第一章 计算机网络和因特网
1.因特网
从具体构成和服务两方面来描述
1.1具体构成描述
- 主机（host）/ 端系统（end system）
- 与因特网连接的计算机及其他各种设备
- 通信链路（communication link）
- 由不同的物理媒体组成，包括同轴电缆、铜线、光纤、无线电频谱
- 传输速率单位：比特/秒（bit/s or bps）
- 分组（packet）：发送端将数据分段，并为每段加上首部字节，形成信息包
- 分组交换机（packet switch）
- 路由器（router）- 网络核心
- 链路层交换机（link-layer switch）- 接入网
- ISP
- 端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider, ISP）接入因特网
- 每个ISP自身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络
- 协议（Protocol）
- 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来控制信息的接收和发送
- 规定通信实体之间交换的报文的格式和顺序以及采取的动作
- TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和IP（Internet Protocol，网际协议）是最重要的两个协议，统称TCP/IP
- 因特网标准（Internet standard）
- 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 Comment, RFC）
- RFC技术性强且详细。定义了TCP、IP、HTTP（用于Web）、SMTP（用于电子邮件）等协议
- 其他组织
- IEEE 802 LAN/MAN标准化委员会
- 制定了以太网和无线WiFi的标准
1.2服务描述
- 为应用程序提供服务的基础设施
- 套接字借口（socket interface）
- 规定了程序交付数据的方式
2.网络边缘
2.1端系统（end system）/ 主机（host）
- 客户（client）
- 服务器（server）：如大型数据中心（data center）
2.2接入网
- 指将端系统物理连接到其边缘路由器（edge router）的网络
- 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：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星
- 数字用户线（Digital Subscriber Line, DSL）[上行：3.5Mbps/16Mbps，下行24Mbps/52Mbps]
- 每个用户的DSL调制解调器（modem）使用现有的电话线（即双绞铜线）与位于电话公司的本地中心局（CO）中的数字用户线接入复用器（DSLAM）交换数据
- 家庭的DSL modem得到数字数据后将其转换为高频音，以通过电话线传输给CO，在DSLAM处转换回数字形式
- 电话线同时承载了数据和传统电话信号
- 高速下行信道，位于50kHz到1MHz频段
- 中速上行信道，位于4kHz到50kHz频段
- 普通双向电话信道，位于0到4kHz频段
- 因为一般下行的数据量都远大于上行的数据量，所以要设计成非平衡的链路（体现在下行速率大于上行速率），称为ADSL（Asymmetric digital subscriber line）
- 电缆因特网接入（cable Internet access）[上行：30Mbps/100Mbps，下行40Mbps/1.2Gbps]
- 利用有线电视公司现有的有线电视基础设施
- 光缆将电缆头端连接到地区枢纽，从这里使用传统的同轴电缆到各家各户
- 因为用到了光纤和同轴电缆，所以被称为混合光纤同轴（Hybrid Fiber Coax）系统
- 同DSL，也是非平衡设计
- 光纤到户（Fiber To The Home, FTTH）
- 从本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径
- 两种竞争性的光纤分布体系结构
- 主动光纤网络（Active Optical Network, AON）
- 本质上就是交换因特网，将在第六章讨论
- 被动光纤网络（Passive Optical Network, PON）
- 每个家庭具有一个与路由器相连的光纤网络端接器（Optical Network Terminator, ONT），由专门的光纤连接到邻近的分配器（splitter），分配器把一些家庭（通常少于100个）集街道一根共享光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤路端接器（Optical Line Terminator, OLT），OLT提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网相连
- 每个家庭具有一个与路由器相连的光纤网络端接器（Optical Network Terminator, ONT），由专门的光纤连接到邻近的分配器（splitter），分配器把一些家庭（通常少于100个）集街道一根共享光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤路端接器（Optical Line Terminator, OLT），OLT提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网相连
- 企业（和家庭）接入：以太网（Ethernet）和WiFi
- 使用局域网（LAN）将端系统连接到边缘路由器
-
以太网 [用户100Mbps/1Gbps，服务器可能1Gbps甚至10Gbps]
- 使用双绞铜线与一台以太网交换机相连
- WiFi [超过100Mbps]
- 基于IEEE 802.11技术的无线LAN接入
- 广域无线接入：3G和LTE 4G和5G
- 与WiFi不同，用户在基站数万米（而不是几十米）范围内就可以使用
- 3G [超过1Mbps]
- LTE [超过10Mbps]
- 来源于3G技术，是长期演进“Long-Term Evolution”的缩写
- 4G [60Mbps]
- 5G [理论速率达20Gbps]
2.3物理媒体
- 分类
- 导引型媒体
- 电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线或同轴电缆
- 非导引型媒体
- 电波在空气或外太空中传播，如无线局域网和数字卫星频道
- 双绞铜线
- 最便宜并且最常用
- 由两根绝缘的铜线组成，每根大约1mm粗，以规则的螺旋状排列
- 两根线被绞合起来以减少邻近类似的双绞线的电气干扰
- 通常许多双绞线捆扎在一起形成一根电缆，并在外面覆盖上保护性防护层
- 无屏蔽双绞线（Unshield Twisted Pair, UTP）常用于在建筑物内的计算机网络，即局域网（LAN）中
- 传输速率：10Mbps\~10Gbps（速率取决于线的粗细以及距离）
- 6a类电缆能达到10Gbps，距离长达100m
- 同轴电缆
- 由两个铜导体组成，同心而不是并行
- 光纤
- 一种细而柔软的、能够导引光脉冲的媒体，每个脉冲表示一个比特
- 传输速率高达数十甚至数百Gbps，不受电磁干扰，长达100km的光缆信号衰减极低，并且很难监听
- 长途引导型媒体，特别是跨海链路
- 光载波（Optical Carrier, OC）标准链路速率
- 51.8Mbps\~39.8Gbps
- 这些标准被称为OC-n，\(链路速率=n\times 51.8\ Mbps\)，目前正在使用的包括OC-1、OC-3、OC-12、OC-24、OC-48、OC-96、OC-192、OC-768
- 陆地无线电信道
- 无需安装物理线路，具有穿透墙壁、提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的能力
- 信道分类
- 很短距离（1米或2米），如耳机、键盘、医疗设备
- 局域（十到几百米），如无线LAN技术
- 广域（数万米），如蜂窝接入技术
- 卫星无线电信道
- 一颗通信卫星连接地球上的两个或多个微波发射/接收器（被称为地面站），在一个频段上接收传输，使用一个转发器再生信号，并在另一个频率上发射信号
- 分类
- 同步卫星（geostationary satellite）
- 永久停留在地球上方的相同点
- 轨道高度为36000km导致了280ms的时延
- 近地轨道（Low-Earth Orbiting, LEO）卫星
- 非常靠近地球，围绕地球旋转
- 为了对一个区域连续覆盖，需要在轨道上放置许多卫星
3.网络核心
3.1分组交换
- 定义
- 源端系统向目的端系统发送报文时将长报文划分为较小的数据块，称为分组（packet）
- 每个分组都通过通信链路和分组交换机（packet switch）传送（交换机主要有两类：路由器（router）和链路层交换机（link-layer switch））
- 如果源端系统或分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路传输速率为R比特/秒，则传输时间为L/R秒
- 存储转发传输（store-and-forward transmission）
-
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
- 多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输
- 排队时延和分组丢失
- 分组交换机具有一个输出缓存（output buffer，也称为输出队列（output queue）），用于存储路由器准备发往那条链路的分组，类似于排队
- 所以除了存储转发时延外，分组还要承受排队时延
- 如果缓存空间满了，就会出现分组丢失（丢包）（packet loss），到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃
- 转发表（forwarding table）
- 每个端系统具有一个称为IP地址的地址，分组的首部就包含了目的地的IP地址
- 每台路由器具有一个转发表，用于将目的地址（或目的地址的一部分）映射成为输出链路