互联网概述, 分组交换, 网络类别, 网络拓扑结构

本文参考《计算机网络(第7版)》

互联网 (Internet) 概述

网络的网络 (互连网 & 互联网)

• 计算机网络由若干结点 (node) 和连接这些结点的链路 (ilnk) 组成。网络中的结点可以是计算机 (主机 (host))、集线器、交换机或路由器…
• 网络之间还可以通过路由器互连起来， 这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互连网 (internetwork 或 internet), 如图 1-1 (b) 所示。因此互连网是 “网络的网络" (network of networks)

以小写字母 $i$ 开始的 $internet$ (互连网）是一个通用名词， 它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择， 不一定非要使用 TCP/IP 协议
以大写字母 $I$ 开始的 $Internet$ (互联网， 或因特网）则是一个专用名词， 它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网， 它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则

互联网结构与组成

• 互联网是一个由大量的路由器将广域网、城域网、局域网互联而成，结构复杂且不断变化的网际网 (网际互联)
• 由国际或国家级主干网、地区主干网和大量的企业网或校园网组成，用户计算机需要通过校园网、企业网或 ISP 联入地区主干网，地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互联的大型、层次结构的网际网的 Internet 网络结构

互联网基础结构发展的三个阶段

1. 第一阶段是从单个的分组交换网络 ARPANET 向互连网发展的过程
2. 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网 NSFNET：它是一个三级计算机网络， 分为主干网、地区网和校园网（或企业网）
3. 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网 (Internet Service Provider)

ISP 可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备， 因此任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权， 并可通过该 ISP 接入到互联网。所谓“ 上网” 就是指“（通过某 ISP 获得的 IP 地址） 接入到互联网”

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分为不同层次的ISP: 主干ISP、地区ISP 和本地ISP

• 主干ISP 由几个专门的公司创建和维持， 服务面积最大（一般都能够覆盖国家范围)，并且还拥有高速主干网（例如10 Gbit/s或更高）。有一些地区ISP 网络也可直接与主干ISP相连
• 地区ISP 是一些较小的ISP。这些地区ISP 通过一个或多个主干ISP 连接起来
• 本地ISP 给用户提供直接的服务（这些用户有时也称为端用户）

图中给出了主机 $A$ 经过许多不同层次的 ISP 与主机 $B$ 通信的示意图

• 从原理上讲， 只要每一个本地 ISP 都安装了路由器连接到某个地区 ISP, 而每一个地区 ISP 也有路由器连接到主干 ISP, 那么在这些相互连接的 ISP 的共同合作下， 就可以完成互联网中的所有的分组转发任务。但随着互联网上数据流量的急剧增长， 人们开始研究如何更快地转发分组， 以及如何更加有效地利用网络资源。于是， 互联网交换点 IXP (Internet exchange Point) 就应运而生了
  • 互联网交换点 IXP 的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组， 而不需要再通过第三个网络来转发分组.
  • 例如， 在图 1-3 中右方的两个地区 ISP 通过一个 IXP 连接起来了。这样， 主机 $A$ 和主机 $B$ 交换分组时， 就不必再经过最上层的主干 ISP, 而是直接在两个地区 ISP 之间用高速链路对等地交换分组
  • IXP 的结构非常复杂。典型的 IXP 由一个或多个网络交换机组成， 许多 ISP 再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP 常采用工作在数据链路层的网络交换机， 这些网络交换机都用局域网互连起来

互联网的标准化工作 (RFC)

• 所有的互联网标准都是以 RFC (Request For Comments) 的形式在互联网上发表的。所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。但应注意，并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后能变成互联网标准

互联网的组成

• 边缘部分(资源子网) 由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享
• 核心部分(通信子网) 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

在互联网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接， 而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接

互联网的边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)
  • 端系统在功能上可能有很大的差别，但本质上是一致的：进程间通信：“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”
    • 客户-服务器方式（C/S方式）即 Client/Server 方式
    • 对等方式（P2P方式）即 Peer-to-Peer 方式
      • 两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件 (P2P软件）， 它们就可以进行平等的、对等连接通信。这时， 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档

互联网的核心部分

• 要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够与其他主机通信
  • 在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。路由器是实现分组交换 (packet switching) 的关键构件，其任务是转发收到的分组
• 交换 (switching) 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

数据传输方式

线路交换 / 电路交换（circuit switching）

示例：电话交换网

• 在电话问世后不久， 人们就发现， 要让所有的电话机都两两相连接是不现实的。 显然， 若 $N$ 部电话要两两相连， 就需要 $N(N-1)/2$ 对电线。 因此，当电话机的数量很大时就应当使用电话交换机将这些电话连接起来， 如图 1-9($c$) 所示。 每一部电话都连接到交换机上， 而交换机使用交换的方法， 让电话用户彼此之间可以很方便地通信。用这样的方法， 就构成了覆盖全世界的电信网
  
  • 交换机被用来搭建实际的物理线路
    

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• 电路交换是面向连接的服务，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接; 在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段
  • 例如，在使用电路交换通话之前， 必须先拨号请求建立连接， 也就是一条专用的物理通路。通话时占用通信资源。通话完毕挂机后， 交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路
  • 电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内， 通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

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电路交换的缺点：

• 当使用电路交换来传送计算机数据时， 其线路的传输效率往往很低。 这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的， 因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。 已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。 例如， 当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时， 或计算机正在进行处理而结果尚未返回时， 宝贵的通信线路资源并未被利用而是白白被浪费了
• 系统不具有存储数据的能力，不能平滑通信量

电路交换的优点：

• 通信实时性强，适用于交互式会话类通信

分组交换 / 包交换（packet switching）

• (1) 分组
  • 通常我们把要发送的整块数据称为一个报文 (message)。分组交换限制一次传输数据的最大长度，如果报文超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个等长数据段发送
  • 在每一个数据段前面， 加上一些由必要的控制信息组成的首部 / 包头 (header)后， 就构成了一个分组 / 包 (packet)。分组是分组交换网络中的交换单元
    
    • 分组中的 首部 是非常重要的， 正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息， 每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径， 并被正确地交付到分组传输的终点。接收端在收到分组后剥去首部还原成报文
• (2) 存储转发
  • 路由器是用来转发分组的， 即进行分组交换的。路由器收到一个分组， 先暂时存储一下， 检查其首部， 查找转发表， 按照首部中的目的地址， 找到合适的接口转发出去， 把分组交给下一个路由器。这样一步一步地以存储转发的方式， 把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息， 以便创建和动态维护路由器中的转发表， 使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新
  • 这里要注意， 路由器暂时存储的是一个个短分组， 而不是整个的长报文。短分组是暂存在路由器的存储器（即内存） 中而不是存储在磁盘中的。这就保证了较高的交换速率
• (3) 路由选择：转发结点选择合适的传输路径
  • 现在假定图 ($b$) 中的主机 $H_1$ 向主机 $H_5$ 发送数据。主机 $H_1$ 先将分组逐个地发往与它直接相连的路由器 $A$。路由器 $A$ 把主机 $H_1$ 发来的分组放入缓存。假定从路由器 $A$ 的转发表中查出应把该分组转发到链路 $A-C$。于是分组就传送到路由器 $C$。路由器 $C$ 继续按上述方式查找转发表， 假定查出应转发到路由器 $E$。当分组到达路由器 $E$ 后， 路由器 $E$ 就最后把分组直接交给主机 $H_5$
  • 假定在某一个分组的传送过程中， 链路 $A$ - $C$ 的通信量太大， 那么路由器 $A$ 可以把分组沿另一个路由传送， 即先转发到路由器 $B$, 再转发到路由器 $E$ , 最后把分组送到主机 $H_5$
    

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分组交换的优点：

• 采用存储转发的分组交换， 实质上是采用了在数据通信的过程中断续（或动态） 分配传输带宽的策略。这对传送突发式的计算机数据非常合适， 使得通信线路的利用率大大提高了
• 可以为每一个分组独立地选择最合适的转发路由，比较灵活
• 保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网， 使网络有很好的生存性

分组交换的缺点：

• 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延
• 分组必须携带的首部也造成了一定的开销

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• 分组交换又可以分为：数据报、虚电路

数据报方式

面向非连接的数据传输方式

• 在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立 “线路连接”：源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径

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缺点：

• 分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象

优点：

• 灵活、高效：以分组为传送单位，查找路由，有利于提高路由器检错、重传的效率，提高路由器存储空间的利用率
• 迅速、可靠：不必先建立连接就能向其他主机发送报文分组。可以根据链路通信状态、网络拓扑变化，为不同分组动态选择传输路径，减少分组传输延迟。使网络有很好的生存性

虚电路方式

面向连接的数据传输方式

• 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果：虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路
  • 虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段
  • 一条虚电路组成如下：源和目的主机之间的路径、分组首部携带虚电路号 (沿着该路径的每段链路一个号码)、沿着该路径的每台路由器的转发表项

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• 虚电路方式与线路交换方式的不同之处：虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接。每个结点到其它结点间可能有无数条虚电路存在，一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路

报文交换（message switching）

• 报文交换: 不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送

电路交换、报文交换、分组交换的区别

• 线路交换：建立了实际的物理线路，所以可以直接将数据传输到终点
• 报文交换：整个报文先传送到相邻结点， 全部存储下来后查找转发表， 转发到下一个结点
• 分组交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点， 存储下来后查找转发表， 转发到下一个结点
  • 报文交换和分组交换都需要经过若干次的存储转发

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• 从上图可看出， 若要连续传送大量的数据， 且其传送时间远大于连接建立时间， 则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽， 在传送突发数据时可提高整个网络的信道（channel）利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度， 因此分组交换比报文交换的时延小， 同时也具有更好的灵活性

计算机网络的类别

按照覆盖的地理范围进行分类

• 个人区域网 PAN (personal area network)
• 局域网 LAN (local area network): 局域网用于将 有限范围 (1 km 左右) 内的各种计算机、终端与外部设备互联成网; 可以分为共享局域网与交换局域网
• 城域网 MAN (metropolitan area network): 城域网的设计目标是要满足几十公里范围内的多个局域网互联的需求; 作为局域网和广域网之间的桥梁，在技术上综合了各种广域网、局域网技术
  • 宽带城域网 (宽带) 的概念逐渐取代传统意义上的城域网。不是一种特定的技术，而是一种概念(指网络带宽较高，速度较快)
• 广域网 WAN (wide area network): 广域网覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互联起来
  

按传输技术分类

广播通信信道—广播网络

• 所有联网计算机共享一个公共通信信道
• 发送分组时，所有计算机都会“收听”到它
• 发送分组带有目的地址和源地址

点-点通信信道—点-点网络

• 每条物理线路连接一对计算机
• 如果“源”和“目的”之间没有直接线路，则需要中间结点转发分组：路由选择算法

接入网 AN (Access Network)

• 接入网：从某个端系统到互联网中的第一个路由器（边缘路由器）之间的一种网络，即用来把用户接入到互联网的网络
  • 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网

计算机网络的拓扑结构

• 计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络各实体之间的结构关系

实体抽象成“点” ，线路抽象成“线”

计算机网络拓扑是指通信子网的拓扑构型。它只考虑通信关系而不考虑资源和数据

星形拓扑

• 结点通过点-点通信线路与中心结点连接
• 中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点

优点：结构简单，易于实现，便于管理
缺点：中心结点是瓶颈

环形拓扑

• 结点通过点-点通信线路连接成闭合环路
• 环中数据将沿一个方向逐站传送；环网需要设计复杂的环维护协议

优点：环形拓扑结构简单，传输延时确定
缺点：环中每个结点与连接结点之间的通信线路都是网络可靠性的瓶颈

总线形拓扑

• 所有结点连接在公共传输介质——总线(广播网络)
• 当一个结点发送数据时，其它结点只能接收；如果两个及以上的结点同时发送数据时，就会出现冲突，造成传输失败

优点：结构简单
缺点：必须解决多结点访问总线介质时的访问控制策略问题

树形拓扑

• 结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行
• 树形拓扑可以看成星形拓扑的扩展
• 树形拓扑网络适用于汇集信息的应用要求

网状拓扑

• 结点之间的连接是任意的，没有规律
• 广域网一般都采用网状拓扑

优点：系统可靠性高
缺点：结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法

History: ARPANET 简介

计算机网络的形成与发展过程中有三个标志性的网络：ARPANET、NSFNET 与 Internet。其中，ARPANET是一个专门用于传输军事命令与控制信息的网络。ARPANET中设计的分组交换、IMP、TCP/IP协议都极大促进了Internet的发展

ARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 美国国防部高级研究计划署
ARPANET的研究背景：军方需要一个专用军事网络 (可靠、容错、容侵)

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通信网络方案的设计要解决两个基本问题：

• 网络拓扑结构：因为要满足可靠性，所以选择分布式网络的拓扑构型：高度分布与具有容错能力的网状结构
• 数据传输方式：采用分组传输

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• ARPANET 使用了 IMP (接口报文处理机) 完成分组接收、校验、存储、转发，并用 IMP 将主机和终端接入网内

IMP 即为路由器的雏形

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TCP/IP协议研究与发展:

1977年10月，ARPANET研究人员决定将初期的网络协议分为 传输控制协议（TCP） 与 互联网络协议（IP）

• TCP协议主要用于实现源主机与目的主机之间的分布式进程通信的功能
• IP协议主要用于实现分组通过通信子网的路由选择功能