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。

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。

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)。

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)。

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。

• 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。

• 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。

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。

以太网是主要的有线 LAN 技术。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

• 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。