计算机网络概论与概述（第一章）总结笔记

计算机网络概论与概述（第一章）总结笔记

本章是整门课程最重要、最提纲挏领的一章，目标是了解计算机网络主要概念和术语，掌握网络基本工作原理，以 Internet（互联网）为例建立框架性认知，理解“协议”“分层”“网络的网络”等核心思想，为后续所有章节打下基础。

核心要点

• 本章与几乎所有课程的第一章不同：第一章最重要、最框架，需要耗费时间和精力“熬过去”，之后章节的学习会相对简单。
• 学习方法：以 Internet（互联网） 为例来讲解网络，因为互联网是网络的一种普及形态。
• 本章涵盖内容：什么是互联网（递进介绍什么是网络、什么是计算机网络、什么是互联网）、网络组成、网络分类（边缘、接入网、核心网）、协议的概念、线路交换与分组交换、网络性能指标、层次化体系结构、互联网历史与体系架构的优缺点。
• 本章内容覆盖了大量术语，学习时会感到“痛并快乐着”——术语多带来痛苦，但框架建立后成长迅速。

详细解析

一、概念递进：网络 → 计算机网络 → 互联网

1. 什么是网络（Network）

• 定义：网络是由节点（node） 和边（edge） 构成的、与大小和形状无关的拓扑关系。
• 实例说明：
• 电话网：电话是节点，线路是边。
• 蜘蛛网：蜘蛛网的节点和丝线构成网络。
• 社交网络：人与人之间的朋友关系也是网络。
• 大脑神经网络：大脑有一千多亿个神经元，每个神经元通过轴突和树突与周边及跨区域的数千个神经元通信；规模小时简单易分析，但规模很大时会从宏观上“涌现”出智能等宏观特性。
• 关键理解：网络必须是“节点 + 边”的结构，节点间的连接关系和拓扑才是本质。

2. 什么是计算机网络（Computer Network）

• 定义：计算机网络是联网的计算机所构成的系统，即由节点与边组成的系统。
• 节点分为两类：
• 主机节点（方形表示）：是数据的源或目标。包括：笔记本、iPad、手机、联网冰箱、联网机顶盒（STB）、Web 服务器等。
• 数据交换节点（圆形表示）：既不是源也不是目标，作用是转发数据（中转）。分组从一端进入，按规则从另一端转发出去，多个交换节点相互配合，最终实现从源主机到目标主机的通信。
• 交换节点按工作层次分类：
• 中继器：物理层设备。
• 交换机（Switch） ：工作在链路层，按目标 MAC 地址决定转发方向。
• 路由器（Router） ：工作在网络层，收到分组后通过网卡接收，查路由表决定转发出口。
• 更高层设备：如第 4 层、第 5 层的负载均衡设备。
• 链路（边）的分类：
• 接入链路（Access Link） ：把主机（方形）与最近的交换节点（圆形）连接在一起。
• 骨干链路（Backbone Link） ：把交换节点与交换节点连接在一起（圆形接圆形）。
• 判断标准：“只要跟方形的有关就是接入链路；两个圆形的接在一起就是骨干链路。”骨干链路也分各个级别，有的更骨干，有的更靠近边缘。
• 补充组成——协议：除了节点和边之外，计算机网络还需要协议支撑工作。协议是不同厂商按照其标准生产网络设备，使不同设备之间能够互操作（interoperability）——即使网卡来自不同厂商，只要遵守同样的标准就能协同工作。协议按层次分为物理层协议、链路层协议、网络层协议、传输层协议和应用层协议，每一层有若干种协议，如传输层的 TCP、UDP，网络层的 IP 和多种路由选择协议。

3. 什么是互联网（Internet）

• 定义：以 TCP/IP 协议族为主（一套协议）来支撑工作的网络。
• 大小写区别：
• 大写 Internet：目前世界上用户最多的、按照 TCP/IP 协议族工作的全球性互联网。
• 小写 internet（或 intranet）：也按 TCP/IP 方式工作，但不与外界相连，仅支撑企业内部运转、生产管理、部门间通信，叫企业网/内部网。
• 本质形象化（“联合国”比喻） ：互联网不是一个单一的大网络，而是由许多网络通过网络互联设备（路由器） 连在一起的“网络的网络” ，像一个联合国而非一个国家。
• 构成特征：传统的电话网络是由电信运营商构建的，有集中管理；互联网则没有单一的控制者，由大量网络运营商共同维护。

二、互联网的组成（从构成/零件角度看）

1. 端系统（End System / Host）

• 定义：端系统即连接到互联网上的主机设备，也叫 host。PC、笔记本都是 host 中的一种，server（服务器）也是 host。
• 端系统的内部构成（三要素）：
• 设备硬件（如计算机主板等，智能手机中形式不同但原理相同）。
• 支持通信的网络操作系统（能够管理硬件并支持通信）。
• 操作系统之上驻留的网络应用程序（如浏览器、Web 服务器背后的软件、各类 App 如滴滴、美团背后的服务器应用程序等）。
• 端系统数量与规模：
• 互联网联网的计算设备数量：不同统计口径不一，大致几十亿接近一百亿台，也有统计说是一百多亿台。
• 网络数量：几十万到上百万个网络连在一起，是一个巨型系统。
• 进入物联网（IoT）时代后（约 2020–2025 年左右），联网设备数量可能达到数千亿。
• 有趣的端系统实例（物联网时代的设备类型） ：
• 联网冰箱：根据家里储藏的食材上网下载食谱；智能冰箱可根据家庭习惯自动发出购买订单或发出提醒（这类产品已存在）。
• 联网吐司机：联网到天气预报网站，若当天为雨天，就在面包片上烤出一个“阳光灿烂”的形状，用户在吃早餐时就知道天气。
• 内置传感器的耐克球鞋：通过蓝牙联网，将用户步伐数据上载到云端，分析生活习惯和健康状况并提供跑步指导。
• 上述设备共同说明：随着从移动互联网进入物联网时代，小型设备（如米粒大小）和工农业、生活设备均能联网，联网设备的种类和数量激增。
• 现今互联网大赛鼓励参赛学生设计有创意的端系统或端系统应用，为人类生活和生产提供便利。

2. 数据交换节点

• 最常見的网络交换设备包括 switch（交换机） 和 router（路由器） 以及负载均衡设备等。
• 交换机：工作在链路层；路由器：工作在网络层，依据目标地址查路由表对到达的分组做转发处理。
• 此外还有网络层防火墙等设备，都属于转发设备。
• 注意：课堂所讲的 switch 是思科、华为等厂商生产的网络交换机，不是游戏主机 Switch。

3. 通信链路（Link）

• 定义：链路不仅仅指物理线缆本身（网线、光纤），还包括在网线/光纤之上支撑它们运转的链路层协议，合称通信链路。
• 关键性能指标：带宽（bandwidth） ，单位是 bps（bits per second，每秒传输的位数） 。

4. 网络分类：边缘、接入网、核心网

• 网络在结构上可分为三个组成部分：
• 网络边缘：主机节点（端系统）及运行在其上的应用。
• 接入网（Access Network） ：把边缘主机连接到核心网的设施，以及支撑接入网的媒体/媒介（Media） 。
• 核心网（Core Network） ：由大量路由器/交换机等交换节点及其骨干链路构成。
• 核心网工作方式（两种主要类型）：
• 线路交换（Circuit Switching） ：需介绍其工作原理、优缺点。
• 分组交换（Packet Switching） ：需介绍其工作原理、特点、优缺点。
• 注意：原文未展开线路交换与分组交换具体技术细节，仅预告会在本节介绍，故此处不做补充。

三、协议（Protocol）详解

1. 协议的定义

• 正式定义：对等层实体（Peer Entity）在通信过程中应当遵守的规则的集合。
• 核心解释：协议就是标准/规范。不同厂商生产的网络设备与网络软件，只要遵守同样的协议标准，就能实现互操作（interoperability） ，即苹果手机上的应用可与安卓/Linux 操作系统上运行中的网络服务通信。
• 类比说明：两个人交流必须使用共同语言，否则无法沟通。比如一个人说德语、另一个人说合肥话，无法通信。
• 协议具体规定了通信的三个方面：语法（格式）、语义（含义）、时序（次序/时机） ，实际上还包含动作。

2. 协议的组成内容

3. 人类通信中的“协议”类比

• 人与人之间的通信也有显式规则（法律、校规）和隐式规则（日常内化的行为规范）。
• 举例：想请求陌生人为自己办事，需要先打招呼（“你好”），对方作出友好回应后才提具体请求；如果“嗨”过去对方冷眼相待，便不会再请求帮忙。

4. Web 通信中的协议实例（应用层）

• Web 浏览器（运行于 PC）与 Web 服务器之间的通信：

1. 首先通过某种方式建立对应连接——TCP 连接（此处预告后续章节将详述）。
2. 建立连接之后（时序），浏览器按照 HTTP 协议规范封装请求报文（语法），发送给服务器（动作）。
3. 服务器收到请求报文后，按协议规范解析报文（语义），判断对方请求的资源对象。
4. 服务器从本地文件系统读出文件（动作），再封装成 HTTP 响应报文（格式/语法）发送给浏览器（时序/动作）。

5. 互联网标准与 RFC

• IETF：互联网工程任务组（非盈利组织），负责互联网标准的制定和发布。
• RFC 文档：全称“请求评述”（Request for Comments）。任何人对互联网演化与进步有想法，都可向 IETF 提交文档；IETF 认为可行就给文档编号并放在网站上，让全球科学家和工程师对文档进行“品头论足”，评议内容再提交并进行编号。
• 标准发布范围：所有互联网标准（TCP、UDP、IP 以及 IP 及以上所有应用协议）均以 RFC 文档形式在 IETF 网站发布。
• 特点：与 ISO（文中表达为“阿 A 的标准”）的标准化方式不同，互联网标准是开放、全球工程师参与度高的模式。一个协议的标准可能涉及多个 RFC 文档，并非只关联一份文档；互联网通过全球工程师的“群策群力”共同建设和发展。

四、从服务角度看互联网：分布式应用 + 基础设施

1. 两个组成部分

• 从应用进程的视角看，互联网包含两个组成部分：

1. 分布式应用进程：运行在网络边缘主机上的各种应用进程。
2. 基础设施：为分布式应用进程提供通信服务的所有底层实体。

• 基础设施范围包括：
• 本机主机应用层以下的所有协议实体（运行中的协议模块）。
• 目标主机应用层以下的所有协议实体。
• 所有网络部分（按通常理解工作在网络层及以下的所有设备与协议）。
• 核心观点：分布式应用是网络存在的理由——如果没有分布式应用，就不需要网络。

2. 基础设施向应用层提供服务的方式

• 操作系统通过应用程序接口（API） 向应用进程提供通信服务，网络领域中即为 Socket API。
• 应用进程可通过 Socket API 与对方建立连接、发送报文、接收对方应用进程发来的报文，以此支撑网络应用。
• 实际应用举例：
• 双十一购物：用户将订单报文发给淘宝/天猫服务器，服务器将订单查询结果等作为报文返回。
• 网络游戏：玩家发出动作描述（封装成 message）发给游戏服务器，服务器将执行结果返回。

3. 两种服务模式

• 原文对 TCP/UDP 具体可靠机制及细节未展开，仅在此处给出了面向连接与无连接的类比性说明。

五、互联网的层次结构与 ISP 分层

• 互联网是由许多不同层次网络组成的系统，这些网络由不同的 ISP（互联网服务提供商）管理运营。
• 大的分层大致有 Tier-1（一级）、Tier-2（二级）、Tier-3（三级）、Regional（区域网） 以及边缘的 Local/Access（本地/接入网） ；也有网络跨越多个层次，很难归属到固定层级，这是互联网结构复杂的原因。
• 各层级的 ISP 网络有其各自的作用，整体构成互联网分层体系架构（原文未逐层详细展开，但强调理解 ISP 的层次结构有助于更深入理解互联网是“网络的网络”的含义）。
• 不同国家/地区的网络之间也需要互联互通——中国的网络需要与美国、欧洲、东南亚的网络互联，进一步印证互联网是由“一堆网络”组成的巨型系统。

六、互联网的历史与发展（概述）

• 互联网起源于 1969 年的军方资助的分组交换实验网，最初只有 4 个节点（原文未进一步扩展具体细节）。
• 经历了五十多年的演化，汇聚了几十万名甚至更多工程师和科学家持续迭代研发。
• 互联网并非某一位“大牛”一次性设计的产物：因为系统太复杂、功能太多、需求不断变化，无人能一次性完成，只能由大量人员长期协作、持续完善而成。
• 从最初军方 4 个节点的实验网，发展到今天几十亿甚至上百亿个节点的巨型复杂系统，成为支撑人类生产生活的“神经中枢”。
• 原文提示将对互联网架构的优点和缺点做梳理，但未在本段展开具体优劣评价。

七、互联网的分层体系结构与“层层递进”工作原理

核心思想

• 计算机网络极其复杂，无法用一个平面模型完成；必须采用分层方式，每一层实现一组特定功能。
• 每一层借助下层提供的服务，通过与对等层的协议实体相互交换协议报文来工作，目的是向上层提供更好更优质的服务。
• 到最顶层时，应用层借助传输层提供的服务，按应用层协议交换应用报文，实现各种各样的网络应用。
• 理解层次性原理是理解计算机网络工作的核心思想。

各层功能递进的直观推演（原文讲解逻辑）

原文强调

• 几乎所有网络（不只互联网）的分层体系结构都采用这种方法，每层依托下层服务并扩展其能力，最终支撑应用进程通信。
• 互联网仅是网络的一种。除了互联网之外，还存在其他各种专用网络：银行专用网络、通信专用网络、军用专用网络，以及早期存在的多种其他网络。互联网只是其中一种，只不过它比较普及而已。

方法、结构总结

互联网定义的两种视角总结（原文收束）

视角一：构成/零件角度

• 从零件看：互联网包括节点（主机节点与数据交换节点）与边（接入链路与骨干链路），再加上协议。
• 把紧密关联的节点和边组成一个网络，网络内还可再划分为更小的网络。
• 从整体看：互联网是由一堆网络通过网络互联设备（路由器）连接的网络的网络（network of networks） 。

视角二：服务/应用角度

• 互联网 = 分布式应用进程 + 为分布式应用提供通信服务的基础设施。
• 分布式应用是网络存在的理由；基础设施包括主机中应用层以下所有协议实体以及所有网络设备。
• 基础设施通过 Socket API 向应用进程提供服务。
• 基础设施向上层提供的服务分为面向连接（TCP） 与无连接（UDP） 两种。

关键术语对照表

总结

• 理解互联网先从三个递进概念入手：网络（节点 + 边）→ 计算机网络（联网的计算机所构成的系统，节点分主机与交换节点两类，边分接入链路与骨干链路两类）→ 互联网（以 TCP/IP 协议族为主支撑的网络的网络）。
• 互联网有两大观察视角：从构成看是网络的网络；从服务看是分布式应用加通信基础设施。
• 协议是互联网的灵魂，定义是对等层实体通信中遵守的规则集合，内容包括语法、语义、时序及动作。协议以 RFC 文档形式在 IETF 发布，全球工程师共同参与制定——这是互联网标准的一个重要特点。
• 端系统类型随物联网时代急剧扩大（从 PC、手机到冰箱、吐司机、智能球鞋等），端系统包含硬件、支持通信的操作系统、以及在操作系统之上驻留的网络应用。
• 互联网极其复杂，必须依靠层次化体系结构来处理：物理层 → 链路层（点到点）→ 网络层（端到端、尽力而为）→ 传输层（进程到进程、可靠）→ 应用层（各种网络应用），一层依托下一层、向上层提供更好的服务。
• 互联网从 1969 年军方 4 个节点的实验网，经几十万工程师五十年持续迭代，发展为今天数十亿设备的巨型系统；理解其历史与架构有助于把握其设计的优点与局限。