CS 168 | 导论
一、互联网导论 互联网是什么？ 互联网不是我们平时打开浏览器看到的花花绿绿的网页，那只是互联网应用的一部分——万维网。电子邮件、我的世界游戏服务器，甚至物联网设备都算互联网的一份子。 互联网是联盟式的、可扩展的 互联网由很多运营商（ISP）在维护，每个运营商独立运作，但每个运营商都必须合作以连接整个世界。因此运营商们必须达成一致的协议，才能让互联网遍布世界的每一个角落。 互联网不是“金字塔层级”，也就是不是只有一个运营商，因此我们互联网需要做的就是把各个运营商链接在一起，每个局域网连接在一起，每个设备连接在一起… 这就是互联网的可扩展性。 庞大体积也给互联网本身带来很多挑战，比如消息可能在传输中途就失效了，再比如中途有一个或者很多个路由器坏了等等，因此互联网需要面对随机和众多的故障。 协议 互联网的重点在于协议。协议就是一种标准，规定了互联网中的数据以什么方式、格式传输，从哪传送到哪，这样才能保证一致性。协议一般是以请求评论（RFC）的方式发布的，由 IETF 负责。 二、互联网层次 第一层：物理层 物理层的作用就是把位信息通过某种方式传输出去。这种方式通常有电线上的电压、无线无线电波、光纤电缆中的光脉冲等，这是电气领域的事情，是计算机网络的最低层次，我们不作深究。 第二层：数据链路层 在互联网中，一条链路连接两台机器，多条链路连接多台机器构成了局域网（local area network，LAN)。 链路层主要是把物理层的位信息分组成数据包（packets）（有时候也叫帧frames），以其作为基本单位。 第三层：网络层 不同局域网的设备想要沟通，就必须搭建局域网之间的桥梁，不同的局域网连接起来就构成了互联网。这个桥梁的两个端点就是交换器（switch） 或者 路由器（router）。 网络层解决了以下问题： 交换机或者路由器收到数据包，该往哪里转发？怎么发路径最短？（路由单元的重点） 如何保证链路上有足够的容量来传输我们的数据？（拥塞控制单元的重点） 网络层的两个特性是： 尽力而为传输：只管传输，不管有没有传输到目的地，尽力就好。 数据包抽象：如果传输大量数据，就把它切分成多个小数据包传输。 第四层：传输层 传输层以第三层网络层为基础，实现了一个额外的协议，用于重传丢失的数据包、将数据分割成数据包，以及重新排序乱序到达的数据包（以及其他功能）。 传输层协议使我们能够停止以数据包为单位思考，转而以流的形式思考，即两个端点之间交换的数据包流。 第七层：应用层 应用层使得互联网可以支持不同的应用，例如收邮件，下载视频等等。如果没有第七层，恐怕互联网就只能有一种用途，换句话说应用层使得互联网有更多的应用。 会话层（第五层）原本应该将不同的数据流组装成一个会话（例如，加载各种图像和广告来形成一个网页），而表示层（第六层）原本应该帮助用户可视化数据。如今，这些层的功能主要在第七层中实现，因此直接被跳过了。 三、报头 为什么需要报头 在第三层网络层我们提出了一个问题：数据包应该经过什么路径发送？ 这件事关乎交换机或者路由器，我们应该提前告诉他们这个数据包往哪发送。实现方法就是在数据前面加上报头（headers）。而数据在这里我们就叫它载荷（payload）。 每一个网络设备都需要遵循一个报头标准，就像世界通用一个语言——英语，这样数据包的传输才不会乱套。 报头里有什么信息 目标地址：告诉路由器和交换器，数据包要往何处发送。 源地址：允许数据接收方可以回信。 校验和：确保数据包在传输中途没有损坏。 其他元数据：例如数据包的长度。 报头疯狂嵌套 信息顺着互联网层次越低，修饰的报头就越多；层次越高，报头就越少。 每一个设备都会处理前三层：物理层、数据链路层和网络层，但只有发信和收信的主机才可以处理后两层：传输层和应用层。经过这样不停的拆包和封装过程，数据最终被传输到目的地址。 第一层、第二层的协议可以采用无线或者有线方式传输，但是必须和上一跳或者下一跳的协议一样；第四层和第七层中，发送主机和目标主机的协议必须完全一样，以保证功能相同。 三、网络架构 设计范式 上一节我们自底向上了解了互联网层次，现在我们自顶向下来认识互联网设计采用的范式。 互联网的范式有很多也很有争议，比如联盟式（独立运营商合作），但在近年来，软件定义网络（SDN）作为一种更集中的网络管理方式出现。 “楚王好细腰” 互联网层次中的一层可以只有一个协议，也可以有很多很多协议。 现代互联网的具体协议如上图所示，形成了一个上下宽中间窄的图像。可以发现在第三层只有 IP 协议，互联网的每一个人都必须使用 IP 协议才能传输数据。 解复用 上面说到，多个协议可能采用同一个路径传递，因此在第四层解包的时候我们要在报头中声明，下一个协议具体是什么协议（TCP/UDP）；而在第七层我们需要声明下一个端口是什么。端口用来区分数据包属于哪个应用程序。 端口分为逻辑端口和物理端口。逻辑端口就是报头里面的 port 字段；物理端口就是交换机上插的网线物理位置。 注意：套接字（socket）指的是操作系统用于将应用程序连接到操作系统中的网络栈的机制。当应用程序打开一个套接字时，该套接字将与一个逻辑端口号相关联。当操作系统接收到一个数据包时，它使用端口号将该数据包定向到相关联的套接字。 ...