第一章-计算机网络和因特网

什么是因特网

构成

• 什么便携机、电视、电脑等等都称为主机或者端系统，端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。
• 分组交换机从一条入通信链接受分组，再从出通信链路转发分组。分组交换机分为路由器和链路层交换机，路由器常用于网络核心中，分组交换机一般用于接入网。
• 端系统通过因特网服务提供商ISP接入因特网。ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。
• 端系统、分组交换机和其他网络部件都要运行协议，协议控制着因特网中信息的接受和发送。

网络边缘

• 之前讲的主机或者端系统，因为位于因特网的边缘所以被称为端系统。而将端系统链接到其边缘路由器的物理链路称为接入网。边缘路由器是端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。

怎么接入网

• 宽带住宅接入由两种最流行的类型：1. 数字用户线（DSL） 2. 电缆
• 数字用户线（DSL）：用户从提供本地电话接入的电话公司处获得用户线因特网接入（所以这里的ISP就是电话公司）。主要原理是用户的DSL调制解调器把数字数据转换为高频音传给中心局的数字用户线接入复用器（DSLAM），它再转为数字数据来交互。因为用户方有个分频器可以把数据信号和电话信号分隔开，所以打电话和网上冲浪不会冲突。
  
• 电缆：DSL利用了电话设施，而电缆利用的是有线电视这一设施。传输过程中同时用到了同轴电缆和光缆，所以被称为混合光纤同轴HFC。用户的电缆调制解调器把数字信号转换为模拟信号传给CMTS，它在把模拟信号转为数字信号。电缆调制解调器将HFC分为上行和下行两个信道。电缆因特网接入的一大特征是共享广播媒体：CMTS发送的分组经过上行传到每家每户，每家每户的分组又经过下行传给CMTS，也就是说用户共享两个信道。这样一来如果所有用户同一时间网上冲浪将会很卡。
  
• 除了上面两种绝大部分人使用的网络接入外，出现了一种新兴技术——光纤到户FTTH：从中心局直接接一条光纤路径到家里。接入方式有两个：1. 从中心局到每户设置一根光纤 2. 从中心局出来的每根光纤实际由很多用户共享，光纤在接近这些家庭的位置才分成每户一根。
  
• 每个用户家里有个光纤网络端接器ONT，它们通过光纤连接到光纤分配器，分配器把光纤集结到一根共享光纤上后再连接到中心局的光纤线路端接器OLT，OLT会把光信号转为电信号，再经过本地电话公司路由器和因特网相连。从OLT发送给用户的分组会在分配器处复制，再分发给用户。
• 企业和学校一般都选择用局域网连接边缘路由器，局域网技术中目前最流行的是以太网，这个之后会介绍。基于IEEE 802.11的无线局域网技术（即WiFi）和电缆调制解调器或DSL相结合，使用的也越发频繁。

网络核心

• 网络核心是由互联因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络

分组交换

• 端系统间交换报文，为了从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，称为分组。源和目的之间每个分组通过通信链路和分组交换机传送。
• 一般分组交换机在链路的输入端使用存储转发机制：交换机必须把分组全部比特收到手之后才开始发送。假设一个分组大小是L比特，链路传输速率是R，有N条链路（N-1台路由器），P个分组，则存储转发时延公式为：d = (N+P-1)L/R
• 对每个链路交换机都有个输出缓存，如果一个分组到达交换机后发现要去的链路正忙，就会在缓存中等待，这就是排队时延。值得一提的是，缓存空间大小是有限的，如果一个分组发现缓存已经被其他等待传输的分组占满了，此时就会出现分组丢失——到达的分组或队列中的分组会被丢弃。
• 路由器从一条链路得到分组后转发给另一条，而路由器能知道向哪条链路转发的方法就是通过存储转发表。每个分组首部包含了目的ip地址，路由器根据地址查找转发表。

电路交换

• 电路交换网络中端系统通信会话期间会预留端系统间通信沿路径所需的资源（缓存空间、链路传输速率等）。发送方发送信息前网络必须在发送方和接收方之间建立一条连接，此时发送方和接收方之间路径上的交换机都会帮助维持连接状态，这条连接就是电路。

网络的网络

网络结构1

假设用单一的全球承载ISP互联所有接入ISP，全球ISP是一个由路由器和通信链路组成的网络，跨越全球并且至少有一个路由器连接所有下属的接入ISP。这样耗资巨大，接入ISP要向全球ISP付费，而且如果一个公司建立了这样一个全球ISP，那必然会有其他全球ISP来打破垄断，这就生成了网络结构2。

网络结构2

由多个全球ISP和数十万个接入ISP组成。接入ISP现在可以根据价格等因素选择自己喜欢的全球ISP。但是全球ISP都是互联的，否则一个全球ISP的接入ISP将不能连接到另一个全球ISP的接入ISP。

网络结构3

其实结构2也是不现实的，因为世界上没有ISP是可以存在在每个城市中的。实际上一个区域可能有个区域ISP，区域中的接入ISP和其相连，区域ISP则和第一层ISP相连。第一层ISP存在竞争，所以有十几个，而区域ISP也存在竞争。现在接入ISP要向区域ISP支付连接费用（当前，接入ISP也可以跳过区域ISP直接连接第一层ISP），区域ISP也要向第一层ISP付钱。这里就有客户-供应商的关系存在。值得注意的是，区域ISP也分大小，可能小区域ISP会连接到大区域ISP，比如我国市（接入ISP）连接省（小区域ISP），省再连接到国（大区域ISP），国再连接到第一层ISP。

网络结构4

结构3和现实已经很像了，但还缺点调味料：存在点PoP、多宿、对等和因特网交换点。PoP存在在除接入ISP的所有层次，本身就是在提供商网络中的一组路由器。多宿即一个客户ISP可以与两个或更多提供商ISP连接，可以避免提供商出现故障而停滞的问题。对等可以将处于相同等级结构的邻近的一对ISP连在一起，这样它们之间的交互可以通过这条连接进行而不用经过上层的ISP。因特网交换点IXP就是对等的拓展，属于一个汇合点，可以让多个ISP哪怕不是统一层次的实现共同对等。

网络结构5

结构5就是在结构4的顶部增加内容提供商网络构建而成。

时延

1. 处理时延：检查分组首部、检查比特级别的差错、决定分组导向何处所需要的时间。
2. 排队时延：之前讲过的，这里补充一下：一个特定分组的排队时延长度取决于先期到达的排队等待向链路传输的分组数量。
3. 传输时延：将一个报文的全部比特传输向链路所需要的时间。
4. 传播时延：从链路的起点到路由器传播所需要的时间。

协议层次

应用层

一个端系统的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息的分组。位于应用层的信息分组称为报文。应用一般有：HTTP（提供Web文档的请求和传送）、SMTP（提供电子邮件报文的传输）、FTP（提供端系统间的文件传输）、DNS（地址ip转换）。

运输层

在应用程序端点间传送应用层报文。

网络层

将称为数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。

链路层

网络层将数据报下传给链路层，链路层沿着路径将数据报传递给下一个结点，到下个结点后链路层又会将数据报上传给网络层。

物理层

链路层是将整个帧从一个网络元素移动到另一个网络元素，而物理层的任务是将该帧中的一个个比特从一个结点移动到下一个结点。

封装