感悟《计算机网络：自顶向下》（01.概述）

互联网的组成

       随着科技的不断发展，互联网已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。我们打开手机，无聊时看主播、饿了就叫外卖和出去玩打滴滴，享受三驾马车经济的同时，就是在使用互联网。既然我们像呼吸空气一样使用互联网，那互联网是什么呢？

互联网是什么？

       互联网是人类有史以来创造的最大规模的复杂系统，而且它还在不断成长，尝试从几个方面理解它。

       首先，互联网最重要的组成部分就是网络基础设施，包括：计算机、服务器、路由器和光纤等物理设备。这些设备通过无线或有线的方式相互连接，从而形成了网络，为互联网的运行提供基础支持。

       其次，应用程序也是互联网的重要组成部分。这些应用程序包括：浏览器、邮件客户端、即时通讯软件、在线购物平台和短视频直播等等。这些应用程序通过网络基础设施来实现自身功能，使人们的生活更加便利和高效。

       最后，数据也是互联网的重要组成部分。随着互联网的发展，人们可以使用互联网来共享和传输各种数据，包括：文本、图片、视频和音频等。这些数据在互联网上的共享和传输不仅可以促进信息的交流，也为人们的生活和工作提供了更多的选择和方便。

       可以看到，互联网和计算机网络相互成就，因此可以给出该公式：互联网 = 网络基础设施 + 分布式应用 + 数据。

       如上图所示，网络中的主机节点主要包括两部分：应用以及基础设施（操作系统和硬件），基础设施提供了socket编程界面，应用依赖socket使用网络服务。应用可以是客户端程序，比如：微信或者淘宝，也可以是服务端程序，比如：淘宝的交易中心系统。

       除了主机节点之外，网络中还包含了大量的路由器，这些路由器可以理解为主机节点的缩小版，它们专注于分组交换和转发，主机节点和路由器构成了互联网的基础设施。

一些概念

       计算机网络涉及的概念非常多，这里选择了部分概念做介绍，如下表所示：

计算机网络发展历史

       1967年，ARPA网建立，要求是没有中间节点，可用性高的网络，是不是军方要求核打击后能够继续有效工作，还是别的原因，这个不可知，但其结构目标是一切的基础。

       1969年，ARPA网从1个节点扩展到了4个节点。

       1972年，ARPA网进行公众演示，当时基于NCP协议。

       1979年，ARPA网增加到200多个节点。

       1983年，Cerf和Kahn提出IP协议，IP协议可以over到不同的数据链路上，ARPA网从NCP切换到IP协议上，开始整合其他网络。

       1983年，UNIX捆绑TCP/IP协议栈，BSD版本内置支持，促成互联网大发展。

       当互联互通的基础设施搭建完成，配套的系统和软件有了支持，互联网的发展就铺平了道路，而互联网上的分布式应用就迎来了大发展，一切变得日新月异。

分组交换与电路交换

       互联网是计算机网络史上最大规模的应用，它是由网络基础设施和分布式应用构成的，或者说互联网就是构建在网络基础设施上的分布式应用。互联网和计算机网络是逐步发展演绎出来的，尤其是网络基础设施，它肯定不是为了这个庞大系统而全新设计的，它一定是基于现有的基础设施进行构建的，因为这样最经济。

电路交换

       计算机通信看起来和电话电报通信非常相似，后者完成信息或语音的调制，调制后电信号的传输，收到电信号后的解调以及内容还原，从点到点传输数据上来看，计算机通信也需要完成类似工作，而电路交换就是将计算机网络建设在电路交换网络上。

       电路交换需要建立物理连接，或者说物理连接是一直准备好的，家里会有一条电话线通过电线杆连接到电信公司，这根线路是独享资源的。在一根线路上，电信号是以正弦波的形式传播，同时接入网络的设备也不会只有一个，因此可以通过频率（FDM）、时间（TDM）和波长（WDM）等多个维度，将多个信息合并发送（或接收），将通路利用起来。利用波的叠加，同时传输数据，提升利用率。

       无论是采用何种区分形式，在调制和解调两端一定会对这些波长、频率或时间（间隔）有一致的理解，过高的频率在传输中会产生损耗，抵达目标方后由于信号的衰减失真而无法被识别。同样，过多的波进行复合，也会导致一样的结果。因此说到底，就好比在一张白纸上用不同颜色的笔写字，少数几种一起写就好了，内容含量高也好识别，如果几十上百种颜色一起招呼上，那就变成鬼画符，没人认识了。

       说到调制解调的过程，就需要双方进行协商，以前家里Modem进行拨号上网时，Modem拨号时会传出嗡嗡声，其实就是它和电信公司对端的Modem进行协商时的声音。虽然电路交换可以建立计算机网络连接，完成数据传输和交换，但是它存在一些问题，主要有以下几点：

       第一，建立连接耗时。可以看到网络连接建立需要双方协商，以及线路准备，连接建立的时间长，存在比较大的开销。

       第二，线路独享，浪费资源。在电报电话通信中，物理线路点到点是直连的，它服务于两点的通信，当两点之间没有数据传输时，也不能服务他人，这种独享的线路，资源利用率不高。

       第三，可靠性不高。电路交换依赖两点可靠的工作状态以及线路的稳定，如果线路出现故障，影响面就会很大，因为数据传输并不会绕过去。

       除此之外，计算机网络通信的特点与电报电话是完全不同的，前者是离散的，后者是集中的。计算机网络通信需要时不时的进行数据交换，交换目的随机且离散，而电报电话目的性很强，进行连接通话时数据交换集中，不会出现线路占用但上面没有跑数据的情况。

       因此，计算机网络通信其实不适合采用电路交换技术。

分组交换

       分组交换，核心是存储与转发分组，即Packet网络包。分组即包，包即分组。分组交换下的计算机网络都采用存储和转发的方式处理网络包，即输入，处理和输出。相比电路交换，虽然延迟高了，但共享性却提升了。网络节点可以处理多方发送的网络包，为了能够提升网络节点（比如：路由器）的处理能力，通常会使用队列，任何分组交换网络设备（包括：主机）都会有队列，这个队列一般存在于设备内置的存储中，处理过程如下图所示：

       如上图所示，网络设备接收网络数据包，然后将其放置入接受队列中，分组交换设备从接受队列中取出数据包进行处理后，放置到发送队列中，再由分组交换设备从发送队列中取出后，从另一个网络端口进行输出。可以看到，对于网络包的处理，就是生产者和消费者模型，虽然它会出现排队导致的延迟，最差的情况下还会出现由于队列满导致网络包被丢弃，但是分组交换还是非常适合计算机网络通信，主要表现在以下几点：

       第一，支持海量主机。不同于电路交换要求两点之间存在物理直连，分组交换设备以及线路是可以复用与多个网络设备的。

       第二，需要拥塞控制。对于分组交换网络，如果某些节点向网络大量发送数据包，部分设备或者线路就会负载升高，数据包在队列中排队，产生数据拥塞，最终导致网络不可用。

       如果用分布式消息系统来理解分组交换，是非常合适的，虽然分布式消息系统使用计算机网络，而计算机网络基本都是基于分组交换技术的。

       分组交换相较于电路交换，成本低了，支持的设备量级大了，但延迟也增加了，其延迟主要表现在以下几个方面：

       使用分组交换网络需要关注延迟。

发展过程

       分组交换比电路交换更适合计算机网络，既然理论都这么认为，那么就干脆独立新建一套分组交换网络来适应计算机？这固然不错，但随着计算机网络一起发展的计算机数量很少，并没有现如今数以百亿级的量级，还轮不到为它单独建立一套网络，因此还是在电路交换基础上进行逐步优化。

       首先对于核心网络，它属于ISP（Internet Service Provider）共治的计算机网络，因此它的自主性很强，可以使用大量分组交换网络设备进行重新建设。由于分组交换设备能够同时服务于多个主机，所以互联网核心网络中大量使用分组交换设备进行互联互通。

       其次对于接入网络，它就可以利用电路交换网络，以电路交换的形式接入，最终在电信公司完成电路交换到分组交换的转换，这样利用毛细血管般的电路交换网络，完成尽可能多的主机接入。当然国内也有公司不信邪，比如：长城宽带，自己铺专线，这个专线就采用分组交换方式进行接入，由于成本太高，最后垮了。

       除了长城宽带这种非典型ISP，大部分互联网使用者最早接触的应该是56K Modem的拨号上网，它采用与固话通信频率一致的4KHz频段进行通信，当它工作的时候，别人打你家电话是处于占线状态的。除了上网时不能打电话，速度也很慢，后来DSL出现了，不再使用4KHz电话频段，而是在电话线上使用4KHz以上的部分频段，一部分频段作为上行，一部分频段作为下行，由于上下行频段数量不相同，下行大于上行，因此简称为ADSL。

       既然是将数据调制成信号送到电信公司即可，有线电视的同轴电缆线也可以完成这个工作，因此基于电视Cable的ISP也出现了，比如：华数，通过对有线电视线路的轻度改造，也是可以完成上网工作的。

       使用Modem以及Cable的接入方式，本质上还是在电路交换上完成数据传输，直到光纤入户后，使用全新铺设的光缆，就不一样了。因为在光缆上跑的就是分组交换了，接入网到这一步就算是迁移完成了。

ISP与ICP

       主机节点通过ISP接入到互联网，而ISP的数量成千上万，它们之间需要相互连通。ISP也会有大小，就好比银行一样，小的ISP负责接入终端用户，大的ISP可以连接多个ISP。

       通过多个ISP的互联互通，主机之间可以通过ISP实现相互访问，互联网的基础设施就构建起来了。ISP之间可以通过IX（Internet eXchanger）进行连接，一般这种设备出现在骨干网上，或者简单的情况，双方通过使用几个路由器建立对等网络来进行数据交换，也是可以完成ISP互联的。

       ICP（Internet Content Providers），互联网内容提供商，比如：谷歌或者腾讯。早期ICP是在ISP的数据中心里租用几台服务器，然后搭建网站对外提供服务，但由于成本、效能和可用性等多方面因素，规模以上的ICP就会自建数据中心。

       以谷歌为例，一个数据中心内有上万台服务器，它们会向全球提供服务。ICP自建的数据中心一般会放在比较大的ISP数据中心旁，通过光纤连到数据中心，完成互联网的接入。

       如上图所示，ISP和ICP组成了多张复合的网，ISP负责将终端接入到互联网，而ICP也参与进来，建立数据中心，与ISP相连。

网络分层

       计算机和计算机网络的发展是相互促进的，越来越多的计算机应用都需要使用到计算机网络提供的服务，为了避免计算机网络重走计算机“差异化”发展的老路，就需要制定一套规范，使得不同类型的计算机都能够接入到网络中，同时在不同类型的计算机系统上开发网络应用，也会有一致的标准。

       通信背景的人在一顿晚饭后，认为7是一个不错的数字，在此基础上制定了OSI参考模型，也就是那个只存在于书上的OSI七层模型。我们现实中，实际是TCP/IP模型，7层的OSI和4层的TCP/IP之间的对应关系与描述如下表所示：

       目前虽然TCP/IP是事实标准，但是用5层还是会好一些，也就是：

1. 应用层，负责应用协议，以及应用逻辑关系，可能是C/S架构的应用下，支持客户端和服务端的语义传递；
2. 传输层，操作系统网络协议栈需要实现的功能，并且提供一致的SDK，能够支持应用开发面向字节的进行网络数据传输；
3. 网络层，支持IP地址对设备的标识，能够以IP为基础，进行网络包的路由，从而满足分组交换的基本诉求；
4. 数据链路层，点对点有效通信，设定媒介上传输的数据格式，到这里还是数字格式，面向字节；
5. 物理层，链路层字节数据与媒介中传输信号的转换，有含义的信号传输。

       网络接口层还是分成数据链路层和物理层，前者是面向物理层的数据建模，它是连接网络层和物理层的桥梁，网络层可以依靠它来进行编程，就像IP协议需要以太网支持一样。数据链路层通过将MAC化后的字节，发送给物理层的MAU，再经过MAU的调制，就会转换为在物理层媒介上传输的信号。两个层次的职责还是很明确的，所以5层结构显得更加合适。