计算机科学入门
互联网太棒啦，键盘敲几下就能在 Youtube 直播，在维基百科上阅读文章，在亚马逊买东西，和朋友视频，发一条天气推特。
毫无疑问，用户在全球网络中发送和接收信息的能力，永远改变了这个世界。
150 年前发一封信件从伦敦到加州要花 2~3 周，而且还是特快邮件，如今电子邮件只要几分之一秒，时延 改善了上百万倍，振兴了全球经济，帮助现代世界在遍布全球的光纤中快速发展。
球鞋网络
你可能觉得计算机和网络密切相关，但事实上，1970 年以前大多数计算机是独立运行的。
然而因为大型计算机开始随处可见，廉价机器开始出现在书桌上，分享数据和资源渐渐变得有用起来，首个计算机网络出现了。
第一个计算机网络出现在1950~ 1960年代，通常在公司或研究室内部使用，为了方便信息交换，比把纸卡或磁带送到另一栋楼里更快速可靠，这叫 球鞋网络 （sneakernet）。
第二个好处是能 共享 物理资源，举个例子，与其每台电脑配一台打印机，大家可以共享一台联网的打印机。
局域网
早期网络也会共享存储空间，因为每台电脑都配存储器太贵了，计算机近距离构成的小型网络，叫 局域网 （Local Area Networks），简称 LAN 。
以太网
局域网能小到是同一个房间里的两台机器，或大到校园里的上千台机器，尽管开发和部署了很多不同 LAN 技术，其中最著名和成功的是 以太网 （Ethernet），开发于 1970 年代，在施乐的 帕洛阿尔托研究中心 诞生，今日仍被广泛使用。
以太网的最简单形式是： 一条以太网电线连接数台计算机 。
当一台计算机要传数据给另一台计算机时，它以电信号形式，将数据传入电缆，当然因为电缆是共享的，连在同一个网络里的其他计算机也看得到数据，但不知道数据是给它们的，还是给其他计算机的。
MAC 地址
为了解决这个问题以太网需要每台计算机有唯一的，媒体访问 控制地址 （Media Access Control address），简称 MAC 地址 ，这个 唯一 的地址放在头部，作为数据的前缀发送到网络中。
所以，计算机只需要监听以太网电缆，只有看到自己的 MAC 地址，才处理数据，这运作得很好。
现在制造的每台计算机都自带唯一的 MAC 地址，用于以太网和无线网络。
CSMA
多台电脑共享一个传输媒介，这种方法叫 载波侦听多路访问 （Carrier Sense Multiple Access），简称 CSMA 。
载体 (carrier) 指运输数据的共享媒介，以太网的 "载体" 是 铜线 ，WiFi 的 "载体" 是传播无线电波的 空间 ，很多计算机同时侦听载体，所以叫 侦听 和 多路访问 ，而载体传输数据的 速度 叫 带宽 。
指数退避
不幸的是使用共享载体有个很大的弊端，当网络流量较小时计算机可以等待载体清空，然后传送数据，但随着网络流量上升两台计算机想同时写入数据的概率也会上升，这叫 冲突数据 。
全都乱套了，就像两个人同时在电话里讲话。
幸运的是计算机能够通过监听电线中的信号 检测 这些冲突，最明显的解决办法是 停止传输 ，等待网络空闲，然后再试一遍。
问题是其他计算机也打算这样做，其他等着的计算机可能在任何停顿间隙闯入，导致越来越多冲突。很快，每个人都一个接一个地讲话而且有一堆事要说。
以太网有个超简单有效的解决方法： 当计算机检测到冲突就会在重传之前等待一小段时间 。
因为要举例，假设是 1 秒好了，当然如果所有计算机用 同样 的等待时间是不行的，它们会在一秒后再次冲突，所以加入一个 **随机时间 ** 一台计算机可能等 1.3 秒，另一台计算机等待 1.5 秒。
要是运气好等 1.3 秒的计算机会醒来，发现载体是 空闲 的然后开始传输，当 1.5 秒的计算机醒来后会发现载体被占用，会等待其他计算机完成。
这有用但不能完全解决问题，所以要用另一个小技巧。
正如刚才说的，如果一台计算机在传输数据期间检测到冲突，会等一秒 + 随机时间、
然而如果再次发生冲突表明有 网络拥塞 ，这次不等 1 秒，而是等 2 秒，如果再次发生冲突等 4 秒，然后 8 秒 16 秒等等，直到成功传输。
因为计算机的退避冲突次数降低了，数据再次开始流动起来网络变得顺畅，这种指数级增长等待时间的方法叫 指数退避 （Exponential Backoff）。
冲突域和交换机
以太网和 WiFi 都用这种方法很多其他传输协议也用，但即便有了 指数退避 这种技巧，想用一根网线链接整个大学的计算机还是不可能的，为了减少冲突 + 提升效率，我们需要 减少 同一载体中设备的数量，载体和其中的设备总称 冲突域 （Collision Domain）。
让我们回到之前以太网的例子，一根电缆连 6 台计算机，也叫一个冲突域。
为了减少冲突我们可以用 交换机 （Network Switch）把它拆成两个冲突域，交换机位于两个更小的网络之间，必要时才在两个网络间传数据。
交换机会记录一个列表，写着哪个 MAC 地址在哪边网络。
如果 A 想传数据给 C ，交换机不会把数据转发给另一边的网络。
如果 E 想同一时间传数据给 F ，网络仍然是空的，两个传输可以同时发生。
但如果 F 想发数据给 A 数据会通过交换机，两个网络都会被短暂占用。
大的计算机网络也是这样构建的，包括最大的网络 互联网 也是多个连在一起的稍小一点网络，使不同网络间可以传递信息。
路由
这些大型网络有趣之处是，从一个地点到另一个地点通常有多条路线，这就带出了另一个话题： 路由 （routing）。
连接两台相隔遥远的计算机或网路，最简单的办法，是分配一条 专用 的通信线路，早期电话系统就是这样运作的。
假设 印第安纳波利斯 和 米苏拉 之间，有五条电话线，如果在 1910 年代，John 想打电话给 Hank ，John 要告诉 操作员 他想打到什么地方，然后工作人员 手动 将 John 的电话连到，通往米苏拉的未使用线路。
通话期间这条线就被占用了如果五条线都被占用了，John 要等待某条线空出来。
电路交换
这叫 电路交换 （Circuit Switching），因为是把电路连接到正确目的地，能用倒是能用，但不灵活而且价格昂贵因为总有闲置的线路。
好处是如果有一条 专属 于自己的线路，你可以最大限度地随意使用，无需共享。
因此军队，银行和其他一些机构依然会购买专用线路来连接数据中心。
报文交换
传输数据的另一个方法是 报文交换 （Message Switching），就像邮政系统一样，不像之前 A 和 B 有一条专有线路，消息会经过好几个站点。
如果 John 写一封信给 Hank ，信件可能从 印第安纳波利斯 到 芝加哥 ，然后 明尼阿波利斯 然后 比林斯 最后到 米苏拉 。
每个站点都知道下一站发哪里，因为站点有表格，记录到各个目的地，信件该怎么传，报文交换的好处是可以用不同路由，使通信更可靠更能容错。
回到邮件的例子，如果 明尼阿波利斯 有暴风雪中断了通信，芝加哥 可以传给 奥马哈 。
跳数
在这个例子里，城市就像路由器一样，消息沿着路由跳转的次数，叫 跳数 (hopcount)。记录跳数很有用，因为可以分辨出路由问题。
举例，假设芝加哥认为，去米苏拉的最快路线是奥马哈，但奥马哈认为，去米苏拉的最快路线是芝加哥。
这就糟糕了，因为 2 个城市看到目的地是米苏拉，结果报文会在 2 个城市之间，不停传来传去，不仅浪费带宽而且这个路由错误需要修复。
这种错误会被检测到，因为跳数记录在消息中，而且传输时会更新跳数，如果看到某条消息的跳数很高，就知道路由肯定哪里错了，这叫 跳数限制 。
数据包
报文交换的缺点之一是有时候报文比较大，会堵塞网络因为要把整个报文从一站传到下一站后，才能继续传递其他报文，传输一个大文件时整条路都阻塞了。
即便你只有一个 1KB 的电子邮件要传输，也只能等大文件传完，或是选另一条效率稍低的路线。
解决方法是将大报文 分成很多小块 ，叫 数据包 （packets），就像报文交换每个数据包都有目标地址，因此路由器知道发到哪里。
报文具体格式由 互联网协议 （Internet Protocol）定义，简称 IP ，这个标准创建于 1970 年代，每台联网的计算机都需要一个 IP 地址。
你可能见过，以点分隔的 4 组数字，例如 172.217.7.238 是Google其中一个服务器的 IP 地址。
数百万台计算机在网络上不断交换数据，瓶颈的出现和消失是毫秒级的，路由器会平衡与其他路由器之间的负载，以确保传输可以快速可靠，这叫 阻塞控制 （congestion control）。
分组交换
有时，同一个报文的多个数据包，会经过不同线路，到达顺序可能会不一样，这对一些软件是个问题。
幸运的是，在 IP 之上还有其他协议，比如 TCP/IP ，可以解决乱序问题。
将数据拆分成多个小数据包，然后通过灵活的路由传递，非常高效且可容错，如今互联网就是这么运行的，这叫 分组交换 （Packet Switching）。
有个好处是它是去 中心化 的，没有中心权威机构，没有单点失败问题。
事实上因为冷战期间有核攻击的威胁，所以创造了分组交换。
如今，全球的路由器协同工作，找出最高效的线路，用各种标准协议运输数据，比如 因特网控制消息协议 (ICMP) 和 边界网关协议 ( BGP)。
世界上第一个分组交换网络，以及现代互联网的祖先是 ARPANET ，名字来源于赞助这个项目的机构， 美国高级研究计划局 。
这是1974年整个 ARPANET 的样子，每个小圆表示一个地点，比如大学或实验室，那里运行着一个路由器，并且有一台或多台计算机。
能看到 PDP-1 和 IBM360系统 ，甚至还有一个伦敦的 ATLAS ，是通过 卫星 连到网络里的。
显然互联网在这几十年间发展迅速，如今不再只有几十台计算机联网，据估计有接近 100 亿台联网设备，而且互联网会继续快速发展，特别是如今各种智能设备层出不穷，比如联网冰箱，恒温器，以及其他智能家电，它们组成了 物联网 。
