计算机网络概述
看懂协议如何分工、路由如何选择,以及一次网络请求如何穿越全球抵达目标
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计算机网络概述
看懂协议如何分工、路由如何选择,以及一次网络请求如何穿越全球抵达目标
互联网络发展史
从冷战研究网到全球互联基础设施,五个关键节点环环相扣。
什么是计算机网络
三台电脑各干各的,靠 U 盘互传文件——这是三台独立机器。插上网线、装上共享软件,能互相取用对方文件了——这一刻,「网络」才正式成立。
每家书店独立经营(独立计算机),通过物流转运互联(通信链路),共同构成更大的图书网络(集合)
网络的分类
从中心向外读:根是分类轴,三分支对应 LAN、MAN、WAN,末梢写各自尺度与场景。
网络拓扑结构
总线型与星型是最易混淆的两类局域网拓扑,结构看似简单,选错代价却很大。
- 结构:所有节点共享一根主干电缆
- 容错:主干断了整个网络瘫痪
- 性能:节点增多带宽争用严重
- 适用:小型、成本敏感、临时网络
- 结构:所有节点独立连到中心设备
- 容错:单点故障只影响一个节点
- 性能:中心交换机独享端口带宽
- 适用:中大型、可靠性要求高的场景
网络性能指标
认识了网络的分类与拓扑后,下一步要问:怎么衡量网络「好坏」?和评价一条公路一样,要看多个维度,不能只看一个数。
带宽=车道数;时延=通行时间;吞吐量=实际车流;丢包率=事故拥堵
为什么需要分层
一个快递从北京寄到纽约,要经过揽件、分拨、航空、海关、本地配送……每环节只管自己这一步。让一个人从头管到尾,他会疯掉。全球网络也是这样——必须靠分层来扛复杂度。
揽件/运输/清关/配送各管一摊,层间只交接标准化包裹
分层的基本原则
上页我们知道了网络为什么要分层——复杂问题拆开才好管理。但「拆」不是乱拆,每一层该如何约束自己、又怎么和上下层打交道?这三条原则就是答案。
顾客只和服务员说话,服务员只传单给厨房;谁也不窥探别人后台怎么干活
协议与服务的区别
上节我们理解了为什么要分层,可分层后立刻冒出新问题:同一层之间怎么对话?上一层如何「调用」下一层?答完这两个问题,协议与服务的区别就清楚了。
同级沟通靠协议,下级交差靠服务
实体、协议、服务、SAP
左右各一台主机,自上而下三层。横向连线上是协议,纵向接口是服务与SAP。
OSI模型的七层结构
上一节我们看到相邻层通过SAP打交道。一个完整的网络通信到底分了几层、每一层又管什么?让我们从最顶上的应用层开始,逐层往下揭开OSI模型的全貌。
应用=你要寄;表示=包装;会话=联系;传输=选快递;网络=定路线;链路=段段中转;物理=实际运输
物理层:比特的传输
沿主箭头看比特从发出到接收的全流程,沿分支线看每环节的典型方案。
数据链路层:帧的可靠传输
从发送方到接收方,看一帧数据如何被封装、检错、确认。
网络层:路由与寻址
端到端视角:源主机发出分组,每经过一台路由器都做一次路由选择+分组转发,最终在目的主机解封装交付。
传输层:端到端可靠传输
图中展示传输层如何通过端口复用、协议选择与连接管理,把上层数据准确送达对端进程。
会话层、表示层、应用层
按数据下行方向,看上层三层如何逐层封装并下传给传输层。
TCP/IP四层模型
左侧协议簇、中间 TCP/IP 四层栈、右侧 OSI 七层如何被合并对应;虚线表示映射关系。
五层参考模型
自顶向下读:每层把上层 PDU 加上自己的头部,封装成下一层的 PDU
三种模型的层次对应
OSI七层、TCP/IP四层、五层模型层数不同,但其实是同一张网络地图的三种切法。
- 7层结构,物理到应用逐层封装
- ISO理论标准,先有模型后填协议
- 追求通用性,层间接口严格标准化
- 理论完美但落地复杂,协议支持有限
- 4层结构,应用/传输/网际/网络接口
- ARPANET实战沉淀,先有协议后归纳
- 追求实用性,协议实现灵活可演进
- 工程现实标准,几乎所有互联网设备遵循
数据的封装过程
数据从应用层一路下传到物理层,每层都加上自己的首部甚至尾部,逐层封装成最终能在介质上传输的比特流。
数据的解封装过程
数据从物理层到应用层逐层拆封,最终还原为原始信息。
端到端与逐跳的区别
左右两栏对比同一通信过程的网络层与传输层视角:网络层看到多跳路径,传输层只看到一条端到端逻辑通道。
PDU各层名称对照
上一页数据每过一层就被加一次头,可每加一次包装,「身份称呼」也跟着换——就像快递在不同站点有不同叫法。
下单=报文→装箱=段→贴面单=包→装货柜=帧→车跑=比特
章节自测
传输层的可靠传输与数据链路层的可靠传输,最本质的区别是?
核心要点回顾
- ✓分层是把复杂系统切成独立可设计的小块
- ✓OSI 七层是参考框架,TCP/IP 四层才是实际互联网
- ✓对等层之间靠协议说话,上下层之间靠服务交接
- ✓发送方逐层封装加头,接收方逐层解封装剥头
- ✓路由器只看网络层,交换机只看数据链路层
课后思考
三个问题,先自己琢磨5分钟,再看参考答案。
参考答案不是一回事。协议描述同层对等实体之间的交互规则(水平);服务描述下层向上层暴露的能力(垂直)。一个谈'对等通信',一个谈'层间接口'。
参考答案常见组合:物理+数据链路→网络接入层;会话+表示+应用→应用层。判据是相邻层之间是否还存在独立的服务原语——如果没有,合并更经济。
参考答案不矛盾,是层次不同。端到端原则谈'应用智能该由谁懂';QoS、防火墙谈'基础设施该提供哪些保障'。前者是哲学,后者是工程,二者可以并存。