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Internet 的分层

Layer 1：物理层

在这一部分中，我们将自底向上地构建 Internet，从最基础的构件开始，并逐步组合形成整个 Internet 基础设施。我们会持续使用邮政系统作为类比，因为它与 Internet 在设计上有许多相似之处。

首先，我们需要一种能够跨越空间传递信号的方法。在邮政系统中，这可能是邮递员、Pony Express、卡车、信鸽等。

而在 Internet 中，我们需要的是一种能够跨空间传输 bit（0 和 1）的方法。其实现技术可能包括：电线上的电压变化、无线电波、光纤中的光脉冲等等。整个电子工程领域中有大量研究都围绕「如何跨空间传输信号」展开，不过本课程不会深入讨论这些细节。

Layer 2：链路层

在类比中，现在我们已经拥有了一种跨空间发送数据的方法，因此可以利用这个基础构件连接两户人家。甚至还可以尝试连接整个城镇中的所有家庭。

在 Internet 中，link（链路） 用于连接两台机器。链路可以采用任意技术实现，例如有线、无线、光纤等。若使用链路将一批彼此相近的计算机连接起来（例如 UC Berkeley 校园中的所有计算机），便形成了一个 local area network（LAN，局域网）。

在 Layer 2 中，我们还可以将 bit 组织成数据单元，称为 packet（数据包）（在这一层有时也称为 frame）。同时，我们需要定义 packet 在物理信号中的起始与结束位置。此外，还要解决诸如「多人同时共享同一根线发送数据」之类的问题。

Layer 3：网络层

现在，我们已经能够在局部区域内连接所有人，但如果不同区域中的两个人想要通信，又该怎么办？一种可能的方法是在不同 local network 之间增加大量链路，但这显然效率不高。（如果两个 local network 分别位于不同大陆呢？）

更聪明的方法是：在每个 network 中引入一个「邮局」，然后只需要将两个邮局连接起来即可。这样，当 network A 中的人想与 network B 中的人通信时，他只需将邮件发送到 A 中的邮局。该邮局会把邮件转发到 B 中的邮局，再由后者投递到最终目的地。

在 Internet 中，这种负责接收并转发邮件的「邮局」被称为 switch（交换机） 或 router（路由器）。

如果我们在不同 switch 之间继续建立链路，就可以把 local network 连接起来。当 local network 和链路足够多时，就能把全世界连接起来，从而形成 Internet。

其中一个关键问题是：如何在 network 中寻找路径？当一个 switch 收到 packet 时，它如何知道应当把 packet 转发到哪里，才能让 packet 更接近最终目的地？这将成为 routing（路由）部分的核心问题。

我们还必须确保链路具有足够容量（capacity）来承载数据。这将成为 congestion control（拥塞控制）部分的核心问题。

目前这张图展示的是 Internet 的基础设施，但在本课程中，我们还会研究负责管理这些基础设施的运营者。在类比中，他们相当于建设和运营邮局的人。在 Internet 中，这些运营者是 ISP，例如 AT&T、Amazon Web Services，甚至 UC Berkeley 本身，它们负责拥有并运营 Internet 基础设施。除了硬件与软件基础设施之外，我们还需要将这些实体视作现实中的企业与组织，并考虑它们的经济与政治激励。例如，如果 AT&T 建设了一条海底光缆，它可能会向其他 ISP 收取数据传输费用。

网络的网络

Internet 常被描述为一个网络的网络。世界上存在大量小型 local network，而 local network 内部的事务可以由本地独立管理（例如由 UC Berkeley 自行管理）。随后，所有 local network 彼此连接，最终形成 Internet。

在 Internet 中，不同链路可能采用不同的 Layer 2 技术。有些链路可能使用有线 Ethernet（以太网），而另一些链路可能采用光纤或蜂窝无线技术。在 Layer 2 中，我们关注的是：如何利用该 network 内部所采用的具体技术，在 local network 中跨链路发送 packet。而在 Layer 3 中，我们则将「沿链路发送 packet」的能力作为基础构件，实现 packet 在整个 Internet 中的任意传输。当 packet 跨越不同 network 时，它可能会经过多种不同类型的链路。

在邮政系统类比中，我们可以区分「家庭」与「邮局」。家庭负责彼此收发信件，而邮局本身并不收发自己的邮件，它们存在的意义是帮助其他家庭完成通信。

在 Internet 中，end host（端系统） 指的是通过 Internet 通信的机器，例如 server、laptop、phone 等。与之相对，switch/router 本身并不发送或接收自己的数据，它存在的目的仅仅是帮助 end host 彼此通信。例如你家中的 router，或者 ISP 部署的大型 router。

在这些讲义中，我们通常会将 end host 画成圆形，将 router 画成方形。

抽象层

在逐步构建 Internet 的过程中，你可能已经注意到：我们正在不断把问题拆解为更小的任务与抽象。

Barbara Liskov 在 Turing lecture 中曾说：

“Modularity based on abstraction is the way things are done.”

也就是说，「基于抽象的模块化是构建大型系统的基本方式。」

这正是我们构建和维护大型计算机系统的方法。对于 Internet 而言，modularity 尤其重要，因为 Internet 涉及大量设备（host、router）以及现实中的大量实体（用户、科技公司、ISP）。只有所有人都对任务分层达成一致，Internet 才能以如此大规模正常运作。

这种 layered、network-of-networks 的方法有一个重要优点：每个 network 都可以自主决定如何移动数据。例如，你的 packet 在 Internet 中跳转（hop）时，某些链路可能采用 wireless 技术，而另一些链路采用 wired 技术。不同 hop 的 lower-layer protocol 可以完全不同，而 Layer 3 protocol 依然能够正常工作。

Layering 还允许不同领域并行创新。例如，硬件芯片设计者与软件开发者可以分别在不同 layer 上推进创新。

Layer 3：Best-Effort 服务模型

看起来我们已经构建出了一个能够向全世界发送数据的系统，那么为什么不止步于此呢？因为 Layer 3 仍然存在两个问题需要解决。

第一个问题是 Layer 3 的服务模型。如果你使用 Layer 3 基础设施在 Internet 上传输消息，那么 network 会向用户提供怎样的服务？你可以把服务模型理解为 network 与用户之间的一份「契约」，它规定了 network 支持什么、不支持什么。

一些可能的 service model 包括：

  • network 保证数据一定送达；
  • network 保证数据在某个时间限制内送达；
  • network 不保证送达，但会在失败时报告错误。

然而，Internet 的设计者并没有采用这些模型。相反，Internet 只提供 best effort（尽力而为） 的数据传输。也就是说，如果你通过 Layer 3 发送数据，Internet 会「尽力」传输它，但并不保证数据一定送达，也不会告诉你传输是否成功。

为什么设计者选择了如此「弱」的 service model？其中一个重要原因是：满足这种弱要求的 network 更容易构建。

Layer 3：Packet 抽象

到目前为止，在 Layer 3 中，我们一直将每条消息视作独立发送的对象。更正式地说，Layer 3 中最基本的数据传输单位是 packet：它是一个较小的数据块，在 Internet 中作为单一单位，在 router 之间不断跳转。

Layer 3 的第二个问题在于：packet 的大小是有限的。如果 application 想要发送大量数据（例如视频），就必须把这些数据拆分成多个 packet，并让每个 packet 独立穿越 network。

有了 packet 抽象之后，我们便可以观察 packet 在 network 中的完整生命周期：

发送方首先将数据拆分为 packet；

packet 沿链路传输并到达 switch；

switch 会把 packet 转发给目标主机，或者转发给一个更接近目标的 switch；

packet 会在一个或多个 switch 之间不断 hop，每一次 hop 都更接近最终目的地，直到最终抵达 destination。

需要注意的是，由于采用 best-effort model，任意一个 switch 都可能丢弃 packet，因此 packet 并不一定能够真正抵达 destination。

Layer 4：传输层

目前为止，我们已经发现 Layer 3 存在两个问题：

  1. 大数据必须拆分成多个 packet；
  2. IP 仅提供 best-effort 服务。

为了解决这两个问题，我们引入新的 layer：transport layer（传输层）。这一层以 Layer 3 为基础构件，并实现额外 protocol，用于：

  • 重传丢失 packet；
  • 将数据拆分成 packet；
  • 对乱序到达（out-of-order）的 packet 重新排序；
  • 以及其他功能。

Transport layer protocol 让我们不再需要从「packet」的角度思考问题，而可以转而从 flow（数据流） 的角度理解通信：即两个 endpoint 之间交换的一系列 packet 流。

Layer 7：应用层

建立在 Internet 之上的 application layer 是一个极其强大的设计选择。假如在 lower layer 中，我们专门构建了一个「用于视频传输」的基础设施，那么 email client 就不得不再单独建设一套用于邮件传输的基础设施。Internet 的设计使它能够成为一个通用通信网络，从而支持任意类型的 application data。

在本课程中，我们会更多关注支撑 application layer 的基础设施（例如邮递员、邮局），而不是 application 本身（例如信件内容）。不过在课程后半部分，我们也会接触一些常见的 application protocol。

现在，当我们回顾所有 layer 时，会发现：

  • 每一层都依赖于其下层提供的服务；
  • 同时又向其上层提供服务。

例如，编写 Layer 7（application）protocol 的人，可以默认 Layer 4 已经提供 reliable data delivery（可靠数据传输）。他们不需要再考虑 packet 丢失问题，因为这些已经由 Layer 4 解决。

两个 layer 之间只能通过接口直接交互。实际上不存在「跳过中间层、直接让 Layer 7 建立在 Layer 3 之上」这种做法。

最后，你可能注意到我们跳过了 Layer 5 与 Layer 6。这是因为在 1970 年代层次结构首次标准化时，设计者认为这些 layer 是必要的，但它们在现代 Internet 中已经基本过时。

其中：

  • Session Layer（第 5 层）原本用于将不同 flow 组合成 session（例如把网页中的图片与广告组合成一个完整网页）；
  • Presentation Layer（第 6 层）原本用于帮助用户可视化数据。

而今天，这些功能大多已经由 Layer 7 实现。