因特网

因特网Internet作为当今信息社会的核心基础设施已深度融入人类社会的各个层面成为推动全球化促进信息流通与知识共享的关键力量它并非单一网络而是由全球范围内数以亿计的设备和网络通过标准化协议互联而成的庞大系统


网络Network是最基础的单元由若干节点Node和连接这些节点的链路Link构成节点可以是计算机服务器交换机路由器等设备链路则包括有线如光纤双绞线或无线如Wi-Fi微波通信介质网络的核心功能是实现节点间的数据传输与资源共享
互连网internetwork简称 internet网络的网络Network of Networks指通过路由器等互联设备将多个异构网络连接起来形成一个覆盖范围更广的复合网络这里的internet为小写i是一个通用术语泛指任意多个网络通过任意协议互联的系统其通信规则不固定
因特网Internet则是特指当前全球最大最开放的特定互连网络其首字母I大写是一个专有名词因特网采用TCP/IP协议族作为统一的通信标准确保全球设备能够互联互通其前身可追溯至20世纪60年代美国的ARPANET项目因此因特网是互连网的一种具体实现且是目前最成功应用最广泛的实例
万维网简称Web是运行在因特网这个基础设施之上的一项信息服务它通过HTTP协议HTML语言和URL地址将全球无数的网页图片视频等资源通过超链接的方式连接起来用户可以通过浏览器轻松访问
概念 比喻 说明
网络 一条街道 连接了街道两旁的房屋设备
互连网 城市路网 由许多街道立交桥连接而成
因特网 全球公路网 连接了全世界所有城市有统一的交通规则TCP/IP协议
万维网 公路上的快递车 专门负责运输网页这种货物
其他网络 其他车辆 如邮政车电子邮件油罐车文件传输

发展阶段

因特网的发展大致经历了三个关键阶段体现了从军事科研到全球普及的演进过程


第一阶段从单个网络ARPANET向互联网过渡1969–1983年 1969年美国国防部高级研究计划署ARPA建立了ARPANET最初连接了四所大学的计算机采用分组交换技术实现了数据的高效可靠传输这一阶段的核心目标是构建一个在部分节点失效时仍能维持通信的鲁棒网络1983年TCP/IP协议正式成为ARPANET的标准协议标志着现代因特网的诞生因为TCP/IP为不同网络间的互操作提供了统一基础
第二阶段三级结构因特网的形成1985–1993年 美国国家科学基金会NSF于1985年建立了NSFNET采用主干网地区网和校园/企业网的三级结构NSFNET连接了全美主要高校和研究机构迅速成为因特网的骨干这一阶段推动了因特网在学术和科研领域的广泛应用并逐步向非军事领域扩展
第三阶段多层次ISP结构的商业化因特网1993年至今 1990年代起随着万维网WWW技术的诞生和普及因特网进入大众化阶段美国政府将主干网运营权移交私营公司因特网开始商业化运作互联网服务提供商ISP体系逐步建立形成主干ISP地区ISP和本地ISP的多层次结构用户通过ISP接入因特网ISP则通过IP地址分配通信线路和网络设备提供服务中国电信中国联通中国移动等是我国主要的ISP这一阶段使因特网从科研工具转变为全球信息基础设施催生了电子商务社交媒体云计算等全新业态

多层次结构

ISP

ISPInternet Service Provider 的缩写中文全称是因特网服务提供商简单来说ISP 就是为你无论是个人用户还是企业提供上网服务的公司或机构如果没有 ISP你的电脑或手机就无法连接到全球互联网


基础设施ISP 投入巨资建设中转站铺设光缆租用国际信道并购置大量的服务器和路由设备
服务提供普通用户无法直接连接国际互联网骨干网必须通过 ISP 提供的接入服务如宽带光纤4G/5G信号才能进入互联网世界
典型代表在中国最典型的 ISP 就是中国电信中国联通中国移动这三大基础运营商以及长城宽带等二级运营商

⭐⭐ 多层次 ISP 结构

多层次 ISP 结构是理解现代因特网如何运作的关键它并非一个扁平的网络而是一个由不同层级不同规模的互联网服务提供商ISP通过商业协议连接而成的类似金字塔的复杂生态系统

第一层 ISP (Tier-1 ISP)全球骨干网

  • 角色互联网的洲际高速公路它们是金字塔的顶端拥有覆盖全球或跨大洲的高速主干网络包括大量的海底光缆
  • 特点
    • 全球覆盖网络跨越多个国家和大洲
    • 对等互联 (Peering)Tier-1 ISP之间通过免费的对等互联协议交换流量它们无需向任何其他网络支付费用即可通达全球互联网
    • 不服务终端用户它们通常不直接为个人用户提供宽带服务而是将带宽批发给下层的ISP

第二层 ISP (Tier-2 ISP)区域/国家级网络

  • 角色互联网的国家级或省级公路它们是连接全球骨干网和本地网络的桥梁
  • 特点
    • 区域覆盖通常覆盖一个国家或一个大的地理区域
    • 混合模式它们会向上层的Tier-1 ISP购买流量转接服务Transit以便访问全球互联网同时它们也会与其他Tier-2 ISP进行对等互联以降低成本
    • 承上启下它们既为下层的Tier-3 ISP提供服务也可能直接为大型企业客户提供接入

第三层 ISP (Tier-3 ISP)本地接入商

  • 角色互联网的最后一公里社区街道它们是直接面向终端用户的入口
  • 特点
    • 本地覆盖服务范围通常是一个城市一个社区或一个特定的住宅区
    • 纯粹购买它们不拥有骨干网必须向上层的Tier-2或Tier-1 ISP购买所有互联网接入服务
    • 直面用户我们家庭学校小企业通常就是从这一层ISP购买宽带光纤或移动数据服务

IXP

互联网交换点IXP是物理基础设施可以理解为互联网的大型交通枢纽

  • 功能IXP为多个不同的ISP提供了一个集中的物理平台让它们能够高效地进行对等互联直接交换流量
  • 意义通过IXP本地的ISP可以直接与内容提供商或其他本地ISP连接而无需将所有流量都绕道昂贵的上层骨干网这极大地降低了成本减少了网络延迟并优化了流量路径

ICP

以GoogleNetflix阿里云腾讯云等为代表的大型内容提供商ICP正在重塑传统的ISP金字塔结构

  • 自建网络这些巨头为了提供更快的访问速度和更好的用户体验投入巨资建设了自己的全球私有网络骨干网和数据中心
  • 绕过层级它们通过在各大ISP的网络内部署缓存服务器CDN或直接与各级ISP甚至在IXP进行对等互联将自己的内容到离用户最近的地方
  • 影响当你观看Netflix的视频时数据可能直接从部署在你本地ISP机房里的服务器发出而无需经过复杂的Tier-1骨干网从而实现了极低的延迟和流畅的播放

标准化工作

因特网的成功离不开其开放透明的标准化机制标准化工作由国际性组织主导确保协议的兼容性与演进能力

因特网协会ISOC负责整体协调与推动因特网发展其下设三个主要机构

  • 因特网体系结构委员会IAB负责协议架构的监督与长期技术方向
  • 因特网工程部IETF聚焦中短期工程问题主导协议的开发与标准化
  • 因特网研究部IRTF从事长期性理论性研究

因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众

  • 因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载: http://www.ietf.org/rfc.html
  • 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议

技术文档RFCRequest for Comments正式标准的制定需经历四个阶段因特网草案非RFC建议标准成为RFC草案标准因特网标准值得注意的是并非所有RFC都会成为正式标准仅少数经过广泛验证和共识的文档最终升格为标准这种开放渐进的机制保障了因特网的灵活性与稳定性

因特网的组成

从结构上看因特网可分为边缘部分和核心部分二者协同实现通信与资源共享


边缘部分由所有连接在因特网上的主机Host组成包括个人计算机智能手机服务器物联网设备等这是用户直接接触的部分用于运行应用程序发送数据访问资源边缘部分采用客户-服务器C/S或对等连接P2P等模式进行通信
核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器构成负责为边缘部分提供连通性和数据交换服务路由器根据IP地址转发数据包确保信息从源主机准确送达目的主机核心部分采用分组交换技术将数据分割为小包通过最优路径传输提高网络资源利用率

网络相关概念

计算机网络主要是由一些通用的可编程的硬件互连而成的而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如传送数据或视频信号)这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据并能支持广泛的和日益增长的应用简单来说计算机网络就是互连的自治的计算机集合

  • 互连计算机之间通过有线如光纤双绞线或无线如Wi-Fi蓝牙介质连接能够交换数据
  • 自治网络中的每台计算机都是独立的拥有自己的硬件和操作系统不依赖其他计算机就能独立运行早期的大型机+哑终端系统因为终端没有自治能力所以不算真正的计算机网络
  • 集合至少需要两台计算机现代定义中这个集合还包括了智能手机传感器智能家电等所有具备计算能力的通用可编程设备

组成部分

一个完整的计算机网络系统通常由以下三部分组成

  • 硬件网络的物理基础包括终端设备电脑手机网络设备路由器交换机防火墙以及传输介质网线光纤
  • 软件网络的使用载体包括网络操作系统Windows Server, Linux网络管理软件以及各种网络应用浏览器即时通讯软件
  • 协议网络的通用语言规定了数据交换的规则格式和时序最核心的是TCP/IP协议族它保证了全球不同厂商的设备能够互联互通

核心功能

计算机网络不仅仅是连接它主要实现了以下五大功能

  1. 数据通信最基础的功能实现计算机之间的数据传输如微信聊天文件传输
  2. 资源共享共享硬件打印机软件云应用和数据数据库网盘
  3. 分布式处理将复杂任务拆分交给网络中的多台计算机并行处理
  4. 负载均衡将工作负载分摊到多台服务器上避免单机过载提高系统稳定性
  5. 提高可靠性当网络中某台计算机或链路出现故障时可以通过其他路径或设备继续工作

交换方式

网络通信交换方式指的是数据如何在通信网络中从发送端传输到接收端

电路交换

电路交换(Circuit Switching)是一种面向连接的交换方式在数据传输开始之前必须在发送方和接收方之间建立一条专用的物理通信路径电路这条路径在整个通信期间会被独占直到连接被释放

工作过程建立连接 → 传输数据 → 释放连接这就像打电话拨号时就是在建立连接通话期间这条线路被你独占挂断电话就是释放连接

优点

  • 实时性强由于资源独占数据传输的时延是固定的非常小且不会出现排队等待或丢包现象
  • 传输可靠通信路径稳定数据按序到达不会被其他用户的数据干扰

缺点

  • 资源利用率极低这是其最致命的缺点在通话或通信的间隙例如双方都不说话时信道处于空闲状态但仍被独占无法被其他用户使用造成巨大浪费
  • 灵活性差连接一旦建立通信速率和带宽就固定了无法根据实际数据量动态调整
  • 不适合突发数据因特网上的数据如浏览网页发送邮件通常是突发性的时快时慢电路交换的固定带宽特性无法高效适配这种需求

分组交换

分组交换(Packet Switching)是因特网的核心交换方式它是一种无连接基于存储-转发机制的交换技术它将数据分割成一个个带有地址信息的小数据块分组然后独立地在网络中传输

  • 数据分割与封装源主机将一整块数据如一个文件切割成许多较小的长度固定的分组Packet每个分组都包含一个首部Header和一个数据部分Payload首部中包含了源地址目的地址序号等关键控制信息
  • 存储-转发 (Store-and-Forward)网络中的路由器接收到一个完整的分组后会先将其存储在缓冲区然后检查分组首部根据目的地址查询路由表确定下一跳的路径最后再将该分组转发出去
  • 独立路由同一个文件的不同分组可以选择不同的路径在网络中传输最终在目的主机处根据序号重新组装成原始数据

优点

  • 资源利用率极高链路带宽被所有用户的分组动态共享当一个用户没有数据发送时链路资源可以立即被其他用户的分组使用避免了电路交换的资源浪费
  • 灵活性强无需预先建立连接可以随时发送数据网络可以根据拥塞情况为每个分组动态选择最佳路径
  • 适合突发数据完美契合因特网数据突发的特性能够高效处理时快时慢的数据流

缺点

  • 时延每个分组在路由器处都会产生存储-转发时延排队时延等总时延通常比电路交换大
  • 拥塞与丢包当网络流量过大时路由器的缓冲区可能溢出导致分组被丢弃
  • 需要额外开销每个分组都需要携带首部信息增加了传输的额外负担

报文交换

报文交换(Message Switching)是分组交换的前身其工作原理与分组交换类似也是基于存储-转发机制但是报文交换不对数据进行分割而是将整个消息Message作为一个完整的单元进行存储和转发

缺点由于报文可能非常大这会占用路由器大量的缓冲空间导致转发时延很长对网络设备的存储能力要求极高因此在现代计算机网络中纯粹的报文交换已基本被更高效的分组交换所取代

相关对比

特性 电路交换 分组交换 报文交换
连接方式 面向连接 无连接 无连接
资源分配 独占式固定分配 共享式动态分配 共享式动态分配
数据单元 比特流 分组 报文
转发机制 直通 存储-转发 存储-转发
主要优点 实时性好时延小且固定 资源利用率高灵活性好 无需建立连接支持多播
主要缺点 资源利用率低不灵活 时延较大可能拥塞丢包 时延大对设备要求高
典型应用 传统电话网络 因特网 早期电报网络

网络分类

计算机网络种类繁多我们可以从覆盖范围使用者交换技术拓扑结构等多个维度进行分类

按覆盖范围分类

这是根据网络跨越的地理区域大小来划分的范围从小到大依次为

类型 全称 覆盖范围 典型场景与特点
个域网 PAN 约10米以内个人 个人设备互联如蓝牙耳机连手机
局域网 LAN 1公里左右楼宇/校园 家庭WiFi公司内网特点是速率高延迟低通常由单位自主管理
城域网 MAN 5-50公里城市 城市骨干网连接多个局域网如城市政务网有线电视网
广域网 WAN 几十到几千公里跨国/洲际 因特网的核心部分负责长距离传输通常由电信运营商建设

按使用者分类

根据网络是公用还是私用来区分

  • 公用网由电信公司如中国电信联通建造运营向公众开放只要按规定缴费即可使用
  • 专用网由特定部门如军队铁路电力银行自建自用不对外提供服务安全性极高

按交换技术分类

这是指数据在网络中传输和转发的机制

  • 电路交换网络建立专用路径通信期间独占资源如传统电话网
  • 报文交换网络以完整报文为单位进行存储转发早期电报
  • 分组交换网络将数据切分为小的分组独立传输这是现代互联网的主流技术资源利用率高

按拓扑结构分类

指网络中设备的物理或逻辑连接形状

  • 总线型所有设备连在一根总线上优点是省线便宜缺点是总线断了全网瘫痪
  • 星型所有设备连到中央设备交换机优点是易管理单台电脑坏了不影响全网缺点是中央设备一旦故障全网瘫痪
  • 环型设备连成一个圈优点是控制简单缺点是断一处全环断
  • 网状型节点间有多条路径相连优点是可靠性极高一条路断了走另一条缺点是结构复杂成本高常用于广域网核心层

按传输介质分类

  • 有线网络使用双绞线光纤等物理线路
  • 无线网络利用无线电波Wi-Fi红外线或微波传输

性能指标

计算机网络的性能指标是衡量网络质量诊断网络问题的核心依据无论是你日常上网时的卡顿体验还是企业级的网络规划都离不开对这些指标

⭐⭐ 速率 (Speed / Data Rate)

这是指数据在信道上传输的快慢也叫数据率或比特率

  • 单位比特每秒b/s 或 bps常见的有 kb/sMb/sGb/s
  • 关键坑点运营商说的100M宽带指的是 100 Mb/s小写b而你下载软件显示的通常是 MB/s大写B
  • 换算公式1 Byte = 8 bit100 Mb/s 的宽带理论最高下载速度约为 12.5 MB/s

⭐⭐ 带宽 (Bandwidth)

在计算机网络中带宽表示网络通信线路传送数据的最高能力

  • 单位与速率相同也是 b/s
  • 注意带宽是理论上的最大值不代表你实际跑到的速度
  • 如果把网络比作高速公路带宽就是车道的数量车道越多带宽越大单位时间内能通过的车辆数据就越多

⭐⭐ 吞吐量 (Throughput)

  • 这是指单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量吞吐量 ≤ 带宽
  • 虽然高速公路有120km/h的限速和8条车道带宽但因为红绿灯收费站或堵车路由器性能瓶颈网络拥塞实际每小时通过的车流量吞吐量可能只有设计能力的70%

⭐⭐ 时延 (Delay / Latency)

指数据从网络一端传送到另一端所需的总时间这是影响游戏视频通话体验的关键指标它由四部分组成

  • 发送时延把数据到线路上所需的时间公式数据长度 / 发送速率
  • 传播时延数据在物理线路光纤/铜缆的时间公式信道长度 / 电磁波速度
  • 处理时延路由器检查包头查表转发的时间由路由器性能决定
  • 排队时延数据包在路由器缓冲区排队等待的时间由网络拥塞程度决定
电磁波传播速率(m/s)
自由空间 3 x 10^8 m/s
铜线 2.3 x 10^8 m/s
光纤 2.0 x 10^8 m/s

⭐⭐ 抖动 (Jitter)

抖动指的是时延的变化

  • 抖动对实时业务如语音通话视频会议影响最大如果数据包一会儿快一会儿慢抖动大会导致声音断断续续或画面卡顿
  • 通常通过设置抖动缓冲区来平滑数据但这会稍微增加总时延

⭐⭐ 时延带宽积 (Bandwidth-Delay Product)

  • 这是一个复合指标计算公式为传播时延 × 带宽
  • 如果把链路看作一根管道带宽是管径时延是管长那么时延带宽积就是这根管道的容积它表示链路中此时此刻能容纳的最大比特数

⭐⭐ 往返时间 (RTT, Round-Trip Time)

RTT 是指一个数据包从发送端发出到达接收端接收端处理后再返回一个确认包给发送端这整个过程所花费的总时间很多人误以为 RTT 只是信号在光纤里跑两趟的时间其实它包含更多部分

  • RTT ≈ 2 × 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  • 传播时延信号在物理线路光纤网线上传输的时间去程 + 回程
  • 处理时延接收端服务器收到数据后分析数据生成确认包所需的时间
  • 排队时延数据包在路由器中排队等待转发的时间如果网络拥堵这部分时间会变长
  • 发送时延虽然通常忽略不计但确认包本身也需要时间入链路
RTT 数值 体验评价 典型场景
< 50ms 极佳 本地连接光纤宽带玩竞技游戏FPS/MOBA非常流畅
50 - 100ms 良好 访问国内跨省网站普通网游网页加载无明显停顿
100 - 200ms 一般 跨国访问浏览网页能感觉到轻微的加载时间
> 300ms 卡顿 卫星链路或严重拥堵视频通话可能音画不同步网页打开缓慢

⭐⭐ 利用率 (Utilization)

利用率是指网络信道或整个网络在单位时间内被使用的程度通常用百分比表示

  • 利用率 = 信道的最大带宽 / 实际通过的流量 × 100%
  • 如果一条路有 10 条车道带宽平时只有 2 条车道有车利用率 20%高峰期 9 条车道都有车利用率 90%
  • 利用率并不是越高越好当信道利用率较低时时延很小但当利用率超过 50% 后随着利用率继续上升数据包在路由器排队等待的时间排队时延会呈指数级增长
  • 信道利用率指某一条具体的链路如你家到路由器的网线或公司出口的光纤的繁忙程度
  • 网络利用率指全网络中所有信道利用率的加权平均值

⭐⭐ 丢包率 (Packet Loss Rate)

指在传输过程中丢失的数据包占总发送数据包的比例

  • 通常是因为网络拥塞导致路由器缓冲区溢出或者线路质量差
  • 少量的丢包TCP协议可以重传但高丢包率会导致网速急剧下降因为TCP会误以为网络拥塞而降低发送速度视频通话则会出现马赛克

网络分层模型

在网络发展过程中诞生了三种主要的体系结构模型

特性 OSI 七层模型 TCP/IP 四层模型 五层原理体系结构
地位 理论标准法律上的国际标准 事实标准全球互联网的核心 教学标准折中方案
特点 理论完整但过于复杂未商业化普及 简洁实用基于实践经验总结 结合了OSI的理论清晰度和TCP/IP的实用性
层次 物理层 → 数据链路层 → 网络层
→ 运输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层
网络接口层 → 网络层 → 运输层 → 应用层 物理层 → 数据链路层
→ 网络层 → 运输层 → 应用层

五层原理体系

目前大学教材和大多数技术面试中通常采用五层原理体系结构来进行讲解因为它既保留了底层硬件的细节物理层+链路层又符合互联网的实际应用逻辑网络层级介绍以及对应层级所使用的网络协议

物理层

  • 核心任务在物理传输介质如双绞线光纤无线电波上透明地传输比特流0和1
  • 关键功能它不关心数据的含义只关心电气特性机械特性接口形状功能特性和规程特性
  • 典型设备/协议网卡集线器中继器双绞线光纤Wi-Fi物理信号

数据链路层

  • 核心任务在相邻节点直连的两个设备之间可靠地传输帧
  • 关键功能
    • 封装成帧把网络层传下来的数据包加上首部和尾部
    • 物理寻址使用MAC地址来标识网络中的每一台设备
    • 差错检测使用CRC循环冗余校验检查数据是否在传输中损坏
  • 典型设备/协议交换机网桥以太网协议Wi-Fi协议PPP协议

网络层

  • 核心任务为主机之间提供逻辑通信负责分组的转发和路由选择
  • 关键功能
    • 逻辑寻址使用IP地址来标识全球网络中的主机
    • 路由选择通过路由协议如OSPF, BGP计算数据包从源到目的地的最佳路径
  • 典型设备/协议路由器IP协议IPv4/IPv6ICMPPing命令用的ARP

运输层

  • 核心任务负责进程到进程端到端的通信
  • 关键功能
    • 复用与分用通过端口号区分同一台电脑上的不同应用程序如浏览器和微信
    • 可靠传输提供TCP协议确保数据无差错不丢失按序到达
    • 尽力而为传输提供UDP协议追求速度允许少量丢包如视频会议
  • 典型协议TCP可靠面向连接UDP不可靠无连接

应用层

  • 核心任务直接为用户的应用程序提供网络服务定义应用进程间交换信息的规则
  • 典型协议HTTP/HTTPS网页浏览SMTP/POP3电子邮件FTP文件传输DNS域名解析

网络传输过程

IP端口

HTTP / HTTPS 协议

UDP / TCP 协议

ARP 地址解析协议

网络安全

DNS 域名解析

学习资源

  • 视频
    • 计算机网络微课堂https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb
  • 大学课件
    • 浙大计算机网络基础https://github.com/QSCTech/zju-icicles