本文开坑中科大计算机网络课程的学习记录，所用教材为《计算机网络：自顶向下方法》。第一章概述计算机网络，内容非常重要，介绍了很多计算机网络中的概念与定义。本文介绍了什么是互联网（Internet），然后介绍了组成整个网络结构的三大核心部分：网络边缘、网络核心、接入网。

1. 什么是 Internet？

网络（Network）广义上指由多个节点（人或物体）和边（通过某种方式连接）形成的系统，用于传输信息、资源或能量，例如蜘蛛网、交通网络、社交网络等都是网络。

计算机网络（Computer Network）是指通过通信链路（有线/无线）和协议，将计算机、手机等设备连接起来，实现资源共享（文件、打印机）和信息传输的系统。从具体构成的角度分析，其具有以下属性：

• 节点
  • 主机节点：主机及其上运行的应用程序，一般画成方形表示；
  • 数据交换节点：路由器、交换机、中继器、负载均衡设备等网络交换设备，用于转发分组（Packets），一般画成圆形表示。
• 边（通信链路）
  • 接入网链路（Access）：主机连接到互联网（网络交换设备）的链路；
  • 主干链路（Backbone）：网络交换设备间的链路。
• 协议
  • 按照层次不同可以分为物理层协议（如以太网物理层标准、光纤标准）、数据链路层协议（如以太网、Wi-Fi、PPP、MAC 协议）、网络层协议（如 IP、ICMP、IGMP、路由协议）、传输层协议（如 TCP、UDP、SCTP）、应用层协议（如 HTTP/HTTPS、DNS、SMTP/POP3/IMAP、FTP/SFTP、SSH）。

互联网（Internet）是全球最大的计算机网络，由无数小型网络（如 ISP、校园网、企业网、家庭网络）通过网络互连设备（如路由器）和标准协议（特指 TCP/IP 协议簇）互联而成。

（1）Internet 核心协议标准：TCP/IP 协议簇

Internet 的核心标准是 TCP/IP 协议簇，它是一个分层的网络通信模型，包含多个协议，覆盖了网络接口层、网络互联层、传输层和应用层。其特点包括：

1. 分层结构
   • 网络接口层（TCP/IP 四层模型将 OSI 的物理层和数据链路层合并为网络接口层）：负责物理介质的数据传输（如以太网、Wi-Fi）。
   • 网络互联层（IP 层）：定义数据包的格式和路由规则，核心协议包括：
     • IP 协议（IPv4/IPv6）：为设备分配唯一地址，实现跨网络的数据包传输。
     • ICMP：用于网络诊断（如 ping 命令）。
   • 传输层：提供端到端通信服务，主要协议为：
     • TCP：面向连接，确保数据可靠（不重复、不丢失、不出错、不失序）传输，如网页浏览、文件传输。
     • UDP：无连接，适用于实时性要求高的场景，如视频流、远程会议。
   • 应用层：直接面向用户服务，包含多种协议：HTTP/HTTPS（网页传输）、DNS（域名解析）、SMTP（邮件传输）、FTP（文件传输）等。
2. 跨平台兼容性：TCP/IP 协议支持异构网络互联（如不同硬件或操作系统），通过统一的地址（IP 地址）和协议规则实现全球互联。

（2）Internet 标准制定机制：RFC 文档

Internet 标准的制定由互联网工程任务组（IETF）主导，所有标准以 RFC（Request for Comments）文档形式发布，流程分为三阶段：

• 互联网草案：初步提案，有效期 6 个月，未正式发布为 RFC。
• 建议标准：经过评审后成为 RFC 文档，进入测试和验证阶段。
• 正式标准：通过广泛验证后，分配编号（如 STD 1），可能与多个 RFC 关联（例如 IPv4 标准涉及多个 RFC）。

（3）Internet 关键补充协议与标准

• 域名系统（DNS）：将域名转换为 IP 地址，是 Internet 基础设施的重要组成部分。
• 安全协议：如 TLS/SSL（用于 HTTPS 加密），保障数据传输的安全性。
• 动态地址分配协议（DHCP）：自动为设备分配 IP 地址，简化网络管理。

我们提到了很多次协议，什么是协议？

协议是指对等层实体在通信过程中应该遵守的规则的集合，用于控制发送、接收消息，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，也就是包括语法、语义、时序、动作。

从服务的角度分析，互联网是分布式的应用进程，以及为分布式应用进程提供服务的基础设施。基础设施是指应用层以下所有协议的实体，通过 API 向分布式应用提供服务。

2. 网络结构

网络结构通常被划分为三个主要部分：网络边缘（Network Edge）、网络核心（Network Core）和接入网（Access Network）。

简单概括这三者的关系与协作流程如下：

1. 用户发起请求（如访问网站）：网络边缘的客户端（浏览器）生成 HTTP 请求。
2. 接入网传输：请求数据通过 Wi-Fi 或光纤接入网传输至本地 ISP 的路由器。
3. 网络核心路由：ISP 路由器通过 BGP 协议选择路径，跨多个自治系统将数据包转发至目标服务器。
4. 服务器响应：目标服务器处理请求后，响应数据反向通过核心网和接入网返回至用户设备。

2.1 网络边缘

网络边缘是用户直接接触的部分，包含终端设备（主机）及其运行的应用程序，负责生成、发送或接收数据。

（1）主要组成

• 终端设备
  • 主机（Host）：如个人电脑、手机、服务器、智能设备（IoT 设备）等。
  • 服务器（Server）：提供网络服务的设备，如 Web 服务器、邮件服务器、云服务器等。
• 应用程序
  • 客户端-服务器模型：客户端向服务器请求、接收服务，如网页浏览器访问网站。
  • 对等网络（Peer-Peer，P2P）：很少（甚至没有）专门的服务器，如 BitTorrent 文件共享。
  • 实时通信应用（如视频会议、在线游戏）。

（2）关键功能

• 端到端通信：通过传输层协议（如 TCP/UDP）实现进程间的可靠或实时通信。
• 数据生成与消费：用户直接操作的数据源和目的地。

（3）典型协议：HTTP/HTTPS（网页浏览）、SMTP（邮件发送）、FTP（文件传输）、DNS（域名解析）。

2.2 网络核心

网络核心是互联网的骨干，由互联的路由器和高速链路组成，负责跨网络的数据转发和路由选择。简单概括网络核心的作用就是完成数据交换。

网络核心的核心组件如下：

• 路由器（Router）：根据 IP 地址选择最佳路径转发数据包。
• 高速链路：光纤、卫星链路等，连接不同区域的核心路由器。
• 自治系统（AS，Autonomous System）：由单一机构管理的网络单元（如 ISP 的网络），通过 BGP 协议互联。

既然说网络核心的作用就是完成数据交换，那么数据是怎样通过网络进行传输？这就得提到两种数据交换方式：电路交换与分组交换。

电路交换（Circuit Switching）也称线路交换，是指在通信双方之间建立一条专用的物理或逻辑路径（电路），并在整个通信过程中独占该路径的资源，直至连接释放，例如传统的电话网，其特点是独占链路资源，效率低，如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费。

在电路交换中，带宽资源通过以下三种方式分割，以实现多路通信：

（1）频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）

• 原理：将总频带划分为多个不重叠的子频段，每个子频段分配给一个通信链路。
• 示例：
  • 传统无线电广播：不同电台使用不同频率（如 FM 88.1 MHz 和 FM 98.7 MHz）。
  • 电话系统：每路语音通话占用 4 kHz 带宽，通过滤波器分隔频段。
• 特点：各链路并行传输，无需协调时间，但需保证频段隔离以避免干扰。

（2）时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）

• 原理：将时间划分为固定长度的时隙（Time Slot），每个通信链路轮流占用时隙。
• 示例：
  • 同步 TDM：如 E1/T1 数字电话线路。例如，T1 线路将 1.544 Mbps 带宽分为 24 个时隙，每个时隙传输 8 位语音数据（每秒 8000 次采样）。
  • 统计 TDM：动态分配时隙（非电路交换，常见于分组交换）。
• 特点：链路按时间片独占资源，适合周期性数据流，但空闲时隙浪费带宽。

（3）波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）

• 原理：在光纤通信中，不同波长的光信号承载不同数据流，通过棱镜或光栅分离波长。
• 示例：
  • 密集波分复用（DWDM）：单根光纤同时传输数十至上百个波长（如 1550 nm 和 1310 nm ），总容量可达数 Tbps。
• 特点：本质是光域的频分复用，大幅提升光纤利用率。

我们可以来看一个 TDM 的计算例子：

但是电路交换不适合于计算机之间的通信，原因如下：

• 连接建立时间长，握手过程耗时：建立端到端电路需多次信令交互（如电话拨号振铃），而计算机通信（如 HTTP 请求）多为短时交互，连接建立时间可能超过实际数据传输时间。
• 突发性流量不匹配：电路交换预先分配固定带宽，即使通信方无数据传输（如通话静默期），资源仍被占用，而计算机通信（如网页浏览、文件传输）具有突发性，高峰时可能需高带宽，空闲时几乎无流量，固定分配会导致资源浪费。
• 容错能力弱：若中间节点（如交换机）故障，整个电路中断，需重新建立每一对连接；而分组交换可动态绕过故障节点。
• 扩展性与灵活性差：物理电路或复用通道数有限，难以支持海量设备接入（如物联网），且数据必须沿固定路径传输，无法动态选择最优路由或并行传输。

分组交换（Packet Switching）是一种将数据分割为多个独立单元（称为分组或数据包）进行传输的网络通信方式。每个分组包含目标地址和序列信息，通过网络节点（如路由器）动态选择路径传输，最终在目的地重组为完整数据。

分组交换的核心思想如下：

• 存储-转发（Store-and-Forward）：每个节点接收完整分组后暂存，再根据路由表转发至下一跳。
• 统计复用（Statistical Multiplexing）：链路资源按需共享，避免固定分配导致的资源浪费，其实是一种特殊的、具有不固定性的时分复用。

由于在转发之前，节点必须收到整个分组，因此存储-转发是有延迟的：

如果分组到达的速率大于链路输出速率，那么分组就会在这个路由器上排队，等待传输，如果路由器的缓存用完了，那么分组将会被抛弃：

可以说分组交换是用少量的延迟来换取带宽资源的共享，使得在同样的网络资源下，分组交换能够允许更多的用户使用网络，可以看下面这个例子：

对于电路交换，最多只能同时让 10 个用户接入网络，即使这些用户大概率没在活动，电路交换也会占用对应的线路。而分组交换即使同时接入了 35 个用户，超过 10 个用户同时活动的概率只有 0.04%，显然这是极小概率的事件，何况真遇到这种突发情况我们还能靠路由器的缓存撑过去，只要恢复到 99.96% 的非高峰活动状态那么这个通信链路又能正常工作。

分组交换中分组的存储-转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，可以分成：

1. 数据报网络（Datagram Network）
   • 无连接（Connectionless）：通信前无需建立端到端连接，有数据就传输，每个分组独立传输。
   • 独立路由：每个分组携带完整的目标地址（为每个分组添加首部，包含目标地址、源地址、端口号等），网络节点（如路由器）根据分组的目标地址与当前网络状态动态选择路径。相当于来了一个分组后路由器查路由表后转走到对应的下一跳，而不会维护主机之间通信的状态。
   • 特点：灵活性高，动态路由适应网络拓扑变化（如链路故障、拥塞），且无连接开销，无需预先建立连接，适合短时或突发性通信（如网页请求、DNS查询）；但不同路径的传输延迟差异可能导致分组乱序或丢失，需上层协议（如 TCP）处理，且每个分组的独立路由可能增加路由器处理负担。
     
2. 虚电路网络（Virtual Circuit Network）
   • 面向连接（Connection-Oriented）：通信前需建立一条逻辑路径（虚电路），所有分组沿此路径传输。
   • 固定路径：虚电路建立后，分组通过虚电路标识符（如标签）而非完整地址进行路由。
   • 特点：有序传输，分组沿固定路径传输，保证顺序到达，可预留带宽或优先级资源，支持服务质量（QoS）保障（如视频会议）；但建立和释放虚电路需要额外时间和信令交互，且维护虚电路状态会增加网络节点负担。
     
     以上图为例讲解一下虚电路网络的流程，H1 从 0 号虚电路将分组发出，A 收到来自 H 从 0 号虚电路发来的分组，通过查表知道应该通过 2 号虚电路往 B 转发；B 接收到 A 通过 2 号虚电路发来的分组，查表后通过 3 号虚电路转发给 C；C 接收到 B 通过 3 号虚电路发来的分组，查表后通过 0 号虚电路转发给 D；D 接收到 C 通过 0 号虚电路发来的分组，查表后通过 0 号虚电路转发给 H，与其相连的 H 即为 H4，此时 H1 发送的分组就成功转发给了 H4。

现在总结一下网络核心的关键功能：

• 分组交换（Packet Switching）：将数据分割为分组（Packet），通过存储-转发机制传输。
• 路由（Routing）：动态选择最优路径（如使用 OSPF、BGP 协议）。
• 流量管理：处理拥塞、确保服务质量（QoS）。

2.3 接入网与物理媒体

接入网是连接终端设备（网络边缘）与网络核心的“最后一公里”网络，负责将用户设备（如电脑、手机）接入更广泛的互联网基础设施，是用户接入互联网的入口。

在家庭或企业接入网中，“猫”是调制解调器（Modem，Modulator-Demodulator 的缩写）的俗称，是用户端连接互联网的核心设备，负责将数字信号与传输介质（如电话线、光纤、同轴电缆）上的模拟信号进行相互转换。

猫的常见类型有以下几种：

1. ADSL 猫（DSL 调制解调器）
   • 适用场景：通过电话线接入互联网（DSL 技术）。
   • 核心功能：
     • 调制（Modulation）：将计算机的数字信号转换为高频模拟信号，通过电话线传输。
     • 解调（Demodulation）：将电话线中的模拟信号还原为数字信号，供计算机使用。
     • 频分复用（FDM）：分离语音（0~4 kHz）和数据（高频段）信号，实现“上网通话两不误”。

• 典型设备：ADSL Modem（带电话线接口），支持 PPPoE 拨号认证。
  

2. 电缆猫（Cable Modem）
   • 适用场景：通过有线电视同轴电缆（HFC 网络）接入互联网。
   • 核心功能：
     • QAM 调制：将数字信号转换为适合同轴电缆传输的射频信号。
     • DOCSIS 协议支持：遵循 DOCSIS 3.0/3.1 标准，实现高速数据传输（如 1 Gbps 下行）。
   • 典型设备：Arris/Motorola 电缆调制解调器，需配合分线器分离电视与网络信号。
     
3. 光猫（ONU/ONT，光纤调制解调器）
   • 适用场景：光纤到户（FTTH）网络。
   • 核心功能：
     • 光电转换：将光信号（光纤传输）与电信号（家庭局域网）相互转换。
     • 协议解析：支持 GPON/XGS-PON 协议，与运营商 OLT（光线路终端）通信。
     • 多业务支持：提供千兆以太网口、Wi-Fi（部分光猫集成路由功能）、IPTV 接口。
   • 典型设备：华为/中兴光猫，需配合运营商 LOID 认证激活。
4. 4G/5G 无线路由猫
   • 适用场景：通过蜂窝网络（移动信号）接入互联网。
   • 核心功能：
     • 基带信号处理：将 4G/5G 无线信号转换为以太网或 Wi-Fi 信号。
     • SIM 卡支持：插入运营商 SIM 卡，提供移动热点功能。
       典型设备：华为 5G CPE Pro，支持 SA/NSA 组网。
       

总结一下，接入网根据传输介质可分为有线接入和无线接入两大类：

• 有线接入技术
  • DSL（数字用户线路）：利用电话线传输数据，通过频分复用（FDM）分离语音（0~4 kHz）和数据（高频段）。
    • ADSL（非对称 DSL）：下行速率高于上行（如 20 Mbps 下行 / 1 Mbps 上行）。
    • VDSL（超高速 DSL）：支持更高带宽（如 100 Mbps），但距离限制短（约 300 米）。
  • 光纤接入：使用光纤作为传输介质，分为不同部署模式：
    • FTTH（光纤到户）：光纤直达用户家中（如 GPON 技术），支持千兆带宽。
    • FTTB（光纤到楼）：光纤至楼宇，再通过网线入户（成本较低）。
  • 同轴电缆（HFC）：混合光纤与同轴电缆，利用有线电视网络（CATV）传输数据。下行使用广播信道，上行通过 TDMA 分配时隙。
• 无线接入技术
  • Wi-Fi（IEEE 802.11）：基于无线电波的局域网技术，使用 2.4 GHz / 5 GHz 频段。
  • 蜂窝网络：通过基站提供广域无线接入。
  • 卫星通信：利用地球同步卫星（GEO）或低轨道卫星（LEO，如 Starlink）提供覆盖。

物理媒体（Physical Media）是数据传输的物理载体，决定了信号传输方式、速率、距离和抗干扰能力。接入网与核心网的性能直接依赖物理介质的选择。

物理媒体同样可以分为有线与无线，有线物理媒体有双绞线、同轴电缆、光纤等介质，无线物理媒体有无线电波、微波、红外线等介质。

目前光纤和无线电波分别主导有线与无线领域，持续推动网络性能提升。接入网与物理媒体二者共同决定了终端用户体验，是网络架构中不可或缺的组成部分。