2. 核心思想：分层、分组、可靠与拥塞

计算机网络看似复杂，但底层只回答几个问题：

1. 数据怎么编址？（IP、MAC、DNS）
2. 数据怎么可靠传输？（TCP、重传、滑动窗口）
3. 网络拥塞了怎么办？（拥塞控制、流量控制）
4. 数据怎么走？（路由、交换）
5. 很多连接怎么共享链路？（复用、分组交换）

本章先建立这些核心概念的直觉。

2.1 分层模型：OSI 与 TCP/IP

网络协议被组织成层次结构，每一层只和相邻层交互。

OSI 层	TCP/IP 层	例子
应用层	应用层	HTTP, gRPC, DNS, NCCL
表示层	—	TLS/SSL（常放在应用层）
会话层	—	—
传输层	传输层	TCP, UDP, QUIC
网络层	网络层	IP, ICMP, ARP, NAT
数据链路层	网络接口层	Ethernet, VLAN, VXLAN
物理层	网络接口层	光纤、电缆、NIC、switch port

分层的好处：

• 隔离变化：上层不需要知道下层具体怎么实现；
• 模块化：每一层可以独立演进；
• 标准化：不同厂商设备可以互联互通。

2.2 分组交换 vs 电路交换

电路交换

打电话是电路交换：通话前先建立一条独占的物理通路，通话期间这条通路一直被占用。

优点：稳定带宽、低延迟抖动。 缺点：资源利用率低，不适合 burst 流量。

分组交换

互联网使用分组交换：数据被切分成一个个包，每个包独立传输，按需占用链路资源。

优点：资源利用率高，适合 burst 流量。 缺点：可能出现排队、丢包、延迟抖动。

AI 训练流量就是典型的 burst：all-reduce 时带宽打满，其他时候可能很空闲。分组交换更灵活，但也带来了 incast 和拥塞问题。

2.3 复用与解复用

一条物理链路怎么同时承载多个连接？靠 复用（Multiplexing）。

• 时分复用（TDM）：不同连接轮流使用链路；
• 频分复用（FDM）：不同连接使用不同频率；
• 统计复用：分组交换网络中，包按需共享链路，靠队列调度。

TCP/IP 中，端口号就是传输层的复用/解复用标识：同一个 IP 上，不同端口号对应不同应用。

2.4 端到端原则

互联网设计的核心原则之一：端到端原则（End-to-End Principle）。

如果某个功能可以由通信两端的应用实现，就不应该放在网络中间设备里。

例子：

• 可靠性由 TCP 在端主机实现，而不是路由器；
• 加密由 TLS 在端主机实现，而不是交换机。

好处：网络中间设备保持简单，新功能可以在端主机快速迭代。

但 AI 基础设施里也有很多“网络内智能”：PFC/ECN、RDMA offloading、智能网卡、交换机上做集合通信。这是性能和灵活性的 trade-off。

2.5 可靠传输

网络会丢包、乱序、重复。TCP 通过以下机制保证可靠传输：

• 序列号（Sequence Number）：给每个字节编号；
• 确认应答（ACK）：接收方告诉发送方收到了哪些数据；
• 超时重传（Retransmission Timeout, RTO）：没收到 ACK 就重传；
• 滑动窗口（Sliding Window）：一次性发送多个包，提高吞吐；
• 流量控制（Flow Control）：接收方告诉发送方自己的接收窗口，防止被压垮。

2.6 拥塞控制

可靠传输解决“接收方丢包”，拥塞控制解决“网络中间丢包”。

当网络负载过高，路由器缓冲区满，包会被丢弃。TCP 通过拥塞控制动态调整发送速率：

• 慢启动（Slow Start）：初始窗口小，指数增长；
• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：达到阈值后线性增长；
• 快速重传/快速恢复（Fast Retransmit/Recovery）：收到 3 个重复 ACK 时快速调整；
• AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）：加性增、乘性减。

常见拥塞控制算法：

算法	特点
Reno	经典 AIMD，丢包为信号
CUBIC	Linux 默认，窗口按三次函数增长，适合高 BDP 链路
BBR	基于带宽和 RTT 测量，不依赖丢包，适合高带宽+低延迟链路
DCTCP	数据中心 TCP，利用 ECN 精确控制窗口，减少缓冲区占用

AI 训练常用 RDMA 或 RoCE，它们 bypass 内核 TCP，但同样面临拥塞控制问题（PFC/ECN）。

2.7 带宽时延积（BDP）

BDP = 带宽 × RTT

BDP 表示“链路上正在传输但尚未确认的数据量”。为了让高带宽链路满载，发送窗口必须至少等于 BDP。

例子：100 Gbps 链路，RTT 100 μs，BDP = 1.25 MB。如果 TCP 窗口只有 64 KB，链路利用率会极低。

AI 集群中，高带宽 RDMA 网络的 BDP 很大，需要调大缓冲区或窗口。

2.8 Incast

Incast 是多对一的同步流量模式：多个发送方同时向一个接收方发数据，接收方所在交换机的缓冲区瞬间被占满，导致丢包或 PFC 反压。

AI 训练中的 all-reduce、all-gather 都容易引发 incast。解决方法：

• 交换机大缓冲区；
• PFC + ECN 流量控制；
• 集合通信算法优化（ring/tree 替代 naive all-to-all）；
• 调度发送时机，避免完全同步。

2.9 命名、寻址与路由

• 命名（Name）：人类可读的标识，如 ai-infra.cypggs.com；
• 地址（Address）：机器可定位的标识，如 IP 地址；
• 路由（Route）：从源地址到目的地址的路径选择。

DNS 负责名字→地址，路由协议负责地址→路径。

2.10 核心概念速查表

概念	一句话解释
分层模型	把网络功能分成若干层，每层只和相邻层交互
分组交换	数据切成包独立传输，按需共享链路
电路交换	通信前建立独占通路
复用	多个连接共享一条物理链路
端到端原则	能在端主机做的功能，不放在网络中间设备
可靠传输	通过序列号、ACK、重传、滑动窗口保证数据不丢不错序
拥塞控制	根据网络拥塞程度动态调整发送速率
BDP	带宽 × RTT，决定需要多大的发送窗口
Incast	多对一同步 burst 导致交换机缓冲区溢出
DNS	名字到地址的分布式数据库

2.11 本节小结

• 网络用分层模型组织协议，每层负责不同问题；
• 互联网基于分组交换和统计复用，灵活但不稳定；
• 端到端原则让网络中间设备保持简单，但 AI 场景也会用网络内智能提升性能；
• TCP 通过序列号、ACK、滑动窗口、流量控制实现可靠传输；
• 拥塞控制通过慢启动、AIMD、CUBIC/BBR 等算法避免网络崩溃；
• BDP 和 incast 是 AI 集群网络的两个关键概念。

下一节，我们看数据中心网络架构和 AI 集群拓扑。