1.1 什么是因特网

1.1.1 具体构成描述

1.1.2 服务描述

1.1.3 什么是协议

1.2网络边缘

1.2.1 接入网

1.介绍 DSL（数字用户线）

2.介绍电缆因特网接入

3.介绍光纤接入

1.3 网络核心

1.3.1 分组交换

1.存储转发传输

2.输送时间计算

3.排队时延和分组丢失

1.3.2 电路交换

1.电路交换网络中的复用

第一章内容速览：从整体上粗线条地勾勒出计算机网络的概貌，并且描述本书的内容框架。我们将了解网络是怎样彼此联系起来的。

1.1 什么是因特网

第一种方式：描述因特网的具体构成，即构成因特网的基本硬件和软件组织。

第二种方式：根据分布式应用提供服务的联网基础来描述因特网。

1.1.1 具体构成描述

如：智能手机，平板电脑，电视，游戏机，物联网家具等设备都被称为主机或者端系统。

上图是一些因特网的一些部件，端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。通信链路由不同的物理媒介包括同轴电缆，铜线，光纤，无线电频谱构成。

当一台端系统要向另一台端系统发送数据时，发送端将数据分段，并为每段加上首部字节，这样形成的信息被称为分组。

分组交换机最著名的是路由器和链路层交换机，这两类朝着最终目的地址转发分组，一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机统称为路径。

类比理解：

想象一下一个工厂需要将货物运输到数百公里外的多个不同仓库，这里工厂和仓库就相当于端系统。在工厂这个端上货物要分开装到不同的卡车上，并且写上标记号，哪一辆车去那一个仓库。所以这里的每一辆卡车相当于分组，而途径的高速公路是通信链路，交叉口相当于分组交换机。

这就是因特网的具体描述：端系统通过分组把信息标记并且传递到通信链路，让后遇到分组交换机选择传递方向，最后到达另一个端系统。

接下来问题，端系统如何进入因特网？

ISP ( Internet Service Provider) 因特网服务提供商，简单来说就是中国移动，中国联通，提供的流量服务，或者是咖啡馆的wifi，或者是学校提供的校园网。

1.1.2 服务描述

从为应用程序提供服务的基础设施的角度描述因特网：例如QQ，微信，LOL，穿越火线，看电影等等程序应用，因为这些应用程序涉及多个相互交换的端系统，所以他们被称为分布式应用程序。

整个因特网相当于是 应用程序+基础设备 除了应用程序以外的所有设备，包括端系统，通信链路，分组交换机都属于基础设施。

1.1.3 什么是协议

类比介绍：

人与人之间要遵守礼仪规范，比如你早上遇见鲲鲲向他礼貌问候，鲲鲲你好，让后鲲鲲说回头看了看你说 你干嘛~~ 然后你就可以进一步向鲲鲲寻求帮助了，你问鲲鲲为什么计算机网络这么有趣？ 鲲鲲笑着说鸡你太美 ~~ 这其实就是一次正确的交际问候，完全符合人们的交际规范。

同样网络也要遵守机器之间的协议比如TCP UDP IP等协议。在因特网中，涉及两个或者多个远程通讯实体的所有活动都受到协议的制约。例如在两台连接的物理计算机中，硬件实现协议控制在两块网卡间的“线上”的比特流；而端系统中，拥塞控制协议控制了发送方和接收方之间的传输分组发送的速率。而路由器中的协议决定了分组从源到目的地的路径。可以说网络中的协议运行的无处不在。

生活类比：

假如说你输出信息的速度是2.5，你的女友接受信息的速度是1.3.由于你的信息篇幅又大，又快。你对女友说，我的很大，你要忍一下~~。 这个时候你的女友受不了了，根据TCP 的协议，你需要主动降低传输信息的速度来符合女友的接受量。同时，假如今天是周末。前方的交叉路口非常拥堵，你一路狂飙120码，让后交警追上你拿出了TCP协议，告诉你前面巨堵，赶快减速，这时候你赶快踩刹车，把数据传输流降低了许多。最后你安全行驶过去。

1.2网络边缘

在上一节中，我们给出了因特网和网络协议的总体概述。现在我们将更加深入一些来探究计算机网络的部件。在本节中，我们从网络边缘开始，观察一下我们更为熟知的部件，即我们日常使用的计算机，智能手机和其他设备。接下来的一节中，我们将从网络边缘向网络核心推进，查看计算机网络中的交换和选路。

1.2.1 接入网

接入网是指将端系统物理连接到边缘路由器的网络。边缘路由器是端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台机器。简单来说，就是如何把你的电脑连接到附近最近的基站。

1.介绍 DSL（数字用户线）

今天，宽带住宅接入有两种最流行的类型：数字用户线(Digital Subscreber Line) 和电缆。就是现在宽带接入你家一般用的是DSL线或者是电缆。那么接下来介绍这类数据线的功能具体是什么。

有很多小伙伴有这样的经历。。在家正准备打LOL呢，突然登陆界面显示网络不可用，这时候你发现你家座机没有电话费停机了，结果你就纳闷，这电信公司咋那么黑呢？电话没费就把我的网给断了，害我没法打LOL。

现在回头一看原来这并不是电信公司营销的手段，而是家用宽带和家用座机是一条数据线！这条DSL的电信号从上图的中心局的DSLAM（数字用户线接入复用器）发出，经过分配器分为两条去路，一条连接的是家庭电话，另外一条供你打LOL。

发往座机的那条DSL占用了普通的双向电话信道，位于0到4kHz频段。在这个频段是供我们打电话用的，电信号传到座机后，座机把电信号解析为声音，然后座机再把你说的话转为电信号传到中心局，从而实现两个人的通话。

来看看你是如何打LOL的，你正在用亚索乱e的时候，你的电脑自动形成了一些数字信号。这些数字信号通过DSL调制解调器转化为电信号，经过DSL瞬间传到中心局，让你感受追风亚索的丝滑。这时候石头人开大撞飞5个，中心局把电信号瞬时传到DSL调制解调器中，然后转化为数字信号，经过你电脑的分析显示成画面，此时5个人被击飞你大喊一声：“我是闪电”！让后拿下5杀。

这里说明一下，你接受中心局的数据和向中心局发送数据的速度是不一样的。

高速下行信道，位于50kHZ 到 1MHz。

中速上行信道，位于4kHZ 到 50kHz。

总结：无论你是打电话，还是打LOL你用的都是DSL这一根线，因为打电话和LOL用的是不同频段的信号，所以他们可以并行而不影响。但是你要说你电话没费了，电信公司不想让你打电话，只能掐断你家DSL数据线了，就算你还有网费，也不能上网，如果让你上网了，那么你家就又可以打电话了。

2.介绍电缆因特网接入

你有没有想过你家电视咋接受信号的？以前我爷爷家是那种带着两根天线的，信号好了能接受几个频道，信号不好就是黑白雪花。现在大部分人家看电视都是电视机的数据线往一个专门的圆形插孔里一插就能接收到信号了。这就是电缆因特网接入！

电缆因特网的接入实际上是在刚建小区的时候就部署过了。每个家都分配了线路，谁交钱就能给谁开通。往往一根同轴电缆服务数百上千家庭。当然，电缆因特网的接入也需要特殊的调制解调器。电缆调制解调器端接系统(CMTS) 与DSL网络的DSLAM作用大致相同都是处理信号用的。

电缆因特网接入的一个重要特征是共享广播媒体。特别是，由头端发送的每个分组向下行经每段链路到每一个家庭；每个家庭发送的每个分组经上行信道向头端传输。因此如果几个用户同时经下行信道下载一个视频文件，每个用户接受视频文件的实际速率将大大低于电缆总计的下行速率。另一方面，如果仅有很少的活跃用户在Web冲浪，则每一个用户都可以享受全部的下行速率接受Web网页，因为用户很少在完全相同的时刻请求网页。

3.介绍光纤接入

最简单的光纤分布网络称为直接光纤，从本地中心局到每一户设置一根光纤。更一般的是，从中心局出来的每一根光纤实际上由多个家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置，这光纤才分成每一户一根的光纤。

给大家展示一下我家的光纤，了解一下即可。

还有另外一种接入网络技术，在无法提供DSL电缆和光纤的地方，能够使用卫星链路将住宅以超过1Mbps的速率与因特网相连。StarBand与HughesNet是两家这样的卫星接入提供商，使用传统电话线的接入与DsL基于相同的模式：家庭的调制解调器经过电话线连接到ISP的调制解调器。

1.3 网络核心

在考察了因特网边缘后，我们更加深入地研究网络核心，即由互联因特网端系统的分组交换机和链路交换构成的网状网络。

1.3.1 分组交换

在各种网络应用中，端系统彼此交换报文。报文能够包含协议设计者需要的各种信息，如电子邮件数据，JPEG图像，或者MP3音频文件等。为了从源端系统向目标端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，称之为分组。

在源和目的地之间，每个分组都需要通信链路和分组交换机传送。分组以等于该链路最大传输速率通过通信链路。因此如果端系统或者分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路的传输速率为R比特/秒，则传输该分组的时间为L/R秒。

那么究竟何为分组交换？简单来说就是你去淘宝买了很多东西，商家给你打包打包（先当于分组），然后通过卡车运往高速公路（相当于数据链路层），接着大卡车进入了中转站，决定发往哪一个城市（相当于交换机）最后送到你家，即目标端系统。

1.存储转发传输

存储转发传输是指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须收到整个分组。接下来我们通过一个小故事来告诉大家，为什么非得存储转发，而不能直接转发。

如图所示，假如你是源端系统，目的地是你女朋友的接收端系统。你们之间的链路要经过一个交换机才能正常通信，这一天你给女朋友发送分组，当你把分组发送到交换机的时候，它并不是直接发给你的女朋友，而是留下来储存起来等你的所有分组传送完毕后，才发给你的女朋友。你很生气地说："叫你直接转发过去，非得把我的分组存起来是吧？你咋这么贱呢？我发的小影片都叫你偷看完了。" 交换机笑着说：”can can need“。你心里mmp，准备找一个不需要存储的交换机进行转发。

这时候你换了个交换机，这个交换机不仅不存储，甚至连看都不看直接按着地址就给转发过去了，它天天打王者，没工夫管这些。这时候你心想："这多好啊，没人看直接转发过去还节省时间。"正当你高兴的给女朋友发送分组的时候，这个交换机的其他客户也要转发分组。结果你恍然大悟，没人储存自己的分组，该条链路就无法共享，否则自己的和别人的都混在一块了，值钱讲究先来后到，我的存储完才转发过去，下一个接着存储。现在混在一块，信息都乱了！！

2.输送时间计算

之间已经讲过一条数据链路没有交换机的话输送时间是L/R秒。这里解释一下，信息在链路上传送的时间可以忽略不计，时间主要花费在两个端系统的发送个接收上。所以假如存在一个交换机的话，一个发送接受过程变成了两个，所以花费时间是2L/R。

3.排队时延和分组丢失

当多个端系统用户同时经过一个交换机的时候，就会需要等待，如图所示A---->E 前半部分的传输速率是10Mbps，后半部分是1.5Mbps。进的快出的慢就需要排队等待。

接着给大家讲个笑话来说明分组丢失，夏天很热，大家都去玩游乐场的滑滑梯冲浪，可是排队的人有很多，排在首位的人正在穿救生衣做好准备（相当于前面讲的分组存储时间）。这时候排在后面的人说:"他奶奶的，这么热的天，让不让滑啊?"这时候工作人员听见了，上去一脚把他踹飞了说：”老子可不惯着你，不排队就滚。“ 这就是分组丢失，该分组被交换机丢弃了(因为排队的存储空间已经满了)。

总结：分组交换特点：存储延时+排队延时+分组丢失。

1.3.2 电路交换

在电路交换网络中，在端系统通信会话期间，预留了端系统沿路径通信所需要的资源(缓存，链路传输速率)。这是名副其实的连接，因为此时沿着发送方和接受方之间的路径上的交换机都将为该连接维护连接状态。

说白了就是电路交换给你开了VIP，这条道你俩自己通信别人用不了，分组交换就是谁先来谁用，用完下一个人接着用。

如图所示，之前的链路都是一根线，现在分为了4根线。为啥呢？之前一根线用于分组交换，还要排队讲究个先来后到，现在是并行的，4条道，可以同时使用。但是也有缺点，假如之前的传输速率是1Mbps现在变为250kbps相当于1/4了。

1.电路交换网络中的复用

FDM频分复用，一句话概括就是划分频段来同时使用。

TMD时分复用，就是一秒划分为多少份，谁在谁的时隙传输。

2.分组交换和电路交换的对比

对分组交换的争辩，批评者说分组交换不适合实时服务(例如，电话和视频会议)。因为端到端时延是可变和不可预测的（存储延时+排队延时+分组丢失）。支持者认为分组交换比电路交换有更好的宽带共享，并且它比电路交换更加简单，更有效，实现成本更低。

3.两个例子

先明确两者区别，分组交换是共享使用，电路交换划分私人通道。那么怎么证明这两者谁更牛逼呢？

我这里想给大家用贴近生活并且简单的例子让读者姥爷能够理解这两者到底谁更牛逼。假如你们楼栋多个用户共享一条1Mbps的链路，每个人闲的时候都想刷会抖音。假如说1个用户刷抖音最低要求是100kbps的传输速率。你怎样设计才能让更多人玩抖音？（1Mbps=1000kbps）

1.先来用电路交换设计，运用TDM时分复用手段，把1s的帧划分为10个时隙，每个时隙100ms则每一个用户独享100kbps 的信息传输速率。这样可以最多满足10个用户同时刷抖音。

2.结合实际情况，每个人刷抖音的时间实际上是不同的，有人中午刷，有人下午放学刷，有人凌晨1点还在刷抖音。假如你们楼上有35个用户，每个用户活跃概率是0.1，那么通过数学概率计算，有10个用户同时刷抖音的概率为0.0004。所以电路交换，实际上很大程度上浪费了资源，因为它最多供应10个用户，而分组交换更加符合实际，谁在线谁就占用数据流，这样可以服务更多的用户。

1.3.3 网络的网络

ISP(Internet Service Provider，因特网服务提供者)：普通用户接入到因特网的过程通过ISP，ISP从因特网管理机构申请到成块的IP地址，且拥有通信线路和路由器等联网设备，用户缴纳费用即可获取可用的IP地址进行通信。

想要把网络结构讲清楚，那么先问一下各位同学，你觉得这个世界的网络是如何连接起来的呢？

有的同学会认为全球其实只有一个互联网，大家共同用一个，让后相互传递信息。实际上并不是这样的，互联网是通过不断演化集合成的巨无霸。

我们从刚开始来推演这个过程，接入ISP技术能够提供无线和有线链接，如DSL，电缆，FTTH，WiFi，和蜂窝技术。那么我们怎么实现不同的端系统之间的通信？最初的想法是每个接入ISP与世界上其他ISP都有一条单独的通信链路。然而，如果这样的话，全球就充满了链路，每个与每个人都相连，显然不可行。

所以我们需要分层管理，如图所示，接入ISP

ISP主要分为3层

第一层ISP：因特网主干网，直接互联，由高速链路和交换设备，国际性区域
第二层ISP、一些大公司：是第一层ISP的用户，区域性或国家性覆盖规模
第三层ISP：本地ISP，仅有本地范围网络，用户为校园网、企业网、住宅用户等

例如你就是整个网络之中的接入ISP，你们校园网是属于区域ISP，你们校园网属于中国电信，中国电信就属于第二层ISP。全球大概有10几个第一层ISP，这里不一一列举。第一层ISP向第二层ISP提供服务，中国电信向校园网提供服务，校园网向你提供服务。

下层向上层缴费，第一层ISP不向任何一层付费。同时还有更加复杂的关系，比如同层之间为了数据方便共享，就用因特网交换点IXP相互连接，比如说中国电信和中国移动，他们既是伙伴又是竞争对手，为了方便两者用户之间交流，他们数据共享相互提供服务并且他们之间不付费。这就是为什么你家人是中国联通，你是中国电信，你们之间依然可以联系。

同样还有多宿，就是双卡双待，一个人电信和联通都用，一个没话费了另一个接着用。

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