计算机网络硬核指南｜网络设计核心思想

Posted 2021-05-14 一口Linux

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机网络硬核指南｜网络设计核心思想相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本篇主要是对计算机网络一些核心思想理解，属于内功心法，初学者适合入门，非初学者可以学习其设计思想，总之希望帮助大家提高对网络的理解。

深入浅出Linux网络硬核指南

计算机网络硬核指南｜网络设计核心思想

本系列从网络通信理解到云计算网络等网络的不同应用角色（场景）入手，深入浅出讨论了网络设计的核心思想，网络TCP/IP协议栈的设计，网络编程核心技术，网络性能优化，云网络核心技术，网络问题排障等，计算机网络是程序员或者IT工程师必须要掌握的技能，本系列目的就是让不同读者都能加深对网络认识，打好坚实的网络基础，不管是面试中遇到的网络问题，还是工作中遇到的网络问题，都能得心应手。

计算机网络通信的理解

1 计算机网络通信的本质

1948年香农在《通信的数学理论》中写道:

"通信的基本问题是在一点精确地或者近似的复现在另一个点所选取的信息"

网络通信的本质是信息的传播：

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这里A与B之间的传播介质可以有很多不同层次的理解

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我们可以看看计算机网络通信模型：

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这张图揭示计算机网络通信中的核心元素和要解决的核心问题：

发送端：数据的生产者

怎么发送数据？

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要发送数据，需要借助网卡这种硬件，OS会按照RFC标准格式来封装数据，然后把数据传给网卡，网卡把数据转化为电信号/电磁波传输出去；

数据：信息载体

怎么定义数据格式？

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大家按照标准来封装报文，整个链路所有网络设备都讲相同的“语言”，这样大家才可以自由交流；

传输通道：数据传输中转站

怎么转发数据？

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由于发送端和接收端：

这个时候数据需要中间节点来转发。中转节点一般是从一个网口进转到另外一个网口出，一般都是专有硬件处理，可以达到线速转发（像"直接连线一样速度"）；

接收端: 数据的消费者

怎么接收数据？

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同样要接收数据，需要借助网卡这种硬件，把电信号/电磁波信号转化为数据传给OS，OS会按照RFC标准格式来解析，最后把真正的数据交给应用；

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计算机网络通信原理本质上是比较“简单”的，好理解，如果让你去设计一个全球网络通信系统，类似当今的互联网，你会怎么设计呢？你会考虑下面的问题吗？

互联网获得的成功显而易见，它已经成为当今全球数字社会最重要的基础设施，改变我们生活方方面面，如今电脑，笔记本，电视，iPad，手机等都可以轻松上网，网络四通八达，信息随处可达，这背后到底是什么核心技术支撑这个世界最大网络通信系统。是不是你也很好奇，不妨让我们来看一看互联网是怎么解决这些问题的。

2 计算机网络通信的核心思想

网络的复杂性

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那计算机网络是如何解决这些问题的呢？

分布式思想--无连接分组交换

在此之前，数据通信是基于电路交换的想法，就像在传统的电话网络一样，在通话前先建立专有线路，时延小，适合电话实时通信场景，电路交换体现了一种集中管理思想，所有通信资源都集中分配管理。但适合计算机网络通信吗？

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数据通信的技术演进

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电路交换（英语：Circuit Switching）是相对于报文交换（或称分组交换）的一个概念。电路交换要求必须首先在通信双方之间建立连接通道。在连接建立成功之后，双方的通信活动才能开始。通信双方需要传递的信息都是通过已经建立好的连接来进行传递的，而且这个连接也将一直被维持到双方的通信结束。在某次通信活动的整个过程中，这个连接将始终占用着。连接建立开始时，通信系统分配给它的资源（通道、带宽、时隙、码字等等），这也体现了电路交换区别于报文交换的本质特征。

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电路交换虽然通信实时性高但不适合计算机网络通信:

报文交换提高了通信线路的利用率，不需要建立连接，但也不适合计算机网络通信:

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最终计算机网络采用了分组交换技术：

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分组交换（英语：Packet switching）是一种相对于电路交换的通信范例，分组（又称消息、或消息碎片）在节点间单独路由，不需要在传输前先建立通信路径。分组交换是数据通信中一种新的且重要的概念，现在是世界上互联网通讯、数据和语音通信中最重要的基础。在此之前，数据通信是基于电路交换的想法，就像在传统的电话电路一样，在通话前先建立专有线路，通信双方要在电路的两端。分组交换技术是在1960年代末出现的，当时美国高级研究计划局（简称ARPA）为实现远程计算机之间的信息交换，资助建设一个试验性的网络，该网络被称为ARPANET。ARPANET的主要研究成果之一就是开发一种新的网络协议，在ARPANET网络上对话必须使用这种网络协议。该协议采用一种新的网络信息传输技术，这就是分组交换技术。

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计算机网络通信

理解分组交换这种设计对我们理解网络有什么好处？

分层思想--网络协议分层设计

网络协议要怎么设计？

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理解了计算机网络的分层设计对我们理解网络有什么好处？

1. 每一层只关心自己逻辑执行，不会受到其他层的影响

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2. 网络问题可以从上而下或者从下而上分层分析

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报文分层封装处理：

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应用层：需要用socket编程接口发送应用数据；

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传输层（四层）：四层采用TCP/UDP等传输协议进行数据传输；

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网络层（三层）：三层主要是实现路由转发；

路由表主要是存储路由条目，IP层采用最长匹配算法，查询路由再再转发：

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链路层（二层）：

根据接口对应的链路层协议(如以太网)组装报文：

邻居表主要是保存目的IP地址对应的mac地址，mac地址是2层以太网节点标识，一般通过ARP协议报文动态学习，也可以静态配置指定：

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记录在ARP表里面：

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ARP表主要是给报文添加mac头部：

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二层转发报文：

主要二层设备（桥，交换机等）用来根据目的mac地址查找转发端口，实现二层转发；

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物理层：主要是网卡驱动，网卡芯片处理，把数据转化电或者光信息或者无线信号；

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公平思想--传输控制

随着互联网规模越来越大，计算机处理性能提高，大量数据包流向网络，必然会加剧网络拥塞，当网络发生拥塞时，一般会出现数据丢失，时延增加，吞吐量下降，严重时甚至会导致“拥塞崩溃“。

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拥塞控制需要确保网络能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素：互联网采用TCP拥塞控制算法来控制系统的容量，核心思想是主动退让机制，发现网络拥塞（丢包或者延时加大），就主动减少发包量，我为人人，人人为我，最终解除拥塞，达到共赢局面:

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在终端系统上通常根据接受到的ACK(Acknowledge character)确认包中包含的信息来调整拥塞控制窗口的大小，进而控制TCP连接的发送速率，譬如：TCP Tahoe, TCP Reno, TCP Vegas, TCP NewReno, TCP BIC, TCP CBIC, BBR等算法；

计算机网络硬核指南｜网络设计核心思想

在网络中间设备上(路由器、防火墙、交换机等)的拥塞控制算法（AQM-Active Queue Management-主动队列管理）通常根据设备中的缓存队列长度信息对网络拥塞控制程度进行判断，并将拥塞控制信息显示或隐式地告知端点，端点根据获得的拥塞控制信息对自身发送速率进行调整，譬如：FIFO, RED(Random Early Detection), ECN(Explicit Congestion Notification), FQ(Fair Queuing)等算法；

道路交通系统是一个典型的统计复用的分组交换系统，其实早在TCP/IP分组交换网络之前，道路交通系统就已经存在了好几千年了，我们可以用道路交通系统一些问题来类比分析TCP/IP网络中出现的问题，比如道路拥堵类比网络拥塞，可以帮助我们更容易理解网络。

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