系统网络架构描述：系统设计基础知识 一

系统网络架构描述：系统设计基础知识 一一般流程如下：上图中，1 号计算机向 2 号计算机发送一个数据包，同一子网中的 3 号、4 号和 5 号计算机都会收到这个数据包。他们读取数据包的“标头”，找到接收方的 MAC 地址，并将其与自己的 MAC 地址进行比较。如果两者相同，则接受该数据包进行进一步处理，否则丢弃该数据包。这种发送方式称为“广播”。有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，“链路层”就可以在多台计算机之间传输数据

今天，我将分享系统设计的基础知识。

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1. Client-Server 模型
   C/S是一种软件系统架构，通过它可以充分发挥两端硬件环境的优势，将任务合理分配到客户端和服务器端来实现这一点，从而减少系统的通信开销。目前，大多数应用软件系统都采用Client/Server形式的两层结构。由于当前的软件应用系统正在向分布式Web应用发展，Web和Client/Server
   应用都可以进行相同的业务处理，应用不同的模块。共享逻辑组件；因此，内部和外部用户可以访问新的和现有的应用系统，并且可以通过现有应用系统的逻辑来扩展新的应用系统。

一个完整的HTTP请求流程

当你按下输入https://www.baidu.com。浏览器收到此消息后，会根据自己的算法识别出你要访问的网址，并为你显示搜索页面。那么这些经历了怎样的过程呢？

一般流程如下：

• 1）浏览器查询DNS获取域名对应的IP地址；具体过程包括浏览器搜索自己的DNS缓存、搜索操作系统的DNS缓存、读取本地主机文件、查询本地DNS服务器。
• 2）浏览器获取到域名对应的IP地址后，向服务器请求建立链接，并发起三次握手；
• 3） TCP/IP链接建立后，浏览器向服务器发送HTTP请求；
• 4）服务器接收到这个请求，根据path参数映射到特定的请求处理器进行处理，并将处理结果和对应的视图返回给浏览器；
• 5) 浏览器解析并渲染视图。如果遇到对js文件、CSS文件、图片等静态资源的引用，重复上述步骤，向服务器请求这些资源；
• 6) 浏览器根据请求的资源和数据来渲染页面，最终向用户展示一个完整的页面。

网络协议

• 用户只使用应用层，根本不知道其他层。要了解互联网，我们必须从底层开始，了解每一层的功能
• 每一层都是为了完成一个功能。为了实现这些功能，每个人都需要遵守共同的规则，称为协议。许多协议被称为“互联网协议套件”，作为互联网的核心。
• 物理层：电脑需要先联网。它是光缆、双绞线、无线电波等。所以，物理层意味着连接计算机。它主要规定了网络的一些电特性，负责传输0和1的电信号。简单的0和1没有任何意义，必须明确解释方法：多少个电信号算作一个组？每个信号位的含义是什么？
• 数据链路层：它决定了 0 和 1 的分组
• 以太网层/网络层：以太网从一个数据包中规定了一组电信号，称为“帧”。每帧分为两部分：头部和数据。“Header”包含数据包的一些描述项，如发送方、接收方、数据类型等；“数据”是数据包的具体内容。“标头”的长度固定为 18 个字节。“数据”的长度最短为 46 字节，最长为 1500 字节。因此，最短的“帧”是 64 字节，最长的是 1518 字节。如果数据很长，就必须分成多帧进行传输。以太网数据包的“标头”包含有关发送方和接收方的信息。那么，如何识别发送者和接收者呢？以太网规定所有连接到网络的设备都必须有一个“网卡”接口。数据包必须从一个网卡传输到另一个网卡。网卡的地址是数据包的发送地址和接收地址，称为MAC地址。每张网卡出厂时都有一个全球唯一的MAC地址，长度为48位二进制，通常用12位十六进制数表示。前6位十六进制数字是厂商的序列号，后6位是厂商网卡的序列号。通过MAC地址可以定位网卡和数据包的路径。
• 广播：一张网卡如何知道另一张网卡的MAC地址？答案是有一个ARP协议可以解决这个问题。你只需要知道以太网数据包必须知道接收方的 MAC 地址后才能发送。其次，即使有了MAC地址，系统如何才能准确地将数据包传递给接收方？答案是以太网使用了一种非常“原始”的方法。它不是将数据包准确地发送给接收者，而是将其发送给网络中的所有计算机，让每台计算机确定自己是否是接收者。

上图中，1 号计算机向 2 号计算机发送一个数据包，同一子网中的 3 号、4 号和 5 号计算机都会收到这个数据包。他们读取数据包的“标头”，找到接收方的 MAC 地址，并将其与自己的 MAC 地址进行比较。如果两者相同，则接受该数据包进行进一步处理，否则丢弃该数据包。这种发送方式称为“广播”。有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，“链路层”就可以在多台计算机之间传输数据

• 以太网协议依靠 MAC 地址来发送数据。理论上，上海网卡仅靠MAC地址就可以找到北京网卡，这在技术上是可以实现的。然而，这有一个主要缺点。以太网使用广播发送数据包，所有成员手头有一个“包”，不仅效率低，而且仅限于发送者所在的子网。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网中，广播就不会通过。这种设计是合理的，否则互联网上的每台计算机都会收到所有的数据包，这将造成灾难。互联网是一个由无数子网组成的巨型网络。这就像想象上海和北京的计算机将在同一个子网络上。这几乎是不可能的。
• 因此，必须找到一种方法来区分哪些 MAC 地址属于同一子网，哪些不属于同一子网。如果是同一个子网，则以广播方式发送，否则以“路由”方式发送。（“路由”的意思是指如何将数据包分发到不同的子网。这是一个很大的话题，本文不做介绍。）不幸的是，MAC地址本身无法做到这一点。仅与厂商有关，与网络无关。这导致了“以太网/网络层”的诞生。它的作用是引入一组新的地址，以便我们区分不同的计算机是否属于同一个子网。这组地址称为“网络地址”，简称“网址”
• 因此，“网络层”出现后，每台计算机都有两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。这两种地址之间没有联系。MAC地址与网卡绑定，网络地址由管理员分配。它们只是随机组合。
• 网络地址帮助我们确定计算机所在的子网，MAC地址将数据包发送到子网中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必须先处理网络地址，再处理MAC地址。
• IP 协议/TCP：这指定网络地址。它定义的地址称为 IP 地址。目前，IP 协议的第四版，称为 IPv4，被广泛采用。该版本规定网络地址由 32 个二进制位组成。传统上，我们使用分成四段的十进制数字来表示 IP 地址，从 0.0.0.0 到 255.255.255.255。

• 互联网上的每台计算机都分配有一个 IP 地址。这个地址分为两部分，第一部分代表网络，第二部分代表主机。比如IP地址172.16.254.1，是一个32位的地址，假设它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分是后8位（后1位）。同一子网中的计算机的 IP 地址必须具有相同的网络部分，这意味着 172.16.254.2 应该与 172.16.254.1 在同一子网上。
• 但是，问题是我们不能仅从IP地址来判断网络部分。我们以 172.16.254.1 为例。它的网络部分是前 24 位、前 16 位，还是前 28 位，你无法从 IP 地址中分辨出来。那么，如何从IP地址判断两台电脑是否属于同一个子网呢？这需要另一个参数“子网掩码”（subnet mask）。所谓“子网掩码”，就是表示子网特性的参数。相当于形式上的IP地址，也是一个32位的二进制数。它的网络部分全为1，主机部分全为0。比如IP地址172.16.254.1，如果知道网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网掩码就是11111111.11111111.11111111。00000000，即 255。255.255.0 十进制。知道了“子网掩码”，我们就可以判断任意两个 IP 地址是否在同一个子网上。方法是分别对两个IP地址和子网掩码进行AND运算（两位数为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同。如果是这样，则意味着它们在同一个子网中。在网络中，否则，它不是。
• 比如已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，是不是在同一个子网？两者和子网掩码分别进行AND运算，结果是172.16.254.0，所以它们在同一个子网中。综上所述，IP协议有两个主要功能。一种是为每台计算机分配一个IP地址，另一种是确定哪些地址在同一个子网上。
• IP数据包：按照IP协议发送的数据称为IP包。不难想象，它必须包含IP地址信息。但如前所述，以太网数据包只包含MAC地址，没有IP地址字段。那么我需要修改数据定义并添加另一个字段吗？答案是否定的，我们可以将IP数据包直接放入以太网数据包的“数据”部分，完全不需要修改以太网规范。这就是互联网分层结构的好处：上层的变化根本不涉及下层的结构。具体来说，IP数据包也分为“头”和“数据”两部分。“header”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，而“数据”部分则是IP数据包的具体内容。放入以太网数据包后，以太网数据包变成如下。