计算机网络和因特网

计算机网络和因特网

勾画出计算机网络的概貌。

一、因特网

用两种方式回答什么是因特网的问题。一、描述因特网的具体构成，即构成因特网的基本硬件和软件组件。二、根据为分布式应用提供服务的联网基础设施来描述因特网。

1.1具体构成

• 主机（端系统） 端系统通过通信链路和分组交换机连接在一起。

• 通信链路 链路的传输速率以比特/秒度量。当一台端系统向另一台端系统发送数据时，发送端将数据分段，并为每段加上首部字节。由此形成的信息包成为分组（packet）。

• 分组交换机 从它的一条入通信链路接受到达的分组，从一条出通信链路转发该分组。两种著名的类型是路由器和链路层交换机。链路层交换机通常用于接入网中，路由器通常用于网络核心中。从发送端到接收端，一个分组所经历的的一系列通信链路和分组交换机成为通过该网络的路径（route或path）。

• 因特尔服务提供商（ISP）端系统通过ISP接入因特网。每个ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。ISP必须互联，底层ISP通过高层ISP互联，高层ISP是由通过高速光纤链路互联的高速路由器组成。ISP独立管理，运行IP协议。协议协议控制因特网中信息的接受和发送。TCP（Transmission Control Protocol），IP（Internet Protocol）。IP协议定义了在路由器和端系统之间发送和接受的分组格式。因特网的主要协议统称为TCP/IP。

1.2服务描述

分布式应用程序 涉及多台相互交换数据的端系统。

与因特网相连的端系统提供了一个应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），该API规定了运行在一个端系统上的软件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软件交付数据的方式。

1.3协议

一个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，以及报文发送和/或接受一条报文或其他事件所采取的的动作。例如，在两台物理上连接的计算机中，硬件实现的协议控制了在两块网络接口卡间的“线上：比特流；在端系统中，拥塞控制协议控制了在发送方和接受方之间传输的分组发送的速率。

例如，当向一个Web服务器发送请求时，计算机将向Web服务器发送一条连接请求报文，并等待回答。服务器接收到连接请求报文，并返回一条连接响应报文。得知请求该Web文档正常之后，计算机在一条GET报文中发送要从这台服务器上取回的网页名字。最后，服务器向计算机返回Web网页（文件）。

二.网络边缘

端系统位于英特网的边缘。端系统又称主机，主机被分为两类：客户（client）和服务器（server）。

2.1接入网

接入网（access network）是指将端系统连接到其边缘路由器的物理链路。边缘路由器是端系统到任何其它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

  FTTH（Fiber To The Home）即光纤到户。有两种光纤分布体系结构：主动光纤网络（AON）和被动光纤网络（PON）。

  PON：每个家庭具有一个光纤网络端接器（ONT），它由专门的光纤连接到邻近的分配器。该分配器把一些家庭集结到一个共享的光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤线路端接器（OLT），该端接器提供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：以太网和WiFi

• 广域无线接入：3G/4G和LTE

  LTE（Long-Term Evolution）。

2.2物理媒体

为了定义物理媒体所表示的内容，考虑一个比特从一个端系统开始通过一系列链路和路由器到达另一个端系统。源端系统首先传输这个比特，接着第一台路由器接受该比特；第一台路由器传输，第二台路由器接受；等等。通过一系列“传输器-接收器”对。每个传输器-接收器对，通过跨越一种物理媒体传播电磁波或光脉冲来发送该比特。

• 双绞铜线
• 同轴电缆
• 光纤
• 陆地无线电信道 分为三类：很短距离；局域；广域
• 卫星无线电信道

三、网络核心

网络核心，即由互联因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络。

3.1分组交换

通过网络链路和交换机移动数据有两种基本方法：分组交换和电路交换。

在各种网络应用中，端系统彼此交换报文。为了从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，称为分组。在源和目的之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机传送。

存储转发

多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制，即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，必须接受到整个分组。

排队时延和分组丢失

每个分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存（也称为输出队列），它用于存储路由器发往那条链路的分组。如果到达的分组需要传输到某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该分组必须在输出缓存中等待。因此，分组要承受输出缓存的排队时延。缓存空间是有限的，一个到达的分组可能发现该缓存已经被完全充满了，在此情况下将出现分组丢失（丢包），到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃。

转发表与路由选择协议

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。当一个分组到达网络中的路由器时，路由器检查该分组的目的地址的一部分，并向一台相邻路由器转发该分组。每台路由器具有一个转发表（forwarding table），用于将目的地址映射为输出链路。当某分组到达一台路由器时，路由器检查该地址，并用这个地址搜索器转发表，已发现适当的出链路。路由器将分组导向出链路。

因特网具有一些特殊的路由选择协议（routing protocol），用于自动的设置这些转发表。例如，一个路由选择协议可以决定从每台路由器到每个目的地的最短路径，并使用这些最短路径来配置路由器中的转发表。

3.2电路交换

在电路交换网络中，在端系统间通信会话期间，预留了端系统间通信沿路径所需要的资源（缓存，链路传输速率等）。在分组交换网络中，这些资源是不预留的；会话的报文按需使用这些资源，其后果是可能不得不等待（即排队）接入通信线路。

电路交换网络中的复用

链路中的电路通过频分复用（FDM）或时分复用（TDM）来实现。

分组交换与电路交换的区别

电路交换不考虑需求，而预先分配了传输链路的使用，这使得已分配而并不需要的链路时间未被利用。分组交换按需分配链路的使用。链路传输能力将在所有用户之间逐分组地被共享，这些用户有分组需要在链路上传输。

3.3网络的网络

端系统经过一个接入ISP与因特网相连。接入ISP自身必须互联，通过创建网络的网络可以做到这一点。

逐步递进建造一系列网络结构，其中每个新结构都更好的接近现有的复杂因特网。

• 网络结构一：用单一的全球承载ISP互联接入所有ISP。

• 网络结构二：由数十万接入ISP和多个全球承载ISP组成。这些全球承载ISP必须是互联的。这是一种2层的等级结构。在任何给定的区域，可能有一个区域ISP，每个区域ISP与第一层ISP（tier-1 ISP）连接。第一层ISP类似于全球承载ISP。

• 网络结构三：在任何给定的区域，可能有一个区域ISP，每个区域ISP与第一层ISP（tier-1 ISP）连接。第一层ISP类似于全球承载ISP。在某些区域，可能有较大的区域ISP，区域中较小的区域ISP与之相连，较大的区域ISP则与第一层ISP连接。

• 网络结构四：在等级结构的网络结构三上增加存在点（Point of Presence， PoP）、多宿、对等和因特网交换点（IXP）。PoP存在于等级结构的所有层次，但底层（接入ISP）除外。一个PoP只是提供商网络中的一台或多台路由器群组。任何ISP（除了第一层ISP）可以选择为多宿，即可以与两个或更多提供商ISP连接。位于相同等级结构层次的邻近一对ISP能够对等（peer），即能够直接将它们的网络连到一起，使他们之间的所有流量经直接连接而不是通过上游的中间ISP传输。第三方公司创建一个因特网交换点，多个ISP能够在这里共同对等。

• 网络结构五：在网络结构四顶部增加内容提供商网络。

四、分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

4.1时延概述

最为重要的是结点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。

处理时延：检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间；检查比特级别的差错所需要的时间等。

排队时延：在队列中，当分组在链路上等待传输时，经受传输时延。

传输时延：将分组的比特传输向链路所需要的时间。

传播时延：被推向链路后，比特从起点到下一个路由器传播所需要的时间。

4.2丢包

一条链路前的队列只有有限的容量，到达的分组可能发现一个满的队列。由于没有地方存储这个分组，路由器将丢弃该分组。

五、协议层次及其服务模型

5.1分层的体系结构

5.1.1协议分层

网络设计者以分层（layer）的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件。

各层的所有协议被称为协议栈（protocol stack）。因特网的协议栈由5个层次组成：物理层、链路层、网络层、运输层和应用层。

（1）应用层

应用层是网络应用程序以及它们的应用层协议存留的地方。包括许多协议，例如HTTP（它提供了Web文档的请求和传送），SMTP（它提供了电子邮件报文的传输）和FTP（它提供了两个端系统之间的文件传送）。

应用层协议分布在多个端系统上，一个端系统中的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用层程序交换信息的分组。把这种位于应用层的信息分组称为报文（message）。

（2）运输层

运输层在应用程序端点之间传送应用层报文。在因特网中有两个运输协议，即TCP和UDP。TCP向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务包括了应用层报文向目的地的确保传递和流量控制。TCP也将长报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。把运输层分组称为报文段（segment）。

（3）网络层

网络层负责将称为数据报 （datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。在一台源主机中的因特网运输层协议向网络层递交运输层报文段和目的地址。

网络层包括IP协议，该协议定义了在数据报中的各个字段以及端系统和路由器如何作用于这些字段。网络层也包括决定路由的路由选择协议，它使得数据报根据该路由从源传输到目的地。

通常把它简单称为IP层。

（4）链路层

网络层依靠链路层将分组从一结点（路由器或主机）移动到路径上的下一个结点。在每个结点，网络层将数据报下传到链路层，链路层沿着路径将数据报传递给下一个结点。在下个结点，链路层将数据报上上传给网络层。

链路层的例子包括以太网、WiFi和电缆接入网的DOCSIS协议。把链路层分组称为帧（frame）。

（5）物理层

链路层的任务是将整个帧从一个网络元素移动到另一个网络元素，而物理层任务是将该帧中的一个一个比特从一个结点移动到下一个结点。

5.1.2OSI模型

OSI参考模型的7层是：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。表示层的作用是使通信的应用程序能够解释交换数据的含义。会话层提供了数据交换定界和同步功能。

5.2封装

与端系统类似，路由器和链路层交换机以多层次的方式组织它们的网络硬件和软件。链路层交换机实现了第一层和第二层；路由器实现了第三层到第三层。这意味着路由器能够实现IP协议，而链路层不能，但能识别第二层地址，如以太网地址。

封装：在发送主机端，一个应用层报文被传输给运输层，运输层收到报文并附上附加信息，该首部将被接收端的运输层使用。应用层报文和运输层首部信息一道构成了运输层报文段。运输层报文段因此封装了应用层报文。运输层则向网络层传递该报文段，网络层增加了如源和目的地端系统地址等网络层首部信息，产生了网络层数据报。该数据报传递给链路层，链路层增加它自己的链路层首部信息并创建链路层帧。