计算机网络：什么是 Internet？
课程信息：中科大郑烇、杨坚《计算机网络（自顶向下方法，James F. Kurose, Keith W. Ross）》
章节：p03 1.1 什么是 Internet？
1. 第一章的定位与学习目标
- 第一章是“概论/概述”，核心目标是建立计算机网络的主要概念、术语和基本工作原理的框架。
- 与其他课程不同，本课程的第一章最重要、最框架化，需要投入较多时间精力；术语虽然密集，但掌握之后后续章节会相对轻松。
- 本章以Internet（互联网）为例，进行自顶向下的系统性介绍。
2. 本章主要内容概览
本章将围绕以下主线展开：
- 什么是网络 → 计算机网络 → 互联网（递进式概念）。
- 网络的组成：网络边缘、核心网（core network）、接入网（access network）。
- 支撑网络工作的媒体与媒介。
- 网络核心工作方式：电路交换（circuit switching）与分组交换（packet switching）。
- Internet 是网络的网络（network of networks），由多个网络通过路由器等互联设备连接。
- Internet 的层次结构：tier、regional、local、access 等 ISP 网络，存在跨层现象。
- 性能指标：分组传输的四大延迟、吞吐量（throughput）。
- 分层体系结构：每一层实现特定功能，下层为上层提供服务，对等层通过协议报文交互。
- 互联网历史：从 1969 年四个节点的分组交换实验网，发展为数十亿设备的全球性复杂系统。
3. 什么是网络
- 网络 = 节点（node） + 边（edge）的拓扑关系，与节点大小、形状、距离无关。
- 在网络拓扑图中，方块代表主机节点，圆圈代表数据交换节点。
- 例子：
- 电话网、蜘蛛网；
- 社交网络中的人与人关系；
- 神经网络中的神经元连接。
- 当网络规模足够大时，简单的局部规则可能涌现出宏观层面的复杂特性。
4. 什么是计算机网络
4.1 基本定义
计算机网络是联网的计算机所构成的系统，由节点、链路以及协议共同组成。
4.2 节点分类
| 节点类型 | 代表设备 | 作用 |
|---|---|---|
| 主机节点（host / end system） | PC、笔记本、iPad、手机、服务器、智能电视、联网冰箱、机顶盒（STB）等 | 是数据的源或目标 |
| 数据交换节点 | 中继器、交换机（switch）、路由器（router）、负载均衡设备等 | 只负责转发数据，既不是源也不是目标 |
- 不同交换节点工作层次不同：
- 交换机（switch）：工作在数据链路层（二层），按目标 MAC 地址转发。
- 路由器（router）：工作在网络层（三层），按路由表和目标网络层地址转发分组。
- 更高层还有负载均衡设备、防火墙等。
4.3 链路分类
- 接入链路（access link）：连接主机到最近交换机的链路。
- 骨干链路（backbone link）：连接路由器、交换机等中转节点的链路。
5. 协议（Protocol）
5.1 协议的作用
- 协议是支撑网络工作的标准/规范。
- 不同厂商按照协议生产网络设备和软件，才能实现互操作性（interoperability）。
5.2 协议的定义
- 协议 = 对等层实体（peer entities）在通信过程中应遵守的规则集合。
- 运行中的协议软件模块（如 TCP 实体、IP 实体、网卡上的协议逻辑）彼此通信时，必须遵守同一协议。
5.3 协议规范的三方面
| 方面 | 含义 |
|---|---|
| 语法（Syntax） | PDU 的格式、长度、字段结构、取值 |
| 语义（Semantics） | 字段取值的含义、应执行的动作 |
| 时序/次序（Timing） | 何时发送、何时接收、动作的顺序 |
5.4 协议数据单元（PDU）
- 在不同层，PDU 有不同名称：
- 应用层：message
- 传输层：segment
- 协议规定了 PDU 的格式、语义和发送时序。
5.5 协议示例
Web 浏览器与 Web 服务器的通信：
- 先建立TCP 连接；
- 浏览器按HTTP规范构造请求报文并发送；
- 服务器按 HTTP 语义解析请求，执行动作（如从文件系统读取对象）；
- 服务器按 HTTP 响应格式发回结果。
- 该过程体现了语法、语义、时序和动作。
5.6 协议的标准化
- Internet 标准由IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）以RFC（Request for Comments，请求评述）文档形式发布。
- RFC 是开放、参与度高的标准制定方式；一个协议可能关联多个 RFC。
- 人与人间通信也存在“协议”：显式规则（法律、校规）和隐式规则（社交礼仪）。
6. 什么是 Internet（互联网）
6.1 从协议角度
- Internet是以TCP/IP 协议族为主支撑工作的计算机网络。
- 如果按 TCP/IP 工作但不与外部互联的内部网络，称为intranet（企业网/内部网），小写 i。
- 全球互联的大写Internet即我们通常说的互联网。
6.2 从构成角度：网络的网络
- Internet 是网络的网络（network of networks）。
- 从零件看：由数十亿主机节点、数百万网络，通过路由器等网络互联设备连接而成。
- 从聚合看：一个个由机构或单位运营的紧密网络（ISP 网络），通过路由器互联，形成巨型系统。
- 网络层次包括：tier、regional、local、access 等，因此存在跨层情况。
6.3 端系统（End Systems / Hosts）
- 端系统形式多样：
- 传统设备：PC、笔记本、iPad、智能手机、服务器。
- 物联网（IoT）设备：联网冰箱、联网烤面包机、智能球鞋（内置传感器）等。
- 每个端系统通常包括：
- 硬件；
- 操作系统（含网络协议栈）；
- 网络应用进程（浏览器、Web 服务器、App 后台等）。
6.4 通信链路（Communication Link）
- 通信链路不仅是物理介质（网线、光纤），还包括其上运行的链路层协议。
- 关键性能指标：带宽（bandwidth），单位bps（bits per second）。
6.5 网络互联设备
- 路由器（router）：工作在网络层，查路由表转发分组。
- 交换机（switch）：工作在链路层，按目标 MAC 地址转发帧。
- 此外还有防火墙、负载均衡设备等。
6.6 互联网历史
- 1969 年启动，最初为军方资助的分组交换实验网，只有四个节点。
- 经过数十万名工程师和科学家数十年迭代，发展为数十亿甚至上百亿节点。
- 如今已成为支撑人类生产生活的巨型复杂系统。
7. 从服务角度看 Internet
- Internet = 分布式应用进程 + 为分布式应用进程提供通信服务的基础设施。
- 分布式应用是网络存在的理由：如果没有应用，就无需网络。
- 基础设施为应用进程提供服务的方式是API；在 TCP/IP 中，称为socket API。就像电器插头插进插座才能通电，两个程序要通过网络通信，也各自需要一个 socket 插进去对接。Socket 是对 TCP/IP 协议族的一层封装，把复杂的网络细节变成了类似文件读写的简单 API。
- 应用进程通过 socket API：
- 建立连接；
- 发送报文（message）；
- 接收报文；
- 实现各种网络应用（网购、游戏、直播、支付等）。
- 可以这样理解：协议就是两个对等实体“聊天”必须用到的“黑话”。
基础设施提供的两类服务
| 服务类型 | 代表协议 | 特点 |
|---|---|---|
| 面向连接的服务 | TCP | 通信前需建立连接（如“打招呼”） |
| 无连接的服务 | UDP | 不需要预先建立连接，直接发送数据 |
8. 分层体系结构的核心思想
- 网络复杂性通过分层解决：每一层实现一组特定功能，并向上层提供服务。
- 上层利用下层服务，通过和对等层实体交换协议报文，实现更高级功能。
各层主要职责
| 层次 | 主要功能 |
|---|---|
| 物理层 | 在媒体上传输和接收电磁波/光信号，实现比特传输 |
| 数据链路层 | 相邻节点之间以帧为单位传输数据，解决点到点问题 |
| 网络层 | 在链路层基础上实现源主机到目标主机的端到端传输；尽力而为（best-effort），可能丢包、出错、乱序 |
| 传输层 | 将主机到主机通信细化为进程到进程通信；可提供可靠传输（如 TCP） |
| 应用层 | 利用传输层服务，按应用层协议交换报文，实现各种网络应用 |
- 传输层看似完成了“最后一击”，但其可靠服务依赖物理层、链路层、网络层的共同支撑。
9. 后续预告
- 网络核心工作方式将详细介绍：
- 电路交换（circuit switching）
- 分组交换（packet switching）
- 分组交换网络的性能指标：
- 四大延迟
- 吞吐量（throughput）
