俗讲计算机网络
skaiuijing
引言
有人说，计算机网络就像送快递，不过这样比喻未免太过生硬，让笔者用生活场景带大家理解计算机网络。
生活
想必大家高中都上过晚自习吧，大多时候，晚自习都像这样（老师视角），猴多猴多的猴：
如果距离比较近，大家就直接聊天，如果距离比较远，大家会选择传纸条等方式进行沟通。
有没有办法，建立一个通用的规范呢，让大家的沟通更加顺利呢？
有的，其实计算机网络就是为了解决这些问题的。
让我们跟着主人公小帅的视角，看看他是怎么建立通信规范的吧！
ARP
你叫小帅，是一名刚上高中的学生，在高一年级1144班第10排第1个。
上课第一天，你在窗口发呆时，很快注意到了同班第1排第2个的女生。
当然，这个时候你并不知道她的名字。
那么，怎么办呢？
想了想，你鼓足了勇气，大喊到：“第1排第2个的女生， 我是第10排第1个的男生，我叫小帅，能告诉我你的名字吗？”
很快，一个声音穿了过来，“你好，第10排第1个的小帅同学，我叫小美！”
就这样你知道了小美的名字。
很好，现在记住了，每个人的名字在计算机网络中就叫mac，而高一年级1144班第10排第1个，就叫ip地址。
IP
既然知道了女孩的名字，那么一切都好办了，在上课时，由于两人之间距离比较近，可以写一封信，从小帅直接传递到小美。
IP分片
你与小美的交流就这样开始了，但是由于你写的内容过多，因此一张信封写不下，于是，你想了个好办法，在信的封面又加上字段：
1 | 接收方：小美 |
小美收到后，就知道一共有两封信，要拼接在一起看。
路由匹配
上面的情况在你和小美在同一个班级1144班，可以直接把信送到小美手上，但是如果小美在1164班呢？
首先，ARP肯定是没用的，因为两个班距离比较远，小美根本听不到。
为了解决这个问题，小帅会记录一张表，我们叫它路由表，这张表记录了整个班级的人的ip地址。
然后，班级里面决定选举一位信使，他会把信从一个班送到另一个班，我们叫他网关。
现在，小帅要发给小美消息。
小帅会先查路由表，发现小美的IP不在本班，于是选择默认网关的 IP。
于是，小帅写了一封信：
1 | IP地址；高一年级1164班第1排第2个 |
那么，这封信要送出去，但是很明显，你无法一步到位，直接送到小美那里，你只能送到旁边的网关小李这里。
于是你想了想，又加上了一行：
1 | 接收方：小李 |
然后，你把信递给了小李。
小李看到之后，由于距离原因，他也只能送给旁边的小a、小b、小c。
那么，到底送给谁呢？
很简单，根据ip地址进行匹配。
通常情况下，班级与班级之间都是紧紧挨着的。小美在高一年级1164班，那么肯定不能送到高二年级，而是送到离1164班最近的那位同学手里。
小a在1145班，而小b在1143班，我们都知道，序号越接近距离越近，那么，肯定送给小a，于是，这封信变成了下面这样：
1 | 接收方：小a |
同理，小a看了看，发现小g在1146班，而周围其他网关同学在1145等班级班，于是，小a把信给小g。
就这样，信到了1164班第十排第三个的网关小黄同学手里，而他距离小美只有一段距离，在这里，小黄进行查表后发现，小美就在本班，于是他发送ARP广播获得小美的mac，然后把信补充完整，再把信给到小美手上。
在计算机网络中，就是路由。
现在，我们已经跑通了整个流程，但是，这仅仅是开始。
校验和
在上面，我们假设信的内容是完整的，中间过程没有被篡改，但是，实际情况肯定不能这样，那么，如何检验信是否完整呢？
小帅很聪明，马上，他想到了用特定值表示每一个汉字，然后把所有字的值加起来，最后就能得到一个数，把这个叫做校验和的数写在封面。
1 | 接收方：小李 |
当小美拿到信后，把信上所有字加起来，然后进行检验，就能判断这封信的内容有没有被篡改过。
当然，其实这里小帅用到了一些小学二年级学过的抽象代数的内容（毕竟大家都是在这个时候学数学运算）。
在这里，操作步骤并不是简单的相加，还涉及一些步骤，但是考虑观众基础，笔者这里还是讲简单点。
ICMP
有的时候小美不在座位上，一封信写出去半天没有回应，有什么好办法呢？
小帅想到了，进行通信前，先写信测试一下：
1 | 接收方：小李 |
如果小美回复：
1 | 接收方：小黄 |
那么，小帅就知道小美是可以收到消息的，就可以放心沟通了。
这就是ping命令。
UDP
刚开始，小帅写完信后，就立刻送出去了，然后想到什么写什么，小美也这样做，很快，一些问题暴露出来了。
由于邪恶的教导主任和班主任经常在班与班之间或者班内巡逻，你们的信有不少被他收缴起来了，还有不少信在传递过程中就出现了丢失，甚至，经常有人冒充小美，给你写信。
你们的通信非常不顺利。
怎么办呢？
TCP
确认
小帅很快想到了办法，保证连接的一个很直接的思想就是进行一个确认：
小帅规定，在双方进行通信的过程，接收方收到数据后，要向发生方发生一个确认的信封：
小帅：发了一个数据报，你收到了吗？
小美：我收到了
但是，这样还不够，你们担心数据混乱问题，又设置了一些方法：
三次握手
你们各自设置了一个初始序列号ISS，当写信时，双方交换序列号。
在信封上，你们加上了两个字段，一个是seq，另一个是ack，seq表示期望发送的序列号，ack是期望接收的序列号
于是，信变成了这样：
1 | seq: 期望发送的序列号 |
这样做有什么用呢？
建立连接
你先初始化随机化iss的值，把这个值写入seq，然后发出去。
1 | seq: 小帅的ISS |
小美看见这封信之后，也回复：
1 | seq: 小美的ISS |
小帅再收到这封信时，更新seq和ack，并且送信确认：
1 | seq: 小帅的ISS + 1 |
这样做的好处是什么呢？你们可以使用序列号表示接下来的信的字的个数，如果你们发现序列号对不上，那么就代表可能出现了丢失信封的情况。
那么，为什么是三次握手呢？
其实很简单，就算确保双方都能互相确认：
小帅->小美，小美收到信后，知道了小帅可以向他发送消息，但是小帅还不知道这一点。
小美->小帅，小帅知道B可以向他发送消息，但是小美还不知道。
小帅->小美，小美知道小帅知道小美可以向他发送消息。
好了，现在双方都知道了可以互相发送消息了。
定时器与重传
由于经常发生丢包事件，每当小帅写了一封信半天没有回应后，都会选择重新写一封寄出去。
为了优化流程，小帅决定计时。
当每一封信发出去时，如果五分钟之内，还没有收到小美的确认信，那么小帅就决定重新发送。
但是，对于每一份信都用五分钟这个标准，肯定是不适用的。
RTT估计
如果仅仅是拿上一次一封信的往返时间来判断这一次大概要花多久，多少有点不严谨，如果全部取平均数，又忽略了现实的变化。
于是小帅设计了一个公式，用来估算一封信的往返时间，也就是这封信发出，再到收到小美的ACK：
1 | RTT = a*历史数据 + (1 - a)最近一次的数据 |
其中a一般是7/8，也就是7/8是历史数据，1/8是这一次的时间。
RTO
那么我们可以在这个基础上设置最大容忍时间，只要超过了这个时间，我们就认为这封信被老师收缴或其他原因导致丢失了，需要重新写。
拥塞控制算法
当一封信丢失时，极大概率是因为小美收到太多信了，处理不过来，在这个时候，如果继续写信，会加大小美的负担。
因此，丢包是一个非常重要的信号，每当发现出现较多丢包情况时，小帅会选择降低写信频率，从而减少发送的数据量。
如果信的发送一直非常顺利，那么小帅就会加快发送信件的频率。
Linux内核BBR算法
但是，还有一种可能，那就是这封信被教导主任收缴了，其实小美本身并没有收到过多信件，在这种情况下，其实也是可以继续写信的，如果教导主任收缴信过多，那么再降低发送频率也不迟。
小帅又想到了一种算法，可以通过一封信的往返时间的变化来判断小美是否繁忙，而不必依赖丢包作为信号。
保活机制
有时候，小帅和小美双方长时间没有沟通，但是没有哪一方提出要结束通信，这个时候，怎么判断双方都在线呢？
小帅想到了，可以每隔一段时间，向小美发送一份信件，如果小美回复了，那么说明她在线，如果不回复，说明通信结束了。
结束连接
其实结束双方通信与建立连接是差不多的，这里就不过多赘述了。
攻击
你和小美的交流一直很顺利，但是这引起了黄毛同学的不满，于是他想到了一些方法，来破坏你们之间的交流。
ARP攻击
小黄同学欺骗了班上的网关同学，称高一年级1164班第1排第2个的女生就是自己，于是，网关把信改成了这样：
1 | 接收方：小黄 |
当网关拿到信以后，会直接把信交给小黄，现在小黄可以：
1.修改信的内容再把它转发给小美
2.直接丢弃
SYN攻击
由于小美每天都会收到大量信件，为了标识每一个连接，她会用很多盒子（内存）装来自不同人的信。
在其中，第一次新的连接发送过来的信被称之为SYN，小美看见这种信后，就知道有一位新同学想建立通信，于是，她会用一个盒子封装必要的信息，比如这个连接的双方是谁等等。
小黄同学发现这一点后，于是构造了非常多的SYN信件发送给小美，很快，小美由于桌上信封太多，根本来不及处理小帅的消息了。
TCP重置攻击
小黄通过伪造信件，向小帅和小美发送伪造的消息，告诉她们立即断开连接，小帅看见信后，以为小美有急事，于是马上断开了连接，而小美也以为小帅有急事，双方就这样断开了连接。
