《计算机网络——自顶向下方法》精炼——1.1至1.3节

乘风破浪会有时，直挥青衫拂征尘。
不负心中所愿事，行遍天涯皆有因。

引言

计算机网络在这一学科中的重要性毋庸置疑，而黑皮书又是这一学科的教科书级经典，因此本书是计算机从业者的必读书之一。笔者用一个专栏来精炼这本书的知识，帮助想了解这方面知识的同学快速打下基础。
在该专栏中，笔者不会严格按照章节的顺序来讲述，而是会直接列出知识点并进行介绍，以帮助大家理解。
（另外笔者在写文的时候才发现这本书的知识密度超级大！就算省略去很多暂时不太需要的知识点，光是1.1至1.3这三个小节就用了三千多字进行总结，三千多字可以说是大部分人能集中精力的极限了。。）

正文

第一章 计算机网络和因特网

这一章主要介绍了很多我们之后用到的概念和一些机制，我在这里列出这些概念。

全局概念和网络边缘概念

1. 因特网：世界范围内的计算机网络。注意，因特网是最大的计算机网络，但计算机网络并不是只有因特网。只要有多个计算机连接在一起进行信息共享的系统就可以叫计算机网络。
2. 一个家庭网络或公司网络如图所示
   
   1指的是主机/端系统，就是我们平时用的电脑，手机等设备。
   2指的是通信链路，信息通过通信链路传输。
   3和4分别指链路层交换机和路由器，这两者都是分组交换机，但链路层交换机更靠近网络边缘，而路由器倾向于在网络核心进行分组交换。
   在传输数据时，主机会将要传输的信息进行封装，也就是加上一些必要的用于传输过程的信息，由此形成的信息包称为分组。
3. 观察上图，我们发现路由器上方的通信链路不知道连到哪里。为了搞清楚这个问题，我们继续将视角扩大：
   红圈圈上的整个部分叫做ISP，ISP分为第一层ISP，第二层ISP，…，本地ISP，其中本地ISP汇总网络边缘的信息并发给上层ISP。
4. 协议是整个计算机网络的各层级中所执行的各种统一的规则。这些规则通过在各部件上运行程序来实现。一个协议定义了在两个或多个通信实体间交换的报文格式和次序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作。协议是相当重要的部分，许许多多的协议支撑起计算机网络。本书的其他部分就是在讲各种各样的协议。
5. 应用程序编程接口（API）。通俗来讲，API就是提供服务的“店家”为了更好的提供服务，规定它的“顾客”要遵守的一套规则。比如因特网API就是对应用程序的一些规定，使其能通过因特网传输数据。
6. 两类主机：客户和服务器。这个很好理解。
7. 接入网：将端系统连接到边缘路由器的物理链路。
8. 边缘路由器：端系统传输数据要经过的第一个路由器。

网络核心概念

1. 报文：一条报文执行一个控制功能或传输数据。在传输中，长报文被分成多个分组进行传输。
2. 输出缓存：一个分组交换机中有一块存储区域，用来暂时存储那些因为各种原因还没有转发到输出链路的分组。这些原因在下面会讲到。
3. 存储转发传输：一个分组由很多比特组成。在通信链路上，我们一个比特一个比特的将整个分组送进路由器。在没有传输完整个分组之前，路由器不会把这些比特转发到输出链路，这就是存储转发传输机制。
4. 排队时延：分组留在某个分组交换机的缓存区域中无法移动造成的时延叫做排队时延。一般来讲，排队时延都是因为队伍前面的分组还没被输出所造成的。
5. 分组丢失：当分组交换机的输出缓存占满之后如果还有分组到达，那么会将这个分组或者在队列中的一个分组丢弃，称为分组丢失。
6. IP地址：每个端系统都有自己的IP地址，这类似于现实生活中家、学校等等的地址。
7. 转发表和路由选择协议：每个路由器中都有一个转发表，用于决定将缓存内的分组转发到哪条输出链路。这个过程一般会取分组在封装（见上文）时被附上的目的地址信息来进行决定。

为了说明这一机制，我们举个例子。假如说，你在网上订了一本《计算机网络》。店家一般先发到他们省的转运中心，假如说A省，A省转运中心看到你的地址并截取B省的部分，将你的包裹发往B省转运中心，B省转运中心再次检查地址并截取C市的部分，将你的包裹发往C市转运中心，C市转运中心看到你的包裹是D街XXX号，于是派快递员将包裹送到你手上。
在这个过程中，A省转运中心查询自己手上的转发表：送往B省上某某高速，送往C省上某某高速。。通过这个表和地址才能进行转运。这就是转发表。生成这个转发表的规则叫做路由选择协议。

8. 分组交换和电路交换：电路交换是指在网络中为一个专门用户单独开辟一个连接用于它传输数据的技术。尽管电路交换能有效支持电话，视频等实时通信的需求，但已经逐渐被分组交换技术所替代。

网络的网络

我们在上文中提到了ISP，也提到有多层ISP，所谓“网络的网络”就是以多层ISP为基本结构构成的一个复杂网络。我们将逐步建造起这个网络。

1. 这是一个客户网络和它直接连接的ISP。
   
2. 为了构建统一的网络，出现了连接所有其他ISP的第一层ISP
   
3. 有人用第一层ISP盈利，有盈利就有竞争，出现了多个第一层ISP
   
4. 随着发展，客户ISP的数量逐渐多了起来，不可能保证每一个都能连接到第一层ISP，就需要一些中间机构汇总客户ISP的数据，再发给上层ISP。
   
   实际上可以想象到，有第二层ISP就有第三层，第四层ISP…于是形成了n层结构。
5. 此时演化还未结束。下图的网络多了两根红线，下面的红线代表最左边的客户ISP同时连接到两个第二层ISP，这种行为被称为多宿；最上面的两个同层ISP连接在一起，被称为对等。
   多宿可以保证即使一个上层ISP出现故障，客户ISP也可以通过另一个ISP传输数据；对等可以让两个同层ISP不经过上层而直接相互传输数据，这样的话就不需要向上层支付这部分数据的传输费用。
   
   另外，在现实生活中，为了让数据不漂洋过海的传输，很多上层ISP会在各个区域（如中国，日本等）都设置用于转发数据的数据中心，下层ISP可以就近选择数据中心进行连接，这些数据中心被称为存在点（PoP）。
   有些公司提供专门将多个同层ISP进行对等连接的汇总点，这些汇总点被称为因特网交换点（IXP）。
6. 有些公司为了避免向上层ISP支付数据传输的费用，自己构建了相当于第一层ISP的内容提供商网络。内容提供商网络与第一层ISP同层，可以与第一层ISP对等连接，而且支持下层ISP直接连接。
   

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这三小节的知识点密度很大，不太明白的同学可以在评论区提出问题，笔者会第一时间回复。

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