1. 什么是因特網

我們可以從兩個角度來回答這個問題：一種是描述組成它的軟硬體；另一種是將其視為為分布式應用提供基礎服務的聯網設施來描述，其實，第一種角度，是從它的組成來描述，第二種角度是從它的功能來描述，

所有這些連接進因特網的設備被稱為主機（host） 或者 端系統（end system），

端系統通過通信鏈路（communication link） 和 分組交換機（packet switch） 連接到一起，

當一臺端系統要向另一臺端系統發送資料時，發送端系統將資料分段，并為每段加上首部位元組（一些必要資訊），由此形成的資訊包（資料包）用計算機網路的術語來說稱為分組（packet），

分組交換機從它的一條入通信鏈路接受到達的分組，并從它的一條出通信鏈路轉發該分組，分組交換機主要的型別是路由器（router） 和 鏈路層交換機（link layer switch），

• 鏈路層交換機通常用于接入網中
• 路由器通常用于網路核心中

端系統通過因特網服務提供商（Internet Service Provider，ISP） 接入因特網，

1.1 服務描述

與因特網相連的端系統提供了一個套接字介面（socket interface），該介面規定了運行程式在一個端系統上的程式請求因特網基礎設施向運行在另一個端系統上的特定目的程式交付資料的方式，

簡單來說，就是提供API發送和接受資料，

1.2 協議

協議（protocol）：定義了在兩個或多個通信物體之間交換保溫的格式和順序，以及報文發送或接收一條報文或其他事件所采取的動作，

通過協議，才方便讓所有不同的端系統，不同的CPU，不同的作業系統以同一種方式進行網路通信，

2. 網路邊緣

端系統，位于因特網的邊緣因此得名，端系統也成為主機，容納（即運行）應用程式，主機又被進一步分為客戶端和服務端，

2.1 接入網

接入網是指將端系統物理連接到其邊緣路由器（edge router） 的網路，

邊緣路由器是端系統到任何其他遠程端系統的路徑上的第一臺路由器，

• 家庭接入
  • 數字用戶線（Digital Subscriber Line，DSL）
  • 電纜
  • 光纖到戶（Fiber To The Home，FTTH）
  • 撥號和衛星
• 企業（或家庭）接入
  • 以太網和WIFI
• 廣域無線接入
  • 3G、4G、LTE

2.2 物理媒體

位元從源到目的地傳輸時，通過一系列“發射器 - 接收器” 對，對于每個發射器-接收器對，通過一種**物理媒體（physical medium）**傳電磁波或光脈沖來發送該位元，

具體有

• 導引型媒體（guided media）：電波沿著固體媒體前行
  • 雙絞銅線
  • 同軸電纜
  • 光纖
• 非導引型媒體（unguided media）：電波在空氣或外層空間中傳播
  • 陸地無線電信道
  • 衛星無線電信道

3. 網路核心

網路核心即為由互聯端系統的分組交換機和鏈路構成的網狀網路

通過網路鏈路和交換機移動資料有兩種基本方法：電路交換和分組交換

3.1 分組交換

在各種網路應用中，端系統彼此交換報文（message），為了從源端系統向目的端系統發送一個報文，源將長報文劃分為較小的資料段，稱之為分組（packet），每個分組都通過通信鏈路和分組交換機傳送，

一些重要概念：

• 存盤轉發傳輸
  • 指的是，在交換機能夠開始向輸出鏈路傳輸該分組的第一個位元之前，必須接收到整個分組，
  • 其實就是相當于一個緩沖區，滿了再傳輸，
• 排隊時延和分組丟失
  • 對于每條相連的鏈路，分組交換機具有一個輸出快取（output buffer，也稱為輸出佇列），它用于存盤路由器準備發往該鏈路的分組，
  • 如果到達的分組需要傳輸到某條鏈路，該鏈路正忙于傳輸其他分組，則必須等待，稱之為排隊時延（queuing delay）
  • 到達的分組發現該快取已經被其他分組占滿了，這種情況就會出現分組丟失（丟包）（packet loss）
• 路由轉發表和路由選擇協議
  • 每個端系統具有一個稱為IP地址的地址，當源主機向目的端系統發送一個分組時，源在該分組的首部包含了目的地的IP地址
  • 每臺路由器具有一個轉發表（forwarding table），用于將目的地址（或目的地址的一部分）映射成為輸出鏈路，
  • 路由選擇協議（routing protocol），用于自動地設定這些轉發表

3.2 電路交換

在電路交換網路中，在端系統通信會話期間，交換機會預留端系統間通信路徑上的相關資源（快取，鏈路傳輸速率），即先建立連接，然后通信；

電路交換網路中的復用

• 時分復用（Time-Division Multiplexing TDM）：是指將時間劃分為固定區間的幀，每個幀則又被劃分為固定數量的時間空隙；當網路需要建立一條連接時，網路將在每個幀中為該連接指定一個時隙；在該時隙內，鏈路用來傳輸該鏈接的資料；

• 頻分復用（Frequency-Division Multiplexing）：將頻率域劃分為頻段，然后將頻段分配給連接；此頻段被用來專門傳輸鏈接的資料，該頻段的寬度成為帶寬，

3.3 分組交換與電路交換的對比

分組交換的優點：

• 它提供了比電路交換更好的帶寬共享；
• 它比電路交換更簡單、更有效、實作成本更低；

分組交換的缺點：

• 分組交換不適合實時服務，因為端到端的時延是可變、不可預測的，這和整個網路的情況相關；

電路交換的優點：

• 提供了端對端傳輸資料的速率保證；

電路交換的缺點：

• 電路交換存在靜默期，這是指專用電路空閑時，其占用的資源并沒有得到充分的利用；
• 建立連接的程序比較復雜；

趨勢是朝著分組交換的方向發展，

4. 分組交換網中的時延、丟包和吞吐量

時延：

• 處理時延：處理時延是因為節點需要決議分組的必要資訊然后決定其出鏈路（索引轉發表等操作）而產生的，通常在微秒或者更低數量級，
• 排隊時延：當分組的出鏈路有其他分組正在進行傳輸時，該分組經受排隊時延，排隊時延是到達該佇列的流量強度和性質的函式，通常可以達到毫秒級到微秒級，
• 傳輸時延：是將所有分組的位元推向鏈路所有需要的時間，實際的傳輸時延通常在毫秒到微秒數量級，
• 傳播時延：位元進入鏈路后，從該鏈路的起點到下一個節點所用的時間，

傳輸和傳播的區別

• 傳輸時延是路由器推出分組所需要的時間，是分組長度和鏈路傳輸速率的函式
• 傳播時延是一個位元從一臺路由器傳播到另一臺路由器所需要的時間，他是兩臺路由器之間距離的函式

丟包

• 到達的分組發現一個滿的佇列，由于沒有地方存盤這個分組，路由器將丟棄該分組，該分組將會丟失

吞吐量

• 表示在單位時間內通過某個網路（或信道、介面）的資料量

5. 協議層次

計算機網路采用分層的體系結構，分層的體系結構因為提供模塊化而具有很高的價值，同時也易于服務實作的多樣性：某一層對其上一層提供服務，同時它可以利用下一層提供的服務，只要對上提供的服務和對下利用的服務沒有變化，其層內部的實作并不會對系統結構產生影響；對于大而復雜且需要不斷更新的系統來說，改變服務的實作而不影響系統其他組件是分層模式的另一個重要優點，

一個協議層可以使用軟硬體實作，同時某個協議層的不同部分常常位于網路組件的各部分，協議分層具有概念化和結構化的優點，模塊化使得更新系統組件更為容易，但是分層也有其缺點，就是功能上的冗余，比如許多協議堆疊針對鏈路和端到端兩種情況都提供了差錯恢復功能，第二種潛在的缺點就是某層的功能可能需要僅在其它層才出現的資訊，

5.1 OSI 參考模型

• 應用層
  • 為應用程式提供服務并規定應用程式中通信相關的細節，包括檔案傳輸、電子郵件、遠程登錄（虛擬終端）等協議，
• 表示層
  • 將應用處理的資訊轉換為適合網路傳輸的格式，或將來自下一層的資料轉換為上層能夠處理的格式，
  • 因此它主要負責資料格式的轉換，
• 會話層
  • 負責建立和斷開通信連接（資料流動的邏輯通路），以及資料的分割等資料傳輸相關的管理，
• 傳輸層
  • 起著可靠傳輸的作用，只在通信雙方節點上進行處理，而無需在路由器上處理，
• 網路層
  • 將資料傳輸到目標地址，目標地址可以是多個網路通過路由器連接而成的某一個地址，因此這一層主要負責尋址和路由選擇，
• 資料鏈路層
  • 負責物理層面上互連的、節點之間的通信傳輸，
• 物理層
  • 負責0、1位元流（0、1序列）與電壓的高低、光的閃滅之間的互換，

5.2 TCP / IP 參考模型

• 應用層
  • 應用層負責處理特定的應用程式細節，
• 運輸層
  • 運輸層主要為兩臺主機上的應用程式提供端到端的通信，
• 網路層
  • 有時也稱作互聯網層，處理分組在網路中的活動，例如分組的選路，
• 鏈路層
  • 有時也稱作資料鏈路層或網路介面層，通常包括作業系統中的設備驅動程式和計算機中對應的網路介面卡，它們一起處理與電纜（或其他任何傳輸媒介）的物理介面細節，

5.3 五層參考模型

• 應用層
  • 應用層是網路應用程式及它們的應用層協議存留的地方，
  • 應用層協議分布在多個端系統，端系統中的應用程式使用該協議與另一個端系統中的應用程式通信，處于應用層的分組稱為報文，
• 運輸層
  • 因特網的運輸層在應用程式端點之間傳送應用層報文，
  • 我們把運輸層的分組稱為報文段（segment）
• 網路層
  • 網路層將稱為資料報的網路層分組從一臺主機移動到另一臺主機，
• 鏈路層
  • 在每個節點，網路層將資料報下傳給鏈路層，鏈路層沿著路徑將資料報傳遞給下一個節點，然后在下一個節點，鏈路層將資料報上傳給網路層，
• 物理層
  • 將幀中的位元從一個節點移動到下一個節點，與實際傳輸媒體有關，

5.4 封裝

• 一個應用層報文（application - layer message） 被傳送到運輸層，在最簡單的情況下，運輸層收取到報文并附上附加資訊（運輸層收不資訊），
  • 該首部資訊將被接收端運輸層使用，應用層報文和運輸層首部資訊一道構成了運輸層報文段（transport-layer segment）
  • 運輸層報文段因此封裝了應用層報文，附加的資訊也許包括了下列資訊:① 如允許接收端運輸層向上向適當的應用程式交付報文的資訊;② 如差錯檢測位資訊，該資訊讓接收方能夠判斷報文中的位元是存在途中已被改變，
• 運輸層則向網路層傳遞該報文段，網路層增加了如源和目的端系統地址等網路層首部資訊 ，產生了網路層資料報( network-layer datagram) ，
• 該資料報接下來被傳遞給鏈路層，鏈路層(向然而然地)增加它自己的鏈路層首部資訊并創建鏈路層幀 (link-layer frame)

在每一層，一個分組具有兩種型別的欄位:首部宇段和有效載荷欄位 (payload field) 有效載荷通常是來自上層的分組，