重點：

網路邊緣：端系統和網路應用。

網路核心：傳輸資料的鏈路和交換機。

接入網和物理媒體：將端系統和網路核心相連線的。

計算機網路中資料的時延、丟包和吞吐量。

端到端吞吐量和時延的簡單定量模型：兼顧傳輸、傳播和排隊時延等因素。

因特網服務提供商(Internet Service Provider,ISP).

傳輸控制協議(Transnission Control Protocal,TCP)

網際協議(Internet Protocal,IP)

數字使用者線(Digital Subscribe Line,DSL)

光纖到戶(Fiber To The Home,FTTH)

吞吐量：每秒能夠傳輸的資料量

1.1 什麼是因特網

1.1.1 具體構成

端系統通過通訊鏈路和分組交換機連線到一起。

1）通訊鏈路：同軸電纜、銅線、光纖、無線電頻譜。

傳輸速率：位元/秒度量(bit/s，或bps)。

傳輸方式：分組。

2）分組交換機：路由器和鏈路層交換機。

分組交換機從一條入通訊鏈路接收到達的分組，從一條出通訊鏈路轉發該分組。

路由器通常用於網路核心中。

鏈路層交換機常用於接入網中。

分組類似於卡車、通訊鏈路；類似於高速公路；分組交換機類似於立交橋；段系統類似於建築物。

端系統通過ISP接入因特網，每個ISP由多個分組交換機和多段通訊鏈路組成的網路。各ISP為端系統提供了各種不同型別的網路接入。

端系統、分組交換機和其它因特網部件都要執行一系列協議(protocal)，這些協議控制因特網中資訊的接收和傳送。TCP和IP是因特網中兩個最為重要的協議。

IP協議定義了路由器和分組之間傳送和接收的分組格式。

因特網的主要協議統稱為TCP/IP協議。

因特網標準由因特網工程任務組(IETF)研發。IETF的標準文件稱為請求評論(RFC).RFC定義了TCP、IP、HTTP、SMTP等協議。

其他組織也在指定用於網路元件的標準，最引人注目的網路鏈路的標準。例如IEEE 802 LAN/MAN標準委員會制定了乙太網和無線WiFi的標準。

1.1.2 服務描述

另一個角度：為應用程式提供服務的基礎設施來描述因聯網。

分散式應用程式：電子郵件、Web衝浪、即時訊息、社交網路、IP語音、流式視屏、分散式遊戲、對等(P2P)檔案共享、因特網電視、遠端註冊等。

執行在一個端系統上的端系統的應用程式怎樣才能指令因特網向執行在另一個端系統上的軟體傳送資料呢？

與因特網相連的端系統提供了一個應用程式程式設計介面。該API規定了執行在一個端系統上的軟體請求因特網基礎設施向執行在另一個端系統上的特定目的地軟體交付資料的方式。

1.1.3 什麼是協議

一個協議定義了在兩個或多個通訊實體之間交換的報文格式和次序，以及報文傳送或接受一條報文或其他事件所採取的動作。

報文的交換以及傳送和接收這些報文時所採取的動作是定義一個協議的關鍵元素：一個協議定義了在兩個或多個通訊實體之間交換的報文格式和次序，以及報文傳送或接收一條報文或其他事件所採取的動作。

1.2 網路邊緣

“Google擁有30~50個數據中心，其中許多資料中心都有10萬臺以上的伺服器。”

1.2.1 接入網(access network)

概念：接入網是指將端系統連線到其邊緣路由器(edge router)的物理鏈路。

邊緣路由器是端系統到任何其他遠端端系統的路徑上的第一臺路由器。

1）家庭接入：DSL、電纜、FTTH、撥號和衛星。

使用DSL時，使用者的本地電話公司也是它的ISP。

每個使用者的DSL調變解調器使用電話線（雙絞銅線）與位於本地電話公司的本地中心局中的數字使用者線接入複用器(DSLAM)來交換資料。

家庭電話線同時承載了資料和傳統的電話訊號，它們編碼為不同的頻率：

①高速下行通道，位於50KHz到1MHz頻段。

②中速上行通道，位於4KHz到50KHz頻段。

③普通的雙向電話通道，位於0到4KHz頻段。

因此一個電話呼叫和一個因特網連線能夠同時共享DSL鏈路（頻分複用技術）

使用電纜因特網接入(cable internet access)時。

混合使用了光纖和同軸電纜。

由頭端(Cable head end)傳送的每個分組向下行經每段鏈路到每個家庭；每個家庭傳送的每個分組經上行通道向頭端(Cable head end)。

使用FTTH接入

概念：從本地中心局直接到家庭提供了一條光纖路徑。光纖分佈體系結構：主動光纖網路(AON)和被動光纖網路(PON)。

2）企業（和家庭）接入：乙太網和WiFi

通過區域網(LAN)將端使用者連線到邊緣路由器，目前乙太網是最為流行的技術。乙太網使用者使用雙絞銅線與一臺乙太網交換機相連。

基於IEEE 802.11技術的無線LAN接入，更為通俗地稱為WiFi。這樣的家庭網路組成如下：

一臺漫遊的便攜機和一臺有線PC，一個無線PC通訊的基站(無線接入點)；一個提供與因特網寬頻接入的電纜調變解調器；以及一臺互連了基站及帶有電纜調變解調器的固定PC的路由器。

3）廣域無線接入：3G/4G/LTE

1.2.2 物理媒體

1）雙絞銅線：便宜，速度低。

2）同軸電纜：

3）光纖：成本高，速度快，抗干擾強。

4）陸地無線電通道

5）衛星無線電通道

1.3 網路核心

概念：由互聯因特網端系統的分組交換機和鏈路構成的網狀網路。下圖加粗部分。

通過網路鏈路和交換機移動資料有兩種基本方法：電路交換(circuit switching)和分組交換(packet switching)。

1.3.1 分組交換

在各種網路應用中，端系統彼此交換報文(message)。報文可以執行一種控制功能，也可以包含資料。將長報文劃分為較小的資料塊，稱之為分組。每個分組都通過通訊鏈路和分組交換機(packet switch，包含兩類：路由器和鏈路層交換機)傳送。

分組以等於該鏈路最大傳輸速率的速度傳輸通過通訊鏈路。L位元的分組，鏈路的傳輸速率為R位元/秒，則傳輸該分組的時間為L/R秒。

1）儲存轉發傳輸

多數分組交換機在鏈路的輸入端使用儲存轉發傳輸(store-and-forward transmission)機制。

儲存轉發機制是指在交換機能夠開始向輸出鏈路傳輸該分組的第一個位元之前，必須接收到整個分組。

則通過由N條速率均為R的鏈路組成的路徑（則源和目的地之間有N-1臺路由器），從源到目的地傳送一個分組的總體情況。

則一個分組的時延是：d(端到端) = N*L/R。
則P個分組的時延是：d(端到端) = (P-1)*L/R + N*L/R。

2）排隊時延和分組丟失

每個分組交換機有多條鏈路與之相連。對於每條相連的鏈路，該分組交換機具有一個輸出快取(output buffer)（也稱為輸出佇列(output queue)）,它用於儲存路由器準備發往哪條鏈路的分組。

如果到達分組需要傳輸到某條鏈路，但發現該鏈路正忙於傳輸其他分組，該到達分組必須在輸出快取中等待。因此，除了儲存轉發時延以外，分組還要承受輸出快取的排隊時延。

在此情況下，可能出現分組丟失(丟包)，到達的分組或已經排隊的分組之一將被丟失。

3）轉發表和路由選擇協議

問題：路由器從與它相連的一條通訊鏈路得到分組，將其向與它相連的另一個通訊鏈路轉發，但是該路由器怎樣決定它應當向哪條鏈路進行轉發呢？

在internet中，每個端系統具有一個稱為IP地址的地址，當源主機向目的端系統傳送一個分組時，源在該分組的首都包含了目的地的IP地址，當一個分組到達網路中的路由器時，路由器檢查該分組的目的地址的一部分，並向一臺相鄰路由器轉發該分組。

每臺路由器具有一個轉發表，用於將目的地址（或目的地址的一部分）對映成為輸出鏈路。

轉發表是如何設定的？因特網具有一些特殊的路由選擇協議(routing protocol)用於自動地設定這些轉發表。

1.3.2 電路交換

在電路交換網路中，在端系統間通訊會話期間，預留了端系統間通訊沿路徑所需的資源（快取，鏈路傳輸速率）。在分組交換網路中，這些資源則不是預留的。

1）電路交換網路中的複用

鏈路中的電路通過頻分複用FDM或時分複用TDM來實現。

FDM鏈路的頻譜由跨越鏈路建立的所有連線所共享。這個頻段通常具有4KHz的寬度，該頻段的寬度稱為頻寬。下圖中，頻率域被劃分為4個頻段，每個頻段的頻寬是4KHz。

TDM鏈路，時間被劃分為固定區間的幀，並且每幀又被劃分為固定數量的時隙。下圖中，其時域被劃分為幀，每個幀中有4個時隙。一個電路的傳輸速率等於幀速率乘以一個時隙中的位元數量。

需要注意的是，電路交換的傳輸時間與鏈路數量無關。

1.3.3 網路的網路

端系統經過一個接入ISP與因特網相連，而這些ISP自身必須互連。通過建立網路的網路可以做到這一點。

現在的網路情況：

1.4 分組交換網中的時延、丟包和吞吐量

計算機網路限制在端系統之間的吞吐量，在端系統之間引入時延，而且實際上能夠丟失分組。

1.4.1 分組交換網中的時延概念

時延的型別：

1）結點處理時延(nodal processing delay)：檢查分組首部和決定將該分組導向何處所需的時間是處理時延的一部分。（微秒或更低數量級）

2）排隊時延(queuing delay)：在佇列中，當分組在鏈路上等待傳輸時，它經受排隊時延。(毫秒到微秒)

3）傳輸時延(transmission delay)：用L位元表示分組的長度，用R bps表示從路由器A到路由器B的鏈路傳輸速率。則傳輸時延 = L/R。（通常是毫秒到微秒級）

4）傳播時延(propagation delay)：一個位元被推向鏈路，該位元需要向路由器B傳播。從鏈路起點到路由器B傳播所需要的時間。速率為s = 2~3*10^8m/s，若距離為d。則傳播時延 = d/s。（毫秒級）

5）結點總時延(total nodal delay)：以上時延總體累加起來。

1.4.2 排隊時延和丟包

結點時延的最為複雜和有趣的成分是排隊時延。排隊時延對不同的分組可能是不同的。

假設令a表示分組到達佇列的平均速率(a的單位是分組/秒，即pkt/s)。R是傳輸速率，分組的大小為L位元。則分組到達佇列的平均速率為La bps。假設該佇列非常大，則La/R被稱為流量強度。如果La/R > 1，則排隊時延將趨向無線大。

則：設計系統時流量強度不能大於1.

實際上，一條鏈路的前端只能有限的容量，當流量強度大於1，很容易丟包。

1.4.3 端到端時延

假設排隊時延是微不足道的，d = N(dproc + dtran + dprop)

1.4.4 計算機網路中的吞吐量

瞬時吞吐量(instantaneous throuhput)：從主機A向主機B傳輸檔案，主機B接收到該檔案的速度。(個人理解，即下載時的顯示的網路下載速率)。

平均吞吐量(average throughput)：該檔案由F位元組成，主機B接收到所有F位元用了T秒，則檔案傳送的平均吞吐量為 F/T bps。

今天因熱網中對吞吐量的限制因素通常是接入網。吐吞量取決於資料流過的鏈路的傳輸速率。

1.5 協議層次及其服務模型

1.5.1 分層的體系結構

網路設計者以分層的方式組織協議以及實現這些協議的網路硬體和軟體。一個協議層能夠用軟體、硬體或兩者的結合來實現。

1）應用層

應用層是網路應用程式及它們的應用層協議存留的地方。因特網的應用層包括許多協議，例如：

HTTP ： 提供了Web文件的請求和傳送。

SMTP：提供了電子郵件報文的傳輸。

FTP：提供了兩個端系統之間的檔案傳送。

DNS：域名系統。

報文(message)：一個端系統中的應用程式使用協議與另一個端系統中的應用程式交換資訊的分組。

2）運輸層

因特網的運輸層在應用程式端點之間傳送應用層報文。在因特網中，有兩個運輸協議，即TCP和UDP，利用其中的任一個都能運輸應用層報文。

TCP向它的應用程式提供了面向連線的服務，這種服務包括了應用層報文向目的地的確保傳遞和流量控制（即傳送方/接收方速率匹配）。TCP也將長報文劃分為短報文，並提供擁塞控制機制，因此當網路擁塞時，源抑制其傳輸速率。

UDP協議向它的應用程式提供無連線服務，這是一種不提供不必要服務的服務，沒有可靠性，沒有流量控制，沒有擁塞控制。

報文段(segment)：運輸層分組。

3）網路層

網路層負責將網路層分組(資料報,datagram)從一臺主機移動到另一臺主機。在一臺源主機中，因特網運輸層協議(TCP或UDP)向網路層遞交運輸層報文段和目的地址。

網路層包括的協議：

IP協議：該協議定義了在資料報中的各個欄位以及端系統和路由器如何作用於這些欄位。

路由選擇協議：使得資料報根據該路由從源傳輸到目的地。

網路層通常也稱為IP層。

4）鏈路層

因特網的網路層通過源和目的地之間的一系列路由器路由資料報。網路層將資料報下傳給鏈路層，鏈路層沿著路徑將資料報傳遞給下一個結點。在下個結點，鏈路層將資料報上傳給網路層。

鏈路層的例子包括乙太網、WiFi和電纜接入網的DOCDIS協議。資料報從源到目的地傳送通常需要經過幾條鏈路，一個數據報可能被沿途不同鏈路上的不同鏈路層協議處理。

鏈路層通常有交換機和路由器。

把鏈路層分組稱為幀(frame)。

5）物理層

鏈路層的任務是將整個幀從一個網路元素移動到鄰近的網路元素，而物理層的任務是將該幀中的一個一個位元從一個結點移動到下一個結點。

例如乙太網的物理層協議：雙絞銅線、同軸電纜、光纖等等。

PS:OSI模型多了表示層和會話層。

表示層的作用是使通訊的應用程式能夠解釋交換資料的含義。

會話層提供了資料交換定界和同步功能，包括了建立檢查點和恢復方案的方法。

因特網缺少了OSI參考模型中建立的兩個層次：這留給應用程式開發者處理。

1.5.2 封裝

資料從傳送端系統的協議棧向下，向上和向下經過中間的鏈路層交換機和路由器的協議棧。路由器和鏈路層交換機都是分組交換機。而路由器和鏈路層交換機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。所以，因特網的路由器能夠實現IP協議，而鏈路層交換機不能。儘管鏈路層交換機不能識別IP地址，但它們能夠識別第二層地址，如乙太網地址。主機實現了5個層次。

封裝：

在傳送主機端，一個應用層報文M(application-layer message)被傳送給運輸層。在簡單情況下，運輸層收取到報文並附上附加資訊(所謂運輸層首部資訊Ht)，該首部將被接收端的運輸層使用。應用層報文和運輸層首部資訊一道構成了運輸層報文段(transport-layer segment)。運輸層報文段因此封裝了應用層報文，附加的資訊也許包含下列資訊：①允許接收端運輸層向上向適當的應用程式交付報文資訊②差錯檢測資訊③該資訊讓接收方能夠判斷報文中的位元是否在途中已被改變。

網路層增加了如源目的端系統地址等網路層首部資訊(Hn)，產生網路層資料報(network-layer datagram)。該資料報接下來被傳遞給鏈路層，鏈路層增加它自己的鏈路層首部資訊並建立鏈路層幀(link-layer frame)。

所以，我們看到在每一層，一個分組具有兩種型別的欄位：首部欄位和有效載荷欄位(payload field)。有效載荷通常是來自上一層的分組。

1.6 面對攻擊的網路