Internet History, Technology, and Security（week5）——Technology: Internets and Packets

前言：

之前都在学习Internet的历史，从这周开始，进入到了Internet技术的学习。

Layer1: Link

• Introduction / The Link Layer
  

80年代之前，主流网络的还是Store and Forward Networking（存储转发网络），但是由于其在数据处理方面延时较大，无法应用于条件严苛的军事领域，故军方出力研究出了ARPANET——一个典型的packet switch network（分组交换网络）。

ARPANET给出了一个不一样的网络：Shared Network——把一大段信息分成许多个packets（数据包），利用路由器做短期短距离的数据传输，多个路由器接连负责将收到的数据包传送给下一个路由器，hop依然存在，路由器之间的不断转发最终让数据汇聚到目的地。

Shared Network上的数据需要在路由器与路由器之间不停的Hop，为了简化和管理，业界提出了分为四层的Layered Network Model（网络分层模型），随之在各层上用协议（Protocol）来约束层与层之间要如何协同工作，简化过程。

Link Layer（链路层）是协议的第一层。由于是分层模型，因此在这层上，只考虑物理层面上实现传输数据即可。物理的传输介质，如有线、无线传输、光缆等，都可以看做是一个Link。

Ethernet（以太网）可以说是目前应用最为广泛的Link Layer，硬件制造商在制造带有以太网或者无线适配器的电子器件时，都会用六组两两结合的字符去标识这些硬件，这其实属于一种物理地址（Mac地址），硬件之间正是通过地址来识别。

当涉及到共享的问题时，必然需要一个与之相对应的冲突解决方案，以太网采用的则是CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波监听多路访问及冲突检测）。设备在发送数据前会对信道进行Listen（监听），当没有其他正在传输的数据时，才可以进行传输，否则在某个周期内将会一直持续监听。

Layer2: Internet Portocol

• The InterNetwork (IP)

Internetwork Layer（网络层）需要关心的是多个Link的连接问题，这是分层模型带来的好处。

与前面的Mac地址不同，IP地址不是与硬件有关的且一成不变的，物理地址在某个硬件被制造时就由制造商决定了，IP地址是全球性的，当你到了其他地方IP地址就会随之发生改变。

IP地址（IPv4）格式是32bits的，由四个小数点分隔，每组都由0 ~ 255（8bits）的二进制数组成。IP地址分为前缀网络号和后缀主机号，前者用子网掩码来表示，用于表示IP地址从属的网络，后者指明网络中的具体主机号。数据在网络传输过程中会先根据网络号找到指定网络，再根据主机号索引到目标主机。

Router Tables（路由表）是路由器等网络设备上存储的一张动态更新的信息表，路由表中存放了发送源和目的地的地址，可以根据目的地的ip地址决定了数据该往哪个方向传递，路由表中还包含了相邻链路的带宽情况，智能选择路径以避免拥堵。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议，在接收申请之后，可以为新连入网络的主机分配一个IP地址。例如当我们在咖啡厅、在家与在工作单位分别连接网络时，其实分配的IP地址是不同的，但是我们在接入网络的时候却没有因为地址不同而被拒绝，这都归功于DHCP。

如果为所有机构的所有电脑都分配一个真实存在的IP地址，那么IP地址将会很紧缺（IPv4情况下是2的32次方个），所以出现了Network Address Translation技术。

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术可使专用网内部已分配的本地IP地址与因特网上的主机进行通信，这种通过使用少量的公有IP地址代表较多的私有IP地址的方式，有助于减缓IP地址枯竭的情况。不过NAT分配的只在内部网络使用的虚拟IP地址，不能直接访问因特网，只有通过ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）转换为real global routable address，才能与因特网传输数据。

TTL（Time to Live，存活时间）是每个IP数据包自带的一个用来表示生存时间的字节，最大值为255。TTL每经过一个路由器减少1，减到零之后就丢弃数据包，防止无限hop导致死循环造成网络堵塞。

小结：