计算机网络和因特网

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互联网基本概念与问题

什么是网络和互联网

网络是一种通过「链路」将「节点」连接起来，以在节点之间传输「信息」的系统。虽然定义较为宽泛，但其核心在于 节点（node）和 链路（link）的交互。

不同类型的网络：

  • 互联网（Internet）
  • 电话网络
  • 无线网络
  • 光纤网络
  • 数据中心网络
  • 交通网络
  • 社交网络

本课程主要聚焦于互联网（Internet）。

互联网是全球互联的大型主机、个人计算机和无线网络系统，使用 TCP/IP 协议族 来连接数十亿设备。它由数百万个私有、公共、学术、企业和政府网络组成，范围从局域到全球，通过多种电子、无线和光纤技术连接。

基本问题：

  1. 互联网由什么组成？
  2. 如何接入互联网？
  3. 数据如何在网络中传输？

互联网的组成部分

互联网的组件（component）视图

  • 计算设备（computing devices）：数百万台连接的计算设备（主机 Hosts = 终端系统 End systems），运行网络应用程序。
  • 通信链路（communication links）：光纤、铜线、无线电、卫星等物理媒介，构建物理网络。
  • 路由器（routers）：在物理网络之间转发数据包（chunks of data）。

互联网的服务（service）视图：

  • 互联网作为通信基础设施，支持分布式应用，例如：
    • Web、VoIP、电子邮件、在线游戏、电子商务、文件共享等。
  • 提供的通信服务包括：
    • 可靠的数据传输（从源到目的地）。
    • 「尽力而为」（不可靠）的数据传输。
    • 保证延迟和吞吐量。

网络协议

协议（Protocol）

协议（Protocol）是控制消息发送和接收的规则集合。

例如：

  • HTTP(HyperText Transfer Protocol)：Web 页面传输协议。
  • Skype
  • TCP(Transmission Control Protocol)：提供可靠的数据传输。
  • IP(Internet Protocol)：定义了数据包的格式和路由规则。
  • PPP(Point-to-Point Protocol)：在两个节点之间建立连接。
  • 以太网

互联网标准由 IETF（Internet Engineering Task Force）制定，并通过 RFC（Request for Comments）发布。

协议定义了网络实体之间发送和接收的消息的格式和顺序，以及在消息传输和接收时采取的操作。

接入互联网

接入网络的方式：

  • 网络边缘（Network Edge）
    • 应用和主机
  • 接入网络（Access Network）
    • 物理媒体
    • 有线和无线通信链路
  • 网络核心（Network Core）
    • 互联的路由器网络
    • 网络的网络

网络边缘

  • 终端系统（End systems, hosts）：运行应用程序（如 Web 浏览器、电子邮件客户端）。
  • 客户端/服务器模型：
    • 客户端请求并接收来自始终在线的服务器的服务。
  • 对等模型（Peer-to-Peer, P2P）：
    • 几乎不使用专用服务器（如 Skype、BitTorrent）。

接入网络

接入网络的方式包括：

  • 家庭接入：DSL(Digital Subscriber Line)、电缆调制解调器、光纤等。
  • 机构接入：学校或公司局域网（LAN, Local Area Network）。
  • 移动接入：蜂窝网络（3G、4G、5G）。

家庭接入网络

  • 拨号（Dial-up modem）：通过调制解调器
    • 最高 56 Kbps 直接接入路由器
  • DSL（Digital Subscriber Line）：数字用户线路
    • 部署：电话公司
    • 上行高达 1 Mbps，下行 8 Mbps
    • 到电话总局的专用物理线路
  • HFC（Hybrid Fiber Coax）：混合光纤同轴电缆
    • 非对称：下行高达 30 Mbps，上行 2 Mbps
    • 家庭共享接入 ISP 路由器
    • 部署：有线电视公司

物理介质

导向介质

信号在固体介质中传播，例如：

  • 铜线（双绞线、同轴电缆）
  • 光纤

非导向介质

信号自由传播，例如无线电波。

光纤的优势

  • 高速传输：点对点传输速率可达数十至数百 Gbps。
  • 低误码率：中继器间距远，抗电磁干扰。

网络核心

数据传输方式

  1. 电路交换（Circuit Switching）

    • 每次通话建立专用电路（如传统电话网络）。
    • 优点：性能可预测，切换简单快速。
    • 缺点：资源利用率低，尤其在突发流量下效率低下。

  2. 分组交换（Packet Switching）

    • 主机将应用层消息分割为数据包，独立传输。
    • 优点：高效利用资源，实现灵活路由。
    • 缺点：性能不可预测，需管理缓冲区和拥塞。

示例：统计复用

假设：

  • N N 用户共享 10 Mbps 链路。
  • 每个用户需要 1 Mbps。
  • 每个用户活跃 10%，空闲 90%。

电路交换：最多支持 10 个用户。
统计复用：假设 N=35 N = 35 ，则用户带宽超过 1 Mbps 的概率为 99.96%。

网络性能

延迟

延迟由以下四个部分组成：

  1. 传输延迟（Transmission Delay）：将所有比特推入链路所需时间。

    传输延迟=数据包大小链路传输速率\text{传输延迟} = \frac{\text{数据包大小}}{\text{链路传输速率}}

  2. 传播延迟（Propagation Delay）：单个比特从链路一端传播到另一端的时间。

    传播延迟=链路长度传播速度\text{传播延迟} = \frac{\text{链路长度}}{\text{传播速度}}

  3. 排队延迟（Queuing Delay）：数据包在缓冲区等待处理的时间。
  4. 处理延迟（Processing Delay）：交换机处理数据包的时间。

吞吐量

吞吐量是目标接收到的数据速率：

平均吞吐量=min⁡(链路速率,瓶颈链路速率)\text{平均吞吐量} = \min(\text{链路速率}, \text{瓶颈链路速率})

协议分层与服务模型

分层思想

分层通过内部操作和服务依赖降低复杂性，同时提高灵活性。常见分层模型包括：

  • OSI 模型：七层结构。
  • TCP/IP 模型：四层结构（应用层、传输层、网络层、链路层）。

TCP/IP 模型各层功能

  1. 应用层：支持网络应用（如 HTTP、SMTP、FTP）。
  2. 传输层：提供进程间数据传输（如 TCP、UDP）。
  3. 网络层：负责跨网络的数据包路由（如 IP、路由协议）。
  4. 链路层：在相邻节点间传输数据帧（如 PPP、以太网）。

互联网历史

早期发展（1960s-1970s）

  • 1961：Kleinrock 提出分组交换理论。
  • 1969：ARPAnet 第一个节点投入运行。
  • 1973：以太网诞生。
  • 1974：Cerf 和 Kahn 提出互联网架构设计原则。

商业化与普及（1980s-1990s）

  • 1983：TCP/IP 协议部署。
  • 1991：万维网（WWW）出现。
  • 1995：NSFnet 解除商业使用限制。

现代互联网（2000s 至今）

  • P2P 应用：BitTorrent、Skype。
  • 社交媒体：Facebook、Twitter、微信。
  • 新兴技术：区块链、AI 网络、5G。

互联网的核心特性

互联网 是一个开放、去中心化的网络系统，其核心设计原则包括：

  • 最小化依赖
  • 自治性
  • 尽力而为的服务模型
  • 无状态路由器
  • 分布式控制