【读书笔记】《计算机网络教程：自顶而下方法》（一）Internet概览

一，概论

1.1 Internet概览

　　网络（network）是由一组具有通信能力的设备相互连接而形成的。在这个定义中，设备可以 是主机（host，有时也称为端系统（end system），如大型计算机、桌面计算机、笔记本电脑、工作 站、无线电话、安全系统等），也可以是连接设备，如连接网络到其他网络的路由器、将设备连接 到一起的交换机、变换数据形式的调制解调器等。在一个网络中，这些设备使用有线或无线的传输 介质（如电缆或大气）连接起来。当家庭中利用一台即插即用的路由器连接两台电脑时，我们就组 建了一个网络，尽管这个网络很小。 

　　局域网（local area network，LAN）通常是私有的，连接一个办公室、大楼或校园内的一些主 机。按照需求的不同，一个局域网既可以简单地由两台电脑和一台打印机组成，用于家庭办公，也可以贯穿整个公司，包含语音和视频设备。在局域网中的每台主机都具有一个标识符（一个地址）， 用于在局域网中唯一地定义这台主机。一台主机向另一台主机发送的数据包携带了源主机和目的主 机的地址。 在过去，一个网络中的所有主机都连接到一个公共的电缆上，这意味着从一台主机发往另一台 主机的数据包可以被所有的主机接收到。目标接收者保存这个数据包，而其他主机丢弃该数据包。 现在，多数局域网采用智能连接交换机，它能够识别数据包的目的地址并引导该数据包到达它的目 的地而不必将它发送到其他主机。交换机减轻了局域网中的流量，如果不是共同的源主机和目的主 机，那么交换机允许同一时刻多对主机之间同时相互通信。注意，上面局域网的定义没有指定局域 网中小或大的主机数。图 1-1 显示了使用公用电缆和交换机组成的局域网。 

 

　　广域网（wide area network，WAN）也是由具有通信能力的设备相互连接而形成的。可是，局 域网和广域网有一些不同。局域网通常覆盖范围受限，可以覆盖一间办公室、一栋大楼或一个校园； 广域网则具有更广的地理覆盖范围，可以覆盖一个城市、一个省、一个国家甚至整个世界。局域网 互联主机；广域网互联交换机、路由器、调制解调器等连接设备。局域网通常由使用它的组织拥有； 广域网通常由通信公司建设和运营，使用它的组织进行租用。我们看看目前使用的两种典型的广域 网：点到点广域网和交换式广域网。

 

 

 

　　现在我们很少看到孤立的局域网或广域网，它们都相互连接在一起。当两个或多个网络连接起 来，它们就形成了一个互联网（internet）。例如，假如一个机构有 两个办公室，一个在东海岸，另一个在西海岸。每一个办公室都拥有一个局域网，允许办公室的员 工相互进行通信。为了使不同办公室的员工能够互相通信，管理部门从服务提供商（例如电话公司） 租用一个点到点的专用广域网，用来连接两个局域网。现在公司拥有了一个互联网络，或者说一个 私有互联网。不同办公室之间的通信变成了可能。

　　当西海岸办公室中的一台主机给同一办公室的另一台主机发送消息时，路由器阻截这条消息， 但是交换机指引这条消息到达目的地。另一方面，当西海岸的一台主机给东海岸的一台主机发送消 息时，路由器 R1 将数据包路由到路由器 R2，然后数据包到达目的地。

 

 

 　　互联网是由链路和交换机组成的，例如我们前面使用的链路层交换机和路由器。 实际上，互联网是一个交换式的网络，其中一台交换机至少将两条链路连接在一起。当需要的时候， 交换机需要将数据从一条链路转发到另一条链路。交换式网络常见的类型为电路交换网络和分组交换网络。

 　　在电路交换网络（circuit-switched network）中，两个端系统之间总是存在一条专用的连接（称 为电路），交换机只能使其变成活跃或非活跃状态。图 1-6 显示了一个简单的交换式网络，该网络 在每端连接4部电话。由于过去电话网络经常采用电路交换，因此我们使用电话机代替计算机作为 端系统，尽管目前部分电话系统采用分组交换网络。 

　　在图 1-6 中，每端的 4 部电话连接到一个交换机。交换机将一端的电话机连接到另一端的电话 机。连接两台交换机的粗线是一个高容量的通信线路，它能够同时处理 4 路语音通信，其容量能够 被所有电话对之间共享。本例使用的交换机具有转发功能但是没有存储能力。

　　我们看看以下两种情况。在第一种情况下，所有电话机均处于忙状态；一端的 4个人正在与另一端 的4个人进行通话；粗线的容量被完全使用。在第二种情况下，一端只有一部电话机连接到另一端的电 话机；粗线容量仅仅四分之一被使用。这意味着仅当占用全部容量时，电路交换网络才具有高效率；在 多数时间中，由于工作仅仅占用部分容量，因此它的效率低下。需要将粗线的容量做成每条语音线路容 量4倍的原因是，当一端的所有电话机想要与另一端所有电话机连接时，我们不希望通信失败。

 　　分组交换网络，在一个计算机网络中，两个端点之间使用被称为分组（packet）的数据块进行通信。也就是说， 与正在使用的电话机之间连续通信不同，两台计算机之间交换的是独立的数据分组。由于分组是一 个能够被存储和以后发送的独立实体，因此这种机制允许我们实施存储转发的交换功能。图 1-7 显 示了一个每端分别连接 4 台计算机的小型分组交换网络。

　　分组交换网络中的路由器具有能够存储和转发分组的队列。现在假设粗线的容量（即高容量）仅仅为连接计算机到路由器数据线容量的两倍。如果只有两台计算机（分别在两端）需要相互通信， 那么发送的分组不需要等待。但是，如果当粗线已经工作在满负荷时分组到达一个路由器，那么应 该存储分组并且按照它们到达的次序进行转发。虽然这两个简单的例子显示分组交换网络比电路交 换网络效率高，但是分组可能会遇到一些延迟。 

 

 

 

　　正像我们以前讨论的那样，互联网是由两个或多个能够相互通信的网络组成的。著名的互联 网叫做因特网（Internet），Internet 由成千上万个相互连接的网络组成。图 1-8 显示了一个 Internet 概念上（而不是地理上）的视图。 

 

 　　从图 1-8 中看到，Internet 由一系列主干、提供者网络和客户网络组成。主干（backbone）处于 高层次，是一些通信公司拥有的大型网络，如 Sprint、Verizon(MCI)、AT&T、NTT。主干网络通过称为对等点（peering point）的复杂交换系统进行连接。一些小些的提供者网络（provider network） 处于第二个层次，这些网络通过付费使用主干网络服务。提供者网络连接主干网络，有时提供者网络之间也相互连接。客户网络（customer network）是 Internet 边缘的网络，它们使用 Internet 提供 的服务。为了接收服务，客户网络需要向提供者网络付费。

　　主干和提供者网络也称为 Internet 服务提供商（Internet Service Provider，ISP）。主干常常称为国际 ISP；提供者网络常常称为国家或区域 ISP。 

　　访问 Internet 

　　今天的 Internet 是一个允许任何用户变成它的一部分的互联网。但是，用户需要物理上连接到 一个 ISP。物理连接通常利用一条点到点的广域网实现。

　　使用电话网络

　　 目前大多数居民和小公司具有电话服务，这就意味着他们能够连接到电话网络。由于大多数电 话网络自身已经连接到 Internet，因此居民和小公司连接 Internet 的一个选择是把他们和电话中心的语音线路转换成点到点的广域网。这可以用两种方式实现。

　　　　拨号服务。第一种解决方法是在电话线路中增加将数据转换成语音的调制解调器。安装在 计算机中的软件拨打 ISP 的号码，形成一条电话连接。非常不幸，拨号服务非常慢，同时 当线路用于 Internet 连接时，线路就不能进行电话（语音）连接。因此，这种方式只对偶尔 访问 Internet 的居民和小公司有效。

　　　　DSL服务。自从 Internet 出现后，一些电话公司开始升级它们的电话线路，以向居民和小公司提供较高速率的 Internet 服务。DSL 服务允许语音和数据通信同时进行。

　　利用有线电视网络 

　　无线连接近变得非常流行。住户或小公司可以使用无线和有线连接混合的方法访问 Internet。 随着无线广域网接入的发展，住户或小公司能够通过无线广域网连入 Internet。

　　直接连接到 Internet 

　　大机构或大公司自身可以变成一个本地 ISP 并连入 Internet。这种方法要求组织或公司从一个 线路提供者那里租用高速广域网并将它连入地区 ISP。例如，具有几个校园的大学可以组建一个互联网，然后连接互联网至 Internet。 

　　我们已经给出了 Internet 结构的概览，Internet 是由连接设备将大型和小型网络连接起来形成 的。但是应该清楚地看到，仅仅连接这些东西是不够的。为了使通信正常进行，我们既需要硬件也 需要软件。这就像一个复杂的计算，我们既需要计算机也需要程序。在下一节，我们讨论如何利用 协议分层对硬件和软件的组合进行相互协调。