CMU 15-213 Intro to Computer Systems Lecture 21 to Lecture 22

课程主页：http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f15/www/schedule.html

课程资料：https://github.com/EugeneLiu/translationCSAPP

课程视频：https://www.bilibili.com/video/av31289365/

这一部分回顾Lecture 21至Lecture 22，介绍了网络编程。

备注：图片和总结内容均来自于课件。

说明：

大部分内容已经整理过，这部分参考之前的笔记：

https://doraemonzzz.com/2021/09/22/2021-9-22-%E6%B7%B1%E5%85%A5%E7%90%86%E8%A7%A3%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%B3%BB%E7%BB%9F-%E7%AC%AC11%E7%AB%A0-%E7%AC%94%E8%AE%B0%E6%95%B4%E7%90%86/

这里仅仅进行补充。

Lecture 21

计算机网络

网络是按地理邻近性组织的盒子和电线的分层系统
- SAN（系统局域网）跨越集群或机房
  - 交换式以太网、Quadrics QSW、……
- LAN（局域网）跨越建筑物或校园
  - 以太网是最突出的例子；
- WAN（广域网）跨越国家或世界
  - 典型的高速点对点电话线；
互联网络（internet）是一组相互连接的网络
- 全球IP互联网（Global IP Internet）是最著名的互联网（internet）示例；

众所周知的端口和服务名称

热门服务已经永久分配了知名端口和对应的知名服务名称：
- echo服务：7/echo
- ssh服务器：22/ssh
- 电子邮件服务器：25/smtp
- 网络服务器：80/http
众所周知的端口和服务名称之间的映射包含在每台Linux机器上的/etc/services文件中。

连接剖析

连接由其端点的套接字地址（套接字对，(cliaddr:cliport, servaddr:servport)）唯一标识：

使用端口识别服务

套接字

什么是套接字
- 对内核来说，套接字是通信的端点；
- 对于应用程序，套接字是一个文件描述符，它允许应用程序从/向网络读/写；
  - 记住：所有Unix I/O设备，包括网络，都被建模为文件；
客户端和服务器通过读取和写入套接字描述符来相互通信：
常规文件I/O和套接字I/O之间的主要区别在于应用程序如何“打开”套接字描述符；

套接字地址结构

通用套接字地址：
- 用于连接、绑定和接受的地址参数；
- 该结构是必要的，因为在设计套接字接口时C没有通用(void *)指针；
- 为方便转换，我们采用 Stevens 约定：
```
typedef struct sockaddr SA；
```
- 代码：
```
struct sockaddr { 
  uint16_t  sa_family;    /* Protocol family */ 
  char      sa_data[14];  /* Address data.  */ 
};       
```
- 内存结构：

Internet专用套接字地址：

对于采用套接字地址参数的函数，必须将(struct sockaddr_in )转换为(struct sockaddr )。

代码：

struct sockaddr_in  { 
  uint16_t        sin_family;  /* Protocol family (always AF_INET) */ 
  uint16_t        sin_port;    /* Port num in network byte order */ 
  struct in_addr  sin_addr;    /* IP addr in network byte order */ 
  unsigned char   sin_zero[8]; /* Pad to sizeof(struct sockaddr) */ 
};

内存结构：

套接字接口

客户端-服务器事物的上下文中的套接字接口：

流程：

开启服务器；
开启客户端；
交换数据；
断开客户端；
删除客户端；

基本互联网元素

互联网主干（Backbone）：
- 通过高速点对点网络连接的路由器（全国或全球）的集合；
互联网交换点（IXP）：
- 连接多个主干网（通常称为对等点）的路由器；
- 也称为网络接入点（NAP）；
区域网络（Regional net）：
- 覆盖较小地理区域（例如，城市或州）的较小骨干网；
存在点（POP）：
- 连接到互联网的机器；
互联网服务提供商（ISP）：
- 提供对POP的拨号或直接访问；

Internet 连接层次结构

IP地址结构

IP(V4)地址空间分为几类：
网络ID以w.x.y.z/n格式书写
- n = 主机地址中的位数
- 例如，CMU写为128.2.0.0/16
  - B类地址
未路由（私有）IP 地址：
- 10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16

互联网的进化

原始想法
- Internet上的每个节点都有唯一的IP地址
  - 每个人都可以直接与每个人交谈；
- 没有保密或认证
  - 同一LAN上的路由器和主机可见消息；
  - 可以在包头中伪造源字段；
缺点
- 没有足够的可用IP地址；
- 不希望每个人都可以访问或了解所有其他主机；
- 安全问题；

互联网的进化：命名

动态地址分配
- 大多数主机不需要知道地址
  - 只有那些充当服务器的主机需要
- DHCP（动态主机配置协议）
  - 本地ISP分配临时使用的地址
例子：
- CMU笔记本电脑（有线连接）
  - IP地址128.2.213.29(bryant-tp4.cs.cmu.edu)
  - 静态分配
- 家里的笔记本电脑
  - IP地址192.168.1.5
  - 仅在家庭网络内有效

互联网的进化：防火墙

防火墙
- 对Internet的其余部分隐藏组织节点；
- 在组织内使用本地IP地址；
- 对外服务，提供代理服务；
  - 客户端请求：src=10.2.2.2，dest=216.99.99.99
  - 防火墙转发：src=176.3.3.3，dest=216.99.99.99
  - 服务器响应：src=216.99.99.99，dest=176.3.3.3
  - 防火墙转发响应：src=216.99.99.99, dest=10.2.2.2

Lecture 22

代理

代理是客户端和源服务器之间的中介
- 对客户端来说，代理就像一个服务器
- 对于服务器来说，代理就像一个客户端

为什么使用代理？

可以在请求和响应通过时执行有用的功能
- 示例：缓存、日志记录、匿名化、过滤、转码