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# 21.1计算机网络概述

今天我想讨论一下Networking以及它与操作系统的关联。今天这节课的很多内容都与最后一个lab，也就是构建一个网卡驱动相关。在这节课，我们首先会大概看一下操作系统中网络相关的软件会有什么样的结构，之后我们会讨论今天的论文[Livelock](https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/readings/mogul96usenix.pdf)。Livelock展示了在设计网络协议栈时可能会出现的有趣的陷阱。

首先，让我通过画图来描述一下基本的网络场景。网络连接了不同的主机，这里的连接有两种方式：

相近的主机连接在同一个网络中。例如有一个以太网设备，可能是交换机或者单纯的线缆，然后有一些主机连接到了这个以太网设备。这里的主机可能是笔记本电脑，服务器或者路由器。在设计网络相关软件的时候，通常会忽略直接连接了主机的网络设备。这里的网络设备可能只是一根线缆（几十年前就是通过线缆连接主机）；也可能是一个以太网交换机；也可能是wifi无线局域网设备（主机通过射频链路与网络设备相连），但是不管是哪种设备，这种直接连接的设备会在网络协议栈的底层被屏蔽掉。

每个主机上会有不同的应用程序，或许其中一个主机有网络浏览器，另一个主机有HTTP server，它们需要通过这个局域网来相互通信。

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一个局域网的大小是有极限的。局域网（Local Area Network）通常简称为LAN。一个局域网需要能让其中的主机都能收到彼此发送的packet。有时，主机需要广播packet到局域网中的所有主机。当局域网中只有25甚至100个主机时，是没有问题的。但是你不能构建一个多于几百个主机的局域网。

所以为了解决这个问题，大型网络是这样构建的。首先有多个独立的局域网，假设其中一个局域网是MIT，另一个局域网是Harvard，还有一个很远的局域网是Stanford，在这些局域网之间会有一些设备将它们连接在一起，这些设备通常是路由器Router。其中一个Router接入到了MIT的局域网，同时也接入到了Harvard的局域网。

![](/files/-MNznzCq8zYPg80KRkNr)

路由器是组成互联网的核心，路由器之间的链路，最终将多个局域网连接在了一起。

![](/files/-MNzob0uAH9YylTEG5Aw)

现在MIT有一个主机需要与Stanford的一个主机通信，他们之间需要经过一系列的路由器，路由器之间的转发称为Routing。所以我们需要有一种方法让MIT的主机能够寻址到Stanford的主机，并且我们需要让连接了MIT的路由器能够在收到来自MIT的主机的packet的时候，能够知道这个packet是发送给Harvard的呢，还是发送给Stanford的。

从网络协议的角度来说，局域网通信由以太网协议决定。而局域网之上的长距离网络通信由Internet Protocol协议决定。以上就是网络的概述。

接下来我想介绍一下，在局域网和互联网上传递的packet有什么样的结构，之后再讨论在主机和路由器中的软件是如何处理这些packet。