8.1无远弗届的网络

物理层是网络的最底层，负责在物理媒介上传输原始的比特流。

• 功能：定义物理设备的电气、机械、功能和过程特性，例如用电压高低表示1和0，以及接口的形状。
• 传输介质：有线介质包括双绞线（网线）、光纤和同轴电缆，其中光纤利用光的全反射传输，速度快、损耗低；无线介质包括无线电波（Wi-Fi）、微波和红外线。
• 设备：中继器、集线器。
• 单位：比特。

数据链路层负责在相邻的两个节点之间传输数据，把比特流组装成帧。它不关心跨越多少个网络，只处理一段链路上的传递。

• 物理寻址：用MAC地址标识网络设备，MAC地址用于链路层寻址，例如00:1A:2B:3C:4D:5E。
• 差错检测：检测传输过程中是否发生比特翻转，例如用CRC循环冗余校验。
• 介质访问控制：决定谁可以在什么时候发送数据，例如以太网的CSMA/CD机制。
• 协议：以太网、Wi-Fi（802.11）。
• 设备：交换机、网卡。
• 单位：帧。

网络层负责把数据从源主机传输到目标主机，途中可能跨越多个不同的网络，核心任务是路由和逻辑寻址。

• 单位：数据包。
• 设备：路由器。

IPv4的地址、数据包和路由分别有独立说明。

传输层负责端到端的通信，也就是进程与进程之间的通信。端口号属于这一层，用来区分同一台主机上的不同应用程序。

• 单位：段或数据报。

TCP与UDP的机制和取舍见TCP与UDP的传输形式。

应用层直接为用户的应用程序提供网络服务，定义运行在不同端系统上的应用进程如何相互传递报文。

• 常见协议：HTTP/HTTPS用于万维网访问；DNS是域名系统，把域名转换为IP地址；SMTP、POP3、IMAP用于电子邮件的传输与接收；FTP用于文件传输；SSH用于安全远程登录。
• 通信模式：C/S模式由客户端请求、服务器响应，例如Web；P2P模式是对等连接，每个节点既是客户端也是服务器，例如BitTorrent。

IPv4地址长度为32位，即4字节。书写时采用点分十进制，把4个字节分别写成十进制数，再用点隔开，例如192.168.1.1。

一个IPv4地址分为两部分：

• 网络号：标识主机所在的网络。
• 主机号：标识该网络内的特定设备。

子网掩码用于区分这两部分：掩码中为1的位对应网络号，为0的位对应主机号。例如掩码255.255.255.0表示前24位是网络号、后8位是主机号。

分类编址是历史上的方案；现代路由通常使用无类别的前缀长度，不能只靠地址类别推断当前掩码。

IPv4头部通常为20字节，包含路由和处理所需的关键信息。

路由器根据目的IP地址查询路由表，选择匹配的路由和相应的出口或下一跳。多个前缀同时匹配时通常选择最长匹配前缀；每一跳独立作出转发决定。主机可直接发送到同一链路上的目标，也可通过网关发送到其他网络。

IPv6地址长 $128$ 位，通常写成八组十六进制数，每组表示 $16$ 位，组间用冒号分隔。例如

1
2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001

每组开头的零可以省略；连续的全零组可以用一次 :: 代替。常用的规范写法压缩最长的一段连续全零组；等长时选靠前的一段，并不压缩单个全零组。上例可写成2001:db8::1。:: 在一个地址中只能出现一次，否则无法确定它代表多少组。

传输层为应用进程提供端到端通信。端口号用于区分同一主机上的通信端点；协议、地址、端口及连接状态共同参与实际分用。TCP与UDP的端口空间分别处理，因此相同的数字端口不必指向同一个端点。

例如网页服务常监听TCP端口 $80$，客户端通常使用临时源端口连接服务；端口 $80$ 不是所有浏览器进程自身固定使用的端口。

TCP是面向连接的传输层协议，向应用提供有序字节流。它通过序列号、确认、重传与校验等机制应对丢失、重复和乱序；连接遇到持续故障时仍可能失败，不能理解为任何网络条件下都保证成功交付。

TCP没有应用消息边界：一次发送的数据可以被多次读取，多次发送的数据也可能被一次读取。应用需要时须自行设计分帧方式。

UDP是无连接的数据报传输协议。一个数据报具有源端口、目的端口、长度、校验和字段与数据；首部固定为 $8$ 字节。UDP保留数据报边界，但自身不提供自动重传、按序交付或拥塞控制。

数据报可能丢失、重复或乱序。应用可以在UDP之上自行实现可靠性、加密或拥塞控制；不能只根据传输协议断定应用是否能容忍丢包，也不能断言UDP一定比TCP快。

TCP提供面向连接的有序字节流；UDP提供无连接的数据报。两者都使用端口，区别在于传输形式和协议提供的服务。

应用可在UDP之上实现可靠性或拥塞控制。性能取决于网络、实现和应用需求，不能简单断言一种协议总是更快。

为了提高通信线路的利用率，需要在同一条传输介质上同时传输多路信号，这就是信道复用。四种常见方式按“把什么切开分给各路信号”来区分。

数据在网络核心中传输主要有两种交换方式。它们的差别不在传输介质，而在是否为通信双方预留资源。

电路交换先在通信双方之间建立电路，并在沿途链路上预留相应的传输资源；这些资源可以是共享物理链路中的时隙或频带。

• 独占资源：通话期间，链路带宽（频率或时隙）被固定分配给用户，其他用户无法使用。
• 三个阶段：建立连接 → 数据传输 → 释放连接。
• 优缺点：资源预留后通常避免竞争性排队；但静默期仍占用资源，实际时延还取决于传播和设备处理等因素。
• 典型案例：传统公共电话交换网（PSTN）。

分组交换把数据划分为较小的分组进行传输。

• 机制：存储转发。路由器收到一个分组，先接收分组，再根据转发信息将其送往下一条链路。
• 统计复用：用户按需占用链路，多路数据动态共享带宽。
• 无连接：通常不需要预先分配固定资源。
• 优缺点：线路利用率高，适应突发流量；但存在排队延迟，可能发生丢包。
• 典型案例：互联网。

两种方式的对比：