软件架构师-第六章 计算机网络

计算机网络

计算机网络概述 ⭐

计算机网络技术概述

计算机网络的功能：

• 数据通信：实现计算机间的信息传输，是网络的基础功能。
• 资源共享：支持硬件（如打印机）、软件（如应用程序）、数据（如文件）等资源的共享，提升利用率。
• 管理集中化：对网络中的资源、用户权限等进行集中管理，简化运维。
• 实现分布式处理：将复杂任务分解到网络中的多台计算机协同完成，提高效率。
• 负载均衡：平衡网络中设备的工作负荷，避免局部过载。

计算机网络的作用：

• 强调计算机网络通过扩展计算机系统功能与应用范围，提升可靠性，为用户提供便利，同时降低整体系统费用。但最后 “降低了系统性价比” 表述可能存在误差（通常网络应提升性价比），或为原文笔误，实际意图应为优化系统成本与性能的平衡。

计算机网络性能指标范畴

• 从 速率、带宽、吞吐量、时延 等维度衡量计算机网络性能，其中重点阐释了 “时延” 这一指标。

时延的定义与组成

• 定义：时延指数据（如报文、分组、比特）从网络（或链路）一端传至另一端所需的时间，也称为延迟或迟延，是关键性能指标。
• 组成部分：
  • 发送时延：发送数据时，数据块从发送端进入链路所需时间。
  • 传播时延：数据在链路中物理传输的时间。
  • 处理时延：设备处理数据（如校验、分析）的时间。
  • 排队时延：数据在队列中等待转发的时间。
• 公式：网络延迟 = 处理延迟 + 排队延迟 + 发送延迟 + 传播延迟。
• 补充说明：若不考虑网络环境，服务器延迟主要受队列延迟和磁盘 I/O 延迟影响；
• 路由器发送时延大于交换机。

分布范围和拓扑结构两个维度对计算机网络技术进行分类

按分布范围分类

1. 有线网络：
   • 局域网（LAN）：覆盖范围小（如办公室、校园），用于短距离内设备互联。
   • 城域网（MAN）：覆盖城市范围，连接多个局域网，提供城市级网络服务。
   • 广域网（WAN）：覆盖国家或洲际范围，通过长途通信链路（如光纤、卫星）连接远距离网络。
   • 因特网：全球最大的互联网络，整合各类局域网、城域网、广域网。
2. 无线网络：
   • 无线个人网（WPAN）：典型技术如蓝牙（IEEE 802.15 标准），用于个人设备短距离连接。
   • 无线局域网（WLAN）：如 Wi-Fi（IEEE 802.11 标准），实现局域网内无线互联。
   • 无线城域网（WMAN）：基于 IEEE 802.16 标准（如 WiMax），覆盖城市区域的无线接入。
   • 无线广域网（WWAN）：通过 3G/4G 等移动网络技术实现广域无线通信。

按拓扑结构分类

• 总线型：所有设备连接到一条共享总线，结构简单，如早期以太网。
• 星型：以中心节点（如交换机）为核心，各设备通过独立链路连接中心节点，易于管理和故障排查。
• 环型：设备首尾相连形成环形，数据沿环单向传输，常见于早期令牌环网络。
• 树型：基于星型拓扑扩展，呈分层分支结构，适用于大型网络的分级管理。

移动通信技术 ——5G 技术

5G 网络的主要特征

• 服务化架构：

  • 5G 核心网引入 SBA（Service-Based Architecture，服务化架构），通过这一架构实现网络功能的灵活定制与按需组合。例如，可根据不同业务场景（如高清视频、工业互联网）动态调用网络功能，提升服务适配性。

• 网络切片：

  • 利用网络切片技术，在单一物理网络上划分出多个逻辑网络。每个逻辑网络可独立适配不同业务需求（如自动驾驶的高可靠网络、物联网的低功耗网络），避免为每种服务单独建设专用物理网络，显著降低网络建设与运维成本，同时提高资源利用率。

组网技术⭐⭐⭐

OSI/RM 七层模型

物理层（第 1 层）

• 功能：实现二进制数据的物理传输，关注电缆、信号、电压等物理介质特性。
• 设备：中继器、集线器（多端口中继器）。

数据链路层（第 2 层）

• 功能：将物理层数据封装成 帧 ，负责帧的传输、错误检测与纠正，管理物理链路连接。
• **设备：**网桥、交换机（多端口网桥）、网卡；
• 协议： PPTP、L2TP、SLIP、PPP。
• 以太网帧最小长度 64 字节，由 “网络中检测冲突的最长时间” 决定

网络层（第 3 层）

• 功能：处理分组（数据包）的传输、路由选择，确定数据从源到目标的路径。
• 设备及协议：三层交换机、路由器；
• 协议：ARP、RARP、IP、ICMP、IGMP。
• Internet 网络核心采用分组交换。

传输层（第 4 层）

• 功能：建立端到端的连接，确保数据可靠传输（如 TCP）或高效传输（如 UDP）。
• 协议：TCP、UDP。

会话层（第 5 层）

• 功能：管理会话的建立、维护和终止，如会话同步、故障恢复。

表示层（第 6 层）

• 功能：处理数据格式转换（如加密、解密）、压缩 / 解压缩、编码转换等，确保不同系统间数据表示一致。

应用层（第 7 层）

• 功能：直接为用户应用程序提供服务，实现具体应用功能（如文件传输、网页访问）。
• 设备及协议：
  • TCP常用协议及对应端口，如：
    • POP3（110 端口）：接收邮件协议；
    • FTP（20/21 端口）：文件传输协议；
    • HTTP（80 端口）：网页浏览协议；
    • Telnet（23 端口）：远程登录协议；
    • SMTP（25 端口）：发送邮件协议；
  • UDP常用协议及对应端口，如：
    • DHCP（67 端口）：动态 IP 分配协议；
    • TFTP（69 端口）：简单文件传输协议；
    • SNMP（161 端口）：网络管理协议；
    • DNS（53 端口）：域名解析协议。

交换技术

交换机功能（交换技术）

• 强调交换机在网络数据转发中的核心作用，其功能包括：
  • 集线功能：汇聚网络中的多个设备，实现数据集中传输。
  • 中继功能：放大、再生信号，延长信号传输距离，类似物理层中继设备的作用。
  • 桥接功能：连接不同网段，基于 MAC 地址转发数据帧，实现网络分段。
  • 隔离冲突域功能：通过划分冲突域，减少网络冲突，提升传输效率（如传统共享式网络中，交换机替代集线器，每个端口独立冲突域）。

基本交换原理

• 交换机的工作机制：
  • 基于 MAC 地址识别：交换机通过分析数据帧中的源 MAC 地址，“学习” 网络中设备的 MAC 地址，并记录到内部地址表。
  • 封装转发数据包：当接收到数据时，交换机查询地址表，找到目标 MAC 地址对应的端口，在源设备和目标设备间建立临时交换路径，直接转发数据，实现从源地址到目的地址的高效传输，避免广播泛滥，提升网络传输的针对性和效率。

交换机需实现的核心功能

(1)转发路径学习

• 交换机通过分析接收数据中的 源 MAC 地址，建立该 MAC 地址与交换机端口的映射关系，并将映射信息写入内部的 MAC 地址表。这是交换机 “学习” 网络中设备位置的基础机制。

(2)数据转发

• 当交换机处理数据时，会根据数据中的 目的 MAC 地址 查询已建立的 MAC 地址表。若查询到匹配项，便将数据转发至对应的端口，实现精准的数据传输。

(3)数据泛洪

• 若数据中的 目的 MAC 地址不在 MAC 地址表 中，交换机无法确定转发端口，此时会将数据向 所有端口（除源端口外）转发，这一过程称为 “泛洪”。此外，广播帧和组播帧也会通过泛洪方式向所有非源端口转发，确保目标设备能接收数据。

(4)链路地址更新

• MAC 地址表会定期更新（如每 300 秒 一次），以适应网络中设备的变动。同时，交换机初始状态时地址表为空；若交换机重启或手动清空地址表，其中的映射信息也会被清除，需重新学习网络设备的 MAC 地址。

TCP/IP 协议族

TCP/IP 模型 与 OSI 七层模型 的层次对应关系

TCP/IP 模型（四层）：

• 应用层：整合 OSI 的应用层、表示层、会话层功能；
• 传输层：与 OSI 传输层功能一致；
• 网际层：对应 OSI 网络层；
• 网络接口层：涵盖 OSI 的数据链路层和物理层。

OSI 七层模型：分层更细致，包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

DHCP（动态主机配置协议）

客户机 / 服务器模型：

• 一个园区网可部署多个 DHCP 服务器，提升配置灵活性；
• 单个 DHCP 服务器支持为多个网段分配 IP，扩展应用范围；
• DHCP 服务器的服务功能需手动开启，而非默认启用，体现配置的主动性。

DHCP 的 IP 分配方式及 动态分配的租约规则：

分配方式：

• 固定分配：由管理员手动分配固定 IP，针对性强。
• 动态分配（重点标注）：分配有有效期限的 IP 地址，到期后需续期，体现 “动态” 特性。
• 自动分配：分配无使用期限的 IP 地址，类似 “永久占用”。
• 额外说明 无效地址：如 169.254.X.X 和 0.0.0.0，这类地址无法正常联网。

动态分配的租约规则：

• 租约默认时长为 8 天；
• 当租约使用过半（50%），客户机需向原 DHCP 服务器申请续期；
• 若租约使用超 87.5% 仍未联系上原 DHCP 服务器，则客户机会尝试联系其他 DHCP 服务器获取服务。

DHCP 自动获取 IP 的工作原理

1. DHCP 发现（DISCOVER）：客户端首次启动或请求新 IP 时，以广播形式发送 DISCOVER 报文，寻找网络中的 DHCP 服务器。
2. DHCP 提供（OFFER）：DHCP 服务器收到 DISCOVER 后，选择可用 IP 及配置参数，向客户端返回 OFFER 报文，包含拟分配的 IP 地址等信息。
3. DHCP 请求（REQUEST）：客户端收到多个 OFFER 时，选择其中一个服务器，发送 REQUEST 报文，正式申请该服务器提供的 IP 地址。
4. DHCP 确认（ACK）：服务器收到 REQUEST 后，确认 IP 分配合法，通过 ACK 报文最终确认分配，客户端成功获取 IP。
   其他状态：

• 拒绝（NACK）：若服务器发现 IP 分配异常（如冲突），发送 NACK 拒绝分配。
• 客户端释放（RELEASE）：客户端主动释放 IP 时，发送 RELEASE 报文告知服务器。
• 客户端拒绝分配（Decline）：客户端发现分配的 IP 不可用（如冲突），通过 Decline 报文拒绝该 IP。

DNS（域名系统）

重点展示域名解析中的 递归查询 和 迭代查询 机制，具体内容如下：

核心功能

DNS 的作用是将域名（如 www.baidu.com）解析为对应的 IP 地址，实现网络中主机的地址映射。

查询流程示例

以查询 y.abc.com 的 IP 地址为例：

• 主机发起递归查询（步骤①）：主机向本地域名服务器（dns.xyz.com）发送递归查询请求，要求必须返回目标域名的 IP。
• 本地域名服务器处理：
  • 若本地无缓存，向根域名服务器发起迭代查询（步骤②-③）。根域名服务器不直接返回结果，而是告知顶级域名服务器（如 dns.com）地址。
  • 本地域名服务器继续向顶级域名服务器迭代查询（步骤④-⑤），顶级域名服务器再指引至权限域名服务器（dns.abc.com）。
  • 最终从权限域名服务器获取 y.abc.com 的 IP（步骤⑥-⑧），并通过递归查询路径回复给主机。

查询类型定义

• 递归查询：服务器必须最终回复目标域名与 IP 的映射关系（如主机→本地域名服务器的查询）。
• 迭代查询：服务器每次回复一个中间结果（可能是其他 DNS 服务器地址），由查询方继续发起新查询（如本地域名服务器→根域名服务器的查询）。

DNS 解析场景的流程：

• 浏览器输入域名的解析流程（解析顺序）

  • HOSTS：先查找本地 HOSTS 文件（系统本地域名映射文件）；

  • 本地 DNS 缓存：查询本地设备的 DNS 缓存记录；

  • 本地 DNS 服务器：若前两者无结果，请求本地 DNS 服务器；

  • 根域名服务器：本地 DNS 服务器向根域名服务器查询；

  • 顶级域名服务器：根域名服务器指引至顶级域名服务器；

  • 权限域名服务器：最终由负责该域名的权限域名服务器返回解析结果。

• 主域名服务器收到域名请求的处理流程（接收解析请求）

  • 本地缓存记录：先检查自身缓存的域名记录；

  • 区域记录：查询本服务器管辖区域内的域名记录；

  • 转发域名服务器：若无果，转发请求至其他转发域名服务器；

  • 根域名服务器：最终通过根域名服务器启动层级查询，完成解析。

  解析

• 通过服务器名称解析 IP 属于正向解析，

• 通过 IP 解析服务器名称需依赖 反向解析。

• DNS 中 PTR 记录（指针记录） 专门用于反向解析，建立 IP 到域名的映射关系。

网络规划与设计 ⭐

网络冗余设计中通信线路的两大核心目标：备用路径与负载分担

备用路径

• 定义：通过路由器、交换机等设备间的独立备用链路构建，用于提升网络可用性。正常情况下，备用路径仅在主路径失效时启用。
• 设计考量：
  1. 备用路径带宽：需确保备用链路带宽满足业务基本需求；
  2. 切换时间：关注主路径故障时切换到备用路径的耗时，保障业务连续性；
  3. 非对称：考虑主备路径在带宽、性能等方面的非对称特性；
  4. 自动切换：要求网络设备具备自动检测主路径故障并切换到备用路径的能力；
  5. 测试：需验证备用路径的有效性和可靠性。

负载分担

• 定义：对备用路径的功能扩展，通过并行链路同时传输流量，实现流量分担，提升网络性能。
• 设计策略：
  • 若网络已存在备用路径 / 链路，可进一步融入负载分担设计；
  • 主备路径相同：采用 “负载均衡” 特例，使流量均匀分配到相同的主备路径；
  • 主备路径不同：通过 “策略路由” 机制，将部分应用流量引导至备用路径，实现差异化流量分担。

磁盘阵列（RAID）

• Raid0（条块化）：通过并行处理提升性能，无数据冗余，若磁盘损坏数据无法恢复，是性能最高但安全性最低的方案。
• Raid1（镜像结构）：采用镜像存储，数据可修复性与可用性强，但磁盘利用率仅 50%（如两块盘仅用一块存数据）。
• Raid10（Raid0+1）：融合 Raid0 的高性能与 Raid1 的高可靠性，既高效又具备数据冗余能力。
• Raid3（奇偶校验并行传送）：采用 N+1 模式，有固定校验盘，允许损坏一块磁盘，通过校验恢复数据。
• Raid5（分布式奇偶校验）：同样是 N+1 模式，但校验信息分布式存储（无固定校验盘），支持单盘损坏恢复，兼顾性能与冗余。
• Raid6（双重奇偶校验）：采用 N+2 模式，无固定校验盘，支持同时损坏两块磁盘的数据恢复，冗余能力更强。

RAID 5 的容量计算方法。RAID 5 的磁盘利用率是 (n-1)/n，n 是磁盘数量。

• 第一个情况：3 块 80G 的硬盘。计算容量：3 块，所以 (n-1)=2，2×80G=160G。这时候看选项，B 选项 160G。

• 第二个情况：2 块 80G 和 1 块 40G。RAID 5 要求所有磁盘容量一致，因为以最小的磁盘容量为准。这里 40G 是最小的。所以每块盘可用 40G，n=3，(3-1)×40=80G。

IPv6 对比 IPv4

• 基本定位：IPv6 是用于替代 IPv4 的下一代 IP 协议。
• 核心特性：
  1. 寻址能力扩展：IPv6 地址长度为 128 位（IPv4 为 32 位），地址空间扩大至 $$2^{96}$$ 倍，解决 IPv4 地址不足问题。
  2. 灵活的报文头部格式：采用固定格式的扩展头部替代 IPv4 中可变长度的选项字段，路由器可跳过选项处理，加快报文处理速度。
  3. 简化头部结构：IPv6 报文头部仅 8 个字段，简化设计加速报文转发，提升网络吞吐量。
  4. 安全性提升：集成身份认证和隐私保护特性，强化网络安全。
  5. 服务类型丰富：支持更多样化的网络服务类型。
  6. 协议扩展性：允许协议持续演进，可新增功能以适配未来技术发展。

IPv6 地址格式

• 地址表示对比：

  • IPv4 采用 “点分十进制” 表示，IPv6 采用 “冒分十六进制” 表示。

• IPv6 地址结构：

  • 由 8 个 16 进制字段构成，例如：2001:0db8:85a3:0000:1319:8a2e:0370:7344。

• 地址简写规则：

  1. 高位 0 省略：字段前导零可多次省略，如 0DB8 可简化为 DB8。

  2. 整段 0 简化：某一字段全为 0 时，可用单个 0 表示，如 0000 写成 0。

  3. **连续多段 0 压缩：**连续多个全 0 字段，可用::省略，但整个地址中::只能出现一次

• 等价地址示例：通过简写规则，不同形式的 IPv6 地址实质等价，如 2001:0DB8:02de::0e13 与 2001:DB8:2de::e13 为同一地址的不同合法表示。

IPv6 网卡基础地址

IPv6 规定每个网卡至少拥有 3 个地址：

• 链路本地地址：前缀为 1111 1110 10（以 fe80 开头），用于本地链路通信。
• 全球单播地址：可全局路由的地址，用于互联网通信。
• 回送地址：原文标注存在矛盾（括号内 “站点本地地址” 错误，实际回送地址为 ::1，类似 IPv4 的 127.0.0.1），属于基础测试地址。

自动地址配置机制

全状态自动配置：继承 IPv4 的 DHCP 服务，通过动态主机配置协议获取地址。

无状态自动配置：分两阶段完成：

• 第一阶段：生成链路本地地址
  主机将网卡 MAC 地址附加到链路本地地址前缀后，生成初始地址，通过 ICMPv6 邻居发现请求验证唯一性；若冲突，则用随机接口 ID 重新生成。
• 第二阶段：获取全球单播地址
  以链路本地地址为源，向本地链路路由器组播 ICMPv6 路由请求，获取可聚合全球单播地址前缀，结合自身接口 ID，自动配置全球单播地址，无需人工干预。

IPv4/IPv6 过渡技术，具体内容如下：

• 双协议栈技术

  • 原理：节点同时支持 IPv4 和 IPv6 双协议栈，使设备能同时处理两种协议的业务。

  • 作用：实现 IPv4、IPv6 业务在同一节点的共存，确保网络过渡期间两种协议的兼容运行。

• 隧道技术

  • 原理：在 IPv4 网络中构建 “隧道”，承载 IPv6 业务数据，使 IPv6 数据包能穿越 IPv4 网络。

  • 类型：

    • 6to4 隧道：通过 IPv4 地址嵌入 IPv6 地址，实现 IPv6 网络互通。
    • 6over4 隧道：将 IPv6 数据包封装在 IPv4 数据包中传输。
    • ISATAP 隧道：利用 IPv4 网络为 IPv6 设备分配链路本地地址，促进过渡。

• NAT-PT 技术

  • 原理：通过网关设备连接 IPv4、IPv6 网络，当两类节点互访时，网关执行协议转换、翻译及地址映射。

  • 作用：解决 IPv4 与 IPv6 网络间的互通问题，确保不同协议节点的通信兼容性。

网络规划与设计的流程

1. 需求分析：
   • 任务：明确业务需求、用户需求、应用需求、计算机平台需求、网络通信需求等。
   • 产物：形成《需求规范》文档，作为后续设计的基础。
2. 通信规范分析：
   • 任务：分析现有网络体系，估算通信流量、测量设备利用率，掌握网络通信特征。
   • 产物：输出《通信规范》，为网络设计提供数据支撑。
3. 逻辑网络设计：
   • 任务：根据需求和通信规范，选择适配的设计方案，确定网络逻辑结构（如拓扑、协议、子网划分等）。
   • 产物：输出《逻辑设计文档》，定义网络逻辑层面的实现方案。
4. 物理网络设计：
   • 任务：将逻辑设计转化为物理实现，确定网络物理结构（如设备部署、线缆规划、机房布局等）。
   • 产物：形成《物理结构设计文档》，指导硬件实施。
5. 实施阶段：
   • 任务：按照设计文档完成物理网络搭建、设备安装，并进行后期维护，确保网络落地运行。

“网络规划与设计 — 逻辑网络设计”

逻辑网络设计的定位

• 是网络设计的核心阶段，基于 需求规范 和 通信规范，选择适宜的网络逻辑结构，并开展资源分配规划、安全规划等。最终输出 逻辑网络设计文档，指导后续实施。

逻辑网络设计工作内容

1. 网络结构设计：规划网络逻辑拓扑、架构。
2. 技术选择：包括物理层技术、局域网技术、广域网技术的选型与应用。
3. 地址与命名：设计 IP 地址方案、网络设备命名模型。
4. 协议与管理：确定路由选择协议，规划网络管理策略。
5. 安全设计：制定网络安全方案，保障网络安全。
6. 文档输出：形成逻辑网络设计文档，汇总设计成果。

逻辑网络设计输出内容

• 设计成果：逻辑网络设计图、IP 地址方案、安全管理方案。
• 实施细节：具体软 / 硬件设备、广域网连接设备、基础网络服务的规划。
• 人力与成本：包含网络员工招聘培训说明，以及软 / 硬件、服务、员工培训等费用的初步估算。

网络规划与设计 — 物理网络设计

物理网络设计的定位

• 是对逻辑网络设计的物理实现，通过规划设备的物理分布、运行环境等，确保网络的物理连接满足逻辑设计要求。需确定具体的软 / 硬件、连接设备、布线及服务部署方案。

物理网络设计的输出内容

1. 物理部署文档：
   • 网络物理结构图：呈现设备物理连接关系；
   • 布线方案：规划线缆铺设路径、类型（如网线、光纤）等。
2. 设备与成本清单：
   • 设备和部件详细列表：罗列服务器、交换机、路由器等硬件及配件；
   • 软硬件和安装费用估算：对设备采购、安装调试等成本进行预估。
3. 实施与维护计划：
   • 安装日程表：明确设备安装、服务部署的时间节点和期限；
   • 安装后测试计划：规划网络连通性、性能等测试方案；
   • 用户培训计划：制定针对用户的操作培训内容，确保网络使用规范性。

分层设计模型

核心层

• 设备：核心交换机，连接防火墙与 Internet。
• 功能：
  • 承担高速数据交换，保障网络骨干链路的高速数据传输；
  • 负责出口路由，实现内部网络与 Internet 的连接；
  • 常用冗余机制（如双核心交换机），确保网络高可靠性。

汇聚层

• 设备：汇聚交换机，承上启下连接核心层与接入层。
• 功能：
  • 实施网络访问策略控制，过滤数据包；
  • 执行策略路由、广播域定义及网络寻址，优化流量转发；
  • 整合接入层流量，减轻核心层处理压力。

接入层

• 设备：接入交换机（也可使用集线器），直接连接用户终端。
• 功能：
  • 实现用户接入，管理用户认证（如 MAC 地址认证）、过滤；
  • 执行计费管理，收集用户信息，满足终端接入的基础网络需求。

该分层设计通过明确各层级职责，实现网络流量高效处理、策略精准控制及用户便捷接入，是大型网络架构的经典规划方式。