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。

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。