第1章 计算机网络和因特网
因特网
因特网是世界范围的计算机网络，参与因特网互联的计算设备称为主机或端系统，端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。对不同的通信链路有着不同的度量值，其中一个比较重要的是链路的传输速率。
当一台端系统像另一端系统发送数据时，发送端会把数据分段并分别加上首部字节，再由接收端整合，这些分段形成的数据包被称为分组 pack。
在通信链路中又很多种各具特色的分组交换机，今天最常见的是路由器和链路层交换机，前者通常用于网络核心，而后者通常用于接入网。
端系统通过因特网服务提供商 ISP接入因特网，每个 ISP 自身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络，较低层的 ISP 由更高层的 ISP 互连起来。
端系统、分组交换机和其它因特网部件都要运行一系列协议，用于控制因特网种信息的接收和发送。因特网标准用于定义和规范这些协议，其标准文档被称为请求评论 RFC。协议定义了通信实体之间交换报文的格式和顺序，以及应该采取的动作。
若从“为应用程序提供服务的基础设施”这一角度描述因特网，称涉及多个相互交换数据的端系统的程序为分布式应用程序，而与因特网相连的端系统为应用程序提供了套接字接口，规定了不同端系统上数据交付的法则。
网络边缘
端系统又称主机，有时也进一步分为客户 client和服务器 server 两类。
接入网
接入网指的是将端系统物理连接到其边缘服务器的网络，边缘路由器是端系统到其他任何远程端系统路径上的第一台路由器。在家庭接入中，最常用的是数字用户线 DSL 和电缆。
当使用 DSL 时，用户的本地电话公司就是其 ISP。用户的 DSL 调制解调器使用现有电话线（即双绞铜线）与电话公司交换数据。由于电话线同时承载了数据和传统电话信号，故需采用不同频率进行编码，从高到低分别有高速下行信道（50kHz至1MHz）、中速上行信道（4kHZ至50kHz）和普通双向电话信道（0至4kHz）。DSL 标准定义了多个传输速率，通常上下行是不对称的，但实际速率可能由于运营商的限制、距离、双绞线的规格和电气干扰程度而有所不同。
电缆因特网接入利用的是有线电视公司已有的基础设施，这一系统应用了光纤和同轴线缆，所以又称混合光纤同轴 HFC 系统。其需要一个电缆调制解调器来转换模拟信号和数字信号，上下行通常也是不对称的，并且由于商业因素和媒介损耗可能不一定能达到最大速率。
一种更高速的新兴技术是光纤到户，即直接提供本地中心局到家庭的光纤路径，速率更快。另外还有卫星链路和传统电话线拨号接入两种方式，分别用于一些特殊场景。
现代网络更多地采用局域网 LAN将端系统连接到边缘路由器，目前最流行的局域网技术是以太网。而对于无线 LAN 的情况则通常采用基于 IEEE 802.11技术的无线 LAN 接入，也称 WiFi。
广域无线接入也有 3G 和 LTE 等技术，这一技术允许用户位于基站数万米距离内几个通信。
物理媒介
信息从源到目的地传输时，需要跨越若干物理媒介，这些物理媒介可以简单地分为导引型媒介和非导引型媒介，前者电波沿着固体媒介前行（如光缆、双绞铜线、同轴电缆），后者则是电波在空气或外层空间中传播（如无线局域网，数字卫星频道）。物理链路的实际成本与其它网络成本相比通常是较小的。
最便宜且最常用的是双绞铜线，由两根绝缘的铜线组成，每根大约 1mm 粗，以规则的螺旋排列。这两根线被绞合起来以减少邻近类似双绞线的电气干扰，多根双绞线捆扎在一起形成电缆，并在外面再覆盖一层保护性防护层。无屏蔽双绞线常用于局域网和住宅因特网接入。
同轴电缆也是由两个铜导体组成，但是同心的而不是并行的，能够以更高的速率传输，在电视系统中相当普遍。在电缆电视和电缆因特网接入中，发射设备将数字信号调制到某个特定频段，产生模拟信号发送到一个或多个接收方。许多端系统能直接与电缆相连，每个端系统都能接收由其它端系统发送的内容。
光纤能够引导光脉冲，能支持极高的比特速率，不受电磁干扰，衰减低且难窃听。这些特性使得光纤称为长途导引型传输媒介，特别是跨海链路。但其设备成本也要更高。
无线电信道承载电磁频谱中的信号，不需要安装物理线路，能提供远距离信号传输能力。其具体特性依赖于传播环境和信号传输的距离，包括短距离（如蓝牙）、局域距离（如无线 LAN 技术）、广域距离（如蜂窝接入技术）和卫星无线电信道。
网络核心
网络核心：即由互联网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络。
通过网络和交换机移动数据有两种基本方式：分组交换和电路交换。前者在端系统通信期间不会预留沿路径需要的各类资源（包括缓存，链路传输速率等），而后者会保留。
分组交换
端系统彼此交换报文 message以完成应用功能，报文一般被设计成所需求的控制功能或数据。
当源向目的发送一个报文时，源会将长报文划分为较小的数据块，称为分组 packet，而分组通过通信链路和分组交换机进行传送。
存储转发传输：多数分组交换机在链路的输入端采取存储转发传输的机制，即在交换机能够向输出链路传输该分组的第一个比特前，必须已经接收到了完整的分组。在这一部分中，会有一个存储转发时延。
排队时延和分组丢失：对于输出，分组交换机也有输出缓存，因为到达输出口的分组可能需要等待链路上其它分组传输完毕。这会带来排队时延。同时，缓存的大小是有限的，当缓存已满且又到来了新的分组时，根据决策新的分组或已经在排队的分组之一将会被丢弃，称为丢包。
转发表和路由选择协议：在因特网中，每个端系统具有一个 IP 地址，且每个分组中都会在首部包含目的地的 IP 地址。而在路由器中有一个转发表将目的地址与输出链路联系起来。当分组到达交换机时，路由器会检查其首部并对照自己的转发表，选择合适的输出链路。而转发表是通过一些路由选择协议来自动设置和跟踪的。
电路交换
传统的电话网络就是电路交换网络的典型例子。通信的两方会建立名副其实的链接，即通信路径上的每台交换机都会为该链接维护连接状态。
在电话的术语中，这样的链接称为电路，而在网络中，有对应的专用端到端连接。
链路中的电路通过频分复用 FDM或时分复用 TDM来实现。对于 FDM，链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享，且链路为每条连接维护专用的频段，其宽度称为带宽。对于 TDM，时间被划分为固定长度的帧，每个帧又被划分为固定数量的时隙，每个连接会被指定一个专有时隙用于传输该连接的数据。
对比
在行为上，电路交换不考虑需求，预先分配了传输链路的使用，这可能使得已分配而并不需要的链路资源未被利用；而分组交换按需分配链路使用，其传输能力为所有需要在链路上传输数据的用户以分组的方式共享。
分组交换比电路交换能更好地进行带宽共享，且更简单、更有效，实现成本更低。但同时，分组交换不适合实时服务（如电话或视频会议）。
网络的网络
今天的因特网已经发展为一个非常复杂的结构，为便于理解这一复杂结构，下面从一个简单的模型开始，逐步描述现代因特网模型。
网络结构1：单一的全球传输 ISP 互联所有的接入 ISP。
网络结构2：多个全球传输 ISP 和数十万接入 ISP。这些全球传输 ISP 之间必须是互联的。这是一种两层的等级结构，全球传输提供商位于顶层，而接入 ISP 位于底层。
网络结构3：分层的结构，每层都有互相竞争的区域 ISP。这一划分可能与地理区域划分有关，上下层 ISP 之间互联，同时还有顶层的全球 ISP 互联。
网络结构4：我们引入存在点 PoP、多宿、对等和因特网交换点 IXP的概念。PoP 是提供商网络中的一台或多台地理位置相同的路由器群组，其中客户 ISP 能和 供应商 ISP 连接。多宿则指的是一个接入 ISP 可以与两个或更多的供应商 ISP 连接。对等指的是相同等级的 ISP 直接相连，使得它们之间的流量不需要经过上层 ISP 就可以直接互相转发。IXP 则是指多个 ISP 对等的汇合点。
网络结构5：在网络结构 4 的顶部添加内容提供网络，这一类的例子包括谷歌的内容提供网络，其数据中心经过专有的 TCP/IP 网络互联，该网络跨越全球且独立于公共因特网，同时谷歌专用网络与较低层的 ISP 对等来绕过因特网的较高层提供服务，不过由于某些 ISP 仅能通过第一层 ISP 连接，专有网络也与第一层 ISP 连接。
分组交换网中的时延、丢包和吞吐量
下面的讨论均建立在分组交换网络上。
时延
主要包括：节点处理时延，排队时延，传输时延和传播时延。这些数量加起来就是节点总时延。
考虑这样一个简单模型，分组从上游节点通过路由器 A 向路由器 B 发送。路由器 A 具有通向路由器 B 的输出链路，且这个链路拥有一个队列缓存。
- 处理时延：包括路由器检查分组首部和进行分组输出到何处的决策的时间，也包括其他一些如检查比特级别差错需要的时间。通常是微秒或更低的数量级。
- 排队时延：分组在链路上等待传输的时间，与流量和正在排队的分组数量有关。通常是毫秒到微秒数量级。
- 传输时延：将分组的所有比特推向链路所需要的时间，取决于路由器的发送速率。通常是毫秒到微秒数量级。
- 传播时延：分组在链路中由 A 出发到达 B 的速率，取决于链路的物理媒介性质和两个路由器之间的物理距离。
对于排队时延，若设 表示分组到达队列的平均速率， 是传输速率， 是包大小，那么 称为流量强度。当这个值大于 1 时，比特到达队列的平均速度大于传输出去的速率，这意味着排队时延将趋向无穷大；而当流量强度小于等于 1 时，具体的排队时延与到达流量的性质有关：若周期性到达，则几乎没有排队时延；而若是突发地到达，则可能会有很大的平均排队时延。
丢包
与排队有关。任何链路的排队缓存都是有限的，当队列满的时候，自然就会出现丢包。分组丢失的比例随着流量强度的增加而增加。
吞吐量
假设这样一个场景：主机 A 跨越计算机网络向主机 B 发送一个大文件。瞬时吞吐量指主机 B 在某一时间瞬间收到文件的速率，对应也有平均吞吐量。
首先可以认识到的是，若网络上仅有这一个数据链路，那么吞吐量就仅与整条网络上链路速率最低的部分有关，即是瓶颈链路的传输速率。而当有其它流量干扰时，网络吞吐率还与干扰流量的性质、网络传输的决策有关。
协议层次及其服务模型
因特网极其复杂，故在网络的组织和维护过程中，人们进行了许多抽象来方便管理，其中两个重要的概念是分层协议和封装。
分层协议
网络设计者用分层的形式组织网络硬件和软件，在这种架构中，每一层向其上面一层提供服务，每一层可以是软件、硬件或两者结合来实现的。
协议分层具有概念化和结构化的优点。模块化使得更新系统组件更为容易。但同时，分层模型也可能带来冗余层的缺点。
我们将各层的所有协议统一起来称为协议栈，现代因特网的协议栈分为 5 层，自上而下分别是：应用层，运输层，网络层，链路层，物理层。
- 应用层：应用层维护网络应用程序以及与它们有关的应用层协议。常见的应用层协议有 HTTP, SMTP, FTP 和 DNS。应用层分组称为报文 message。
- 运输层：在应用程序端点之间传送报文，因特网中有两种运输层协议TCP 和 UDP，前者提供了面向连接的服务，包括确保传输、流量控制和拥塞控制协议，后者提供无连接服务。运输层分组称为报文段 segment。
- 网络层：将数据报 datagram从一台主机移动到另一台主机，这一层中包括网际协议 IP，还包括一些路由选择协议。
- 链路层：将分组从一个节点移动到路径上的下一个节点，链路层提供的服务取决于应用于该链路的特定链路层协议。链路层分组称为帧 frame
- 物理层：将帧中的每一个比特从一个节点移动到下一个节点，与链路的实际传输媒介有关。
OSI 模型：开放系统互连模型，由国际标准化组织提出，包含 7 层：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：使通信的应用程序能够解释交换数据的含义，包括数据压缩解压、数据描述（以解决在不同计算机中可能出现的表示/存储方式的不同）等。 会话层：提供数据交换的定界和同步功能，包括建立检查点和恢复方案的方法。 现代因特网并没有上述两个层，这些功能交由应用程序的开发者处理。
封装
数据在协议栈中，自上而下地经过每一层协议，每一层协议将上一层的全部数据封装进自己的有效载荷字段内，并在前面附上自己的首部信息，然后传给下一层。
由于不同协议对有效载荷字段的长度限制不同，封装可能还要能将大报文划分成多个小数据段来传送，并在合适的地方合并这些报文。
面对攻击的网络
网络安全主要讨论两个问题：对计算机网络的攻击是如何实施的，我们应该如何防御这种攻击或从设计层面免除这种攻击。
今天的多数恶意软件通常是自我复制的。根据是否需要某种形式的用户交互分为病毒和蠕虫两种。
拒绝服务攻击 DoS使网络不能由合法用户使用，后来发展为更难以防范和检测的分布式 DoS (DDoS）。通常有以下几类：
- 弱点攻击：向目标主机上某些应用发送特殊的报文，使其停止运行甚至崩溃。
- 带宽洪泛：向目标主机发送大量分组，使得目标的接入链路拥堵，正常用户无法访问。
- 连接洪泛：在目标主机创建大量半开或全开 TCP 链接，占用大量资源使得合法链接申请被拒绝。
分组嗅探器：接收网络中的所有副本，导致隐私泄露。
IP 哄骗：将具有虚假源地址的分组注入因特网。