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  • 1 因特網

    因特網:一個世界范圍的計算機網絡,即它是一個互聯了遍及全世界的數以億計的計算設備的網絡。
    用因特網術語來說,所有這些設備都稱為主機(host)或端系統(end system)。主機=端系統。

    1.1 端系統

    端系統通過通信鏈路和分組交換機連接到一起(通信鏈路-傳輸;分組交換機-轉發)。
    不同類型的通信鏈路由不同類型的物理媒體組成,如同軸電纜、銅線、光纖和無線電頻譜。
    當今市面上最流行的兩種分組交換機類型是路由器和鏈路層交換機。鏈路層交換機通常用于接入網中,而路由器通常用于網絡核心中。

    1.2 ISP

    端系統通過因特網服務提供商(Internet Service Provider,
    ISP)接入因特網。每個ISP是一個由多個分組交換機和多段通信鏈路組成的網絡。
    與因特網相連的端系統提供了一個應用程序編程接口(Application Programming Interface,
    API),API規定了運行在一個端系統上的軟件請求因特網基礎設施向運行在另一個端系統上的特定目的地軟件交付數據的方式。

    1.3 分組和路徑

    當一臺端系統要向另一臺端系統發送數據時,發送端系統將數據分段,并為每段加上首部字節。由此形成的信息包用計算機網絡的術語來說稱為分組(packet)。這些分組通過網絡發送到目的端系統,在那里被裝配成初始數據。
    從發送端系統到接收端系統,一個分組所經歷的一系列通信鏈路和分組交換機稱為通過該網絡的路徑。

    1.4 協議

    端系統、分組交換機和其他因特網部件都要運行一系列協議(protocol),這些協議控制因特網中信息的接收和發送。TCP(Transmission
    Control Protocol, 傳輸控制協議)和IP(Internet Protocol, 網際協議)是因特網中兩個最為重要的協議。
    一個協議定義了在兩個或多個通信實體之間交換的報文格式和次序,以及報文發送和/或接收一條報文或其他事件所采取的動作。
    掌握計算機網絡領域知識的過程就是理解網絡協議的構成、原理和工作方式。

    2 端系統

    端系統有時被進一步劃分為客戶(client)和服務器(server)。

    2.1 接入網

    接入網:將端系統連接到其邊緣路由器的物理鏈路。
    邊緣路由器:端系統到任何其他遠程端系統的路徑上的第一臺路由器。

    寬帶住宅接入有兩種最流行的類型:數字用戶線(Digital Subscriber Line, DSL)和電纜。

    DSL利用了本地電話公司現有的的本地電話基礎設施。使用DSL時,每個用戶的DSL調制解調器使用現有的電話線與位于本地電話公司的本地中心局中的數字用戶線接入復用器(DSLAM)來交換數據。

    電纜因特網接入利用了有線電視公司現有的有線電視基礎設施。光纜將電纜頭端連接到地區樞紐,從這里使用傳統的同軸電纜到達各家各戶和公寓。電纜調制解調器端接系統(CMTS)起到如同DSL網絡的DSLAM類似的功能,即將來自許多下行家庭中的電纜調制解調器發送的模擬信號轉換回數字形式。

    本書出版時還有一種新興技術:光纖入戶(Fiber To The Home,
    FTTH),從本地中心局直接到家庭提供一條光纖路徑。一般來說,從中心局出來的每根光纖實際上由許多家庭共享,直到相對接近這些家庭的位置,該光纖才分成每戶一根光纖。進行這種劃分的有兩種競爭性的光纖分布體系結構:主動光纖網絡(AON)和被動光纖網絡(PON)。

    下圖是使用PON分布體系結構的FTTH。每個家庭具有一個光纖網絡端接器(ONT),在每個家庭中,用戶將一臺家庭路由器與ONT相連,ONT再由專門的光纖連接到鄰近的分配器。分配器把一些家庭集結到一根共享的光纖,該光纖再連接到本地電話和公司的中心局中的光纖線路端接器(OLT)。OLT提供了光信號和電信號之間的轉換,經過本地電話公司路由器與因特網相連。

    在PON體系中,所有從OLT發送到分配器的分組在分配器處復制。

    以太網:在公司和大學校園以及在越來越多的家庭環境中,通常是用局域網(LAN)將端用戶連接到邊緣路由器。以太網是當前最為流行的接入技術。
    以太網用戶使用雙絞銅線與一臺以太網交換機相連,形成交換機網絡,再與更大的因特網相連。

    無線LAN:基于IEEE 802.11技術的無線LAN接入,更為通俗地稱為WiFi,目前幾乎無處不在。

    2.2 物理媒體

    物理媒體劃分為兩類:導引型媒體和非導引型媒體。對于導引型媒體,電波沿著固體媒體前行,如光纜、雙絞銅線或同軸電纜。對于非導引型媒體,電波在空氣或外層空間中傳播,如無線局域網或數字衛星頻道。

    雙絞銅線:最便宜,最為普遍。由兩根隔離的銅線組成,每根大約1mm粗,以規則的螺旋形式排列著。通常許多雙絞線捆扎在一起形成一條電纜。
    同軸電纜:由兩個銅導體組成,但是這兩個導體是同心的而不是并行的。
    光纖:一種細而柔軟的、能夠導引光脈沖的媒體,每個脈沖表示一個比特。
    陸地無線電信道:無線電信道承載電磁頻譜中的信號,不需要安裝物理線路,并具有穿透墻壁、提供與移動用戶的連接以及長距離承載信號的能力。

    衛星無線電信道:一顆通信衛星連接兩個或多個位于地球的微波發射方/接收方,它們被稱為地面站。該衛星在一個頻段上接收數據,使用一個轉發器再生信號,并在另一個頻率上傳輸信號。通信中常使用兩類衛星:同步衛星和近地軌道衛星。

    3 網絡核心

    3.1 分組交換

    在各種網絡應用中,端系統彼此交換報文(message)。
    未來從源端系統向目的端系統發送一個報文,源將長報文劃分為較小的數據塊,稱之為分組(packet)。
    在源和目的之間,每個分組都通過通信鏈路和分組交換機(packet switch)。

    存儲轉發機制:在交換機能夠開始向輸出鏈路傳輸該分組的第一個比特之前,必須接收到整個分組。
    輸出緩存:對于每條相連的鏈路,分組交換機具有一個輸出緩存。

    分組丟失:緩存空間的大小是有限的,一個到達的分組可能發現該緩存已被其他等待傳輸的分組完全充滿了,在這種情況下將出現分組丟失,即丟包。到達的分組或已經排隊的分組之一將被丟棄。

    轉發表:每臺路由器具有一個轉發表,用于將目的地址映射成為輸出鏈路。

    3.2 電路交換

    在電路交換網絡中,在端系統間通信會話期間,預留了端系統間通信沿路徑所需要的資源(緩存、鏈路傳輸速率)。

    鏈路中的電路是通過頻分復用(FDM)或時分復用(TDM)來實現的。

    對于FDM,鏈路的頻譜由跨越鏈路創建的所有連接所共享。特別是,在連接期間鏈路為每條連接專用一個頻段。在電話網絡中,這個頻段通常具有4kHz的寬度,該頻段的寬度稱為帶寬。

    分組交換的性能優于電路交換。

    3.3 網絡的網絡

    因為因特網是由數以億計的用戶構成的,所以接入ISP自身必須互聯。通過創建網絡的網絡可以做到這一點。
    本質上是將接入ISP當作客戶,將區域ISP當作提供商,再將區域ISP當作客戶,將更高層級的區域ISP當作提供商,一直到全球承載ISP。

    多宿:每個ISP可以與兩個或更多提供商ISP連接。這樣即使它的提供商之一出現故障,它仍然能夠繼續發送和接收分組。

    對等:能夠將一對ISP的網絡連到一起,使它們之間的所有流量經直接連接而不是通過上游的中間ISP傳輸。因特網交換點(IXP):一個匯合點,多個ISP能夠在這里共同對等。

    內容提供商網絡:如google。

    4 分組交換網中的時延、丟包和吞吐量

    4.1 時延

    時延:分組從一臺主機(源)出發,通過一系列路由器傳輸,在另一臺主機(目的地)中結束它的歷程。當分組從一個結點(主機或路由器)沿著這條路徑到后繼結點(主機或路由器),該分組在沿途的每個結點經受了幾種不同類型的時延。這些時延最為重要的是結點處理時延、排隊時延、傳輸時延和傳播時延,這些時延總體累加起來是結點總時延。

    傳輸時延是路由器將分組推出所需要的時間,與分組長度和鏈路傳輸速率有關。
    傳播時延是一個比特從一臺路由器向另一臺路由器傳播所需要的時間,與兩臺路由器之間距離有關。

    4.2 排隊時延和丟包

    令a表示分組到達隊列的平均速率(ptk/s, 分組/秒),R是傳輸速率(bps, 比特/秒),假定所有分組都是由L比特組成的。比率La/R被稱為流量強度。
    流量工程中有一條鐵律是,流量強度不能大于1。

    在現實中,一條鏈路前的隊列只有有限的容量,當分組到達時發現隊列是滿的,由于沒有地方存儲這個分組,路由器將丟棄(drop)該分組,該分組會丟失(lost)。

    4.3 吞吐量

    每秒能夠傳送的數據量(bps, 比特/秒)。

    5 協議層次及其服務模型

    5.1 協議分層

    網絡設計者以分層(layer)的方式組織協議以及實現這些協議的網絡硬件和軟件。
    各層的所有協議被稱為協議棧。因特網的協議棧由5個層次組成:物理層、鏈路層、網絡層、運輸層和應用層。

    常見的協議有:
    應用層:HTTP、SMTP、FTP、DNS等協議。
    運輸層:TCP、UDP協議。
    網絡層:IP協議。
    鏈路層:一些鏈路層協議。
    物理層:一些物理層協議。

    信息分組
    在應用層被稱為報文(message);
    在運輸層被稱為報文段(segment);
    在網絡層被稱為數據報(datagram);
    在鏈路層被稱為幀(frame)。

    5.2 封裝

    在發送主機端,一個應用層報文被傳送給運輸層,運輸層收到報文后會在報文首部附上附加信息,應用層報文和運輸層首部信息一同構成了運輸層報文段。運輸層向網絡層傳遞該報文段,網絡層又會增加網絡層首部信息,產生網絡層數據報。該數據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信息,產生鏈路層幀。

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