计算机网络什么是 Internet课程信息中科大郑烇、杨坚《计算机网络自顶向下方法James F. Kurose, Keith W. Ross》章节p03 1.1 什么是 Internet1. 第一章的定位与学习目标第一章是“概论/概述”核心目标是建立计算机网络的主要概念、术语和基本工作原理的框架。与其他课程不同本课程的第一章最重要、最框架化需要投入较多时间精力术语虽然密集但掌握之后后续章节会相对轻松。本章以Internet互联网为例进行自顶向下的系统性介绍。2. 本章主要内容概览本章将围绕以下主线展开什么是网络 → 计算机网络 → 互联网递进式概念。网络的组成网络边缘、核心网core network、接入网access network。支撑网络工作的媒体与媒介。网络核心工作方式电路交换circuit switching与分组交换packet switching。Internet 是网络的网络network of networks由多个网络通过路由器等互联设备连接。Internet 的层次结构tier、regional、local、access 等 ISP 网络存在跨层现象。性能指标分组传输的四大延迟、吞吐量throughput。分层体系结构每一层实现特定功能下层为上层提供服务对等层通过协议报文交互。互联网历史从 1969 年四个节点的分组交换实验网发展为数十亿设备的全球性复杂系统。3. 什么是网络网络 节点node 边edge的拓扑关系与节点大小、形状、距离无关。在网络拓扑图中方块代表主机节点圆圈代表数据交换节点。例子电话网、蜘蛛网社交网络中的人与人关系神经网络中的神经元连接。当网络规模足够大时简单的局部规则可能涌现出宏观层面的复杂特性。4. 什么是计算机网络4.1 基本定义计算机网络是联网的计算机所构成的系统由节点、链路以及协议共同组成。4.2 节点分类节点类型代表设备作用主机节点host / end systemPC、笔记本、iPad、手机、服务器、智能电视、联网冰箱、机顶盒STB等是数据的源或目标数据交换节点中继器、交换机switch、路由器router、负载均衡设备等只负责转发数据既不是源也不是目标不同交换节点工作层次不同交换机switch工作在数据链路层二层按目标 MAC 地址转发。路由器router工作在网络层三层按路由表和目标网络层地址转发分组。更高层还有负载均衡设备、防火墙等。4.3 链路分类接入链路access link连接主机到最近交换机的链路。骨干链路backbone link连接路由器、交换机等中转节点的链路。5. 协议Protocol5.1 协议的作用协议是支撑网络工作的标准/规范。不同厂商按照协议生产网络设备和软件才能实现互操作性interoperability。5.2 协议的定义协议 对等层实体peer entities在通信过程中应遵守的规则集合。运行中的协议软件模块如 TCP 实体、IP 实体、网卡上的协议逻辑彼此通信时必须遵守同一协议。5.3 协议规范的三方面方面含义语法SyntaxPDU 的格式、长度、字段结构、取值语义Semantics字段取值的含义、应执行的动作时序/次序Timing何时发送、何时接收、动作的顺序5.4 协议数据单元PDU在不同层PDU 有不同名称应用层message传输层segment协议规定了 PDU 的格式、语义和发送时序。5.5 协议示例Web 浏览器与 Web 服务器的通信先建立TCP 连接浏览器按HTTP规范构造请求报文并发送服务器按 HTTP 语义解析请求执行动作如从文件系统读取对象服务器按 HTTP 响应格式发回结果。该过程体现了语法、语义、时序和动作。5.6 协议的标准化Internet 标准由IETFInternet Engineering Task Force互联网工程任务组以RFCRequest for Comments请求评述文档形式发布。RFC 是开放、参与度高的标准制定方式一个协议可能关联多个 RFC。人与人间通信也存在“协议”显式规则法律、校规和隐式规则社交礼仪。6. 什么是 Internet互联网6.1 从协议角度Internet是以TCP/IP 协议族为主支撑工作的计算机网络。如果按 TCP/IP 工作但不与外部互联的内部网络称为intranet企业网/内部网小写 i。全球互联的大写Internet即我们通常说的互联网。6.2 从构成角度网络的网络Internet 是网络的网络network of networks。从零件看由数十亿主机节点、数百万网络通过路由器等网络互联设备连接而成。从聚合看一个个由机构或单位运营的紧密网络ISP 网络通过路由器互联形成巨型系统。网络层次包括tier、regional、local、access 等因此存在跨层情况。6.3 端系统End Systems / Hosts端系统形式多样传统设备PC、笔记本、iPad、智能手机、服务器。物联网IoT设备联网冰箱、联网烤面包机、智能球鞋内置传感器等。每个端系统通常包括硬件操作系统含网络协议栈网络应用进程浏览器、Web 服务器、App 后台等。6.4 通信链路Communication Link通信链路不仅是物理介质网线、光纤还包括其上运行的链路层协议。关键性能指标带宽bandwidth单位bpsbits per second。6.5 网络互联设备路由器router工作在网络层查路由表转发分组。交换机switch工作在链路层按目标 MAC 地址转发帧。此外还有防火墙、负载均衡设备等。6.6 互联网历史1969 年启动最初为军方资助的分组交换实验网只有四个节点。经过数十万名工程师和科学家数十年迭代发展为数十亿甚至上百亿节点。如今已成为支撑人类生产生活的巨型复杂系统。7. 从服务角度看 InternetInternet 分布式应用进程 为分布式应用进程提供通信服务的基础设施。分布式应用是网络存在的理由如果没有应用就无需网络。基础设施为应用进程提供服务的方式是API在 TCP/IP 中称为socket API。就像电器插头插进插座才能通电两个程序要通过网络通信也各自需要一个 socket 插进去对接。Socket 是对 TCP/IP 协议族的一层封装把复杂的网络细节变成了类似文件读写的简单 API。应用进程通过 socket API建立连接发送报文message接收报文实现各种网络应用网购、游戏、直播、支付等。可以这样理解协议就是两个对等实体“聊天”必须用到的“黑话”。基础设施提供的两类服务服务类型代表协议特点面向连接的服务TCP通信前需建立连接如“打招呼”无连接的服务UDP不需要预先建立连接直接发送数据8. 分层体系结构的核心思想网络复杂性通过分层解决每一层实现一组特定功能并向上层提供服务。上层利用下层服务通过和对等层实体交换协议报文实现更高级功能。各层主要职责层次主要功能物理层在媒体上传输和接收电磁波/光信号实现比特传输数据链路层相邻节点之间以帧为单位传输数据解决点到点问题网络层在链路层基础上实现源主机到目标主机的端到端传输尽力而为best-effort可能丢包、出错、乱序传输层将主机到主机通信细化为进程到进程通信可提供可靠传输如 TCP应用层利用传输层服务按应用层协议交换报文实现各种网络应用传输层看似完成了“最后一击”但其可靠服务依赖物理层、链路层、网络层的共同支撑。9. 后续预告网络核心工作方式将详细介绍电路交换circuit switching分组交换packet switching分组交换网络的性能指标四大延迟吞吐量throughput