什么是因特网

因特网是一个世界范围的计算机网络，即它是一个互联了遍及全世界的数以亿计的计算设备的网络。

所有的这些设备都称为主机（hosts）或端系统（end system）。

端系统通过通信链路（communication links）和分组交换机（packet switches）连接到一起。

链路的传输速率以比特/秒度量（bit/s）。当一台端系统要向另一台端系统发送数据时，发送端系统将数据分段，并为每段加上首部字节。由此形成的信息包称为分组（packet）。

分组交换机从它的一条入通信链路接收到达的分组，并从它的一条出通信链路转发该分组。在当今的因特网中，两种最著名的类型是路由器和链路层交换机。

一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径（route或path）。

端系统通过因特网服务商接入因特网（Internet Service Provider，ISP）。

端系统、分组交换机和其他因特网部件都要运行一系列协议（protocol），这些协议控制因特网中消息的接收和发送。

• TCP：传输控制协议。
• IP：网络协议，定义了在路由器和端系统之间发送和接收的分组格式。
• HTTP
• Skype
• 802.11

因特网标准（Internet standards）由因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）研发。IETF的标准文档称为请求评论（Request for comments，RFC）。

因特网应用程序运行在端系统上，即它们并不运行在网络核心中的分组交换机中。尽管分组交换机促进端系统之间的数据交换，但它们并不关心作为数据的源或宿的应用程序。

与因特网相连的端系统提供了一个应用程序接口（API），该API规定了运行在一个端系统上的软件请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地软件交付数据的方式。

一个协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及报文发送和接收时所采取的动作。

网络边缘

主机有时又被进一步划分为两类：客户（client）和服务器（server）。大部分服务器都属于大型数据中心（data center）。

接入网

接入网（access network）是指将端系统连接到其边缘路由器（edge router）的物理链路。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。

家庭接入：

• 数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）：从本地电话公司处获得DSL因特网接入。用户的本地电话公司是它的ISP。
• 电缆因特网接入（cable Internet access）：利用有线电视公司现有的有线电视基础设施。
• 光纤到户（Fiber To Tho Home，FTTH）：从本地中心局直接到家庭提供一条光纤路径。

企业接入：通常是局域网（LAN）将端用户连接到边缘路由器。

• 以太网是目前为止最为流行的局域网技术。以太网用户使用双绞铜线与一台以太网交换机相连，以太网交换机或这样相连的交换机网络，再与更大的因特网相连。
• 在无线LAN环境中，无线用户从一个接入点发送或接收分组，该接入点与企业网连接（有线以太网）该企业网再与有线因特网相连。无线LAN通俗地称为WiFi。

广域无线接入：3G和LTE。

物理媒体

对于每个传输器-接收器对，通过跨越一种物理媒体（physical medium）传输电磁波或光脉冲来发送该比特。

• 导引型媒体（guided media）：电波沿着固体媒体前行。

  • 双绞铜线
  • 同轴电缆
  • 光纤

• 非导引型媒体（unguided media）：电波在空气或外层空间中传播。

  • 陆地无线电信道
  • 卫星无线电信道

网络核心

网络核心是由互联网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络。

分组交换

1. 存储转发机制

存储转发机制是指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。

端到端时延为：$d（端到端）=N\frac{L}{R}$

2. 排队时延和分组丢失

每个分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路，该交换机具有一个输出缓存（output buffer）（也称为输出队列output queue），它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。

如果到达的分组需要传输到某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该到达分组必须在该输出缓存中等待。

因此，除了存储转发时延以外，分组还要承受输出缓存的排队时延（queue delay）。

因为缓存空间的大小是有限的，一个到达的分组可能发现该缓存已被其他等待传输的分组完全充满了。在此情况下，将出现分组丢失（丢包）（packet lost），到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃。

3. 转发表和路由器选择协议

每台路由器有一个转发表（forwarding table），用于将目的地址（或目的地址的一部分）映射成为输出链路。

因特网具有一些特殊的路由选择协议（routing protocol），用于自动地设置这些转发表。例如，一个路由选择协议可以决定从每台路由器到每个目的地的最短路径，并使用这些最短路径结果来配置路由器中的转发表。

电路交换

在电路交换网络中，在端系统间通信会话期间，预留了端系统间通信沿路径所需要的资源（缓存，链路传输速率）。

在分组交换网络中，这些资源则不是预留的；会话的报文按需使用这些资源，其后果可能是不得不等待（即排队）接入通信线路。

当两个主机要通信时，电路交换网络在两台主机之间创建了一条专用的端到端连接（end-to-end connection)。

链路中的电路是通过频分复用（FDM）或时分复用（TDM）来实现的。电路交换因为存在静默期专用电路空闲而效率较低。

分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享；而且比电路交换更简单、更有效。

网络的网路

接入ISP->区域ISP->第一层ISP

一个PoP（Point of Presence）只是提供商网络中的一台或多台路由器（在相同位置）群组，其中客户ISP能够与提供商ISP连接。

任何ISP（除了第一层ISP）可以选择为多宿（multi-home），即可以与两个或更多提供商ISP连接。

位于相同等级结构层次的邻近一对ISP能够对等（peer），能够直接将它们的网络连到一起，使它们之间的所有流量经直接连接而不是通过上游的中间ISP传输。

第三方公司创建了一个因特网交换点（Internet Exchange Point，IXP），IXP是一个汇合点，多个ISP能够在这里共同对等。

谷歌是网络提供商网络（content provider network）的一个突出例子，通过专用网络直接与底层ISP连接，或者在IXP处与它们连接。也与第一层ISP连接。通过创建自己的网络，内容提供商不仅减少了向顶层ISP支付的费用，而且对其服务最终如何交付给端用户用了更多的控制。

分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

因特网能够看成是一种为运行在端系统上的分布式应用提供服务的基础设施。在理想情况下，我们希望因特网服务能够在任意两个端系统之间瞬间移动我们想要的大量数据而没有任何数据丢失。然而，这是一个极高的目标，实践中难以达到。与之相反，计算机网络必定要限制在端系统之间的吞吐量（每秒能够传送的数据量），在端系统之间引入时延，而且实际上能够丢失分组。

分组交换网中的时延概述

• 节点处理时延（nodal processing delay）：检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间是处理时延的一部分。还能包括比如检查比特级别的差错所需要的时间，该差错出现在从上游节点向路由器传输这些分组比特的过程中。
• 排队时延（queuing delay）：在队列中，当分组在链路上等待传输时，它经受排队时延。
• 传输时延（transmission delay）：用L比特表示该分组的长度，用R bps表示从路由器A到路由器B的链路传输速率。传输时延为L/R。这是将所有分组的比特传输向链路所需要的时间。
• 传播时延（propagation delay）：一旦一个比特被推向链路，该比特需要向路由器B传播。从该链路的起点到路由器B传播所需要的时间是传播时延。该比特以该链路的传播速率传播。该传播速率取决于该链路的物理媒体（即光纤、双绞铜线等），其速率范围是2X10^8~3X108m/s。

传输时延是路由器将分组推出所需要的时间，它是分组长度和链路传输速率的函数，而与两台路由器之间的距离无关。传播时延是一个比特从一台路由器向另一台路由器传播所需要的时间，它是两台路由器之间距离的函数，而与分组长度或链路传输速率无关。

排队时延和丢包

令a表示分组到达队列的平均速率（packet/s），则比特到达队列的平均速率是La bps。比例La/R被称为流量强度（traffic intensity），设计系统强度时流量强度不能大于1。而且随着流量强度接近于1，平均排队时延迅速增加。

因为排队容量是有限的，随着流量强度接近1，排队时延并不实际趋向无穷大。相反，分组到达时将发现一个满的队列，由于没有地方存储这个分组，路由器将丢弃该分组。从端系统的角度来看，上述分组已经传输到了网络核心，但是绝不会从网络发送到目的地。

一个结点的性能不仅根据时延来度量，而且根据分组丢失的概率来度量。

计算机网络中的吞吐量

在任何时间瞬间的瞬时吞吐量（instantaneous throughput）是主机接受到的文件的速率。如果接受F比特用去T秒，则文件传送的平均吞吐量（average throughput）是F/T bps。

对于一个两链路的网络，其吞吐量是min{Rc，Rs}，即瓶颈链路（bottleneck link）的传输速率。

协议层次及其服务模型

利用分层的体系结构，我们可以讨论一个定义良好的，大而复杂系统的特定部分。

协议分层

因特网的协议栈由5个层次组成：物理层、链路层、网络层、运输层和应用层。

OSI模型

OSI参考模型的7层是：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。

封装

数据从发送端系统的协议栈向下，向上和向下经过中间的链路层和路由器的协议栈，进而向上到达接收端系统的协议栈。

路由器和链路交换机都是分组交换机，但是并不实现协议栈中的所有层次。链路交换机实现了第一层和第二层；路由器实现了第一层到第三层。这意味着路由器能够实现IP协议（一种第三层协议），而链路交换机不能，尽管链路交换机不能识别IP地址，但它们能够识别第二层地址，如以太网地址。

应用层->报文->运输层->运输层报文段->网络层->网络层数据报->链路层->链路层帧->物理层

面对攻击的网络

• 能够经因特网将有害程序放入你的计算机中。
• 能够攻击服务器和网络基础设施。
• 能够检测到报文信息。
• 能够伪装成你信任的人。

计算机网络和因特网的历史

• 分组交换的发展：1961~1972 ARPAnet，第一个分组交换计算机网络。
• 专用网络和网络互联：1972~1980。
• 网络的激增：1980~1990 TCP/IP协议，DNS（域名系统）。
• 因特网爆炸：20世纪90年代 万维网（World Wide Wed）应用程序的出现。
• 高速发展。

想了解更多关于计算机网络架构与网络安全：计算机网络架构与网络安全专栏

最后

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