1. 什麼是因特網
本文介紹的計算機網絡是因特網。
1.1 具體構成描述
因特網由哪些部分組成。
- 端系統：又稱主機，因爲它們容納應用程序。
- 分類1：桌面計算機、服務器、移動計算機
- 分類2：客戶端、服務器
- 鏈路
- 傳輸速率：比特/秒（bit/s，bps）
- 分組交換機
| 類別 | 一般場所 |
|---|---|
| 路由器 | 核心網 |
| 鏈路層交換機 | 接入網 |
- ISP
- 端系統通過ISP接入因特網。
- 每個ISP是由多個分組交換機和多個通信鏈路組成的網絡，爲端系統提供了不同的網絡接入。
- 協議
- 控制因特網中信息的接收與發送
- 最重要協議：TCP/IP
- IETF
1.端系統通過通信鏈路和分組交換機連接到一起。
2.分組：待發送數據由發送端系統分組分段後加入首部字節形成的信息包。
3. 路徑：一個分組所經歷的一系列通信鏈路和分組交換機稱爲通過該網絡的路徑。
1.2 服務描述
將因特網描述爲運行在端系統上的分佈式應用提供服務的基礎設施。
- 分佈式應用程序
- 涉及多臺相互交換數據的端系統；運行在端系統上
- 舉例：Web衝浪、電子郵件、P2P文件共享、即時訊息
- API
- 規定了運行在一個端系統上的軟件向運行在另一個端系統上的特定軟件交付數據的方式。
- 端系統1：應用軟件<->API<->因特網基礎設施<->
API<->端系統2：應用軟件
1.3 協議簡介
“提問與回答”是協議的核心。
2. 網絡邊緣
2.1 接入網
- 指將端系統連接到其邊緣路由器的物理鏈路
- 邊緣路由器：端系統連接到任何其它遠程端系統的路徑上的第一臺路由器
- 分類
| 環境 | 接入技術 |
|---|---|
| 家庭接入 | DSL、電纜 |
| 企業（和家庭）接入 | 以太網、wifi |
| 廣域無線接入 | 4G和LTE |
2.2 物理媒體
- 介紹：上述網絡接入技術所使用的物理媒體、成本低
- 分類
| 類別 | 特性 | 舉例 |
|---|---|---|
| 導引型 | 電波沿着固體媒體前行 | 光纜、雙絞銅線、同軸電纜 |
| 非導引型 | 電波在空氣或外層空間中傳播 | 無線局域網、數字衛星頻道 |
- 舉例
| 名稱 | 組成 | 特性 | 主要應用 |
|---|---|---|---|
| 雙絞銅線 | 兩根隔離銅線螺旋後膠合 | 最便宜、最普遍 | 電話網 |
| 同軸電纜 | 兩個同心銅導體 | 傳輸速率較高 | 電纜電視系統 |
| 光纖 | 由玻璃和塑料製成的纖維 | 傳輸速率極高、不受電磁干擾 | 長途引導（跨海鏈路…） |
| 陸地無線電信道 | 無需安裝物理線路、依賴於傳播環境和傳輸信號的距離 | 無線頭戴式耳機、鍵盤 | |
| 衛星無線電信道 | 通信衛星、位於地球的微波發射和接收方 |
3. 網絡核心
網絡核心是由因特網端系統的分組交換機和鏈路構成的網狀網絡。
通過網絡鏈路和交換機移動數據有兩種基本方法：分組交換、電路交換。
3.1 分組交換
在網絡應用中，端系統彼此交換報文。報文的每個分組通過通信鏈路和分組交換機進行傳送，分組以等於該鏈路最大傳輸速率通過通信鏈路。
- 存儲轉發傳輸
分組交換機必須接收到整個分組之後才能向輸出鏈路輸出分組。
存儲轉發時延計算
-
排隊時延和分組丟失
分組交換機具有輸出緩存用於存儲路由器接收並準備發送的分組。
排隊時延：到達路由器的分組因無法使用正在忙碌中的鏈路而等待。無法預測。
分組丟失、丟包：輸出緩存空間已滿時發生丟包。 -
轉發表和路由選擇協議
路由器使用分組首部的目的IP地址索引轉發表，從而映射出輸出鏈路。
因特網通過路由選擇協議自動設置轉發表。
3.2 電路交換
端系統通信會話期間，預留了沿路徑所需的資源（緩存、鏈路傳輸速率），用於維護鏈接狀態。
電路：發送發與接收方之間的具有某連接狀態的路徑（電話術語）。
- 電路交換網絡中的複用
| 複用 | 實現方式 |
|---|---|
| FDM | 一段頻譜被分給多條電路 |
| TDM | 一段時間被分成固定區間的幀，每幀被分爲固定數量的時隙，在幀循環過程中每個時隙被分給專用電路 |
TDM電路傳輸速率計算：速率 = 幀速率*一個時隙中的比特數
- 分組交換與電路交換的對比
| 方式 | 性質 |
|---|---|
| 分組交換 | 按需分配資源，但是排隊時延不可預測 |
| 電路交換 | 預先分配傳輸資源，容易造成資源浪費 |
總體還是朝着分組交換的方向發展。
3.3 網絡的網絡
接入ISP、區域ISP、第一次ISP、內容提供商網絡
提供商的PoP、區域性ISP爲減少費用採用的對等、爲實現多個ISP共同對等創建的IXP、ISP爲穩定而採用的多宿
4. 分組交換的時延、丟包、吞吐量
數據傳輸過程中的節點：主機或路由器
4.1節點時延
| 類型 | 說明 |
|---|---|
| 處理時延 | 包括檢查分組首部和決定該分組導向何處 |
| 排隊時延 | 取決於正在前面排隊的分組數量；毫秒、微秒級 |
| 傳輸時延 | 表示將分組的所有比特推向鏈路所需要的時間，等於分組長度/鏈路傳輸速率；毫秒、微秒級 |
| 傳播時延 | 表示從鏈路起點到終點的傳播時間，以鏈路的傳播速率傳播；毫秒級 |
計算
4.2排隊時延和丟包
- 排隊時延
流量強度：比特到達隊列的平均速率與傳輸速率的比值
流量強度越接近於1，分組的平均排隊時延就越大（假設隊列容納無窮大分組）。 - 丟包
隊列容量有限，滿的時候則將到達的包丟棄。
4.3端到端時延
計算
包括：每個節點的時延+其它時延
4.4吞吐量
主機A向主機B發送一個大小爲Fbits的文件，用了T秒，R爲鏈路的傳輸速率。
- 瞬時吞吐量：主機B在任意時間接收該文件的速率（bps）。
- 平均吞吐量：F/T（bps）
- 兩個節點之間傳輸數據的速率：R = min{R1,R2,…,Rn}，即爲瓶頸鍊路的速率
- 一條具有高傳輸速率的鏈路也可能會稱爲瓶頸鍊路（公共鏈路）。
5. 協議層次及其服務模型
5.1 分層的體系結構
- 協議分層
分層組織協議，分層實現協議的網絡軟硬件。
協議棧：各層的所有協議
因特網5層協議棧
| 層次 | 使用協議 | 分組名稱 |
|---|---|---|
| 應用層 | HTTP、SMTP、FTP | 報文 |
| 運輸層 | 在應用程序端點之間傳送報文，TCP、UDP | 報文段 |
| 網絡層 | IP協議 | 數據報 |
| 鏈路層 | 幀 | |
| 物理層 |
- OSI模型
| 層次 |
|---|
| 應用層 |
| 表示層 |
| 會話層 |
| 運輸層 |
| 網絡層 |
| 鏈路層 |
| 物理層 |
5.2 封裝
報文在協議層之間傳輸時會被封裝並加上首部字段。