计算机网络--第一章：计算机网络和因特网

计算机网络和因特网

章节导读：

• 在这个章节，我们需要先了解什么是因特网（Internet），什么是协议（protocol）。
• 之后了解什么是网络边缘(network edge)：主机hosts，接入网access network以及物理媒介physical media。
• 边缘之后便是网络核心(network core)的概念：主要了解两种网络技术——分组交换packet switching以及电路交换circuit switching，这是互联网的技术基础，会涉及到包(packet）、路由器(router)和链路层交换机(link-layer switch)这些概念；以及互联网的结构。
• 再往下是网络性能（performance）：了解数据从源端发送到目的地时数据包是如何丢失(loss)或者延迟(delay)的。这一部分内容会将吞吐量(throughput)作为一种性能指标，衡量字节信号从源转发到目的地的速率。
• 之后我们需要了解互联网中的协议层(protocol layers)和服务模型(services models)相关内容
• 最后便是关于互联网中的安全问题和发展历史介绍。

PS：这一章只是计算机网络的整体概述，各部分的具体理论实现会在后面的章节详细展开。

什么是因特网

具体构成角度描述

因特网中一个与我们密切相关的组成部分就是主机(hosts)或端系统(end system)，像我们使用的电脑，手机就属于端系统。端系统又通过通信链路(communication link) 和 **分组交换机(packet switch)**连接到一起，组成我们熟知的因特网。

通信链路属于网络边缘，实际上由不同类型的物理媒介组成，不同的链路有不同的传输速率（以bit/s或bps）度量。

分组交换机属于网络核心。发送端发送数据时会先将数据分段，每段加上首部字节，这样形成的信息就是分组。而分组交换机则负责从一条入通信链路接收到达的分组，向它的一条出通信链路发送该分组（接收和发送分组时如何选择路径在本文“3.网络核心”中的分组交换部分会详细展开）。分组交换机有两种主要类型：路由器和链路层交换机。

**因特网服务提供商(Internet Service Provider,ISP)**就是通过各种链路互联的分组交换机给端系统提供接入互联网的服务，像住宅区ISP，大学ISP等等。每个ISP本身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路以及它的客户端系统组成的网络。

因特网中每个部件在实际运行的时候依赖的其实是一系列互联网协议(protocol)，这些协议控制信息的接收和发送。TCP(Transformer Control Protocol，传输控制协议)和IP(Internet Protocol，网际协议)就是因特网中两个最重要的协议。这些协议是由因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)来制定研发的，他们的标准文档被称为请求评论(Request For Comment，RFC)。

因此计算机网络这门课实际上就是在研究这些网络协议的构成，原理和工作方式。

服务角度描述

除了上面用具体构成角度来解读互联网以外，我们还可以从服务角度描述互联网，也就是为应用程序提供服务的基础设施(infrastructure)。我们在互联网获取和发送信息都是通过一些网络应用程序实现的，这些应用程序会涉及到多个相互链接的端系统，因此也被称为分布式应用程序(distributed application)。而互联网中的通信基础设施就为这些应用提供了可以用于向另一个端系统发送信息的编程接口，也叫套接字接口(socket interface)，这个接口不仅规定了发送方应用应该遵循的规则，也提供了多种因特网服务，这些内容将在第二章应用层中详细展开。

网络协议

协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及发送或接收一条报文或者进行其他事件时通信实体所采取的动作。

下面介绍一个简单的TCP协议例子：当我们在计算机中输入一个网页的URL时，我们的计算机会先向网页的web服务器发送一条连接请求报文，web服务器收到请求后会返回一条连接响应报文。计算机得知能正常请求web的文档后，便会发送一条GET报文，声明要从该web服务器请求访问的页面域名。最后，web服务器便向计算机发送该web网页文件。

网络边缘

网络边缘的组成部分有主机，接入网和物理媒介。

主机：

运行分布式应用程序，主机之间的通信模式主要有两种：

• 客户/服务器模式 Client-Server (C/S)
  • 客户端向服务器请求、接收服务
  • 比如：蓝牙外设 Bluetooth Peripheral (Slave) -Master
• 对等模式 Peer-to-Peer (P2P)
  • 无服务器端 No server-side
  • 比如：Blockchain/BitTorrent/迅雷/网盘

接入网(access network)：

接入网指的是端系统在物理上连接到边缘路由器(edge route)的网络；边缘路由器是端系统连接到远程端系统的路径上的第一台分组交换机。接入网根据使用环境可以分为三种类型：

• 住宅接入 residential access network(数字用户线，电缆，FTTH，拨号和卫星)
• 单位接入 institutional access networks(school, company中常见，以太网和WiFi)
• 移动接入 mobile access networks (4G/5G和LTE)

研究这三种接入网，我们需要重点了解的是它们的传输速率(bits per second,bps)以及它们的用户在多大程度上和其他用户共享该接入网。

下面就这三种接入网详细展开描述：

住宅接入

当今的住宅接入有两种比较主流的方式：数字用户线（Digital Subscribe Line，交换数字数据和语音信息）和电缆（cable，交换数字数据和广播视频信息）。

• 数字用户线（DSL）：

  

  住宅通过本地电话公司（也即用户的ISP）提供的本地电话接入来获取因特网接入服务。本地电话接入就是用户主机通过现有的电话线（双绞铜线，后面物理媒介部分会详细介绍）来和本地中心局(center office，CO)中的数字用户线接入复用器(DSLAM)交换数据，交换数据这一动作就意味着主机成功接入互联网。

  我们知道家庭电话线只能以模拟信号的形式（也即高频音）传输信息，所以为了同时承载两种信号——数据信号（如因特网接入）和语音信号（如电话呼叫），让它们共享DSL链路，需要采用频分复用技术（frequency division multiplexing ，FDM，后面的分组交换部分内容会详细介绍），对不同的信号使用不同频率进行编码：

  高速下行信道：50kHz~1MHz频段（端系统接收来自基站的数据信号）

  中速上行信道：4kHz~50kHz频段（端系统向基站发送数据信号）

  普通双向电话信道：0~4kHz频段（端系统和基站双向交换电话信号）

  而且为了将数字数据信号以模拟信号的形式进入电话线，DSL接入网还使用了一种叫DSL调制解调器的部件，负责家庭端的信号转换；而信号通过电话线传输给CO端后，会经过数字用户线接入复用器（DSLAM）将上行信道中的模拟信号转化回数字数据信号。

  那么不同的信号在端系统和基站又是怎么划分到不同信道并被分别解调的呢？这就又涉及到一种叫分配器的部件。

  • 当信号从用户端系统发送到基站时：语音信号会经分配器的分隔进入普通双向电话信道；而数据信号则会先由家庭的DSL调制解调器划分进入上行信道（DSL调制解调器在这里不仅起到将数据信号转化为模拟形式的作用，还有将信道分为上行与下行信道的作用），再进入分配器和语音信号一起通过电话线DSL传输。在到达基站也就是CO一侧后，上行信道中的模拟信号又会经DSLAM转化回数字数据信号，并在DSLAM作用下和普通双向电话信道中的语音信号分隔开，分别送往互联网和电话网。
  • 当信号从基站发送到用户端系统时：传输过程与上述反向同理，但数据信号要经下行信道传输。

  （PS：成百上千个家庭的数字用户线接入的是同一个DSLAM，但DSL接入网在传输时容量和带宽是不共享的，每个家庭都拥有独享的数字用户线）

  在不同的信道，由于编码频率不同，信号传输的速率也会有所不同。DSL标准定义了多个传输速率(随技术变革会越来越高)，下行传输速率一般为24—52Mbps，上行传播速率一般为3.5—16Mbps（下行比上行快，因此这种接入也被称为不对称接入）。而在实际的传输服务中，传输速率可能会比上述标准低，这是因为本地电话公司会提供分等级的服务，低级服务的传输速率可能会比较低；以及实际的住宅和中心局距离，双绞线的规范等因素都会影响传输速率。（PS：DSL接入网一般只能在住宅与中心局距离5~10英里内的情况下使用）

• 电缆因特网接入：

  

  住宅利用有线电视公司提供的有线电视基础设施（光纤和同轴电缆）来获取因特网接入服务。由于整个系统使用的是光纤和同轴电缆，因此也被称为混合光纤同轴系统（Hybrid Fiber Coax，HFC）。

  • 与DSL接入使用DSL调制解调器不同，电缆因特网接入需要使用电缆调制解调器（cable modem），将数字信号转为模拟信号并将HFC网络划分为上行和下行信道（没有像DSL接入网那样的电话双向信道）；而在电缆头端，则使用电缆调制解调器终端系统（CMTS）来把下行信道中的模拟信号转回数字信号（功能相当于DSLAM）。

    另一个不同之处是电缆因特网接入的用户共享广播媒体，也就是共享上行和下行信道，因此多个用户同时经下行信道下载电缆头端发送的视频文件时，传输速率会大大降低甚至发生碰撞问题（第6章会更加详细描述）。

  • 与DSL接入相同的是，电缆因特网接入也属于不对称接入，即下行信道的传播速率要比上行信道的高。电缆因特网接入可提供40Mbps—1.2Gbps的下行传输速率和30—100Mbps的上行传输速率。

• DSL和电缆是以往大多数家庭使用的接入网形式，但一种更高速率的新兴技术——光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）逐渐在各个国家的家庭里普及。

  

  这种技术是从本地中心局直接提供一条到家庭的光线路径，最简单的光纤分布网络就是直接网络（中心局发出一根多个家庭共享的光纤，在接近住户处再由分配器分成每户一根光纤），它分为两种体系结构：有源光纤网络（Active Optical Network，AON，第六章详细讨论）和无源光纤网络（Passive Optical Network，PON）。

  如图是PON体系的示意图，这里我们可以简单解释以下其传输过程：每个家庭都配有一个光纤网络接收器（ONT），并由专门的光纤接到光纤分配器上，多个家庭通过分配器集结到一根共享的光纤上，该光纤再和中心局中的光纤线路端接器（OLT）相连。

• 在以上三种接入网形式无法提供时（如偏远乡村环境），家庭有时也会使用卫星链路或者拨号接入（类似DSL，但速率极低）。

单位接入

在公司，大学或者如今越来越多的家庭里，通常会使用**局域网（LAN）**来将端系统接入边缘路由器。

有线局域网接入最流行的技术就是以太网；而无线局域网接入最流行的技术则是我们当今无处不在的WiFi。以太网接入中，用户和web服务器使用双绞铜线与一台以太网交换机相连（第六章将详细介绍），这些以太网交换机或者他们相连形成的网络再去连接到更大的因特网核心。WiFi接入中，用户会向一个无线基站接入点发送或接收分组，这个接入点再和企业网相连接（通常就是通过以太网交换机接入有线因特网，因此也是无线局域网和有线局域网的结合）。

以太网的传输速率通常有1Gbps，10Gbps，最高可达100Gbps；而WiFi传输速率则比较慢，如今的WiFi 5可提供3.5Gbps速率，WiFi 6可提供9.6Gbps的速率，WiFi 7可提供高达30Gbps的速率。

移动接入

在局域网接入中，往往端系统都需要在接入点或以太网交换机的附近一定范围内；而如今4G/5G的通信方式允许我们在大范围内移动的同时也保持接入因特网，在这种接入网中，端系统通过蜂窝网提供商运营的基站来发送和接收分组的，允许用户在基站的数万米内依然保持连接。

下图是一个经典的家庭网络示意图，包含了一个家庭可能使用的每一种接入网方式。PS：电缆接入网/DSL接入网中的调制解调器和有线局域网/无线局域网的以太网交换机以及互联了移动通信基站的路由器往往是装在一个盒子里的，统称为家庭路由器。

物理媒介(physical media)：

物理媒介分为两种类型：导引型媒体和非导引型媒体。

双绞铜线

最便宜且最常用的导引型传输媒体就是双绞铜线。DSL技术和局域网接入都会使用到双绞铜线这种材料。

同轴电缆

同轴电缆和双绞铜线类似都由两个铜导体组成，不同的是同轴电缆中这两个导体同心而非并行。由于这种结构以及它特殊的绝缘层和保护层，同轴电缆能达到较高的数据传输速率，常被用作共享媒体，充当前面所述的电缆因特网接入/电视系统的物理媒介。

光纤

• 导引光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输

• 高速:

  • 如10 Gbps-100Gbps传输速率

• 低误码率:

• 中继器相隔很远

• 不受电磁噪声影响

• 光信号衰减极低

• 光设备成本高，因此光纤多用于长途运输而非短途传输（如家庭接入网或者LAN局域网就很少用光纤）

无线电

网络核心

讨论完网络边缘，我们便开始讨论网络核心部分——链接因特网端系统的分组交换机和通信链路构成的网状网络。

在本文一开始我们介绍过分组的概念，也就是端系统发送出来的数据分段后加上首部字节后形成的数据段。那么这些数据段是如何在端系统之间交换的呢。方式有两种——分组交换和电路交换。下面我们分别简要讨论这两种