1 Internet 具体结构

　　Internet是松散的层次结构，也叫做网络的网络，由无数互联的ISP（互联网服务提供商）组成

  • 节点
    • 主机及其上运行的应用程序（主机：端系统；网络应用程序）
    • 路由器、交换机等网络交换设备（分组交换设备：转发分组packets）
  • 边（通信链路）
    • 接入网链路：主机连接到互联网的链路
    • 主干链路：路由器之间的链路（光纤、电缆、无线电、卫星）
  • 协议
    • TCP、IP、HTTP、FTP、PPP等

2 网络边缘

2.1 网络结构

  • 网络边缘：主机、应用程序
  • 网络核心：互联着的路由器、网络的网络
  • 接入网、物理媒体：有线或者无线通信链路

2.2 网络边缘

  • 端系统（主机）：运行的应用程序、Web、Email，在“网络的边缘”
  • 客户端/服务器模式：客户端向服务器请求、接收服务器，如Web浏览器/服务器，email客户端/服务器
  • 对等（peer-peer）模式：很少甚至没有专门的服务器

2.2.1 面向连接服务

目标：在端系统之间传输数据，在数据传输之前握手做好准备（Transmission Control Protocol，TCP）传输控制协议

TCP：可靠地、按顺序地传送数据（确认和重传），流量控制（发送方不会淹没接收方），拥塞控制（网络拥塞时发送方降低发送速率）

案例：HTTP（web），FTP（文件传送），Telnet（远程登陆），SMTP（email）

2.2.2 无连接服务

目标：在端系统之间传输数据，无连接服务（User Datagram Protocol，UDP）用户数据报协议

案例：流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

3 网络核心

3.1 电路交换

　　端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫“call”。如下图所示，每段链路有4条线路，当完成呼叫后，独享这一条链路资源（性能保障），但如果没有数据发送，被分配的资源就会被浪费。

　　电路交换的原理为呼叫分片，将网络资源分片，如频分、时分、波分

3.2 分组交换

  • 以分组为单位存储-转发的方式，网络带宽资源不再分为一个个的切片，传输时使用全部的带宽，主机之间传输的数据被分为一个个分组
  • 网络核心中的路由器进行存储-转发，再转发之前需要接收到整个分组，线路延时会大于电路交换，并且存在不确定的排队时间
  • 排队和延时都可能出现，极端情况下路由器缓存耗尽则分组会被抛弃造成包丢失
  • 网络核心的关键功能：路由（决定分组从源到目标的路径），转发（将分组从输入链路转移到输出链路）

3.3 电路交换和分组交换对比

  • 假设线路带宽为 1Mbps，每个用户活跃时带宽为 100kbps
    • 线路交换：1M / 100k = 10 个用户（最大支持10个用户使用）
    • 分组交换：假设有35个用户，任意时刻>=10个用户的概率为 0.4%，可以理解为支持35个用户使用分组交换
  • 分组交换延时更高，有数据丢失的风险，过度使用分组交换会导致网络拥塞

3.4 分组交换网络：存储-转发

分组交换：分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接分为以下两类

  • 数据报网络：
    • 分组的目标地址决定路由器的下一条
    • 在不同的阶段路由可以改变
    • 类似于问路
    • Internet
  • 虚电路网络：
    • 每个分组都携带标签（虚电路标识 VCID），标签决定下一跳
    • 呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径不变
    • 路由器维持每个呼叫的状态信息
    • X.25和ATM

数据报（datagram）的工作原理

　　通信之前无需建立连接，每个分组都独立路由（路径不一样，可能失序），路由器根据目标地址进行路由

4 接入网和物理媒体

  • modem（调制解调器），使用已有的电话线作为物理媒介，通过调制加载音频传输信号
  • 有线电视网络传输信号（非对称，最高30Mbps下行，2Mbps上行传输速率）
  • 无线接入网络，WLANs或者广域无线网（4G 5G LTE）
  • 物理媒体：同轴电缆，光纤和光缆

5 Internet结构和ISP

　　端系统通过接入ISPs（网络服务提供商）连接到互联网，接入ISPs必须是互联的，才能保证信息发送到任意2个不同ISP的端系统，导致“网络的网络”非常复杂。接入网连接入区域性ISP，区域性ISP与顶层ISP相连实现不同地区的网络互连，也可以通过IXP（对等ISP互联互通）互联。其中ICP（互联网内容提供商）如谷歌会部署专用网络和各级ISP连接

  • 第一层ISP：国家/国际覆盖，速率极高：与其他第一层ISP相连，与大量第二层ISP和其他客户端相连
  • 第二层ISP：区域性ISP，与一个或多个第一层ISP相连，与其他第二层ISP相连
  • 第三层ISP和其他本地ISP：接入网（与端系统最近）

6 分组延时、丢失和吞吐量

  • 分组延时
    • 节点处理延时：检查bit级出错，检查头部决定传输方向
    • 排队延时：在输出链路上排队等待之前的包发送
    • 传输延时：包大小和链路带宽决定
    • 传播延时：物理链路距离和传播速度决定
  • 排队延时
    • R（链路带宽bps）、L（分组长度bits）、a（分组到达平均速率）
    • 排队延时越接近1，平均延时会大幅上升
    • Traceroute诊断程序，从源端到目标端经过的路由器，测量延时

7 协议层次和服务模型

  • 服务和服务访问点
    • 服务（service）：低层实体向上层实体提供他们之间通信的能力
    • 原语（primitive）：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都通过访问原语进行交互
    • 服务访问点SAP（services access point）：上层使用下层提供的服务通过层间接口的地点
  • 服务的类型
    • 面向连接的服务（包括建立连接、通信、拆除链接的过程，保序性，字节流）
    • 无连接的服务（不可靠、无序建立连接、可能重复和失序）
  • Internet 协议栈
    • 应用层（报文 message）：网络应用，在TCP和UDP基础上实现FTP、HTTP、SMTP、DNS等
    • 传输层（报文段 segment）：主机之前的数据传输，在将网络层提供的端到端通信基础上细分为进程到进程（TCP、UDP）
    • 网络层（分组 packet或数据报 datagram）：为数据报从源到目标选择路由（IP，路由协议）
    • 链路层（帧 frame）：相邻网络节点间的数据传输（点对点协议，可靠或不可靠）
    • 物理层（位 bit）：在线路上传播bit