Chapter 4：Network

NetWork

Introduction ｜ 引言

Standard Distributed 的反义词

Development History ｜ 发展历程概览

一个网络守护进程（daemon）或服务可以一直运行，并在特定的连接点或端口上等待请求，这些端口就是专门为它设置用来监听的。 ｜ A network daemon or service can run and always wait for requests on specific connection points or ports, for which they are set up to listen

1. Client/Server（C/S）模式
   • 结构：客户端（PC） ↔ 服务器
   • 场景：多在局域网内使用
   • 服务器特点：
     • 跑守护进程（daemon），一直监听端口等待请求
     • 一台服务器可提供多种服务：
       • Web 服务
       • 邮件（POP3/SMTP/IMAP）
       • 许可证管理
       • 文件/打印服务
       • 数据库、大数据等
2. Internet 模式
   • 在 C/S 基础上扩展到 互联网
   • 设备：PC、笔记本、手机、远程桌面、远程服务器等都能连入
   • 特点：
     • 不再局限于局域网
     • 通过统一的互联网协议（如 HTTP）访问远程服务器
     • 服务器可以在世界任何地方
3. Cloud（云计算）模式
   • 在 Internet 之上进一步抽象出“云”
   • 云内部：大量服务器 + 存储 + 网络，被虚拟化和自动管理
   • 用户看到的只是：
     • IaaS：租虚拟机、硬盘等基础设施
     • PaaS：应用运行平台
     • SaaS：直接使用在线软件（邮箱、网盘等）
   • 优点：不关心具体服务器数量和位置，只按需使用资源

蓝色虚线箭头表示：计算模式从 传统 C/S → 基于互联网的 C/S → 云计算 的演进过程。

Some Useful Technical Terms（术语速记）

Network Layer Model

• 核心思想：分层架构，每层只管自己的职责。
• 发送端流程：
  1. 应用产生 Message（消息）
  2. 运输层把消息拆成多个 Packets（数据包）
  3. 数据包变成一串 Bits（比特）
  4. 物理层把比特编码成 Signal（电/光/无线信号） 发出去
• 接收端：按相反方向处理
  • 信号 → 比特 → 数据包 → 组合成完整消息
• 各层大致作用：
  • TRANSPORT（运输层）：端到端传输，可靠性（TCP/UDP）
  • NETWORK（网络层）：寻址、路由（IP）
  • LINK（链路层）：一跳内传输，帧的收发（以太网、WiFi）
  • PHYSICAL（物理层）：0/1 怎么变成真实信号在线路上传输

The OSI Reference Model

网络通信被划分为 7 个抽象层，每层各司其职，层与层之间通过标准接口协作。

OSI = Open System Interconnect，开放式系统互联参考模型

1. Physical 物理层
   • 传输对象：Bits（比特）
   • 作用：定义电压、线缆、插头、无线信号等“怎么看得见的物理传输”。
   • 例子：Ethernet PHY in IEEE 802.3 、802.11 a/b/g/n PHY（WiFi 物理层）、USB 等
2. Data Link 数据链路层
   • 传输对象：Frames（帧）
   • 作用：物理地址（MAC）、差错检测、点到点传输。
   • 例子：Ethernet 802.3 (LLC+MAC), PPP, WLAN, CAN …
3. Network 网络层
   • 传输对象：Packets（包）
   • 作用：IP 地址、路由选择，让数据在不同网络之间“找路”。
   • 例子：IPv4/IPv6, IPsec, IPX …
4. Transport 运输层
   • 传输对象：Segments（段）
   • 作用：端到端连接、可靠传输（如 TCP）、端口号。
   • 例子：TCP, UDP
5. Session 会话层
   • 作用：建立、管理、终止会话（对话），保持通信状态。
   • 例子：RPC, NetBIOS …
6. Presentation 表示层
   • 作用：数据格式转换、加解密、压缩（例如字符编码、JPEG、SSL 等）。
   • 例子：XDR, MIME, SSL …
7. Application 应用层
   • 作用：直接面向应用程序（NFS, HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, DHCP 等协议所在层）。

Network Connectors｜ 网络连接设备

1. Repeater 中继器

• 作用：物理信号放大器
• 场景：线太长、信号衰减，用它把电/光信号再生、放大，延长传输距离。
• 工作层：物理层（只看电平，不看数据内容）。

2. Hub 集线器

• 原理：收到一个信号，广播到所有端口。
• 特点：
  • 所有设备共享同一带宽、同一冲突域。
  • 谁说话声音大、先占线，就先发；容易冲突。
• 现在基本被交换机（Switch）淘汰。

3. Bridge / Switch 网桥 / 交换机

• 作用：
  • 连接同一网络中的多台设备。
  • 监听数据帧，通过 MAC 地址 决定转发到哪个端口。
  • 减少冲突 (Prevents collision)、提升效率（每个端口是独立冲突域）。
• 工作层：数据链路层（第 2 层）
• 备注：也有工作在第 3 层甚至更高的“多层交换机”。

4. Router 路由器

• 作用：在不同网络之间转发数据。
• 根据 IP 地址 和路由表决定下一跳。
• 典型场景：家里的路由器，把内网 192.168.x.x 连到运营商网络、互联网。
• 工作层：网络层（第 3 层）。

5. Gateway 网关

• 作用：协议翻译 + 转发
  • 比如：公司内部专用协议 ↔ 运营商/ISP 的协议。
  • 或者不同网络体系之间互通。
• 范围：概念更宽，可以涉及更高层协议的转换（应用层、表示层等），不只第 3 层。

小总结：从下到上，功能越来越“聪明”： Repeater（放大信号） → Hub（广播） → Switch/Bridge（按 MAC 分发） → Router（按 IP 路由） → Gateway（做协议转换和复杂转发）。

要回去看微信发的小文章来理解网络层的原理！！！

Common Protocols｜ 常见协议

Transport / Network ｜ 运输层 / 网络层

• TCP/IP
  • 全称：Transmission Control Protocol / Internet Protocol
  • IP：负责“找地址、找路”（给每台主机分配 IP 地址，负责路由转发）
  • TCP：负责“可靠传输”（三次握手、重传、顺序、流量控制等）
  • 作用：互联网中最核心的一套协议组合，几乎所有应用都基于它

Data Link | 数据链路层

• Ethernet（以太网）
  • 局域网里最常见的链路层协议（网线 + 交换机 就是以太网）
  • 使用 CSMA-CD 机制：
    • Carrier Sense：先“听一听”有没有别人“说话”
    • Multiple Access：很多设备共用一条信道
    • Collision Detect：如果发现冲突，就停止发送，随机等待后再发
  • 设备共用信道，不能两个人同时“说话”（人少、信息密度低时好用）
• Token Ring（令牌环，含 FDDI） ＊（PPT 中被灰掉，不重点讲）
  • 拿到“令牌”的设备才能发数据 → 轮流说话，避免冲突
• PPP（Point-to-Point Protocol）＊（PPT 中被灰掉，不重点讲）
  • 点对点链路协议（常用于拨号、串口、早期宽带接入）
  • 特点：两端一对一 传输，而不是一堆设备共用一根线

如果是不同局域网之间的沟通呢？

A局域网和B局域网之间通过Gateway来实现沟通

Simplified 4-Layers Model ｜ TCP/IP 简化四层模型

1. 链路层（Link & Physical，OSI 1+2 层）
   • 职责：比特传输、成帧、本地链路通信
   • 典型协议：Ethernet、WiFi、PPP
   • 典型设备：网卡、交换机、集线器
2. 网际层（Internetwork，OSI 第 3 层）
   • 职责：IP 编址、路由选择，让数据在不同网络间转发
   • 典型协议：IPv4、IPv6、ICMP、IPsec
   • 典型设备：路由器
3. 传输层（Transport，OSI 第 4 层）
   • 职责：端到端通信、可靠性、端口号
   • 典型协议：TCP、UDP
4. 应用层（Application，OSI 5+6+7 层）
   • 职责：直接为应用提供网络服务，数据表示、会话管理
   • 典型协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH、Telnet 等

Packets Formatted for Layered Communications ｜ 分层通信时的数据封装

TCP/IP Address

IP Address

IPv4 地址基本概念

• 表示方式：点分十进制，例如 210.32.156.248
• 一共 32 bit → 被写成 4 个 0–255 的数字
• 每个 IP 唯一标识一个主机/接口

五类 IP 地址

IP = 前缀 prefix（网络号） + 后缀 suffix（主机号）

主机真正用的主要是 A/B/C 类；D 组播，E 保留。

示例地址

• 1.1.1.1 → Class A 公网地址
• 10.10.0.21 → Class A 私网地址（10.0.0.0/8）
• 127.0.0.1 → 回环地址（localhost，自己给自己通信）
• 192.168.0.255 → Class C 私网段 192.168.0.0/24 的 广播地址
• 210.32.156.248 → Class C 公网地址

例题：

1. 一个 Class B 网络里最多有多少主机？
   • Class B：前 16 bit 网络号，后 16 bit 主机号
   • 主机位：2¹⁶ = 65,536 个地址
   • 去掉全 0（网络地址）和全 1（广播地址）
   • 可用主机数 = 65,534 台
2. 整个 IPv4 理论上可以有多少个不同 IP？
   • IPv4 一共 32 bit
   • 可组合的地址数：2³² = 4,294,967,296 个
   • 实际可用会少一些，因为有保留地址（私网、组播、特殊用途等）。
3. sz小问：为什么192.168开头的IP这么多

因为IPv4不够用了，将下面这些地址段设为私有IP，供局域网内使用（不能在公网上使用），由路由器包装至公网。挂梯子本质在改变公网IP，内网IP没变。

TCP/IP Commands - ping

• 作用：测试某个主机（host）在网络上是不是“活着”，网络是否连通。
• 基本格式：
• ping host
  • host 可以是 IP 地址 或 域名。
• 示例：
  • ping 10.10.0.21 → 测试局域网或某台机器是否可达
  • ping vlsi.zju.edu.cn → 先通过 DNS 解析域名，再测试连通性
  • ping www.wikipedia.org → 测试到维基百科网站的网络状况
• 工作原理：
  • 发送 ICMP Echo Request（“回声请求”报文）
  • 对方若收到，会回复 ICMP Echo Reply（“回声应答”）
  • 根据是否有回复、往返时间 RTT，判断：
    • 目的是否可达
    • 延迟大概多少

Showing / Setting Names of Domain and Host ｜ 查看 / 设置「域名」和「主机名」

1. domainname 命令
   • 功能：显示当前机器所在的「NIS/域名」
   • 示例：
   • piano% domainname vlsi.zju.edu.cn.
   • 含义：这台叫 piano 的机器属于域 vlsi.zju.edu.cn
2. hostname 命令
   • 功能：显示当前机器的「主机名」
   • 示例：
   • piano% hostname piano
     piccolo$ hostname piccolo
   • 含义：同一个域里可以有多台主机：piano、piccolo 等

用户名@主机名(hostname):当前工作目录$

Showing / Setting IP Addresses of Computers ｜ 用 /etc/hosts 管理 IP 和主机名

• /etc/hosts 文件
  • 作用：保存 IP 地址 ↔ 主机名 的对应关系
  • 例如：
  • 127.0.0.1 localhost 10.14.111.204 baton 10.14.111.205 organ 10.14.111.206 piano loghost 10.14.111.207 violin 10.14.111.208 viola ...
• 查看内容
  • 命令：cat /etc/hosts
  • 就能看到当前机器上配置的所有 IP/主机名映射
• 使用示例
  • 因为 /etc/hosts 里有：
  • 10.14.111.208 viola
  • 所以可以直接：
  • ping viola
  • 系统会先在 /etc/hosts 里查到 viola 对应 IP，再去 ping 这台机器。

DNS 服务器与名字解析

• DNS 服务器配置：/etc/resolv.conf
  • 保存要使用的 DNS 服务器 IP：
  • cat /etc/resolv.conf nameserver 10.10.0.21 nameserver 10.214.1.201
  • DNS 可由 DHCP 自动下发
    • 连接到校园网、公司网、路由器时，DHCP 会自动给你（不用手动配置了）：
      • IP 地址
      • 网关
      • DNS 服务器地址
    • 相关配置可在：/etc/dhcp/dhclient.conf中查看/修改。
• 查询域名：host 命令
  • 用 DNS 查询某域名的 IP：
  • host ubuntu.com

    ubuntu.com has address 185.125.190.20

    ubuntu.com has IPv6 address 2620:2d:4000:1::28

• 名字解析顺序：/etc/nsswitch.conf
  • 决定系统先从哪里查主机名（本地文件 / DNS / 其它服务）
  • 示例行：
  • hosts: files nisplus dns mdns4
  • 含义：解析主机名时，先查 /etc/hosts（files），再查 NIS+，再查 DNS，最后查 mDNS。

Network Configuring Commands | 网络配置命令

1. ip 命令

这是 Linux 中最新、功能最强大的网络配置工具，它旨在取代旧的 ifconfig 等工具

• 功能：TCP/IP 接口和路由工具”
• 图示示例：
  • $ ip addr show: 显示所有网络接口的 IP 地址信息。
  • $ ip route show: 显示内核的路由表（即数据包该往哪里发）。
  • $ ip neighbor help: 显示关于邻居表（ARP 缓存）管理的帮助信息。

2. ifup / ifdown

这一组命令用于更高级别的网络接口管理。

• 功能：
  • ifup: 激活（启动）指定的网络接口。
  • ifdown: 禁用（关闭）指定的网络接口。
• 重要细节：图中提到它 "runs ip as per /etc/network/interfaces"。这意味着这两个命令会读取系统配置文件，并根据文件中的配置自动执行底层的 ip 命令来设定网络。

3. ifconfig

这是一个经典（较老）的网络接口配置工具。

• 功能：用于配置、控制和查询 TCP/IP 网络接口参数。

4. netstat

这是一个用于监控网络状态的通用工具。

• 功能：显示网络连接（如哪些端口正在监听，哪些 IP 连接到了本机）、路由表、接口统计数据、伪装连接（Masquerade）和多播成员。
• 图示参数建议：
  • -r: 显示路由表 (Routing table)。
  • -i: 显示网络接口统计信息 (Interfaces)。
  • -s: 显示每种协议的统计摘要 (Statistics)。

Useful Remote Connection Utilities | 实用的远程连接工具

1. 早期工具（基本都不安全）
   • ftp [options] host transfer file(s) using file transfer protocol
   • telnet [host [port]] communicate with host using telnet protocol

Are they secured? Any user/passwd information on network?

问题：账号和密码明文传输

2. 远程登录 / 远程执行
   • rlogin / rsh
     • 早期远程登录、远程执行命令的工具（也不安全）
     • login/shell execution remotely on another machine;
   • ssh
     • remote login or remote execution using secure shell
     • 安全的远程登录、远程执行命令、加密传输.
   • rcp/scp
     • remotely copy files from this machine to another machine;
     • 功能：从本机复制文件到远程机器，或反向复制; scp 基于 SSH，传输加密，常用
   • rsync
     • 功能：在检查内容后智能地通过网络复制文件。
3. 通过网络下载 / 访问内容
   • curl
     • transfer a URL via HTTP, FTP, IMAP, etc
   • wget
     • download files over the Internet via HTTP or FTP
     • 通过 HTTP/FTP 下载文件，可断点续传、递归下载网站
   • lynx / links
     • text-mode (mini) web browser
     • 纯文本模式的“小型浏览器”，在终端里浏览网页（无图形界面）

ssh Application | ssh 应用

1. 基本用法
2. ssh -l username hostname command
   • -l username：指定 远程登录的用户名（不写就用本机当前用户）
   • hostname：远程主机名或 IP
   • [command]：可选；如果写了，只在远程执行这条命令然后退出；不写则进入远程交互式 shell

2. 示例1 ：远程登录

banjo% ssh -l shiz viola

shiz@viola's password: ********

Last login: Thu Nov 29 20:25:52 from piano

viola%

• 从主机 banjo，以用户 shiz 登录到主机 viola
• 输入密码后，拿到 viola% 提示符 → 已经在远程机 viola 上操作

3. 示例 2：远程执行一条命令

steve@piccolo:~$ ssh violin who

steve@violin's password: ********

root tty2 Jul 24 07:19

lena tty3 Jul 23 22:24

lena :0 Jul 25 22:03

• 本地用户 steve 在机器 piccolo 上执行 ssh violin who
• 连接到主机 violin，在远程运行 who 命令
• 打印出远程机上当前登录用户列表，随后自动退出 ssh

scp - Copying from Machine to Machine | scp 应用

1. Synopsis ｜ 概要
   • scp [ -pr ] [other network options] file1 file2
     • file1：源（可以是本地也可以是远程）
     • file2：目的地（可以是本地也可以是远程）
   • 常用选项：
     • -p：保留原文件的时间戳、权限等属性
     • -r：递归复制目录（整文件夹拷过去）

scp 底层走 SSH，所以是加密传输

2. Remote file (directory is file too) name forms ｜ 远程文件的写法
   • hostname:file
   • username@hostname:file
   • username@host.domain:file

一般常用：scp 本地文件 user@远程主机:路径 或反过来。

FTP - File Transfer Protocol

FTP 是一种文件传输协议、应用层协议

1. FTP 是什么？
   • FTP = File Transfer Protocol，一种 应用层协议，专门用来在网络上传文件。
2. FTP 服务端（Server）
   • 提供 FTP 服务的，是后台的 网络服务守护进程（daemon）。
   • 常由 inetd / xinetd 这类“超级守护进程”负责管理、启动。
3. FTP 客户端（Client）类型
   • 图形界面（GUI）客户端
     • Windows：WinSCP、FileZilla
     • Unix/Linux：gftp、filezilla
     • 像文件管理器一样拖拽上传/下载，适合日常使用。
   • 命令行客户端 ftp
     • 在 Unix / Linux 上很常见，需要会基本用法（ftp host、get、put 等）。
4. 补充：主动 / 被动模式
   • PPT 提到：active / passive mode 是另一个话题
   • 指 FTP 建立数据连接的两种方式，会影响穿防火墙/代理的行为。

基本用法

• 启动方式
• ftp host
  • 例：ftp vlsi.zju.edu.cn 直接连到远程 FTP 服务器
  • 例：ftp 先进入 ftp 交互模式，再用 open host 连接
• 在 ftp> 提示符下输入 help 可查看所有子命令。

常用 ftp 子命令

• open host / close 连接 / 断开 FTP 服务器
• ascii / binary 选择传输模式：文本 / 二进制（程序、图片一定要 binary）
• cd / lcd
  • cd：切换 远程 目录（Server）
  • lcd：切换 本地 目录（Client）
• ! 暂时跳回本地 shell 执行命令，例如 !ls 查看本地目录
• ls 查看远程当前目录内容
• get / mget 下载 1 个 / 多个文件（multi-get）
• put / mput 上传 1 个 / 多个文件
• verbose 打开/关闭详细输出
• bye / quit 退出 ftp 会话

匿名登陆如何拼写！！！

ftp Sample：一次文件上传示例

ftp ftp.tsmc.com # 连接服务器

... # 输入用户名/密码

passwd: ********

ls # 看远程当前目录

cd /upload # 切换到远程的 /upload 目录

lcd /home/my_home/gds_files # 切到本地存放文件的目录

!ls # 在本地列出要上传的文件

binary # 切换为二进制传输模式

mkdir my_upload # 在远程创建目录 my_upload

cd my_upload # 进入远程 my_upload 目录

mput *.gds2 # 批量上传所有 .gds2 文件

ls # 再次查看远程目录确认上传成功

bye # 退出 ftp

整体流程：连接 → 调好本地/远程目录 → 设为 binary → 上传文件 → 检查 → 退出。

HTTP Server and Browser

• HTTP：Hyper Text Transfer Protocol
  • 一种网络协议，用来在 Web 上传输网页、图片等超文本内容。
• URL：Uniform Resource Locator
  • 统一资源定位符，即我们说的“网址”，用来在 HTTP 中指明具体资源的位置。
• Unix 上常见的 HTTP 服务器
  • Apache HTTP Server（程序名常叫 httpd）
• Unix 上的浏览器（负责解释 HTML/使用 HTTP）
  • 早期：Mosaic
  • 后来：Netscape Navigator / Mozilla / Firefox / Chrome / Safari
  • 还有纯文本模式的浏览器：lynx、links 等

Mail in Unix Environment

• 发送邮件命令：
• mail address_list
  • 地址格式一般：username@hostname.domainname
• 邮件服务器软件：sendmail（负责收发、转发邮件）
• 远程收发邮件使用的协议
  • 发送：SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）
  • 接收：POP3 或 IMAP
• 图形界面邮件客户端示例
  • Netscape Composer
  • Mozilla Thunderbird
  • Evolution 等

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