The Internet: Crash Course Computer Science #29

Summary

这段视频脚本介绍了计算机网络的基础知识，特别是互联网的工作原理。视频首先解释了互联网是如何通过一个大型分布式网络将数据包发送到全球各地的。接着，通过一个例子说明了数据包是如何从用户的本地区域网络（LAN）出发，经过多个路由器，最终到达互联网的主干网，并找到目标服务器的。视频还探讨了互联网协议（IP）和传输层协议，如用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP），它们如何确保数据的传输和完整性。此外，还介绍了域名系统（DNS）如何将人类可读的域名转换为机器可读的IP地址。最后，视频提到了OSI模型的前五层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和会话层，这些层次共同构成了网络通信的基础。

Takeaways

• 🌐 互联网是一个庞大的分布式网络，通过数据包传输数据。
• 📡 你的计算机首先连接到本地区域网络（LAN），然后通过互联网服务提供商（ISP）的广域网（WAN）连接到互联网。
• 📶 互联网的骨干网络由具有超高带宽连接的大型路由器组成。
• 📚 通过使用traceroute程序，可以查看数据在互联网上经过的路由。
• 📦 IP协议规定了互联网数据包的标准，类似于邮政系统中每封信都需要有唯一且清晰的地址。
• 📬 UDP（用户数据报协议）是IP协议之上的一个更高级协议，提供了端口号和校验和等额外信息。
• 🔄 TCP（传输控制协议）提供了数据包的顺序编号、确认应答和重传机制，确保数据的可靠传输。
• 🚦 TCP/IP协议组合允许数据包在网络中顺序传输、错误检测和恢复，以及根据网络拥塞调整传输速率。
• 🕹️ 对于时间敏感的应用，如多人第一人称射击游戏，UDP的简单和快速特性可能比TCP的健壮性更重要。
• 🌐 DNS（域名系统）是互联网的“电话簿”，将易于记忆的域名映射到IP地址。
• 📈 OSI模型是一个概念框架，将网络过程分解为7个不同的层次，每一层解决不同的问题。
• 🔗 下一次课程将讨论OSI模型的最后两层：表示层和应用层，包括网络浏览器、Skype、HTML解码和流媒体等。

Q & A

互联网是如何连接到全球的分布式网络的？

互联网通过一个不断扩大的互联设备网络连接到全球。你的计算机首先连接到本地区域网络（LAN），这可能是你家里所有连接到Wi-Fi路由器的设备。然后连接到广域网（WAN），这通常由你的互联网服务提供商（ISP）运营，如Comcast、AT&T或Verizon。最初，这将是一个区域路由器，比如你邻居的路由器，然后该路由器连接到更大的WAN，可能是整个城市或城镇的路由器。经过几次跳转，最终连接到互联网的主干，由具有超高带宽连接的大型路由器组成。

如果数据包在传输过程中丢失了怎么办？

如果使用UDP协议，那么数据包丢失后发送端不会有任何机制来修复数据或请求新副本，接收端程序会检测到数据损坏，但通常会丢弃该数据包。而TCP协议则包含了顺序号码和确认（ACK）机制，如果确认包丢失或没有在规定时间内收到，发送端将重新传输相同的数据包。

什么是IP协议，它与UDP和TCP有什么关系？

IP协议，即互联网协议，是一种标准，规定了互联网数据包的格式。它类似于邮政系统中的邮件发送，每个数据包都需要有一个唯一的、清晰的目的地地址。IP协议是一个低层协议，主要包含目的地地址。UDP和TCP是更高级的协议，它们建立在IP协议之上，为数据传输提供额外的功能，如端口号、顺序号码、错误检测和恢复等。

为什么有些应用程序使用UDP而不是TCP？

UDP因其简单和快速的特性，适用于一些可以容忍数据包丢失或损坏的实时应用程序，如Skype视频聊天。而TCP则提供了更可靠的数据传输，包括顺序保证、错误检测和重传机制，适用于需要可靠传输的应用，如电子邮件传输。

DNS服务器在互联网中扮演什么角色？

DNS服务器，即域名系统服务器，是互联网的“电话簿”，它将人类可读的域名（如google.com）映射到IP地址（如172.217.7.238）。当你在浏览器中输入一个网址时，浏览器会向DNS服务器查询该域名对应的IP地址，然后才能向该地址发送请求以获取网站数据。

如何使用traceroute程序查看数据在互联网上的路由路径？

在运行Windows、MacOS或Linux的计算机上，可以使用traceroute程序来追踪数据在互联网上的路由路径。这个程序会显示数据包从你的计算机出发到达目标服务器所经过的各个路由器节点。

什么是OSI模型，它包含哪些层？

OSI模型，即开放式系统互联通信参考模型，是一个概念框架，用于将不同的网络过程进行分类。它包含7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有其特定的功能和协议，从物理介质的电气特性到最终用户应用程序的数据表示和访问。

TCP和UDP的主要区别是什么？

TCP（传输控制协议）是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，它提供了数据包的顺序传输、错误检测、错误修复以及流量控制等特性。而UDP（用户数据报协议）是一个简单、无连接的协议，它不保证数据包的顺序、不提供错误修复，也不进行流量控制，因此它的头部开销小，速度快，适用于对实时性要求高的应用。

如何理解互联网的分层结构？

互联网的分层结构是指将网络通信的复杂功能分解成若干层次，每一层处理不同的任务和问题。从物理层的电气信号传输，到数据链路层的帧传输，再到网络层的路由选择，传输层的协议（如TCP和UDP）负责点对点的数据传输，会话层管理通信会话，表示层负责数据的表示和安全，最后应用层提供网络服务和应用软件的接口。

为什么TCP协议需要顺序号码和确认机制？

TCP协议需要顺序号码和确认机制是为了确保数据的可靠传输。顺序号码允许接收计算机按正确顺序重新组装数据包，即使它们在网络中到达的时间不同。确认机制确保了发送计算机知道数据包是否成功到达，如果没有收到确认，发送端可以重新发送数据包。

为什么互联网的主干由具有超高带宽连接的大型路由器组成？

互联网的主干是全球互联网的核心部分，负责在不同地区和国家之间传输大量的数据。因此，它需要由具有超高带宽的大型路由器组成，以保证数据传输的速度和效率，同时也能够处理不同网络之间的大量数据交换。

如何理解网络延迟和丢包对实时通信应用的影响？

网络延迟是指数据从发送端到接收端所需的时间，而丢包则是指在传输过程中丢失的数据包。对于实时通信应用，如视频聊天或在线游戏，网络延迟和丢包可能会导致通信质量下降，出现声音或图像的断断续续、延迟或完全丢失。UDP由于其轻量级和低延迟特性，通常用于这类应用，尽管它不保证数据包的可靠传输。

为什么TCP/IP协议被称为互联网的基础协议？

TCP/IP协议是互联网的基础协议，因为它们共同构成了互联网数据传输的核心机制。IP协议负责将数据包从源头路由到目的地，而TCP协议则确保了数据的可靠传输，包括顺序保证、错误检测、重传机制等。这种组合使得TCP/IP协议能够适应各种网络环境和应用需求，从而成为互联网通信的基石。