# 4.2 互联网 (The Internet)

互联网是多个网络分布式连接构成的，其中由无数日益增多的互联设备组成。

计算机需要先连接到局域网 (Local Area Network,LAN)—— 即 WIFI 路由器所连接的所有设备组成的小型网络，局域网再连接至广域网 (Wide Area Network, WAN)。

广域网中的路由器又归属于「互联网服务提供商」(Internet Service Provider, ISP)，旗下有多个不同范围大小的广域网互相连接。

![跳跃主干网络获取资源](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FhEm3SH8bd62ugS9B8uFM%2F0.png?alt=media)

若想获取某个资源，数据包（packet）需要先经由互联网主干（由一群超大型、带宽超高路由器组成）到达资源的服务器。

在这个过程中，数据包可能要跳个 10 次才能到达（4 跳进主干，2 跳穿越，4 跳进服务器）。Windows, Mac OS 或 Linux系统，可以用 traceroute 来查看具体跳数。

## 4.2.1 IP

互联网协议(Internet Protocol, IP) 中规定了数据包 (packet) 在互联网中传输的标准，是非常底层的一种协议。

数据包的头部 (前缀) 是指“关于数据的数据”，又名「原数据」(metadata) 。头部指存储了目标地址，无法用于区分具体将数据交给目标地址的电脑中的哪个程序。

因此需要更高层的协议来区分程序， IP 负责把数据包送到正确的计算机，而 UDP 负责把数据包送到正确的程序中。

## 4.2.2 UDP

用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP) 是一种传输层协议，其头部包含着端口号 (port) 和校验和 (checksum)等元数据。

每个想要访问网络的程序，会向操作系统申请唯一的端口号。当数据包到达时，根据端口号将数据交付给不同的程序。

![端口号](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FgxSBeFHXYqoLelc2yyCU%2F1.png?alt=media)

校验和用于检验数据是否正确，最简单的方式是将数据求和后对比。在 UDP 中，校验和以 16bit 的形式进行存储，若求和高于 16 位所能表示的最大值则舍弃高位。

![校验和](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FPCzzMOHOd2PyzdULatMV%2F2.png?alt=media)

接收方收到数据包后会重新计算一次数据和，再与头部中的校验和进行对比，若不一致，则可判定数据可能因功率波动或电缆故障等原因而出现了错误。

UDP 不提供修复数据或是数据重发的机制，检验出错后 UDP 会直接丢包，且其无法确认数据包是否已经到达。但其优势在于简单快捷，一些视频通话应用更加青睐。

## 4.2.3 TCP

传输控制协议(Transmission Control Protocol, TCP) 较之 UDP 的“尽力而为”而言更加可靠，其可以确保“所有数据均必须到达”。TCP 协议最初是和 IP 协议一齐出现，称为 TCP/IP 协议，后拆分为两个协议。

![TCP/IP](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2F2D8hbdwbc7ULpr6WQQGu%2F3.png?alt=media)

TCP 有许多更高级的功能，最重要的几个特性如下：

### 有序

TCP 数据包有序号(sequence numbers)，就算传输过程中出现了乱序到达的情况，接收方仍然可以利用序号对数据包进行正确排序。

### 确认码

TCP 要求接收方的电脑收到数据包、检查”校验和”无误后（数据没有损坏），给发送方发一个确认码 (Acknowledgement, ACK) ，代表收到了数据包。

发送方在收到上一个数据包的确认码之后，会接着再发送下一个数据包。

![ACK](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FrfRdwB5N4TApO0eUWgWY%2F4.png?alt=media)

若确认码因延误或丢失使得在一定时间后发送方仍未收到，则发送方会再次重发数据包。若接收方收到重复的数据包，可根据序号加判断是否重复需要丢弃。

此外，TCP 可以一次发送多个数据包，等待接收多个确认码，使得效率提升。

![多次发送](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FT1VE2Xspk3TvLWaeDdSV%2F5.png?alt=media)

### 拥塞控制

在 TCP 协议中，可以借由确认码的成功率和来回时间来推测网络的拥塞程度，进而调整发送数据包的数量。

简言之，TCP 可以处理乱序、丢失、重发问题，还可以根据网络拥塞情况来自动调整传输速率。

但为了提高可靠性而存在的 ACK 使得数据包数量翻番，信息传输的密度下降，不适用于像是在线射击游戏等对时间要求很高的程序使用。

## 4.2.4 DNS

计算机根据“IP 地址”和“端口号”对网站进行访问，比如 谷歌的 IP 地址和端口号是 172.217.7.238/80。但数字不利于人类记忆识别，用文字表示的域名 google.com 较之更为友好。

因此，需要使用特殊服务实现“IP 地址/端口号”和“域名”之间的映射对应关系，这种服务称为「域名系统」(Domain Name System, DNS) 。

![DNS](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2F1Sg1rgw4Up4qtpHyceBQ%2F6.png?alt=media)

输入域名后，浏览器会访问 DNS 服务器去询问其对应的 IP 地址是什么。接着 DNS 会查表，若表项存在则返回相应内容。

因注册的二级域名就已高达数千万个，为了更好地管理，DNS 使用树状结构来存储映射关系。

![DNS 结构树](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2FITchBhu9GGsjs7hJmm5x%2F7.png?alt=media)

域名自右往左为：「顶级域名」(Top Level Domains, TLD) 、二级域名(lower level domains)、子域名(subdomains) etc.

因 DNS 的结构树非常大，因此这些数据都分布在许多 DNS 服务器中，不同的服务器负责树中不同部分的查询返回服务。

## 4.2.5 OSI 模型

![OSI 模型](https://275040345-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2FycDQGvckh16RY095vh62%2Fuploads%2Fb4tk8R7nHFKuZDV0KedX%2F8.png?alt=media)

开放式系统互联通信参考模型 (Open System Interconnection, OSI) 是一种将网络通信划分为多层次的概念性框架，每层各自处理一部分问题，利用抽象以便更好地简化通信。具体分层如下：

1. 物理层 (Physical Layer)：线路里的电信号，以及无线网络里的无线信号。
2. 数据链路层 (Data Link Layer)：负责操控”物理层”，有媒体访问控制地址（MAC）、碰撞检测、指数退避，以及其他一些底层协议。
3. 网络层 (Network Layer)：负责各种报文交换和路由。
4. 传输层 (Transport layer)：有 TCP、UDP 等协议，负责在计算机之间进行点到点的传输，同时提供检测和修复错误的服务。
5. 会话层 (Session Layer)：使用 TCP 和 UDP 来创建连接，传递信息，然后关掉连接，这个过程称为「会话」(session) 。
6. 表示层 (the Presentation Layer) ：
7. 应用程序层 (Application Layer) ：其中有浏览器，Skype，HTML解码，在线看电影等。