1 网络概述

1 网络概述

1.1 什么是因特网

1.1.1 具体构成描述

因特网（Internet）是一个世界范围的计算机网络（Computer Network）。

因特网互联了遍及全世界的数十亿计算设备，这些传统或非传统的设备称为主机（host）或端系统（end system）。

端系统通过通信链路（communication link）和分组交换机（packet switch）的网络连接到一起。

两种常见的分组交换机分别是网络层的路由器（router）和数据链路层的链路层交换机（link-layer switch）。

• 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。

端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider, ISP）接入因特网。

端系统、分组交换机和其他因特网部件都要运行多个协议（protocol）。

1.1.2 协议

协议（protocol）：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，以及报文的发送/接收或其他事件所采取的操作。

即协议的三要素：语法、语义、时序。

协议分层

• 原则：每层功能清晰明确，层间接口明确，保持层次独立性。
• 好处：提供了一种结构化方式讨论系统组件，更新系统组件更为容易，简化网络设计，促进标准化。
• 坏处：较高层可能冗余较低层的功能，某层可能需要仅在其他层出现的信息。
• 封装（encapsulation）：发送数据时，从应用层向下传递，经过的每层都要加上头部信息；在接收端，从物理层向上传递，经过的每层都要剥离头部信息。

层次	分组（单元）	功能	协议
应用层（Application Layer）	报文（message）	网络应用程序及其应用层协议存留的地方	HTTP、SMTP、FTP、DNS
运输层（Transport Layer）	报文段（segment）	进程间的数据传递	TCP、UDP
网络层（Network Layer）	数据报（datagram）	主机间的数据传递	IP、OSPF、BGP、ICMP
数据链路层（Data Link Layer）	帧（frame）	局域网内的数据传递	MAC、ARP
物理层（Physical Layer）	比特（bit）	节点间的数据传递	以太网中的物理层协议

1.2 计算机网络的组成

1.2.1 网络边缘（Network Edge）

网络边缘：由端系统和运行在其上的应用程序组成。

端系统/主机：与因特网相连的计算机和其他设备，由于这些设备位于网络边缘，故称端系统。

端系统分为：客户（client）和服务器（server）。

1.2.2 接入网（Access Network）

接入网：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：端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。

几个环境

• 家庭接入：数字用户线（Digital Subscriber Line, DSL）、电缆、光纤到户（Fiber To The Home, FTTH）、5G固定式无线。
• 企业（和家庭）接入：以太网（Ethernet）、WiFi。
• 广域无线接入：3G、LTE 4G、5G。

1.2.3 网络核心（Network Core）

网络核心：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。

1.2.3.1 分组交换（Packet Switching）

分组（packet）：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。

分组交换：分组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通过通信链路。

存储转发传输（store-and-forward transmission）：在交换机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。

时延（delay）

• 节点处理时延（nodal processing delay）：检查分组首部、差错检测、决定将该分组导向何处。

• 排队时延（queuing delay）：分组在链路上等待传输。

• 传输时延（transmission delay）：将分组所有比特推向链路所需要的时间。（类比收费站服务时间）

• 传播时延（propagation delay）：两个节点之间的传播时间，取决于链路的物理媒介。（类比高速路行驶时间）

• 节点时延：以上四个时延之和。

• 端到端时延：假设源主机和目的主机间有N-1台路由器（即N条链路），若网络无拥塞（不考虑排队时延），则端到端时延为
  $$
  d_{end-end}=N*(d_{proc}+d_{trans}+d_{prop})
  $$

丢包（packet loss）

• 分组丢失（丢包）：节点的缓存空间是有限的，当缓存空间被充满，新到达的分组将会被丢弃。

吞吐量（throughput）

• 瞬时吞吐量：接收方主机接受到文件的速率（bps）。
• 平均吞吐量：设文件大小为F bit，接收方主机接收到该文件总计用时T s，则平均吞吐量为F/T bps。
• 瓶颈链路（bottleneck link）：吞吐量最小的一条链路，该链路制约整条链路的吞吐量。
• 在今天，因特网中对吞吐量的限制因素通常是接入网。

1.2.3.2 电路交换（Circuit Switching）

电路交换：在端系统间通信会话期间，预留了端系统间沿路径通信所需要的资源（缓存、链路传输速率）。

复用（multiplexing）

• 频分复用（Frequency-Division Multiplexing, FDM）：频域被分割为不同的频段，某一频段的宽度称为带宽（bandwidth）。
• 时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）：时域被分割为等长的帧，每帧分为多个时隙，每个时隙传输一个连接的数据。

1.3 对网络的攻击

1.3.1 有害程序经网络进入端系统

恶意软件（malware）：一般是自我复制的（self-replicating），可以从感染主机经网络扩散到与之相关的更多的主机。

僵尸网络（botnet）：受害设备网络。

1.3.2 攻击服务器和网络基础设施

拒绝服务攻击（Denial-of-Service (DoS) attack）：使网络、主机或其他基础设施部分不能由合法用户使用。

• 弱点攻击：向目标主机上易受攻击的应用程序或操作系统发送攻击报文。
• 带宽洪泛：向目标主机发送大量分组，使目标的接入链路变得拥塞，合法分组无法到达服务器。
• 连接洪泛：在目标主机中创建大量的TCP连接，该主机资源被伪造连接占用，从而拒绝合法连接。

1.3.3 嗅探分组

分组嗅探器（packet sniffer）：记录每个流经的分组副本（可能包含很多个人或机密信息）的被动接收机。

1.3.4 冒充用户

IP哄骗：将具有虚假源地址的分组注入网络的能力。

1.4 计算机网络和因特网的历史

1960s：计算机网络的开端，电话网（电路交换）。

1967-1972：第一个分组交换计算机网络ARPAnet，该网络端系统之间的第一台主机到主机协议NCP（网络控制协议）。

1972-1980：专用网络和网络互联（internetting），完成了TCP，UDP，IP协议，ALOHA协议——第一个多路访问协议。

19830101：TCP/IP替代了NCP。

1990s：因特网爆炸，www，email，web，即时通信，MP3的P2P文件共享。

2000+：家庭接入、高速无线因特网接入、在线社交网络、专用网络、云。