1.1 什么是因特网
1.1.1 具体构成描述
端系统（end system）或主机（host）：与因特网相连的设备。
当一台端系统要向另一台端系统发送数据时，发送端系统将数据分段，并为每段加上首部字节。由此形成的信息包用计算机网络的术语来说称为分组（Packet）。这些分组通过网络发送达到目的端系统，在那里被装配成初始数据。
分组交换机（packet switch）从它的一条入通信链路（communication link）接收到达的分组，并从它的一条出通信链路转发该分组。
当今因特网中，最著名的两种交换机是路由器（router）和链路层交换机（link-layer switch）。这两种类型的交换机朝着最终目的地转发分组。
链路层交换机常用于接入网中，而路由器通常用于网络核心中。
从发送端系统到接收端系统，一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径（route或path）。
端系统通过因特网服务提供商（Internet service provider，ISP）接入因特网，ISP也为内容提供者提供因特网接入服务，将Web站点直接接入因特网。
因特网就是将端系统彼此互联，因此为端系统提供接入的ISP也必须互联。
端系统、分组交换机和其他部件都要运行一系列协议（protocol），这些协议控制因特网中信息的接收与发送。TCP（Transmission control protocol，传输控制协议）和IP（internet protocol，网际协议）是因特网中最为重要的两个协议。
IP协议定义了在路由器和端系统之间发送和接收的分组格式。、
因特网的主要协议统称为TCP/IP。
使用不同标准的协议就不能互动，也不能有效完成任务。
因特网标准（internet standard）由因特网工程任务组（IETF）研发，IETF的标准文档称为请求评论（Request for comment）。RFC文档往往是技术性很强并且相当详细的，它们定义了TCP,IP,HTTP和SMTP等协议。
1.1.2 服务描述
一种描述因特网的方法：为应用程序提供服务的基础设施。
这些应用程序被称为分布式应用程序（distributed application），因为它们涉及多台交换数据的端系统。
重要的是，因特网运行在端系统上，即它们并不运行在网络核心中的分组交换机中。尽管分组交换机促进端系统之间的数据交换，但它们并不关心作为数据的源或宿的应用程序。
另一种描述因特网的方法：应用程序的平台。
与因特网相连的端系统提供了一个应用程序编程接口（application programing interface，API），该API规定了运行在一个段系统上的软件向另一个端系统上的特定目的地软件交付数据的方式。
因特网为应用程序提供了多种服务，当你研发一种分布式应用程序时，必须为你的应用程序选择其中的一种因特网服务。
1.1.3什么是协议
网络协议类似于人类协议，除了交换报文和采取动作的实体是某些设备的硬件或软件组件。在因特网中，凡是涉及两个或多个远程通信实体的所有活动都受协议的影响。
协议的作用：
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动作。
因特网广泛地使用了协议，不同的协议用于完成不同的任务。某些协议简单而直截了当，而另一些协议则复杂且晦涩难懂。
1.2网络边缘
1.2.1接入网
端系统也称为主机，因为他们容纳（即运行）应用程序。主机有时候又被划分成两类：客户（client）和服务器（server）。
今天，大部分提供基础网络服务的服务器都属于大型数据中心（data center），每个大型数据中心都拥有大量的服务器。
接入网（access network）是指将端系统连接到边缘路由器（edge router）的物理链路。
存在混合类型接入网，如：混合光纤同轴接入网（Hybrid Fiber Coaxial，简称HFC）。
HFC会发生碰撞（collision，是在同一半双工以太网中，正好在同一时刻试图传输数据的两个设备之间发生的冲突）。
（附加：半双工以太网和全双工以太网
半双工（half-duplex）是指传输过程中同时只能向一个方向传输。一方的数据传输结束之后，另外一方再回应。也就是说同时只有一个节点能够传输，如果两个节点同时传输数据的话，网络中就会出现拥堵。
半双工以太网采用CSMA/CD协议，以防止产生冲突。 如果产生冲突，就允许重传。如果使用集线器组建以太网，则必须工作在半双工模式，因为端站点必须能够检测到冲突。在Cisco看来，半双工以太网-典型的为10BaseT，只有30%～40%的效率。因为一个大的10BaseT网络通常最多只给出3～4Mb/s的带宽。
全双工以太网使用两对电缆线，而不像半双工模式那样使用一对电缆线。全双工模式在发送设备的发送方和接收设备的接收方之间采用点到点的连接，这就意味着在全双工数据传送方式下，可以得到更高的传输速率。由于发送数据和接收数据是在不同的电缆线上完成的，因此不会产生冲突。
全双工以太网之所以不会产生冲突，是因为它就像带多个入口的高速公路，而不是像半双工方式所提供的只有一条入口的路。全双工以太网能够在两个方向上提供100%的效率。比如，可以用运行在全双工方式下的10Mb/s以太网得到20Mb/s的传输速率，或者将FastEthernet的传输速率提高200Mb/s，这是很了不起的。但是，这种速率有时被称为聚合速率，也就是说，你需要获得100%的效率，就像生活中的事情一样，这不可能完全得到保证。
多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detect，CSMA/CD）作为允许设备“轮流”使用信号载波线的方法。当一个设备想要传送时，它检查线的信号级别，确定是否有其它设备正在使用。如果正在使用，此设备将等待几秒钟后再试。如果没有使用，此设备将开始传送信号。）
边缘路由器（edge router）：端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。
下行信道（downlink channel）和上行信道（upstream channel）：你是下家，电信运营商是上家，你需要东西时，你给上家打报告用一个信号通道，这就是上行信道，上家把你要的东西发给你用的信号通道，这就是下行信道。
各种类型的网络接入：
①家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星
DSL（digital subscriber line）利用了本地电话公司现有的电话基础设施来提供因特网服务，有线电视公司则利用了现有的有线电视基础设施来提供电缆因特网接入（cable internet access）。
电缆因特网接入的一个重要特征是共享广播媒体，特别是由头端发送的每个分组向下行径每段链路到家庭，每个家庭发送的每个分组经上行信道向头传输。
因为上行信道也是共享的，需要一个分布式多路访问协议来协调传输和避免碰撞。
传输速率：
DSL——下行：24Mbps，上行：2.5Mbps。
电缆因特网接入——下行：42.8Mbps，上行：30.7Mbps。（通常达不到）
通常接入是不对称的，下行信道往往比上行信道分配的传输速率更高。
光纤到户（FTTH，Fiber To The Home）承诺提供更高速率的因特网。
有两种竞争性的光纤分布体系结构：主动光纤网络AON（Active optional network），被动光纤网络PON（passive optional network）。
美国用户在2011年的平均下行速率是20Mbps。
卫星链路：1Mbps。
拨号接入：56kbps。
②企业（和家庭）接入：以太网和WiFi
在公司和大学校园以及越来越多的家庭中，通常使用局域网（LAN）将端用户连接到边缘路由器。尽管有许多不同类型的局域网技术，但是以太网目前为止是当前公司、大学和家庭网络中最流行的接入技术。
除了以太交换机的有线接入，越来越多的人开始使用wifi接入网，它可以实现无线接入
③广域无线接入
建立于基站之上的蜂窝无线网络。
1.2.2物理媒体
双绞铜线（最便宜且使用最普遍，高速LAN联网主要方式），同轴电线（在电缆电视系统中非常普遍，用于媒体的传输），光纤（不受电磁干扰，衰减极低，而且很难窃听），陆地无线电信道（不需要安装物理线路，可以穿透墙壁和长距离承载信号），卫星无线电信道
1.3网络核心
网络核心（network core)的概念：即互联因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络。
1.3.1分组交换（packet switching）
在各种网络应用中，端系统彼此交换报文（message）。
报文能够包含协议设计者需要的任何东西。
报文可以执行一种控制功能，也可以包含数据。
为了从源端系统向目标端系统发送一个报文，源将长报文分成较小的数据块，称之为分组。
①存储转发机制
存储转发机制(store-and-forward transmission)是指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，必须接收到整个分组。
当分组的前沿到达路由器时，该路由器还不能传输已经接收到的比特，而是必须先缓存。
如果某源系统或分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路的传输速率为R比特/秒，则传输该分组的时间为L/R秒。采用了存储转发机制之后，传输该分组的时间为2L/R秒。
通过由N条速率均为R的链路组成的路径(所以，在源和目的地之间有N－1台路由器),从源到目的地发送一个分组的总体情况。应用如上相同的逻辑，我们可以算出端到端时延是：d=NL/R。
②排队时延和分组丢失
对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存（output buffer）（也称为输出队列（output queue）），它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。
当一组到达的分组发现缓存已被其他等待传输的分组完全充满时，将出现分组丢失（丢包，packet lost）现象，到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃。
③转发表和路由选择协议
不同计算机网络有不同的方式决定路由器应当向哪条链路进行转发。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。
每台路由器拥有一个转发表（forwarding table），用于将目的地址（或目的地址的一部分）映射成为输出链路。
当某一个分组到达一台路由器时，路由器检查该地址，并用这个目的地址搜索其转发表，已发现适当的出链路。路由器则将分组导向该出链路。
因特网具有一些特殊的路由选择协议（routing protocol），用于自动地设置这些转发表。例如，一个路由选择协议可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结果来配置路由器中的转发表。
1.3.2电路交换（circuit switching）
在电路交换网络中，在端系统会话期间，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）。在分组交换网络中，这些资源不是预留的。
用电话的术语来说，这种连接被称为电路（circuit）。
在电路交换网络中，当两台主机要通信时，该网络在两台主机之间创建一条专用的端到端链接（end-to-end connection）。
①电路交换网络中的复用
链路中的电路是通过频分复用（frequency division multiplexing，FDM）或时分复用（time division multiplexing，TDM）来实现的。
对于FDM，链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享。特别是，在连接期间链路为每条连接专用一个频段，该频段的宽度称为带宽（bandwidth）。
对于一条TDM链路，时间被划分为固定区间的帧，并且每帧又被划分为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条连接时，网络在每个帧中为该链接指定一个时隙。
对于TDM来说，一条电路的传输速率等于帧速率乘以一个时隙中的比特数量。
每条链接的待遇：①被指定一个带宽（专用的频段） ②被分配帧的一个时隙（时隙分配可以平均也可以不平均）
②分组交换和电路交换的优缺
分组交换：
··优点：
（1）不存在连接建立时延，用户可以随时发送报文
（2）通信双方不是固定的占有一条通信线路，因而大大提高了通信线路的利用率
（3）流水线式的传输方式减少了报文的传输时间
（4）适用于突发式的数据通信
··缺点：
（1）存在存储转发时延
（2）每个分组要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的数据量增大
（3）在交换采用数据报服务时，可能出现时序或重复分组，要对分组按编号进行排序
电路交换：
··优点：
（1）通信链路为专用，传输数据的时延小
（2）物理链路建立，双方可以随时通信，实时性强
（3）按顺序发送数据
··缺点：
（1）平均连接建立的时间较长，甚至比通话的时间还长。
（2）连接建立后，即使空闲，也不能共其他用户使用，信道利用低
1.3.3网络的网络
接入ISP的概念：
①接入ISP负责将因特网和端系统相连
②接入ISP可以提供有线和无线服务
③接入ISP不一定是本地电信局或电缆公司，它可以是如大学或公司这样的单位。
④接入ISP之间必须互联
⑤用户和内容提供商是接入ISP的客户
为了解决接入ISP互联的问题，人们创建了“网络的网络（也就是ISP的网络）”。
一、网络结构1：用单一的全球承载ISP互联所有接入ISP。
该网络不仅跨越全球，而且至少具有一个路由器靠近数十万接入ISP中的每一个。
建造这个大规模网络将耗资巨大，因此会向每个接入ISP收费，其价格反映一个接入ISP经过全球承载ISP交换的流量大小。
接入ISP被认为是客户（customer），而全球承载ISP被认为是提供商（provider）。
二、网络结构2：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，不然它们的接入ISP之间无法通信。
没有哪个ISP可以存在于城市之中，在任何给定的区域，可能有一个区域ISP（regional ISP），与该区域中的接入ISP之间相联。每个区域ISP则与第一层ISP（tier-1 ISP）连接。
第一层ISP类似我们假象的全球承载ISP。
三、网络结构3：在网络结构2的基础上，某些较大的区域中，区域ISP之间会划分层级，形成多层的等级结构。
四、网络结构4：除了接入ISP、区域ISP、第一层ISP之外，还有PoP、多宿、对等和IXP组成。
PoP（point-of-presence）:
对于互联网服务提供商（ISP）来说，POP是一个将互联网从一个地方接到其他地方的入网点。入网点必须有一个唯一的互联网协议（IP）地址。
互联网服务提供商（ISP）或在线服务提供商在互联网上有一个或者若干个入网点。互联网服务提供商（ISP）或在线服务提供商所拥有的入网点数量，被用来作为衡量其规模和增长速度的标准。
多宿（multi-home）：
客户ISP与两个或以上的提供商ISP相连接。这样一来即使其中一个提供商出现故障，它仍然能够继续发送和接收分组。
对等（peer）：
位于相同结构层次的邻近一对ISP之间所有流量经直接连接传送，这样一来则不需要向上有的中间ISP传输数据和付费。
IXP（Internet exchange point，因特网交换点）：
IXP是一个汇合点，多个ISP能在这里共同对等。
五、网络结构5：在网络结构4的基础上，增加内容提供商网络（content provider network）。
例：
谷歌数据中心经过专用的TCP/IP网络互联，该网络跨越全球，但仍然独立于公共因特网。
谷歌专用网络和较低层ISP连接时，会尝试绕过高层ISP，直接与他们进行连接或经过IXP与它们连接。
通过创建自己的网络，内容提供商不仅减少了向顶层ISP制服的费用，而且对其服务最终如何交付给端用户有了更多的控制。