计算机网络

计算机网络

1 概述

1.1 性能

计算机网络性能指标可以从速率、贷款、吞吐量和时延等不同方面来度量计算网络等性能

时延：指数据从网络一端传送到另一端需要的时间，也称为延迟，主要由以下几个部分构成

  • 处理延迟
  • 排队延迟
  • 发送延迟
  • 传播延迟

如果不考虑网络环境，服务器的延迟主要因素是队列延迟和IO延迟

1.2 分类

范围从小到大依次为

  • 局域网LAN
  • 城域网MAN
  • 广域网WAN
  • Internet

1.3 局域网拓扑结构

  • 星状：每个结点都以中间节点为中心，传输数据必须通过中间结点
    • 特点：任意两个结点通信最多只需要2步，传输速度快，结构简单，建网容易，便于控制和管理
    • 缺点：可靠性低，网络共享能力差，中心结点出现故障会导致全网瘫痪
  • 树状：集中式网络，成本低结构简单
    • 特点：任意两个结点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，结点扩充方便灵活，方便寻查链路路径
    • 缺点：非叶子结点故障会影响整个系统的正常运行
  • 总线：各个结点用一根总线相连
    • 特点：通过总线进行信息传输
    • 缺点：总线负载能力有限，出现故障会影响总线上的每个结点
  • 环形：各个结点通过一条首尾相连的链路连接起来，形成一个闭合的结构网
    • 特点：信息按照固定方向流动，2个结点之间仅有一条通路，无信道选择问题
    • 缺点：不方便扩充，传输效率较低，任意结点故障将导致物理故障
  • 网状：任意结点彼此之间都存在一条通路
    • 特点：任意结点的故障不会影响其他结点之间的通信，可靠性高
    • 缺点：布线繁琐，成本高，控制复杂

2 5G技术

主要特征

  • 服务化架构：5G核心网中引入了SBA服务化架构，实现网络功能的灵活定制和按需组合
  • 网络切片：通过网络切片技术在单个独立的物理网络上，切分出多个逻辑网络。从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，极大的降低了建网和运维成本

3 组网技术

3.1 OSI七层模型

  1. 物理层：二进制传输（中继器、集线器）
  2. 数据链路层：传送以帧为单位的信息（网桥、交换机（多端口网桥）、网卡）
  3. 网络层：分组传输和路由选择（三层交换机、路由器、RARP、ARP、IP、ICMP、IGMP）
  4. 传输层：端到端的连接（TCP/UDP）
  5. 会话层：建立、管理和终止会话
  6. 表示层：数据的格式与表达、加密、压缩
  7. 应用层：实现具体应用

3.2 交换技术

数据在网络中转发离不开交换机，交换器包含以下功能

  • 集线
  • 中继
  • 桥接
  • 隔离冲突域

基本交换原理：

交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据直接由源地址到达目的地址。

交换机需要实现的功能：

  • 转发路径学习：根据接收到数据中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，写入到MAC地址表中
  • 数据转发：如果交换机根据数据中的目的MAC在建立好的MAC地址表中查询到了端口，则直接进行转发
  • 数据泛洪：如果数据中的目的MAC不在MAC地址表中，则向所有端口进行转发，也称为泛洪。广播帧和组播帧向所有端口（不包括源端口）转发
  • 链路地址更新：MAC地址表每隔一定时间更新一次

4 TCP/IP协议族

4.1 常见协议

端口号的作用是：应用寻址！！

  • POP3：端口110，收取邮件

  • SMTF：25端口，发送邮件

  • FTP：数据端口20，控制端口21，文件传输协议

  • HTTP：80端口，超文本传输协议，网页传输

  • DHCP：67端口，IP地址自动分配

  • SNMP：161端口，简单网络管理协议

  • DNS：53端口，域名解析协议，记录IP地址和域名的映射关系

  • ICMP：因特网控制协议，PING命令

  • IGMP：组播协议

  • ARP：地址解析协议，IP地址转为MAC地址

  • RARP：反向地址解析协议，MAC地址转为IP地址

4.2 DHCP

动态主机配置协议

无效IP：0.0.0.0 和 169.254.*.*

分配方式：

  • 固定分配：管理员分配
  • 动态分配：有限期限的IP地址
  • 自动分配：无限长的IP地址

分配流程：

  1. DHCP发现 DISCOVER
  2. DHCP提供 OFFER
  3. DHCP请求 REQUEST
  4. DHCP确认 ACK（正常到这一步就结束了）
  5. DHCP拒绝 NACK
  6. 客户端释放 RELEASE
  7. 客户端拒绝分配IP Decline

IP租期默认8天，租约过半时申请续约，超过87.5%时还没跟当初提供IP的DHCP服务器联系上的话会尝试联系其他DHCP服务器

4.3 DNS

域名系统

域名服务器按范围大小可分为

  • 根域名服务器
  • 顶级域名服务器
  • 权限域名服务器
  • 本地域名服务器

一般来说，个人电脑访问本地域名服务器使用递归查询，本地域名服务器会去访问根域名服务器，采用迭代查询，根域名服务器会返回一个顶级域名服务器的地址，以此类推

递归查询：服务器必须回答IP和域名之间的映射关系

迭代查询：可以回复IP和域名的映射关系，也可以回复其他DNS服务器的地址

5 网络规划和设计

在网络冗余设计中，对于通信线路常见的设计目标主要有2哥

5.1 备用路径

提高可用性，由路由器、交换机等设备之间的独立备用链路构成，一般情况下备用路径仅仅在主路径实效的时候投入使用，设计时考虑

  • 备用路径的贷款
  • 切换时间
  • 非对称
  • 自动切换
  • 测试

5.2 负载分担

对备用路径方式对扩充，通过并行链路提供流量分担（冗余的形式）来提高性能，主要的实现方法是通过两个或者多个网络接口和路径来同时传递流量，设计时考虑

  • 网络中存在备用路径、备用链路时可以考虑加入负载分担设计
  • 对于主路径、备用路径相同的情况下可以实施负载分担的特例-负载均衡
  • 对于主路径和备用路径不相同的情况下，可以采用策略路由的机制，让一部分的应用流量分摊到备用路径上