01 计算机网络和因特网

前景

第 1 章介绍了计算机网络和因特网的概要，并描绘了本书内容的框架。这一章深入探讨了计算机网络的基础知识，涵盖了各种网络构件，并将它们置于整体网络环境中。以下是这一章内容的简要概括：

基本术语和概念引言：本章从介绍基本术语和概念开始，为读者建立起对计算机网络的初步认识。
网络边缘和网络应用：讨论了端系统和网络应用程序，作为构成网络边缘的部分。突出了网络在用户和应用层面的作用。
网络核心：探索了构成网络核心的传输链路和交换机。描述了连接端系统与核心的接入网络和物理媒体。
因特网的结构：详细了解了因特网作为“网络中的网络”，以及它是如何将各个网络连接在一起的。
数据时延、丢包和吞吐量：从更宽泛和抽象的角度考察了数据在网络中的传输时延、丢包和吞吐量等因素。引入了端到端的吞吐量和时延的模型。
体系结构原则：探讨了计算机网络的体系结构原则，如协议分层和服务模型，这些是设计网络的重要原则。
网络安全：提到了计算机网络易受多种攻击的现实，并考虑了提高网络安全性的方法。
计算机网络的历史：结束本章内容的部分，对计算机网络的发展历史进行了简要回顾。

这一章以自顶向下的方式，从整体到细节，逐步展现了计算机网络的重要组成部分和关键概念。通过对网络边缘、核心、时延、体系结构和安全等方面的介绍，读者可以对计算机网络的基础有一个清晰的认识，为后续章节的学习奠定了基础。

1.1 什么是 Internet?

公共英特网：作为讨论计算机网络及其协议的主要载体 (由软件和硬件构成、能够根据为分布式应用提供服务的联网基础设施来描述英特网)

概念

设备 : 和互联网连接的设备，称为主机或者 端系统 (end system)
端系统通过通信链路和分组交换机连接在一起.链路的传输为 bit /s 或者 bps
分组交换机的类型：常见的分组交换机包括路由器和链路层交换机。它们根据分组的目标地址转发数据。路由器主要用于网络核心，链路层交换机主要用于接入网。
路径和 IP 流量：分组在网络中传输的路径称为路径（path）。预计全球 IP 流量将不断增长，这对网络基础设施提出了挑战。
ISP 和因特网服务：端系统通过因特网服务提供商（ISP）接入因特网。ISP 为端系统提供网络接入，连接到较高层 ISP，最终连接整个因特网。ISP 提供不同类型的接入，包括宽带、局域网和移动无线接入。
协议和标准：因特网中的信息传输受到协议的控制，TCP 和 IP 是其中最重要的协议。这些协议的制定和标准化由 IETF 负责，RFC 文档定义了这些协议的规范。
发展的挑战和机会：因特网的快速发展带来了挑战和机会，要求人们对网络协议和技术有深入的理解，以创造更好的系统和产品。

网络协议

网络协议是一种规则集，类似于人类之间的协议，但在计算机网络中，它定义了设备间交换报文和执行动作的规范。
比如在端系统中，拥塞控制协议控制了在发送方和接收方之间传输的分组发送的速率；在路由器中的路由选择协议决定了分组从源到目的地的路径。

internet 结构

 节点
-  主机及其上运行的应用程序
-  路由器、交换机等网络交换设备
 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：路由器间的链路
 网络协议:
-  类似人类协议
-  机器之间的协议而非人与人之间的协议
-  Internet 中所有的通信行为都受协议制约
- 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，以及在报文传输和 / 或接收或其他事件方面所采取的动作

网络结构

 网络边缘：
-  主机
-  应用程序（客户端和服务器）
 网络核心：
-  互连着的路由器
-  网络的网络
 接入网、物理媒体：
-  有线或者无线通信链路

1.2 网络边缘

access : 接入 core ：网络核心 edge 网络边缘
边缘通过接入接入到核心，核心把所有边缘节点接在一起, 使得任意俩个端系统之间相互的通行。
整个网络核心最重要的部分：数据交换
下图为应用进程之间通行的模式
CS 模式：主机多，集中式、损失很大，可扩展性差，请求载荷增加，能力下降，到阈值处，会达到断崖式下降
P2Popen in new window：分布式，解决服务器的扩容总满足不了用户请求的需求 eg 文件分发系统（迅雷）

1.3 网络核心：数据交换的功能

 网络核心：路由器的网状网络
 基本问题：数据怎样通过网络进行传输？
 电路交换：为每个呼叫预留一条专有电路：如电话网
 分组交换：
-  将要传送的数据分成一个个单位：分组
-  将分组从一个路由器传到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传到目标端
-  每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

电路交换

为呼叫预留端 - 端资源
-  链路带宽、交换能力
-  专用资源：不共享
-  保证性能
-  要求建立呼叫连接
网络资源（如带宽）被分成片
 为呼叫分配片  如果某个呼叫没有数据，则其资源片处于空闲状态（不共享 )

TDM 波分
TDM 时分
电路交换不适用于计算机之间的通信  计算机之间的通信有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多  即使这个呼叫没有数据传递，其所占据的片也不能够被别的呼叫使用

分组交换

分组交换: 排队延迟和丢失

 如果到达速率 > 链路的输出速率:
-  分组将会排队，等待传输
-  如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃（丢包）

网络核心的关键功能

路由: 决定分组采用的源到目标的路径  路由算法
转发: 将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

电路交换和分组交换的比较

同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！

电路交换

 适合于对突发式数据传输
-  资源共享
-  简单，不必建立呼叫
 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制
 Q: 怎样提供类似电路交换的服务？  保证音频 / 视频应用需要的带宽  一个仍未解决的问题 (chapter 7)

分组交换

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，分成：

数据报网络：  分组的目标地址决定下一跳  在不同的阶段，路由可以改变  类似：问路  Internent
虚电路网络：  每个分组都带标签（虚电路标识 VC ID），标签决定下一跳  在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变  路由器维持每个呼叫的状态信息

1.4 接入网和物理媒体

Q: 怎样将端系统和边缘路由器连接?
 住宅接入网络  单位接入网络（学校、公司）
 无线接入网络
注意：
 接入网络的带宽 (bits per second) ？
 共享 / 专用？

住宅接入： modem

接入网: digital subscriber line (DSL)

1.5 互联网络结构：网络的网络 & ISP

端系统通过接入 ISPs (Internet Service Providers) 连接到互联网
- • 住宅，公司和大学的 ISPs
 接入 ISPs 相应的必须是互联的
-  因此任何 2 个端系统可相互发送分组到对方
 导致的 “网络的网络” 非常复杂
- • 发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动的
问题: 给定数百万接入 ISPs，如何将它们互联到一起 ??
N * （N - 1） == O (N2)
所以就有了全局 ISP (如果联通移动电信)

内容提供商网络 (Internet Content Providers,) eg :Google, Microsoft, Akamai ，baidu 可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更加靠近端用户，向用户提供更好的服务, 减少自己的运营支出
优点：付费小，用户体验更快

网络的网络

ISP

 松散的层次模型
 中心：第一层 ISP（**** 如 UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T）国家 / 国际覆盖，速率极高  直接与其他第一层 ISP 相连  与大量的第二层 ISP 和其他客户网络相连

 第二层 ISP: 更小些的 (通常是区域性的) ISP  与一个或多个第一层 ISPs，也可能与其他第二层 ISP

一个分组要经过许多网络

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

四种分组延时

分组传输延迟
传播延时如果长度小几乎可以忽略不计

节点延时

33:34 （1.6）
TTL ： time to live

 在 Windows 系统下  Tracerert hostname  如 Tracerert www.gucas.ac.cn
 更完整的例子
 tracert [-d] [-h maximum_hops] [-j computer-list] [-w timeout] target_name
 请见帮助：
http://www.linkwan.com/gb/broadmeter/article/trace -help.htm
 测试网址：  www.traceroute.org  www.linkwan.com