WAN 以及客户端-服务器与对等网络。
• 把每种拓扑(总线、星形、网状)与它的优点和缺点(成本、可靠性、冲突)匹配。
• 知道每个设备的工作:一个交换机按 MAC 地址在一个 LAN 内定向,一个路由器按 IP 在网络之间路由。
• 解释流式传输以及为什么需要缓冲(数据到达的速率与播放不同)。
• 区分 IPv4 与 IPv6 以及公共与私有地址;DNS 把一个 URL 变成一个 IP 地址。

常见错误

• 说交换机按 IP 地址工作。交换机在 LAN 内按 MAC 地址转发;路由器在网络之间按 IP 地址转发。
• 把互联网和万维网当作同一个东西。万维网是运行在互联网上的一项服务;电子邮件和文件传输是另外的服务。
• 把"更快"当作有线与无线的全部比较。要说更快并且更可靠、更安全,而且在题目要求比较时也要给出无线的一面(移动性、不用布线)。
• 写路由器查找 URL 的 IP 地址。那是 DNS 做的;路由器把数据包转发给它。
• 用点和十进制的组来描述 IPv6。应是用冒号分隔的八组四个十六进制数位。
• 把星形拓扑画成环或链。每个设备都有自己的一条线连到中间的交换机。