计算机网络第七版·第一章计算机网络和因特网

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一. 什么是因特网

什么是因特网?
回答这个问题有两种方式 :
其一，关注的是因特网的物理和技术基础设施；
其二，关注的是因特网的功能和用途。

1.1 具体构成描述

计算机网络 (Computer Network)

定义： 泛指互联了多个计算设备的网络。
演进： 传统上主要连接PC、工作站和服务器，但随着技术发展，越来越多的非传统设备（如智能手机、平板、智能家居设备、汽车等）也接入网络，使得“计算机网络”这个术语本身在某些语境下显得有些“过时”或不够全面，因为它现在连接的远不止传统的计算机。

因特网 (Internet)

定义： 因特网是一个世界范围的计算机网络，它连接了遍及全世界数十亿的计算设备。

端系统 (End System) 或主机 (Host)

定义： 在因特网术语中，所有连接到因特网的计算设备，无论其是传统的计算机（如PC、工作站、服务器）还是非传统的设备（如智能手机、平板、电视、游戏机、智能家居设备、汽车等），都被统称为主机或端系统。

通信链路 (Communication Link)：

定义： 连接到因特网的计算设备。
类型： 包括同轴电缆、铜线、光纤和无线电频谱等。
传输速率： 衡量链路传输数据能力的指标，以比特/秒（bps）度量。

分组 (Packet)：

定义： 端系统在发送数据时，会将原始数据分段，并为每段加上首部字节，由此形成的信息包。
传输： 这些分组通过网络发送到目的端系统，在那里被重新装配成初始数据。

分组交换机 (Packet Switch)：

定义： 从其一条输入通信链路接收到达的分组，并从其一条输出通信链路转发该分组的设备。
主要类型：
- 路由器 (Router)： 通常用于网络核心（负责在不同网络之间转发分组）。
- 链路层交换机 (Link-layer Switch)： 通常用于接入网（负责在同一网络或局域网内转发分组）。

路径 (Route / Path)：

定义： 一个分组从发送端系统到接收端系统所经历的一系列通信链路和分组交换机。

因特网服务提供商 (Internet Service Provider, ISP)：

定义： 端系统接入因特网的提供商。
类型： 包括住宅区ISP（如本地电缆或电话公司）、公司ISP、大学ISP、提供WiFi接入的ISP、提供移动接入的蜂窝数据ISP等。
构成： 每个ISP本身都是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络。
互联： 较低层的ISP通过国家的、国际的较高层ISP互联起来，形成一个互联互通的全球网络。

协议 (Protocol)：

定义： 协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/ 或接收一条报文或其他事件所采取的动作。
重要性： 确保所有设备能够协同工作。

1.2 服务描述

分布式应用程序 (Distributed Application)：

定义： 指涉及多个相互交换数据的端系统的应用程序。
特点： 它们不运行在网络核心中的分组交换机上，而是运行在端系统上（如智能手机、平板、电脑等）。
示例： 电子邮件、Web冲浪、即时通讯、实时地图、云音乐/视频流、在线社交网络、视频会议、多人游戏等。
目的： 这些应用是用户与因特网交互的主要方式。

因特网作为应用程序的平台：

因特网被描述为一个平台，它允许运行在不同端系统上的应用程序相互发送和接收数据。
核心问题： 运行在一个端系统上的应用程序如何才能指令因特网向运行在另一个端系统上的特定目的地程序发送数据？

套接字接口 (Socket Interface)：

定义： 与因特网相连的端系统提供的一个标准接口。它规定了运行在一个端系统上的程序，请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地程序交付数据的方式。
作用： 它是一套发送程序必须遵循的规则集合，确保因特网能够正确地将数据交付给目的地。
类比： 类似于邮政服务要求用户将信件放入信封、写好地址、贴邮票，然后投入邮筒一样，这是一个程序与网络通信的标准化“邮寄”规则。

二.网络边缘

网络边缘

概念： 网络边缘指的是连接到因特网的“所有设备”以及它们运行的应用程序。
构成： 主要是端系统或主机，以及运行在这些端系统上的各种分布式应用程序。

2.1接入网

概念： 接入网是指将端系统物理连接到其边缘路由器的网络。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。
构成： 主要由各种通信链路（如铜线、光纤、无线电频谱）和一些分组交换机（主要是链路层交换机）组成，并通过因特网服务提供商（ISP）提供服务。

1.家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星

数字用户线（Digital Subscribe Line，DSL）
- 住户通常从提供本地电话接入的本地电话公司处获得 DSL 因特网接入。因此, 当使用 DSL 时,用户的本地电话公司也是它的 lSP。
电缆英特网接入
- 电缆因特网接入利用了有线电视公司现有的有线电视基础设施。住宅从提供电视的公司获得了电缆因特网接入。
- 电缆互联网采用共享广播媒体，意味着所有用户共享同一带宽。因此，当多个用户同时下载时，每个用户的实际网速会显著低于总带宽。
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。
- 光纤分布方案
  - 直接光纤: 最简单的方案，每户拥有独立的光纤线路连接到中心局。
  - 共享光纤: 更常见的做法是，一根光纤从中心局发出，由多个家庭共享，直到临近用户时才分支到每户。这种共享方式主要有两种架构：
    - 主动光纤网络 (AON): 本质上是一个交换互联网，需要有源设备（如交换机）进行信号处理。
    - 无源光纤网络 (PON): 一种更常用的FTTH技术，例如Verizon的FIOS服务就采用了这种技术。
- 无源光纤网络 (PON)
  - 光纤网络端接器 (ONT): 每个家庭都有一个ONT，通过专门的光纤连接到附近的分配器 (splitter)**。
  - 分配器: 这个设备将多个家庭（通常少于100个）汇集到一根共享的光纤上。
  - 光纤线路端接器 (OLT): 共享光纤最终连接到本地电话和公司中心局的OLT。OLT负责光信号和电信号之间的转换，并通过本地电话公司的路由器连接到互联网。
  - 家庭连接: 用户将家庭路由器（通常是无线路由器）连接到ONT，然后通过家庭路由器接入互联网。
  - 数据复制: 在PON架构中，所有从OLT发送到分配器的数据包都会在分配器处被复制，类似于电缆头端的工作方式。
卫星
- 在无法提供 DSL 、电缆和 FTTH 的地方(例如在某些乡村环境),能够使用卫星链路将住宅以超过 1Mbps 的速率与因特网相连。
拨号
- 使用传统电话线的拨号接入与 DSL 基于相同的模式:家庭的调制解调器经过电话线连接到 lSP 的调制解调器。与 DSL 和其他宽带接入网相比,拨号接入 56kbps 的慢速率是令人痛苦的。
  2.企业(和家庭)接入：以太网和 WiFi
局域网（Local Area Network，简称 LAN）是指在有限地理区域内（如住宅、办公室、学校、实验室等一栋建筑物或一个园区内）连接计算机及其他网络设备的计算机网络。
以太网是公司、大学和家庭中最流行的有线局域网接入技术。以太网用户使用双绞铜线与一台以太网交换机相连。
WiFi是基于 IEEE 802. 11 技术的无线 LAN 接入.
- 无线信号发射与接收： WiFi 使用无线电波来传输数据。你的 WiFi 路由器（或称无线接入点）就像一个无线电台，发射出无线信号。同样地，你的手机、笔记本电脑等设备内部也有WiFi模块，能够接收和发送这些无线电波。
- 连接接入点： 当你的设备想要连接 WiFi 时，它会搜索附近的无线信号，然后连接到一个被称为“接入点 (Access Point, AP)”的设备，通常就是你的 WiFi 路由器。
- 数据转换与传输： 接入点将无线信号转换成有线信号（通常是以太网信号），然后通过网线连接到你的宽带调制解调器，再接入互联网。反之，来自互联网的数据也会经过调制解调器和接入点，再以无线电波的形式发送给你的设备。
- 共享频率： WiFi 在特定的无线频率（如2.4 GHz或5 GHz）上工作。所有连接到同一个接入点的设备会共享这些频率来发送和接收数据。
现代家庭网络常将宽带（如电缆或DSL）与WiFi结合，实现有线和无线的融合接入。
- 你先从运营商那里拉一根宽带线到家里（比如光纤、电缆线或老式的电话线DSL）。这根线把互联网信号带进你家。
- 这根线通常会连到你家里的一个设备（通常是无线路由器）。
- 这个路由器一方面接收来自外面宽带的信号，另一方面它又能发出 WiFi 信号。

3.广域无线接入：3G和LTE（Long-Term Evolution，通常被视为 3G 和“真正”4G 之间的过渡技术）

广域无线接入与 Wi-Fi 不同，你不需要靠近一个固定的无线路由器。你的手机会通过蜂窝网络提供商（也就是移动运营商，比如中国移动、英国EE、美国AT&T等）运营的基站来发送和接收数据包。
使用 3G 网络从手机 A 发送消息到手机 B 的过程：手机 A 将消息变成无线信号发给附近的基站，基站通过运营商的核心网络找到手机 B 所在的基站，最后目标基站再将消息以无线信号形式发给手机 B。整个过程就是数据包在手机、基站和核心网络之间来回转换和传输。

2.2 物理媒体

物理媒体，也称为传输媒体，是数据在发送端和接收端之间传输时依赖的物理物质或能量路径。它是信号传播的物理载体，是网络连接中最基础的组成部分。
1.引导型媒体
引导型媒体是指数据信号被限制在固体介质中传输，沿着特定的物理路径前进。它们提供了一个物理通道来引导电信号或光信号。

双绞铜线：
- 构成：由两根相互缠绕绝缘的铜线组成。缠绕的目的是为了减少电磁干扰（串扰）。
- 通常许多双绞线捆扎在一起形成一根电缆,并在这些双绞线外面覆盖上保护性防护层。
- 分类：
  - 无屏蔽双绞线 (UTP - Unshielded Twisted-Pair)：最常见，用于局域网（如以太网）。成本低，易于安装。我们日常用的网线就是UTP。
  - 屏蔽双绞线 (STP - Shielded Twisted-Pair)：在UTP的基础上增加了金属屏蔽层，提供更好的抗干扰能力，但成本更高，更难安装。
- 应用：主要用于局域网（LAN）、电话线等。
- 特点：最便宜并且最常用，易于部署，传输距离有限。
同轴电缆：
- 构成：与双绞线类似，同轴电缆由两个铜导体组成,但是这两个导体是同心的而不是并行的。
- 特点：比双绞线有更好的抗干扰能力，传输带宽更高，传输距离更远。
- 应用：过去广泛用于有线电视、早期的以太网（如10Base2、10Base5），现在仍用于某些宽带接入（如电缆调制解调器接入）。
**光纤：
- 构成：由细长的玻璃或塑料纤维组成，通过光脉冲而不是电信号来传输数据。核心部分是光纤芯，外面包裹着折射率较低的包层。每个脉冲表示一个比特。
- 原理：利用光的全内反射原理，使光信号在光纤芯内以极低的损耗前进。
- 特点：传输速度极快（可达Tbps级别），带宽极高，抗电磁干扰能力强，信号衰减小，传输距离远。
- 应用：骨干网、城域网、数据中心互联、光纤到户（FTTH）等高速、长距离传输场景。
  2.非引导型媒体
  非引导型媒体是指数据信号在开放空间中以无线电波、微波或红外线等形式传输，不需要物理介质引导。
陆地无线电信道
- 陆地无线电信道通过电磁频谱传输信号，无需物理线路，因此具有穿透墙壁、连接移动用户和长距离传输的优势。其性能受传播环境（如路径损耗、遮挡衰落、多径衰落和干扰）及传输距离的显著影响。
- 陆地无线电信道可分为三类：
  - 短距离 (1-2米)：用于个人设备，如无线耳机、键盘、医疗设备。
  - 局域 (数十到几百米)：用于无线局域网 (WLAN) 技术，即Wi-Fi。
  - 广域 (数万米)：用于蜂窝接入技术，如2G、3G、4G和5G手机网络。
卫星无线电信道
- 卫星无线电信道利用地球轨道上的通信卫星连接地面上的两个或多个收发器（地面站）。卫星接收信号后，通过转发器再生信号并在不同频率上发射。
- 同步卫星 (Geostationary Satellite)：
  - 位置：位于地球上方约 36,000公里的轨道上，相对于地面保持静止。
  - 特点：由于距离远，会引入大约 280毫秒的显著信号传播时延。但其能够以数百Mbps的速率运行，常用于DSL或电缆互联网无法覆盖的区域。
- 近地轨道 (LEO) 卫星：
  - 位置：放置在离地球非常近的轨道上，不固定在地球上某一点，而是围绕地球旋转。
  - 特点：需要多颗卫星协同工作才能提供连续的区域覆盖。目前有许多LEO通信系统正在开发中，未来有望用于互联网接入（如星链）。

三.网络核心

网络核心主要由路由器（用于分组交换）和链路（连接路由器）组成。它负责将一个端系统的数据传输到另一个端系统。

3.1 分组交换

在“1.1 具体构成描述”中提及过分组与分组交换机。

在源和目的地之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机传送。
分组以等于该链路最大传输速率的速度传输通过通信链路。
因此，如果某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，链路的传输速率为 R 比特/秒，则传输该分组的时间为 L/R 秒。

1.存储转发传输
当一个分组到达路由器时，路由器会完整地接收并存储整个分组。只有当分组完全接收完毕后，路由器才会开始处理它（如查找目的地）并将其转发到下一条链路。

2.排队时延和分组丢失
由于路由器链路的转发速度是有限的，当多个分组同时到达路由器并尝试通过同一条出站链路时，它们必须排队等待。
对于每条相连的链路，分组交换机具有一个输出缓存 (也称为输出队列) ，它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。

排队时延：分组在队列中等待被传输的时间就是排队时延。如果到达的数据速率超过了出站链路的传输速率，队列就会增长，导致排队时延增加。
分组丢失 (Packet Loss)：如果队列的容量是有限的，当排队的队列已满时，新到达的分组将因为没有空间而被丢弃。这被称为分组丢失。丢失的分组可能需要发送方重新传输，从而进一步增加时延。

3.转发表和路由选择协议
在因特网中，每个端系统具有一个称为IP 地址的地址。当源主机要向目的端系统发送一个分组时，源在该分组的首部包含了目的地的 IP 地址。
为了将分组从源头正确地转发到目的地，路由器需要知道分组应该走哪条路径。

转发表 ：每个路由器都维护一个转发表（也称为路由表）。这个表记录了到达特定目的地址的分组应该从哪个出站链路转发出去。当分组到达路由器时，路由器会根据分组的目的地址查找转发表，从而决定下一跳。
路由选择协议：转发表不是静态的，它是由路由选择协议动态构建和更新的。这些协议在网络中的路由器之间交换信息，以确定到达目的地路径的“最佳”路径。常见的路由协议有OSPF、BGP等。通过这些协议，路由器能够学习整个网络的拓扑结构和可达路径，从而为转发表提供正确的信息。

3.2 电路交换

电路交换是一种传统的通信方式，主要用于电话网络。在数据传输开始之前，通信双方之间会预先建立一条专用的、独占的通信路径（电路）。一旦电路建立，它就专属于这两方，即使没有数据传输，这条电路也一直被占用，直到通信结束并释放电路。

1.电路交换网络中的复用
由于建立的电路是独占的，为了最大化链路的利用率，需要将一条物理链路划分为多个逻辑电路。这通过复用技术实现：

频分复用 (FDM - Frequency Division Multiplexing)：将链路的总带宽划分为多个不重叠的频率带。每个电路被分配一个固定的频率带，并在此频率带上传输数据。
时分复用 (TDM - Time Division Multiplexing)：将链路的传输时间划分为一系列固定长度的时隙。每个电路被分配一个或多个周期性的时隙，轮流使用链路。

2.分组交换与电路交换的对比

特性	分组交换	电路交换
资源分配	动态共享，按需分配	独占专用，预先分配
效率	资源利用率高，无数据时链路可被他方使用	资源利用率低，即使无数据传输也独占链路
时延	存在排队时延和分组丢失，传输时延可变	有建立连接时延，一旦建立传输时延固定且小
弹性	更灵活，能适应突发性流量	不灵活，容量固定
复杂度	核心网络（路由器）更复杂，需要处理排队、路由	核心网络相对简单，但需要复杂的电路建立和管理系统
应用	互联网、数据通信	传统电话网络、实时语音通信
开销	每个分组需要携带头部信息（地址等）	建立和拆除电路有开销

3.3 网络中的网络

现今的因特网由接入ISP、区域ISP、第一层ISP、PoP、多宿、对等、IXP和内容提供商网络组成。

接入ISP (Access ISP)：也称为Tier-3 ISP或本地ISP。它们是离终端用户最近的服务提供商，例如你家里的宽带公司或学校的网络中心。它们直接向家庭、企业和机构销售互联网连接服务。
区域ISP (Regional ISP)：也称为Tier-2 ISP。这些ISP的覆盖范围比接入ISP更广，通常服务于一个地区或一个国家的部分区域。它们从更上层的ISP购买带宽，并向下游的接入ISP或直接向大型客户销售服务。
第一层ISP (Tier-1 ISP)：这些是全球性的巨型ISP，拥有覆盖全球的骨干网络。它们是互联网的“核心”，彼此之间通常不付费，而是通过直接的对等互联来交换流量。例如，美国的AT&T、Verizon，欧洲的Telia Carrier等都属于这一层。
PoP（存在点）：ISP在特定地理位置设立的物理设施。可以理解为ISP网络对外开放的“接口”或“站点”。家庭或公司网络就是通过最近的ISP PoP连接到该ISP的骨干网络。PoP内部通常包含路由器、交换机等设备，是流量汇聚和分发的重要节点。
多宿：指一个网络（例如大型企业、大学或较小的ISP）同时连接到两个或更多个不同的上游ISP。
对等：对等是一种协议，指两个或多个对等地位的ISP（或AS）之间直接连接并免费（或低成本）交换流量。它允许ISP之间避免向共同的上游ISP支付流量转发费用，从而降低成本，并能减少数据传输的跳数和延迟，提高网络效率。
IXP（互联网交换点）：是一个物理基础设施，它提供了一个公共场所，让多个ISP和内容提供商可以在这里连接他们的网络并相互交换互联网流量。IXP是促进“对等”关系发生的关键场所。ISP通过连接到IXP的共享交换机，可以方便地与多个其他ISP建立对等连接，而无需为每个对等伙伴单独拉线。这提高了效率，降低了成本。
内容提供商网络 (Content Provider Networks, CPNs)：由大型内容或服务提供商（如Google、Netflix、Meta、Amazon等）建立和运营的私有网络。CPNs通常拥有自己的全球性骨干网，并部署了大量的内容分发网络（CDN）服务器。它们通过直接连接到接入ISP、区域ISP或IXP，将内容尽可能地靠近用户，以提高服务质量（减少延迟，加快加载速度）并降低向传统ISP支付的流量费用。

四.分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

4.1 分组交换网中的时延概述

时延（Delay）是指数据从一个点到达另一个点所需的时间。在分组交换网络中，一个分组从源主机发送到目的主机通常会经历四种主要时延：

处理时延 (Processing Delay，)：路由器在收到分组后，需要时间来检查分组头部、决定将分组转发到哪条出站链路。这个时间通常很短，在微秒级别。
排队时延 (Queuing Delay，)：分组在路由器中等待被转发到出站链路所需的时间。这个时延会根据网络流量的繁忙程度而剧烈变化，是网络中最不确定的时延成分。
传输时延 (Transmission Delay，)：将分组的所有比特从路由器完全推送到链路上所需的时间。这取决于分组的大小（L比特）和链路的传输速率（R比特/秒），计算公式是 L/R。
传播时延 (Propagation Delay，)：比特从一条链路的起点传播到终点所需的时间。这取决于链路的物理距离（d）和信号在物理介质中的传播速度（s），计算公式是 d/s。

4.2 端到端时延

端到端时延是指一个分组从源主机（发送方）完全发送出去，到目的主机（接收方）完全接收完毕所需的所有时延的总和。

如果一个分组通过 N 个路由器（即经过 N+1 条链路）从源传送到目的地，那么其总的端到端时延近似等于：

$\sum_{i=1}^{N+1}(处理时延_i+排队时延_i+传输时延_i+传播时延_i)$

4.3 计算机网络中的吞吐量

吞吐量是指在单位时间内，源主机向目的主机实际传输的比特数。它衡量的是数据传输的实际速度，通常用比特每秒（bps）表示。

瞬时吞吐量：在某一特定时刻的传输速率。
平均吞吐量：在较长时间段内的平均传输速率
吞吐量往往受到瓶颈链路的限制。在从源到目的的路径上，吞吐量总是等于路径上最慢的那条链路的传输速率。

五.协议层次及其服务模型

5.1 分层的体系架构

协议是同层实体之间为了实现特定功能而遵循的通信规则和格式规范；
服务则是下层向紧邻上层提供的功能，通过该层的协议来实现，并且对上层隐藏了其内部的实现细节。

应用层 (Application Layer)：
- 功能：为用户提供网络服务，处理特定应用程序之间的通信。它定义了应用程序如何格式化和交换数据。
- 协议：HTTP (网页浏览)、FTP (文件传输)、SMTP (邮件发送)、DNS (域名解析) 等。
- 例子：当你打开网页浏览器输入网址时，你就在使用应用层的协议。
传输层 (Transport Layer)：
- 功能：在不同主机的进程之间提供数据传输服务。负责端到端的可靠性、流量控制和拥塞控制。
- 协议：TCP (传输控制协议，提供可靠的、面向连接的服务)、UDP (用户数据报协议，提供不可靠的、无连接的服务)。
- 例子：TCP确保你的邮件能够完整无误地发送到对方邮箱；UDP则用于实时视频或语音，即使丢一些数据包也没关系，但要保证速度。
网络层 (Network Layer)：
- 功能：将分组（packet）从源主机路由到目的主机，负责跨异构网络的互连。它处理IP地址的寻址和路由选择。
- 协议：IP (网际协议)。
- 例子：你的电脑发出的数据包如何从你家路由器，经过各种中间路由器，最终到达目标服务器，就是网络层负责的。
数据链路层 (Data Link Layer)：
- 功能：在直接相连的两个节点之间传输数据帧。它负责帧的封装、链路管理、错误检测和物理地址（MAC地址）寻址。
- 协议：以太网 (Ethernet)、Wi-Fi (802.11) 等。
- 例子：你的电脑如何通过网线或无线信号与家里的路由器直接通信。
物理层 (Physical Layer)：
- 功能：处理比特流在物理媒体上的传输。它定义了电信号、光信号的特性、传输介质（如网线、光纤、无线电波）以及接口标准。
- 协议：各种电缆标准、光纤标准、无线电波频率等。
- 例子：电流如何在网线中流动，或光信号如何在光纤中传输。
  5.2 封装
  封装是分层体系结构中数据处理的关键过程。当应用层的数据向下传递到各层时，每一层都会在原始数据外面添加自己的头部信息（header），就像一层一层地包裹起来。
应用层：生成原始的用户数据（例如，一封电子邮件）。
传输层：接收应用层数据，并为其添加传输层头部（如TCP或UDP头部，包含源端口和目的端口等信息），形成一个报文段（segment）或用户数据报（datagram）。
网络层：接收传输层报文段，并为其添加网络层头部（如IP头部，包含源IP地址和目的IP地址等信息），形成一个IP数据报（datagram）或分组（packet）。
数据链路层：接收网络层数据报，并为其添加数据链路层头部和尾部（如MAC地址、错误检测码等），形成一个帧（frame）。
物理层：将数据链路层帧中的比特流转换成电信号或光信号，并通过物理媒体传输。