计算机速成课Crash Course - 28. 计算机网络
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28. 计算机网络
互联网太棒啦，键盘敲几下就能在 Youtube 直播--哈喽！在维基百科上阅读文章，在亚马逊买东西和朋友视频，发一条天气推特。
毫无疑问，用户在全球网络中发送和接收信息的能力，永远改变了这个世界。
150年前 发一封信件从伦敦到加州要花2~3周，而且还是特快邮件，如今电子邮件只要几分之一秒。
"时延"改善了上百万倍(时延指传播一条信息所需的时间)，振兴了全球经济，帮助现代世界在遍布全球的光纤中快速发展。
你可能觉得计算机和网络密切相关，但事实上，1970年以前大多数计算机是独立运行的。
然而，因为大型计算机开始随处可见，廉价机器开始出现在书桌上，分享数据和资源渐渐变得有用起来。
首个计算机网络出现了，今天起，我们花3集视频讲网络是如何发展成现在的样子，以及支撑它们的基础原理和技术。
第一个计算机网络出现在1950~1960年代，通常在公司或研究室内部使用，为了方便信息交换。
比把纸卡或磁带送到另一栋楼里更快速可靠，这叫"球鞋网络"。
第二个好处是能共享物理资源。举个例子，与其每台电脑配一台打印机，大家可以共享一台联网的打印机。
早期网络也会共享存储空间，因为每台电脑都配存储器太贵了。
计算机近距离构成的小型网络，叫局域网， 简称LAN，局域网能小到是同一个房间里的两台机器，或大到校园里的上千台机器。
尽管开发和部署了很多不同 LAN 技术，其中最著名和成功的是"以太网"，开发于1970年代，在施乐的"帕洛阿尔托研究中心"诞生, 今日仍被广泛使用。
以太网的最简单形式是：一条以太网电线连接数台计算机，当一台计算机要传数据给另一台计算机时，它以电信号形式，将数据传入电缆。
当然 因为电缆是共享的，连在同一个网络里的其他计算机也看得到数据，但不知道数据是给它们的，还是给其他计算机的。
为了解决这个问题 以太网需要每台计算机有唯一的媒体访问控制地址，简称 MAC地址，这个唯一的地址放在头部，作为数据的前缀发送到网络中。
所以，计算机只需要监听以太网电缆，只有看到自己的 MAC 地址，才处理数据，这运作得很好，现在制造的每台计算机都自带唯一的MAC地址，用于以太网和无线网络。
多台电脑共享一个传输媒介，这种方法叫 "载波侦听多路访问"，简称"CSMA"。
载体(carrier)指运输数据的共享媒介，以太网的"载体"是铜线，WiFi 的"载体"是传播无线电波的空气。
很多计算机同时侦听载体，所以叫"侦听"和"多路访问"，而载体传输数据的速度叫"带宽"。
不幸的是，使用共享载体有个很大的弊端，当网络流量较小时 计算机可以等待载体清空，然后传送数据。
但随着网络流量上升，两台计算机想同时写入数据的概率也会上升，这叫冲突，数据全都乱套了。
就像两个人同时在电话里讲话，幸运的是，计算机能够通过监听电线中的信号检测这些冲突，最明显的解决办法是停止传输，等待网络空闲, 然后再试一遍。
问题是 其他计算机也打算这样做，其他等着的计算机可能在任何停顿间隙闯入，导致越来越多冲突。
很快，每个人都一个接一个地讲话，而且有一堆事要说，就像在家庭聚餐中和男朋友分手一样。
以太网有个超简单有效的解决方法，当计算机检测到冲突，就会在重传之前等待一小段时间。
因为要举例，假设是 1 秒好了，当然，如果所有计算机用同样的等待时间，是不行的，它们会在一秒后再次冲突。
所以加入一个随机时间，一台计算机可能等1.3秒，另一台计算机等待1.5秒，要是运气好，等1.3秒的计算机会醒来，发现载体是空闲的，然后开始传输。
当1.5秒的计算机醒来后，会发现载体被占用，会等待其他计算机完成，这有用，但不能完全解决问题，所以要用另一个小技巧。
正如我刚才说的，如果一台计算机在传输数据期间检测到冲突，会等一秒+随机时间，然而，如果再次发生冲突，表明有网络拥塞。
这次不等1秒，而是等2秒，如果再次发生冲突等4秒，然后8秒、16秒等等，直到成功传输。
因为计算机的退避，冲突次数降低了，数据再次开始流动起来网络变得顺畅，家庭晚餐有救啦！
这种指数级增长等待时间的方法叫：指数退避，以太网和WiFi都用这种方法，很多其他传输协议也用。
但即便有了"指数退避"这种技巧，想用一根网线链接整个大学的计算机还是不可能的，为了减少冲突+提升效率，我们需要减少同一载体中设备的数量，载体和其中的设备总称 "冲突域"。
让我们回到之前以太网的例子，一根电缆连6台计算机，也叫一个冲突域，为了减少冲突，我们可以用交换机把它拆成两个冲突域。
交换机位于两个更小的网络之间，必要时才在两个网络间传数据，交换机会记录一个列表，写着哪个 MAC 地址在哪边网络。
如果A想传数据给C，交换机不会把数据转发给另一边的网络，没必要。
如果E想同一时间传数据给F，网络仍然是空的，两个传输可以同时发生，但如果F想发数据给A，数据会通过交换机，两个网络都会被短暂占用。
大的计算机网络也是这样构建的，包括最大的网络 - 互联网，也是多个连在一起的稍小一点网络，使不同网络间可以传递信息。
这些大型网络有趣之处是，从一个地点到另一个地点通常有多条路线，这就带出了另一个话题 路由。
连接两台相隔遥远的计算机或网路，最简单的办法，是分配一条专用的通信线路，早期电话系统就是这样运作的。
假设"印第安纳波利斯"和"米苏拉"之间，有五条电话线，如果在1910年代，John 想打电话给 Hank，John要告诉操作员他想打到什么地方，然后工作人员手动将 John 的电话连到通往米苏拉的未使用线路。
通话期间这条线就被占用了，如果五条线都被占用了，John 要等待某条线空出来，这叫 "电路交换"，因为是把电路连接到正确目的地。
能用倒是能用，但不灵活而且价格昂贵 因为总有闲置的线路，好处是 如果有一条专属于自己的线路，你可以最大限度地随意使用，无需共享。
因此军队, 银行和其他一些机构，依然会购买专用线路来连接数据中心。
传输数据的另一个方法是 "报文交换"，"报文交换" 就像邮政系统一样，不像之前A和B有一条专有线路，消息会经过好几个站点。
如果 John 写一封信给 Hank，信件可能从"印第安纳波利斯"到"芝加哥"，然后"明尼阿波利斯" 然后"比林斯" 最后到"米苏拉"。
每个站点都知道下一站发哪里，因为站点有表格，记录到各个目的地，信件该怎么传。报文交换的好处是，可以用不同路由，使通信更可靠更能容错。
回到邮件的例子，如果"明尼阿波利斯"有暴风雪中断了通信，"芝加哥"可以传给"奥马哈"。
在这个例子里，城市就像路由器一样，消息沿着路由跳转的次数，叫"跳数"(hop count)。记录跳数很有用，因为可以分辨出路由问题。
举例，假设芝加哥认为，去米苏拉的最快路线是奥马哈，但奥马哈认为去米苏拉的最快路线是 芝加哥。
这就糟糕了，因为2个城市看到目的地是米苏拉，结果报文会在2个城市之间不停传来传去，不仅浪费带宽，而且这个路由错误需要修复!
这种错误会被检测到，因为跳数记录在消息中，而且传输时会更新跳数，如果看到某条消息的跳数很高，就知道路由肯定哪里错了，这叫"跳数限制"。
报文交换的缺点之一是有时候报文比较大，会堵塞网络 因为要把整个报文从一站传到下一站后，才能继续传递其他报文。
传输一个大文件时，整条路都阻塞了，即便你只有一个1KB的电子邮件要传输，也只能等大文件传完，或是选另一条效率稍低的路线。
这就糟了。
解决方法是将大报文分成很多小块，叫"数据包"，就像报文交换，每个数据包都有目标地址，因此路由器知道发到哪里，就像报文交换 每个数据包都有目标地址，因此路由器知道发到哪里。
报文具体格式由"互联网协议"定义，简称 IP，这个标准创建于 1970 年代，每台联网的计算机都需要一个IP地址，你可能见过，以点分隔的4组数字。
例如 172.217.7.238 是 Google 其中一个服务器的IP地址。
数百万台计算机在网络上不断交换数据，瓶颈的出现和消失是毫秒级的，路由器会平衡与其他路由器之间的负载，以确保传输可以快速可靠，这叫"阻塞控制"。
有时，同一个报文的多个数据包，会经过不同线路，到达顺序可能会不一样，这对一些软件是个问题。
幸运的是，在 IP 之上还有其他协议，比如 TCP/IP, 可以解决乱序问题，我们下节课会讲。
将数据拆分成多个小数据包，然后通过灵活的路由传递，非常高效且可容错，如今互联网就是这么运行的，这叫"分组交换"。
有个好处是 它是去中心化的，没有中心权威机构，没有单点失败问题。
事实上，因为冷战期间有核攻击的威胁，所以创造了分组交换。
如今，全球的路由器协同工作，找出最高效的线路，用各种标准协议运输数据，比如 "因特网控制消息协议"(ICMP)和 "边界网关协议"(BGP)。
世界上第一个分组交换网络，以及现代互联网的祖先是 ARPANET，名字来源于赞助这个项目的机构，美国高级研究计划局，这是 1974 年整个 ARPANET 的样子。
每个小圆表示一个地点，比如大学或实验室，那里运行着一个路由器，并且有一台或多台计算机，能看到 "PDP-1" 和"IBM 360系统"。
甚至还有一个伦敦的 ATLAS，是通过卫星连到网络里的。
显然，互联网在这几十年间发展迅速，如今不再只有几十台计算机联网，据估计，有接近100亿台联网设备，而且互联网会继续快速发展。
特别是如今各种智能设备层出不，比如联网冰箱，恒温器以及其他智能家电，它们组成了"物联网"。
第一部分到此结束，我们对计算机网络进行了概览，网络是一堆管子组成的吗？算是吧。
下节课我们会讨论一些高级传输协议，然后讲万维网。
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