Computer Networking Introduction

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  1. Computer Networking: A Top-Down Approach

计算机网络概览

什么是计算机网络？

计算机网络，顾名思义，就是由一群可以互相通信的计算机设备连接起来组成的网络（netword）。用离散数学的语言说，每个设备是一个节点（node），而设备之间的连接就是边（edge），整个网络是一个图（graph）。

  • 网络：世界上有很多计算机网络，包括一个学校的校园网，一个企业的企业网，甚至我们在自己的家中也可以搭建网络。而世界上最大的网络就是因特网（Internet），也被叫做互联网。为了和互联网做区分，所有其他网络（校园网，企业网，…）都被叫做局域网，而因特网就是最大的局域网。
  • 设备：设备可以分为两种，一种是普通用户使用的设备，也就是手机，电脑等等，称为终端设备（endpoint device），简称终端（endpoint）或者主机（host）；另一种是作为中继把各个终端连接起来的设备，包括工作在链路层的交换机（switch）和网络层的路由器（router）（我们之后会介绍网络的协议栈）。
    • 不过，通常我们说的中继设备就是路由器。这是因为交换机所工作在的链路层属于比较低层，大部分用户和工程师都不会关心它。
  • 设备之间的通信可以是有线的（铜缆，光纤，所谓的“网线”，…），也可以是无线的（蓝牙，WIFI，蜂窝移动网络…），我们会在物理层详细讨论这个问题。
    • 你可以想到，各个终端间理论上可以直接相互通信，不需要任何中继设备，这样形成的网络在图论中叫做 Mesh 拓扑网络。但这是不切实际的，因为世界上的终端数量很多，彼此在地理上相隔可能很远，我们不可能给每个终端都建立对所有其他 N 个终端的 N 个物理连接。

网络通信的协议

计算机网络中的通信需要遵循协议（protocol），就像出行需要遵守交通规则一样。只不过，在计算机网络中传递的是数据（比特串），因此网络协议本质上是对数据交换方式的规范。

不同实体之间需要遵循的这种“约定”，在不同领域有不同的名称。例如：在编程中称为接口（interface），在应用交互中称为 API，在法律中称为合同（contract），在文化中称为约定（convention）。本质上，它们表达的是同一件事：两个实体（无论是进程、个人还是组织）在进行通信或交互时需要遵守的规则。

网络协议通常由国际组织制定，并以标准文档的形式发布。目前常见的标准文档称为 Request for Comments（RFC）。

互联网的协议栈（五层模型）

计算机网络这一领域最具代表性的特征之一，是其具有一个清晰而简洁的分层协议模型。在计算机科学中，为了便于理解和实现复杂系统，通常会对问题进行抽象和分层处理。例如，开发 Flash 游戏的人无需关心浏览器的具体实现，编写 Java 程序的开发者也不必了解操作系统内核的细节，而操作系统工程师同样无需深入掌握底层半导体原理。

与计算机科学的其他领域类似，计算机网络中的抽象同样遵循“分层”的思想，并且通常按照与物理实现的距离由近及远进行划分。最底层是实际传输的电信号，这一层通常不被纳入计算机网络的讨论范围；网络所关心的最底层，是以电信号为载体的比特串。而在最顶层，则是各类应用之间的通信协议，例如 HTTP 等。

基于这种分层思想，我们在应用层（应用间的消息）与物理层（比特串）之间划分出多个层级。根据划分粒度的不同，形成了五层模型和七层模型两种常见的协议体系。由于各层之间具有自下而上的依赖关系，因此整体结构被形象地称为“协议栈（stack）”。本文将采用较为常见的五层模型进行讨论。

各层的主要职责如下：

层 解决的问题
L5: Application / 应用层 应用需要什么通信语义？
L4: Transport / 传输层 如何实现进程到进程通信？
L3: Network / 网络层 如何把数据送到目标主机？
L2: Link / 数据链路层 如何在一条物理链路上传输？
L1: Physical / 物理层 如何传输比特？

应用层（Application）

  • 实体：应用进程（浏览器、服务器、客户端程序）
  • 协议：HTTP、DNS、SMTP、FTP
  • 设备：主机（不涉及专用网络设备）
  • 作用：定义应用之间的数据格式与语义

传输层（Transport）

  • 实体：主机中的传输层协议栈（操作系统内核）
  • 协议：TCP、UDP
  • 设备：主机
  • 作用：提供进程到进程的通信

网络层（Network）

  • 实体：主机 + 路由器
  • 协议：IP（以及路由协议如 OSPF、BGP）
  • 设备：路由器（Router）
  • 作用：主机到主机的转发与路径选择
  • 实体：网络接口（NIC）
  • 协议：Ethernet、WiFi（802.11）
  • 设备：交换机（Switch）、网卡
  • 作用：相邻节点之间的数据传输

物理层（Physical）

  • 实体：物理接口（电路/光模块）
  • 协议：比特编码规则（如电压、调制方式）
  • 设备：网线、光纤、无线信道
  • 作用：比特在介质上的实际传输

协议数据单元（PDU）

各网络协议层中所使用的数据单位统称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。在不同的协议层中，PDU 具有不同的具体名称：

层次 常见 PDU 名称
应用层 message / 报文
传输层 TCP：segment / 段；UDP：datagram / 数据报
网络层 IP packet 包
数据链路层 frame / 帧
物理层 bit / 比特

PDU 遵循如下结构：一个头部（header）用于存储控制信息，比如协议名字，目的 ip 地址等等；一个载荷（payload）以存储真正要传输的数据内容；有些 PDU 还会附加一个尾部（trailer）用于数据校验等目的。

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PDU = header + payload (+ 可选 trailer)

例如：

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TCP segment = TCP header + data
IP datagram = IP header + data
Ethernet frame = Ethernet header + data + trailer (FCS)

PDU 的封装

1. 封装思想

在分层结构中，每一层只处理属于自己的信息。也就是说：

  • 传输层只关心 TCP segment
  • 网络层只关心 IP packet（datagram）
  • 链路层只关心 frame

但与此同时，上层的数据必须被包含进下层，并最终包含进物理层（否则就没有没有物理介质，也就没法通信）。因此，各层之间的数据关系是：

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Application Message
        ↓
TCP Segment
        ↓
IP Packet
        ↓
Link Frame
        ↓
			Bits

也就是：

  • segment 被放入 packet 中
  • packet 被放入 frame 中

这个包含操作有一个术语，叫做“封装（encapsulation）”。

2. 封装的实现方式

由于 PDU 都是 header + payload 的结构，因此封装的最自然的实现方式就是 把上层 PDU 作为下层的 payload，再加上当前层的 header：

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							上层 PDU（payload）
								↓
[本层 header] + payload → 本层 PDU

具体来说，每一层只做两件事：

  1. 处理自己的信息（如端口号、IP 地址、MAC 地址等）
  2. 把上层数据整体当作 payload 包含进去

（可能还会附带一些操作，例如校验、加密等）

3. 示例：一次 HTTP 请求在协议栈中的封装过程

一个简单的例子是：当我通过应用层的 HTTP 协议访问网站 example.com 时，会生成一个应用层报文（message）：

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+----------------------------------------------+----------------------+
| Application Header                           | Application Payload  |
|----------------------------------------------|----------------------|
| POST /login HTTP/1.1                         | username=alice       |
| Host: example.com                            | password=123456      |
| Content-Type: application/x-www-form-urlencoded |                  |
| Content-Length: 29                           |                      |
+----------------------------------------------+----------------------+

3.1. 传输层（TCP）

这个报文会作为 payload 被 TCP 封装，形成一个 segment：

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+------------------+----------------------------------------------+
| TCP Header       | Application Message                          |
|------------------|----------------------------------------------|
| src port: 12345  | POST /login HTTP/1.1 ...                     |
| dst port: 80     |                                              |
| seq: ...         |                                              |
+------------------+----------------------------------------------+

3.2. 网络层（IP）

接着，TCP segment 会作为 payload 被 IP 封装，形成一个 packet：

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+------------------+----------------------------------------------+
| IP Header        | TCP Segment                                  |
|------------------|----------------------------------------------|
| src: 10.0.0.2    | TCP Header + HTTP Message                    |
| dst: 8.8.8.8     |                                              |
+------------------+----------------------------------------------+

3.3. 链路层

IP packet 在链路层会被进一步封装为 frame：

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+------------------+----------------------------------------------+
| Link Header      | IP Packet                                    |
|------------------|----------------------------------------------|
| src MAC: ...     | IP Header + TCP Segment                      |
| dst MAC: ...     |                                              |
+------------------+----------------------------------------------+

3.4. 物理层

最终，在物理层中，这些 frame 会被转换为：

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010101010101010101010101...

即在链路上传输的比特流（电信号）。

4. 数据分片

虽然在逻辑上一个高层 PDU 会被作为 payload 完整地封装进一个低层 PDU，例如：

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Application Message
   ↓
[TCP Header | Message]
   ↓
[IP Header | TCP Segment]

但是，为了避免一个PDU 长时间占用链路，同时为了允许多个 PDU 共享一个链路，我们在实现上会把数据进行切分。切分可以发生在传输层，IP 层和链路层：

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原始 Message
   ↓（可能被切分）
多个“较小的上层数据块”
   ↓（逐个封装）
变成多个下层 PDU

例如：

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一个 Message 被切成两段：

M1, M2

然后：

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Segment1 = [TCP H | M1]
Segment2 = [TCP H | M2]

再继续封装：

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Packet1 = [IP H | Segment1]
Packet2 = [IP H | Segment2]

因此，封装是逻辑层面的，而在实现中上可能会切片。

通信方式：分组交换

每个数据包在网络层中被独立地转发：

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主机 → 路由器 → 路由器 → … → 主机

路由器对经过它的每一个数据包执行：

  1. 接收一个完整数据包
  2. 查转发表（根据包中含有的目的地址）
  3. 从某个接口发出去

这里有两个注意点：

  1. 每个数据包可能走不同路径
  2. 数据包必须在当前路由器完整接收后，才会被转发。这和视频直播等领域中的流式传输不同。
  3. 整个路径不是一次完成的，而是一跳（hop）一跳地推进，因此也被称为逐跳转发（store-and-forward）

附录

网络领域常见的性能指标

  • 吞吐量throughput: 单位时间内通过某个网络的实际的数据量

  • 时延latenty：数据从网络的一端传送到另一端的时间

    • 发送时延：主机或router发送数据帧所需要的时间
      • = 数据帧长度 / 发送速率
    • 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
      • = 心道长度 / 电磁波在信道中的传播速率
    • 处理时延：主机或router处理收到的分组的时间
    • 排队时延：分组在router的输入队列中排队等待处理
      • 丢包：分组如果到达一个满的队列，router将drop该分组
    • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时间 + 排队时延
      • 我们一般只能提高发送时延， “光线比铜线快”指的是可以用很快的速率向光纤信道发送数据，光纤信道上的传播速率实际上比铜线慢

  • 往返时间RTT(Round-Trip Time)