缘起

有很多像我一样毕业后转行的程序员，在大学里可能没有系统地学习过计算机的专业课程。

短时间内看，这些东西在工作中也不会接触到。但是作为一个程序员，计算机网络是必备的知识，在排查复杂问题的时候也会用到。

借用耗子叔的话来说：

打个比方，就像《笑傲江湖》里提到的「气宗和剑宗」。

• 剑宗功夫易于速成，见效极快。大家都练十年，定是剑宗占上风；各练二十年，那是各擅胜场，难分上下；要到二十年之后，练气宗功夫的才渐渐的越来越强；到得三十年时，练剑宗功夫的便再也不能望气宗之项背了。

剑宗功夫可以速成，但是后劲不足。如果从长远看，还是气宗更为厉害。

而在编程领域，平常学习的框架就是剑宗，见效很快，马上可以上手工作。而基础知识就是气宗，从长远来看很重要。

所以，现在我决定系统地学习计算机基础知识，用博客记录下来。

首先来看计算机网络，我们的教材是 《计算机网络-自顶向下方法（第7版）》，视频是 中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络》 https：//www.bilibili.com/video/BV1JV411t7ow?p=1

下面我将带你从0到1，快速过一遍计算机网络的基础知识。现在我们来到第一章 Internet，let‘s go！

概论

目标

主要介绍了什么是计算机。在这一章我们会了解到计算机网络主要的概念和术语，为后面的章节打下一个框架性的一个基础，方便我们后面理解特定的技术术语。

计算机网络的这门课程的第一章，跟其他的的课程太一样。第一章是最重要的一章，都是框架的知识。希望大家要耗费一些时间精力把他熬过去，这一章有很多的新的概念，你可能觉得很痛苦。但是第一章学好之后，后面章节的学习相对来说比较简单一些。

提纲

什么是Internet?

• 在介绍什么是互联网之前，我们会介绍什么是网络，什么是计算机网络，什么是互联网，它的组成是什么。

什么是协议?

• 我们会介绍什么是协议。

网络边缘 / 接入网、物理媒体

• 网络可以分为三个部分。边上、中间、边上和中间结在一起的接入网。我们会分别看一下三个部分的组成作用和它的工作原理。

  • 先从边上讲网络的边缘，然后是把边缘接到网络核心的接入网，以及支撑接入网的的媒体和媒介。

网络核心：分组交换、线路交换

• 核心的工作方式有两种，第一种叫项目交换，另外一种叫分组交换。

  • 我们会介绍一下，什么是线路交换，什么是分组交换。

• 他们的工作原理分别是什么，有什么优点缺点。

Internet / ISP结构

• 这一节中，我们会介绍互联网是一堆的网络构成的，它不是一个平面一个网络。它是由一堆的网络，通过网络互联设备，也就是路由器连在一起的的网络。我们把它称为互联网。

性能：丢包、延时、吞吐量

• 衡量分组交换网络非常重要的一个指标，还有吞吐量，一些性能指标，它具体的定义是什么？

协议层次、服务模型

• 在这一小节当中，我们会了解到网络的复杂性。网络不是一个平面就能够构建的，它是一层一层构建的，每一层实现一组特定的功能。然后向上一层，又借助于下层所提供的服务，通过的跟对等层的协议，实体相互交换协议的报文来实现的。

• 实现的目的是什么呢？为了向上层提供更好、更优质的服务，所以一层一层地建立。

• 我们会了解到互联网它的层次结构是怎么样的。每一个层次结构的主要作用。

什么是网络？

首先来看一下什么是互联网。

从具体构成角度

电话网，蜘蛛网，社交网络当中的人人之间的朋友关系，都是网。这些网络有什么共同特点呢？和大小形状无关，他们都包括节点和边。我们可以认为，只要包括节点和边的东西，就是网络。

那什么是计算机网络呢？计算机网络是联网的计算机，所构成的系统。

从构成的角度来看，计算机的节点和边节点包括主机节点和数据交换节点。

数据交换节点根据工作的层次不同，又分为交换机、路由器，和高层的负载均衡设备。

而链路，可以按照连接内容的不同来分类，分为 access 和 backbone 接入链路和骨干。

节点

在计算机网络当中，节点又分为主机节点和数据交换节点。

主机节点：主机及其上运行的应用程序；

数据交换节点：路由器、交换机等网络交换设备；

主机节点

主机节点，又叫端节点。它既是数据的源，也是数据的目标。

我们从构成的角度来看计算机网络的一种网络 —— 互联网，它有哪些端节点呢？

PC 、笔记本、 iPad 、智能手机，还有 web 服务器，都是一个主机节点，都是端系统。事实上，大几十亿的端节点都连接在互联网当中。

端系统包括什么呢？包括你计算机本身的硬件、能够把硬件管理起来的操作系统。

但是，光有这操作系统能够支持通信吗？所以，在操作系统之上还有应用进程，驻留的网络应用。比如浏览器，比如手机上的 APP ，类似美团、淘宝之类的网络应用程序。

所以说端系统包括哪些呢？设备本身，能够通讯的网络操作系统，还有在操作系统上面驻留的网络应用程序，这些构成了端系统。

有时候我们把它称之为 end system 端系统，或者我们把它叫 host 主机。

数据交换节点

另外一种节点叫做数据交换节点。他跟主机节点有什么区别呢？它既不是源，也不是目标。

来了分组从一个端口进来，按照一定的工作方式，转发出去。通过这些中转节点的相互配合，最后完成从源节点传到目标节点。

节点有两种类型，在上图中，方的叫主机节点，圆圈的叫数据交换节点。从图中，我们可以看出中转节点的主要作用就是转发。

交换机、路由器

数据交换节点按照工作的层次不同，可以分为中继器，交换机、路由器三层。

如果是交换机，按照目标 MAC 地址决定向哪里转发；如果是一个路由器，通过路由器网卡接收分组，之后，再查路由表决定从哪个方向转发。

比如我们刚刚介绍的路由器和交换机，他们只是工作层次和作用不同。

• 路由器是工作在网络层，而交换机是工作在链路层。

  • 当然还有更高层的网络交换设备，比如的第四层、第五层的负载均衡设备等等。

• 路由器是公开网络承载网络交换设备，交换机是工作在链路层的网络转化设备。

  • 还有一些负载均衡设备是工作在更高层的网络设备，它的主要作用也是来了一个数据把它转走，只不过他工作的层次不一样，支撑它运行的协议的层次不一样。

这些设备有什么共同特点吗？

他们也是节点，但它既不是数据的源，也不是数据的目标，它只是数据的中转节点。

边：通信链路

把节点连在一起的，叫什么？链路。

「链路」把主机跟交换节点连在一起，把交换节点跟交换节点连在一起。最后大家构成一个网，然后之间才能够相互的通讯。

然后边也分为两类。第一类是什么呢？

接入网链路：主机连接到互联网

我的主机通过以太网的网线，接到最近的一个交换机，这叫接入网链路。

然后跟另外一个交换节点能够连在一起，你是把主机连在一起的，就是接入链路。

只要跟方的（主机）有关，他就是接入链路。

用方的表示主机节点，圆的表示数据交换节点

如果你不方，两个圆接在一起，那就是主干链路。

主干链路：路由器之间

路由器和路由器之间，交换机和路由器之间的连接，我们把它叫 backbone，就是交换节点之间的主干链路。

所以说联网的计算机系统是由节点和边构成的的系统，我们把它叫计算机网络。

通信链路

除了节点之外，还有链路。 把节点间连在一起的，叫做通信链路。链路不仅仅是网线本身，还有在网线光纤之上支持他们运转的链路层的协议。

带宽

链路 link ，非常重要的一个指标，就是带宽。

bps = bit per second 每秒钟传输的字节， 作为它的单位。

协议

互联网的构成，除了硬的节点和边之外，还有一个软的组成，就是协议。

协议的是什么呢？它是支撑互联网工作最重要的一些标准。

• 各个厂商按照协议来制作、生产网络设备和网络软件产品，它们之间就能够有一个互操作性，就可以互相操作。

  • 换句话说，我的网卡和你的网卡，虽然它们的出生地不同，它们来自于不同的厂商，但是只要遵守同样的标准，就可以互相通信。比如说，苹果生产的爱苹果，华为生产的安卓，还有 linux 操作系统上运行的一个网络服务，他们遵守相同的协议，才可以互相通信。

• 只有遵守同样协议的这种网络实体才能够相互通讯。类比到人类，如果一个人说德语，另一个说东北话，他们无法形成有效的交流🤔️。

• 协议的标准定义是什么呢？

  • 对等层实体，在通信过程当中，应该遵守的规则的集合，包括了语法、语义和时序。

• 协议可以按照它的层次不同，分为不同层的协议，比如物理层、链路层、网络层、传输层实体和应用层协议，而且每一层的协议他要分成若干种。比如 tcp、udp，网络层的 IP，还有一些路由选择协议等等。

• 什么是对等实体？ 不同开放系统上同一层中的实体。

  • 比如，操作系统运行中的一个 TCP 的实体和另一个操作系统中的 TCP 实体；一个服务器的 IP 和另一个服务器的 IP；网卡跟另外一个相邻的网络当中的另外一个网卡，它们都叫对等实体。

• 从角度看，互联网是什么呢？

  • 以 TCP 协议和 IP 为主的一族协议，由这些协议来支撑其工作的网络就叫互联网。而且互联网也是目前我们在用的世界上，用户最多、覆盖最广的网络。

Internet：“网络的网络“

公共 Internet vs 专用 intranet

• 不要以为互联网就是唯一的网络哦，我们还有很多其他的网络。比如银行的专用网络，军用的专用网络，很早之前各种各样的网络都有，互联网仅仅是网络的一种。

• 只不过互联网是最普及的网络，它只是几十亿台的设备、几百万个网络所构成的一个复杂网络。

  • 互联网是一堆的网络连在一起的，有哪些网络呢？比如教育、科研网，还有中国电信、移动的网络这些运营商的网络，他们构成了移动互联的网络，他们通过一些或者是一系列网络交换节点，能够互联互通。

松散的层次结构，互连的 ISP

互联网服务提供商（Internet Service Provider），简称ISP，指的是面向公众提供下列信息服务的经营者：一是接入服务，即帮助用户接入Internet；二是导航服务，即帮助用户在Internet上找到所需要的信息；三是信息服务，即建立数据服务系统，收集、加工、存储信息，定期维护更新，并通过网络向用户提供信息内容服务。

互联网是一堆网络，通过网络互联的设备连在一起的。而且这一堆网络里面有包括很多小网络，这些小网络可以互相连接。

而互联网上的联网设备网络一共有多少几十万，甚至上百万的，几百万的网络连在一起。构成的角度来看，互联网是一堆的网络，通过网络互连设备。

Internet 标准

• RFC： Request for comments

• IETF： Internet Engineering Task Force

互联网的标准是以 IETF 发布的 RFC 的文档的形式， RFC 是请求评述， IETF 是互联网工程任务组。

• 关于互联网的演化和进步，你有任何新的想法，都可以向 IETF 提交文档， 组织是一个非盈利的一个组织。他们收到文档之后，会内部讨论一下，如果文档是靠谱的，给他编个号，放在他的网站上。让全球的科学家和工程师对她请求评述。

• 互联网所有的这些标准都是以 RFC 文档的形式在 IETF 的网站上发布的，包括 TCP、 UDP、IP ，所有的协议都是这么做的。大家共同建设互联网，共同促进互联网的发展，群策群力地构建一个互联网。所以说互联网的构建方式，和某个标准化机构主导制定的一些标准是不一样。

什么是协议

等层实体在通信过程当中应该遵守的规则的集合，它是一个规范。

下面，我们来对比人类的协议和网络协议，看看有什么相同之处。

人类协议 vs 网络协议

协议，就是人和人之间的通信，也要遵守相应的协议。

• 举个 🌰

  • 你碰到一个陌生人，你想请求她问你办件事，然后，你嗨过去（请求连接），对方对你冷眼相待，或者默默拒绝了你的招呼，一般来说你就不会请求他的帮忙。

• 只有对方回应还不错（连接响应），我们才会请求他办具体的事（发送特定的消息），也会接受他给的信息（文件）

互联网当中的所有通讯行为，都受到协议的规范。计算机和计算机的通信更要遵守相应的规范。

都包含哪些规范呢？

格式、次序和动作。

协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作

例如一个 web 的浏览器，运行在 PC 机上，web 的服务器运行在这台机器上，它们之间要首先建立起一个 TCP 的连接。

格式

• 我是浏览器，你是服务器。现在我们之间要通信，我向你发一个 pdu （协议数据单元）。

• pdu ，到底是什么格式？有多长？前几个字段是什么字段？每个字段，代表什么样含义？

• 比如发送了 00011，代表了我收到你的东西了，我要跟你确认等等。而你这边要解释 00011，只要你的解释跟我的解释是一样的，我们就可以互操作。

• 例如你发了是 011 给我，或者是前面 00011 给我。然后你是一个意思，我理解成另外一个意思，那就完蛋了。两者无法互操作

所以说，格式包括语法和语义。

次序 & 动作

另外还包括次序和动作。计算机之间的通信不能想发就发，在特定的动作之后，才可以发送。

• 我是一个 web 服务器，我收到了来自 web 浏览器的请求之后，我才会向它发送 HTTP 的报文响应。

• 对方建立起 TCP 的连接之后，就能够收到报文。

• 收到报文之后，再按照协议的规范解析报文，判断一下，你请求什么样的一个对象，然后我才从本地文件系统当中，这就是另一个动作了。

什么是 Internet：从服务角度

从服务的角度来看，互联网是什么呢？互联网是分布式的应用进程，以及为分布式应用进程提供通信服务的基础设施。

分布式应用

分布式应用是网络存在的理由对吗？如果没有分布式的应用，要不要网络？所以说，分布式的应用是网络存在的理由。

互联网的应用是什么呢？应用是为人类，或者是提供服务的一个各种各样的网络应用，包括电子商务，包括打游戏，包括一些办公系统，这些都是分布式的应用。

应用程序分布在不同计算机上，通过网络来共同完成一项任务。比如Web、VoIP、 email、分布式 游戏、电子商务、社交网络等等。

• 所以说，如果从应用进程的角度来看，互联网是分布式的。

• 从应用层以下所有的这些东西都叫基础设施；应用层之上包括了分布式的应用进程。

通信基础设施为apps提供编程接口(通信服务)

基础设施，向分布式应用提供通信服务。基础设施包括了什么？

• 应用层以下的，所有的协议实体，以及所有的网络。可以认为除了应用，其他都是基础设施。

• 基础设施向应用进程提供服务的方式有两种，一种是面向连接的服务，另外一种叫无连接的服务。

总结

最后，我们来简单的总结一下

• 它是从构成的角度来看

  • 节点

    • 主机节点和数据交换节点

• 边

  • 包括接入的链路和骨干链路。

• 把一堆比较关联紧密的节点和边连在一起，会构成一个个的网络

• 协议

• 网络的网络

  • 互联网是由一堆网络通过网络，互联设备（路由器），连接在一起的网络的网络。

• 从服务角度来看互联网

  • 互联网就是分布式的应用，以及为分布式应用提供通信服务的基础设施。

• 基础设施为分布式的应用提供通信服务，它支撑起了各种各样的网络应用，从而构建了互联网。

  • 基础设施向上层提供的服务可以分为两种

    • 第一种是面向连接的，比如 TCP

• 另外一种是无连接的服务，比如 UDP

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网络结构

以上内容是我们从构成的角度来看互联网，它是一堆的网络，通过互相连接构成的。

我们把互联网拆解开来，从结构的角度分析，可以分为这几个部分：

• 网络边缘：包含主机和应用程序(客户端和服务器)

• 网络核心：互连着的路由器 网络的网络

• 接入网、物理媒体：有线或者无线通信链路

你可以把互联网分为这几个部分，按照组成的类型来把互联网分为一个个的子系统。

那这三个部分到底干吗用？

• 接入网把边缘的主机系统接入到核心，这样构成了一个任意的网，我们才能够把数据发给另外一个主机。

网络边缘

网络边缘可以分为主机，和跑在主机上的应用进程。

端系统(主机)

处在因特网的边缘部分就是在因特网上的所有主机，这些主机又称为端系统（end system）。

我们来看一下应用进程之间通讯的模式，可以分为两种：客户/服务器模式、对等(peer-peer)模式。

CS 模式

客户端向服务器请求、接收服务。比如 Web 浏览器 / 服务器；email 客户端 / 服务器。

第一种模式叫 CS 模式， CS 指的是客户端服务器模式，例如 web 的浏览器和web 的服务器。

• 🌰

  • 比如发送电子邮件，我的电子邮件的应用是客户端，是这种应用的客户端，电子邮件的服务器是服务端。

• 服务器首先运转，守候在相应的端口，等待客户端请求资源。比如硬件资源，计算能力；软件资源，处理能力；还有数据资源等等。

• 这是一种很典型的主从模式，主是指的服务器，因为所有的资源都在服务器那里，从指的是客户端，它请求的所有的资源都来自于服务器。

问题

这种客户端服务器模式有什么问题呢？

• 我是一个服务器，我运转起来了，我向客户端提供数据库的查询服务和事务的处理的服务。如果客户端比较少，我还能够处理得过来。如果服务器下面挂的客户端非常的多，你让我怎么办？

• 再来几个服务器？那好，我弄了一个服务器农场，就像向日葵一样长在整个的机房里。但是服务器一旦增多，周围相应的链路也要增多。而且服务器的载荷太大，就会宕机，一旦宕机，所有的服务都会挂掉。所以说，它最主要的问题是可扩展性差。

• 可扩展性指的是什么呢？就是说随着请求载荷的增加，它的能力是下降的。而且客户端服务器模式达到一定的阈值的时候，会断崖式地下降。

有没有其他办法，能让客户端和服务器这些应用进程之间产生通讯呢？有的，这就是 p2p 模式。

p2p

p2p 模式不是贷款。

P 是 PEER， 对等体，对等体也是一个分布式应用进程。

🌰

• 我是一个 Peer，我是迅雷的客户端，是一个对等体。

  • 在一些会话上，我是服务器。别人可以请求我所具备的资源，我可以向他提供服务。

• 同时，在另一些会话上，我是客户端。我会向另外一个 PEER 节点请求文件的另外一个片段。

这样，任务就被分布下来了。每个节点既是客户端，又是服务器。随着 peer 节点的增多，请求资源的节点越来越多。同时，提供资源的节点也越来越多，而且它的通信怎么是分布式的。

这样，就解决了客户端服务器模式的可扩展性致命的缺陷。因此，在一些文件分发系统当中，这种模式大行其道。

例如我们用到的迅雷，这些分布式的文件分发系统，他就是一个 p two p 的模式。

• 一开始大家都是通过 FTP 去分发文件，大家把文件上载到 FTP 服务器文件服务器，向 ftb 的客户端提供服务，这是典型的 CS 模式。

• 但是模式存在问题，服务器的扩容总是满足不了用户的请求，所以就产生了 P2P。

  • 如果我要下载一个文件，文件共有三个片段。在 P2P 模式中，我是向个 Peer 节点请求文件片段，3 条路径同时下载，这样可以获得一个带宽的聚集。

• 如果大家都是从某个 web 网站下载文件，大家都在向同一服务器请求，在围攻服务器。服务器可能服务了 100 个用户，这样每个客户端只能享受服务器 1% 的服务能力。，带宽下载的带宽是非常慢的。

通信服务

当然，不管是哪种模式，都要借助于基础设施所提供的通信服务，他们之间才能通信。这种通信服务，也分为两种方式。

采用网络设施的面向连接服务

第一种方式是面向连接的通讯方式， 例如 TCP 协议实体向应用进程提供的服务。

握手：在数据传输之前做好准备

分布式应用两者之间要通信，首先要打个招呼说你好，对方说你好，然后底层的协议栈为通信，准备好相应的资源准备。之后，两个应用进程才可以通信。

TCP 向上层提供的服务的特性包括什么呢？

可靠地、按顺序地传送数据：确认和重传

什么叫可靠的，这里交下来是什么，对方就能收到什么。包括哪些要素不重复，不失去，不出错、不乱序。归结成一句话，就是原原本本这里发出来的啥，对方就收到啥。

不了解计算机网络的同学可能会觉得很神奇，怎么会出错呢？

• 从逻辑上看是我发给你的报文，但是物理上要交给下层。我要交给 ip ，ip 交给网卡，网卡再把编码，把它处理成物理信号，再一跳一跳的到另外一个网卡，再把它变成信号，信号再变成数字等等。不管怎么样，最终会落实到链路当中的物理信号、电磁波的信号、光信号再传输。

• 人在江湖飘，哪有不挨刀。传输的过程当中，会受到各种各样干扰的影响，总有可能出错。如果你不加控制，你传输过去，可能对方根本就收不到，或者收到一个错的。

所以，要靠 TCP 的实体本身的努力。下层提供的服务不可靠，而我 TCP 要上层提供可靠的服务。

• 那 TCP 怎么努力呢？

• 我们在讲到传输层的时候，会看 TCP 的一系列的机制。

  • 比如发送方发送出去要缓存，之后，才可以重新传递。你没缓存，你无法重传，无法检测重传，无法超时重传。

• 发出去的东西还要编号，因为对方要按照编号排序。

• 。。。

在后面讲到传输层的时候，会给大家做一个详细的介绍。

流量控制：发送方不会淹没接收方

然后还有一个机制叫流量控制。什么叫流量控制？

• 你应用进程非常强悍，是一个强大的服务器，然后内存也很大，网卡是万兆级别的。但是客户端是一个五六年前的某品牌的小手机，运行在一个老版本上。 小手机上的内存也比较小，处理能力也比较弱。如果你发送的太快，对方来不及处理，就会产生问题。

• 所以，如果你发送速度太快，对方的 TCP 协议实体会给你一些反馈，让你慢点。如果对方的缓冲区如果还比较空，说你可以发快一点。会有流量控制，协调发送方发送速度和接收方的接收速度，从而让两者能够有序的通行。

如果两个应用进程采用 TCP 进行通信， TCP 协议实体能够自动的根据协议，来协调发送的速度和接收的速度，以至于不让方发送的速度太快，超过了接收方的处理能力。这就叫流量控制。

拥塞控制：当网络拥塞时，发送方降低发送速率

在发送的信息过程中，你需要经过网络核心当中的所有的交换节点和链路。

• 如果这条链路上的用户比较多，堵塞了，还可以继续发送吗？

  • 答案是不行。因为，如果某条链路堵了，交换节点处理不过来，就会直接扔掉部分信息。

• 那话，发出的东西不就丢了吗？所以，除了考虑到接收方的处理能力之外，还要考虑到网络路径的通行能力。

tcp 就有一个拥塞控制的特性。

• TCP 实体能够感知到路径当中的一个通断的情况，如果比较通畅，说应用进程你发的快一点儿，咱们 hold 的住。如果这条路径比较堵塞，它会告诉应用进程说你慢点，上面的路都堵了。

所以说采用 TCP 的传输两个应用进程，除了通信之前要握手之外，他还自动具备了几个特性。第一，可靠、保序，第二流量控制。第三拥塞控制。

采用基础设施的无连接服务

当然除了 TCP （传输控制协议）之外，还有 UDP （用户数据报协议）。

• 无连接

  • 守护在 UDP 之上的两个应用，他们之间的通信是无连接的。

• 什么叫无连接？应用进程和在另外一个进程之间通信，不需要握手、不需要互相打招呼，发出去的 UDP 报文只要符合规范，另一个进程收到后，就会马上回答。

• 个我们把它叫无连接的应用无链接的，服务就是网络基础设施需要应用进程，如果应用进程采用的是 UDP 来交互，基础设施向应用进程所提供的服务，叫无连接的服务。

• 交上来就发送对方，那就直接回应。

• 不可靠数据传输

就是说除了无连接之外，还有其他一些特点。比如数据传输是不可靠的，只要数据发出去就行了，丢了就丢了。

• 无流量控制 / 无拥塞控制

这些应用可能不在乎数据是不是丢失了，丢了一个，又何妨我下个周期再传。

是这意思，然后也没有流量控制，我也不管，他就上面来的速度多快，我网络当中注入的速度有多快，也没有拥塞控制，所以说非常简单。

那你说 UDP 向应用进程提供的服务是无连接不可靠，没有流量控制，没有拥塞控制。

要你何用？

那问题是 UDP 有这么多的缺点，要你何用？

• UDP 是不可靠。 但是，如果你要确保可靠，就需要花费其他的代价。

• 如果你的应用跑在 TCP 上面。一会要考虑对方的感受，一会要考虑到网络的感受。你为别人考虑多。你对别人都很好，你自己要付出很多的努力，要排序，要编号，又要定时重传。

• 这些都要耗费时间的代价，一些应用可接受不了，比如实时多媒体应用。

所以说基本上没有什么好和坏，只有适合不适合。

TCP vs UDP

总结一下

• 对可靠性要求比较高的应用跑在 TCP 之上。

• 还有一些应用是跑在 UDP 之上的。

  • 例如我们刚才讲的实时多媒体，实时流媒体的应用。

• 还有一些事务性的应用，例如域名解析的查询。因为这些应用的事务性很强，一次来回的查询信息传输就结束了，如果采用 TCP 比较浪费资源。

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网络核心

网络核心是数据交换的功能源。主机把数据发出去，并且正确地传达到目标主机。

那问题来了，怎样实现网络核心的功能 —— 数据交换？

有两种方式，电路交换 Circuit switching 和 分组交换 packet switching 。

当然，我们互联网和几乎所有的网络都是采用的分组交换， Circuit switching 起来基本上是用于电话网。

那为什么要把 Circuit switch 做个介绍呢？主要是为了对比，让大家更清楚的了解分组交换的工作原理。

电路交换 Circuit switching

传统电话网络

当你打一个电话时，端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫。也就是说，在网络核心中，为你们之间的通讯分配一条独享的线路，靠信令，靠控制信息，也就是拨号，建立起一项独享的线路。

所以说，两个主机在通讯之前，要通过一个连接建立的一个过程，让两个主机在这里，当中的两个电话建立起一个独享的线路之后，双方就可以利用独享的线路来进行一个双向的通信了。就像图里那样。

为呼叫预留端-端资源

构成一个从源到目标的一个独享的线路。

• 🌰 你把电话拨通了，你们沉默不语，电信公司也会收你的费。为什么呢？因为源主机和目标主机之间他们为你分配了独享的线路。

• 因为是你们独享的线路，所以性能有保障。

  • 但事情从来都是有两面性的，这种交换网络通常是被传统的电话网络所使用，比较浪费资源。

• 在通信之前，要求建立呼叫连接。

  • 两个主机要耗费一个线路建立的时间，这对于通话来说是可以忍受的。在国内，建立连接的时间大概是一两秒钟，通话会持续若干分钟，所以通信建立的时间对于整个通话时间占比很小。

• 但是计算机的通讯如果采用了 2 秒的连接时间，可能 1 秒就搞定了通信，所以不太适合于计算机之间通信的原因。

网络资源(如带宽)被分成片

就是说我跟你就是数据交换节点，咱们俩之间呢有个很宽的链路，把我们连在一起。为了提高资源利用率，网络资源会被分成片。

然后为每个呼叫分配片，如果某个呼叫没有数据，则其资源片就处于空闲状态，不会共享。

• 那采用什么方法把它分解成一个个 piece 呢？

• 可以有这样一些分配的方法，频分( Frequenc division multiplexing) 、时分(Time- division multiplexing)、波分(Wave- division multiplexing)。

  • 频分，分频率；时分，分时间；波分，光纤通信，划分光波。

FDM 与 TDM

• FDM：通过频分多路复用的这种方式可以发化解为划分为若干小片，两个主机在通讯之前，在每一条链路上找到空闲的一片频率。

• TDM：按照时间来分，把他们的通信能力分解为一个个的以时间为单位的周期。然后，每个周期的第一片被第一个用户所使用，每个周期的第二片被第二个用户所使用，依次类推。

• 波分：就是采用光纤通信。他们之间是采用光纤的方法连在一起。把它们之间的可用的波段，可以分为若干个小的波段，每个用户使用其中的一个小波段。

电路交换不适合计算机之间的通信

线路交换是不太适合与计算机之间的通信的，为什么呢？

• 首先，线路交换需要很长的建立连接的时间。

  • 🌰 两个主机，通讯建立时间花了 500 毫秒，然后通讯只用了 1 毫秒，当然划不来了。但是秒一级的线路建立时间，对于计算机通讯而言，就是一世纪，非常漫长。

• 另外一方面，

• 计算机间通信具有很强的突发性。

  • 如果我跟你建立起一个线路，线路都是独享的，那只要连接着运营商就会收费。

• 但是计算机之间的通信具有很强的突发性，我们在上网的时候也不是一直在打字，也不是一直在请求数据。这样的话资源浪费情况比较多，因为我占用的链路，不可以被其他人所使用。

• 可靠性不高

  • 因为一个线路连接的交换机，要维护很多 piece 和 piece 之间的映射的关系。通常在核心的网络交换设备当中，会达到 10 万级别以上的一个关系维护，如果它一旦宕机了，那就 10 万对的通讯全都玩完。

• 所以，采用这种方式来构建计算机网络，最核心的那个节点被损毁，影响的主机对之间的通信范围就会非常的广。

分组交换

除了采用线路交换的方式，还有哪种方式？可以让主机和主机之间通过网络核心来完成它们之间的通信呢？

分组交换 packet switch

• 主机和主机之间的通信的数据被分成一个个的分组 pocket，以分组为单位存储-转发，分组每次移动一跳(hop)

  • A 和 B 之间的通信，有千言万语要说，十个 G 的文件要传，分组交换的方式会把它打成一个个的分组， 然后再一个个的传递。

• 不再将节点和节点之间的通信链路分成一个个的 piece，要用就全用。

• 包在越过每一个通信链路的时候，到了每个节点，会把它完全存下来之后再转发。以分组为单位，在每一个节点的时候，要进行一个存储转发的方式，最终由源主机传到目标主机。

• 资源可以共享，按需使用。

  • 在每个交换节点当中，耽误的时间延迟比线路交换要多的多，但是换取了共享性的好处。

• 不用的时候，就不占用网络的资源，有数据的时候，才占用网络资源。

排队延迟和丢失

如果分组到达的速率 > 链路的输出速率

• 分组将会排队，等待传输。排队延迟。

• 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃。分组丢失。

所以，任何事情都有两面性，分组交换的好处是共享，坏处是排队延迟和可能丢失。

关键功能：转发和路由

对于分组交换网络而言，网络的核心最主要的作用有两个，转发和路由。

路由是一个全局的。转发，是一个局部的。什么意思呢？

• 我是一个分组交换机。从某一条链路端口出来一个分组，我先把它存下来，然后查路由表决定从哪个方向哪个链路转发。存储、转发。

• 路由表哪来的呢？

  • 是路由实体算出来。运行中的路由模块跟其他路由器交换路由信息。然后算出来路由表。

• 靠路由器，局部的转发功能和全局的路由功能相互配合，实现最终一个数据交换的网络。

  • 源主机把分组放出去，目标主机瞬间收到层层传输过来的数据。对他们两端而言，好像瞬间的有个切换开关，把它们连接在了一起。

统计多路复用

分组交换，是一种时分的多路复用。

• 🌰 上图中，A 和 B 两个相邻的节点，把链路上的时间资源分成一个个的周期，每个周期分成若干个小片，每个周期绿色的给 A，蓝色的给 B 用。

• 只不过划分时间片的方式不是固定的，我们把这种多路复用的方式，称之为统计多路复用就 statistical multiplexing。

两种工作方式

在分组交换中，分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，可以按照有无网络层的连接，分成两种工作方式—— 数据报网络、虚电路网络。

数据报( datagram)的工作原理

• 源主机发送给目标主机的分组，携带了目标主机的完整地址。

• 交换节点收到分组之后，根据每个分组所携带的有目标主机的完整地址来存储、转发

• 两个主机在通讯之前不需要握手，每个分组的传递都是独立的，交换节点不用维护通讯状态。

我们把这种分组交换的方式称之为数据报 datagram。

🌰 是不是有点像寄信呀。每封信都写了接收人的完整的地址，并且寄信公司对每封信都是独立处理的。

🌰 上图的例子

• 源主机发送给的数据被封装成一个个的分组，在无连接的网络当中，我们把分组叫数据报。

• 每个数据报都先携带了目标主机的完整地址。每经过一个路径的时候，都要把 IP 分组取出来，然后匹配路由表决定往哪个方向转。一跳一跳地存储转发，每个分组独立传送，最终到达目标主机。

• 但源主机传送给目标主机的一系列分组，有可能走的是不同的路径。 因为路由表有可能变。

• 两个主机之间通信之前，要不要建立一个连接网络层的链接？没有。也就是说路由器当中不维护他们通信的状态，是无状态的路由器。

虚电路( virtual circuit)的工作原理

虚电路指的是什么呢？就像打电话一样。

• 主机和目标主机通讯之前要握个手，握手干什么呢？在交换节点之间，保持它们的通信状态，建立起一条虚拟的线路。

• 虚拟线路建完之后，然后每个分组携带了一个虚电路号，而不是目标主机的一个完整地址。

• 每个分组按照序列符号来标识到每个交换节点的时候，往哪个方向转发。

所以说，虚电路跟数据报有什么差别？

• 数据报是无连接，每个分组独立传送的，交换节点不用维护通讯状态。

• 而虚电路，在每个交换节点当中都有相应的标识。

🌰

在上图中，主机 H1 跟主机 H4 在通讯之前，要建立起虚电路。A 到 B 的虚电路， B 到 C 的虚电路， C 到 D， D 到 H4 的虚线路。

• 虚电路怎么建立起来的？

  • 靠信令控制信息的传递。

• 你看节点 A 这一个个的表项分成两块，输入部分，输出部分。输入部分也分成两块，来自于哪、在第几号虚电路。输出部分也分成两块，往 B 走还是往 E 走、走第几号虚电路。

• 一跳一跳存储转化，最终到达目标主机 H4。

• 在过程当中，虚电路号是有可能变化的。

• 而且，虚电路所经过的交换节点当中，都有标识，维护了他们之间通信的状态。

总结：网络分类

最后我们总结一下，整个通信网络按照电路交换网络和分组交换网络来工作。

• 电路交换网络

  • 可以按照划分 piece 的方式，分为 FDM、TDM。

• 分组交换网络

  • 可以分为虚电路网络和数据报网络。

    • 虚电路是有连接的，数据报是无连接的。

• 而且虚电路的连接不仅仅体现在源主机和目标主机之上，而且体现在中间所经过的所有实体节点之上。所以我们把连接称之为网络层的连接。

• 现在回想一下，我们在介绍 TCP 向应用进程提供服务的时候，它是有连接还是面向连接？

  • 是面向连接的。因为连接仅仅体现在端系统的 TCP 的实体上，中间的路由器不维护通讯状态，所以称之为面向连接，而不是有连接。

接入网

那么我们前面介绍了边缘和核心，现在来看一下如何边缘接入核心 —— 接入网。

怎样将端系统和边缘路由器连接?

那么接入网起到什么作用呢？

• 把网络边缘的端系统通过接入网接入到网络核心。这样网络核心能够完成数据交换的功能，从而在源主机和目标主机之间能够实现通信。

• 除了这种有线的接入方式之外，还有很多无线接入的方式，无线接入的方式又分为无线局域和无线广域。

• 接入网有两个个非常重要的一个指标

  • 带宽 bps，每秒钟到底能传输多少数据。

• 是共享的，还是专用网络？

  • 通过这个中国电信的这个光纤接入到电信的这个网络交换设备，是独享的。如果是通过有线电视公司提供的服务接入网络，那就是共享的。

• 有些接入公司告诉你，我的网络能够达到数百兆 bps 的接入带宽，但是他没有告诉你跟剩下了好几百个用户共享带宽。那咱们使用的速度能快吗？所以说，共享还是独享是一个重要指标。