本章思維導圖
一、什么是因特網
因特網是一個世界范圍的計算機網絡，即它是互聯了遍及全世界的數以億計的計算設備的網絡。
1.從組成角度看
1.1 節點
網絡的（邊緣）節點指的是是主機（host）或端系統（end system）包括在上面運行的應用，一般位於網絡結構的邊緣。端系統是從具體構成角度描述的用語，而主機是從服務角度描述的用語。實際上，這兩個術語是通用的，即主機=端系統。
（1）主機有時候分為兩類：
- 客戶： 桌面PC、移動PC和只能手機
- 服務器：用於發布Web頁面，流視頻的主機，現在常常依托於大型數據中心。
1.2 邊
邊一般是指接入網(Access Network)，即將端系統連接到其邊緣路由器（edge router）的網絡，接入網一般也是由通信鏈路組成，節點通過邊向核心網連接
（1）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台路由器
（2）鏈路的傳輸速率一般以比特/秒度量(bit/s，或bps）來度量
（3）接入網環境和鏈路類型：
- 家庭接入：數字用戶線（DSL，digital subscriber line）、電纜、光纖到戶（FTTH, fiber to the home）、撥號、衛星
- 企業（和家庭）接入：以太網和WIFI
- 廣域無線接入：3、4、5G
（4）接入網的物理媒介：
- 導引型媒體：光纜、雙絞銅線和同軸電纜
- 非導引型媒體：無線局域網或數字衛星頻道
1.3 核心
網絡核心是由互聯網端系統的通信鏈路（一般會和接入網鏈路區分開，稱為主干網鏈路，Backbone）和分組交換機構成的網狀網絡。
網絡核心承擔着數據交換的功能：路由和轉發
數據交換的方式有兩種：
1.3.1 分組交換：
（1）分組（packet）：當一台端系統向另一台端系統發送數據時，發送端系統將數據分段，並為每段加上首部字節。由此形成的信息報用計算機網絡的術語稱為分組（packet），也就是包。每個分組都會通過通信鏈路和分組交換機。
（2）分組交換機有兩種類型：
- 路由器（rounter） ，一般處於網絡核心，所以下面有關分組交換機的概念用路由器作為主語，也是一樣的
- 鏈路層交換機（link-layer switch），常用於接入網
（3）多數分組交換機在鏈路的輸入端使用存儲轉發機制。即交換機接收並存儲完分組的所有比特后再進行轉發
（4）分組交換機具有一個輸出緩存（output buffer）(也稱為輸出隊列 output queue)，用於存儲 路由器准備發往（不是正在發往）某條鏈路的分組。這種情況會發生在：分組需要傳輸到A鏈路，結果A鏈路正在傳其他分組，那么分組就得在交換機的輸出緩存中等待。
（5）分組交換機的輸出緩存中可能存在多個等待的分組，那么這些等待的分組就得承受輸出緩存的排隊時延（queue delay），要等待排在他之前的分組傳走
（6）當輸出緩存里排滿了分組，再新來的分組就會出現分組丟失（丟包）(packet lost)。新到達的分組或者已經排隊的分組之一將會被丟棄。
（7）分組交換網中的時延組成：
- 處理時延：是因為節點需要解析分組（如檢查分組首部和決定分組該導向何處）的必要信息然后決定其出鏈路（索引轉發表等操作）而產生的，通常在微秒或更低數量級
- 排隊時延：排隊時延是因為分組所對應的出鏈路前面有其他分組正在傳輸，所以需要等待該鏈路的緩沖隊列里其他分組傳輸完畢而產生的（路由器緩沖區中，分組到達鏈路速率超過鏈路輸出速率），通常在毫秒級到微秒級；
- 流量強度：分組到達的速度 / 結點的處理速度
- 隨着流量強度接近於1，平均排隊時延將迅速增加。流量工程里一個金科玉律就是：設計系統時流量強度不能大於1，流量強度持續大於1時，就將出現丟包現象
- 一個節點的性能不僅需要根據時延來度量，也需要丟包率來度量
- 傳輸時延：傳輸時延是將所有分組的比特推向鏈路（即將所有分組推出路由器的時間，包越大，鏈路速度越差，傳輸時延越長）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：傳播時延是指一個比特從一台路由器傳播到另一台路由器的時間。一旦分組中的最后一個比特到達路由器就意味着該分組的所有比特都已到達路由器；廣域網中，傳播時延一般是毫秒級的
（8）傳輸時延和傳播時延的對比：打個比方的話，傳輸時延就是大卡車經過收費站的時間，而傳播時間就是車在行駛到下個收費站的時間
（9）上面討論的是節點的時延，還有端到端的時延，這是從源到目的地的總時延。還有其他一些時延的概念，暫且不提
（10）計算機網絡的吞吐量描述了比特經過某個節點的速度，可細分為瞬時吞吐量和平均吞吐量。對於某條路徑來說，該路徑的吞吐量則是所有節點的吞吐量的最小值（短板效應），所以在如今核心網（骨干網）配置了高速鏈路的情況下，限制因特網吞吐量的因素常常是接入網。
（11）每台分組交換機具有一個轉發表（forwarding table）: 用於將分組中包含的目的地址（或目的地址的一部分）映射成輸出鏈路。即決定將分組轉發到哪條鏈路，隨后下一個路由器再決定該分組繼續轉發到哪條鏈路
（12）因特網具有一些特殊的路由選擇協議，用於自動設置轉發表。
（13）分組交換的
- 優點：
- 按需分配鏈路使用，使得帶寬共享，允許更多用戶
- 簡單有效（不用建立呼叫），成本低
- 缺點：
- 有延時、丟包，不適合實時服務
1.3.2 電路交換
（1）電路交換（circuit switching）要讓網絡在發送方發送信息前要和接受方之間建立一條連接。
（2）電路交換網絡中的復用：
- 頻分復用（Frequency-Division Multiplexing, FDM）
- 時分復用（Time-Division Multiplexing, TDM）
- 波分復用（Wave-Division Multiplexing, WDM）
（3）電路交換的
- 優點：獨享的電路，性能得到保障
- 缺點：需要預留傳輸鏈路，容易造成資源浪費（可以用餐廳預訂理解這點，電路交換是座位被別人預定了，就不能給其他人用，分組交換就是來一個用一個）
（4）顯然，數據交換的趨勢是朝着分組交換發展的
1.4 框架圖
清楚了三個組成部分，可以看下這張框架圖，其中終端設備為邊緣節點（主機/端系統），紅線為邊（接入網），藍線部分為核心（核心網/骨干網）
2.從服務角度看
因特網為應用程序提供服務的基礎設施
二、ISP層次結構
ISP（internet sercice provider）： 因特網服務提供商
ISP的層次結構就是：網絡的網絡。
今天的因特網是一個網絡的網絡，其結構復雜，由十多個第一層ISP和數十萬個較低層ISP組成。ISP覆蓋的區域多種多樣，有些跨越多個大洲和大洋，有些限於狹窄的地理區域。較低層的ISP與較高層的ISP相連，較高層ISP彼此互聯。用戶和內容提供商（ICP）是較低層ISP的客戶，較低層ISP是較高層ISP的客戶。近年來，主要的內容提供商也已經創建自己的網絡，直接在可能的地方與較低層ISP互聯（這樣可以提供更好且便宜的服務）。
三、計算機網絡的協議層次和服務模型
1.協議
協議（protocol）：對等層實體通信過程中遵守規則（如報文格式、次序、發送或接收的動作）的集合，控制着因特網中信息的接收和發送，是水平結構。
因特網的主要協議統稱為TCP/IP（Transmission Control protocol 傳輸控制協議） (Internet Protocol 網際協議)
1.1 協議分層
計算機網絡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，同時也易於服務實現的多樣性：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，其層內部的實現並不會對系統結構產生影響
1.1.1 TCP/IP五層模型
將各層的所有協議組合起來，稱為協議棧。因特網的協議棧由5個層次組成，每層有各自的功能和協議數據單元（傳輸的東西叫啥）（PDU，Protocol Data Unit）
| 功能描述 | 通信主體 | 協議數據單元 | 常見協議 | |
|---|---|---|---|---|
| 應用層 | 為用戶或其他應用提供網絡應用服務 | 應用到應用 | 報文 | FTP/SMTP/HTTP |
| 運輸層 | 在應用程序端點之間傳輸應用層報文 | 進程到進程 | 報文段 | TCP/UDP |
| 網絡層 | 將數據報從從一台主機移動到另一台主機 | 端(主機)到端(主機) | 分組(TCP)/數據報(UDP) | IP |
| 鏈路層 | 相鄰網絡節點間的數據傳輸 | 點到點 | 幀 | PPP/802.11(WIFI) |
| 物理層 | 在物理線路上傳輸bit | 物理線路 | 位 | 物理層協議 |
主機實現了所有5個層次，這與因特網體系結構將它的復雜性放在網絡邊緣的觀點是一致的。
值得一提的是，路由器和鏈路層交換機與端系統類似，也以多層次的方式組織它們的網絡硬件和軟件，但並不實現協議棧中的所有層次。鏈路層交換機實現了第一層和第二層；路由器實現了第一層到第三層。
例如，這意味着因特網路由器能夠實現IP協議（一種第三層協議)，而鏈路層交換機則不能。我們將在后面看到，盡管鏈路層交換機不能識別P地址，但它們能夠識別第二層地址，如以太網地址。
1.1.2 OSI七層模型
國際標准化組織(ISO)提出過開放系統互連模型(OSI)。OSI的模型一共有7層，從下到上依次為：物理層，鏈路層，網絡層，傳輸層，會話層，表示層，應用層。相比因特網體系結構，OSI多了兩層。因特網將兩層的功能留給了開發者自行實現。
會話層：數據交換的同步，檢查點，恢復
表示層：允許應用解釋傳輸的數據， 例如加密，壓縮，機器相關的表示轉換
1.2 協議分層的優缺點
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優點：（1）概念化，結構清晰；（2）模塊化，易於維護和升級
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缺點：效率相對較低
1.3 封裝和解封裝
一個分組，在不同的層次有不同的稱謂，是因為它們經過每一層的時候就被該層封裝上了屬於該層的相關信息；於是，每一分層的分組有兩種類型的字段：首部字段和有效負載；其中有效負載即為來自上一層的分組數據，而首部字段就是該層加上的必要信息；分組不斷被封裝以實現各層協議規定的相關功能。解封裝就是把這些封裝的信息拆解出來，傳到對應的層。
整個網絡對應協議層次的封裝和解封裝見下圖：
2.服務
服務指低層實體向上層實體提供他們之間通信的能力，是垂直結構
（1）原語(primitive)：上層使用下層服務的形式(—般是函數的調用)
（2）服務訪問點(SAP:Services Access Point):上層使用下層提供的服務時，通過層間的接口
3.協議和服務的聯系和區別
聯系：
-
本層協議的實現要靠下層提供的服務
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本層實體通過協議向上層提供更高級的服務
區別：
- 服務：低層實體向上層實體提供它們之間的通信的能力，是通過原語(primitive)來操作的，垂直結構
- 協議：對等層實體(peer entity)之間在相互通信的過程中，需要遵循的規則的集合，水平結構