本文是《计算机网络：自顶向下方法》（Computer Networking: A Top-Down Approach）的阅读笔记，不成文，仅记录。
Summary：
- 构成网络的基本硬件和软件
- 边缘：网络中运行的主机和网络应用
- 核心：接入网、链路和交换机
- 分组交换的时延、丢包、吞吐
- 体系结构原则
- 攻击和安全
什么是因特网？
因特网的硬件和软件组件
主机/端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起；不同链路的传输速率不同
发送数据时将数据分段并加上首部字节，形成信息包 packet
分组交换机：路由器、链路层交换机 link-layer switch
主机通过因特网服务提供商 ISP 接入因特网，每个 ISP 是多台分组交换机和多段通信链路组成的网络；ISP 互联，每个都独立管理
主机、分组交换机和其他因特网部件运行协议 protocol，控制信息接收和发送：TCP 传输控制协议/IP 网际协议
因特网服务
分布式应用程序 distributed application 运行在主机上，涉及多个相互交换数据的主机
主机提供了套接字接口 socket interface，规定主机之间交换数据的方式（因特网服务）
网络协议 protocol
协议：通信时一系列约定俗成的动作（语法、语义、时序）
对等性，相同层次必须执行相同协议
网络边缘与核心
主机：客户 client 和服务器 server （存储、发布 Web 页面、流视频、中继 email）
接入网 access network
将主机连接到边缘路由器（主机到任何其他远端主机的路径上的第一台路由器）
有线接入（光纤宽带、以太网 Ethernet）、无线接入（WiFi、移动通信 4G/5G）
分组交换
主机之间传输 message 时将其分为较小的数据块，称之为分组 packet；每个 packet 都通过通信链路和分组交换机传输
分组转发率 PPS：以 packet 为单位的转发率 packet/秒
存储转发传输 store-and-forward transmission：交换机必须先接收整个 packet 才能开始输出，存在存储转发时延
每台分组交换机有多条链路，对每条链路都有一个 output buffer/queue 存储准备发送的 packet，因此存在等待的时延 queuing delay
buffer 是有限的，如果满了就会出现丢包
为什么要用 packet？
可以降低 latency，避免某条链路/路由器缓存被一条 message 长时间占用
路由器如何决定向哪条链路转发？
每个主机都有 IP 地址，传输 packet 时包含了目的地的 IP 地址；IP 地址有等级结构，路由器会检查地址，并通过自带的转发表 forwarding table 将其映射为输出链路，将 packet 导向它
转发表的设置是通过因特网的路由选择协议 routing protocol 决定的
电路交换
电路交换网络中，在主机通信期间会预留通信所需的资源（带宽、缓存），传送数据的速率是恒定的
频分多路复用 FDM/时分多路复用 TDM/统计多路复用（带宽按需共享）
二者的对比
分组交换不适合实时服务（视频会议等），因为端到端的 latency 不可预测（主要是因为排队），会产生抖动 jitter
电路交换在 silent period 专用电路空闲，空闲的网络资源（频段/时隙）不能被其他连接使用，会被浪费
网络流量有很强的突发性（不平稳），不同流的峰值出现在不同时间；流越多，网络平均流量越平滑
总体而言，分组交换的性能优于电路交换，因为每个用户的活跃时间都很短
网络的网络
主机经过接入 ISP 与因特网相连；同时，ISP 自身必须互联
tier 3：金字塔形态的网络的网络：全球传输 ISP - 区域 ISP - 接入 ISP，每一层都要向其连接的上一层付费
tier 4：增加存在点 Point of Presence、多宿 multi-home（任何 ISP 可以与多个提供商 ISP 连接）、对等 peer（ISP 不向同一层的其他 ISP 付费）、因特网交换点 IXP（多个对等 ISP 的汇合点）
tier 5：增加提供商网络 content provider network（如 Google），经过专用的 TCP/IP 网络互联，专用网络仅承载出入其服务器的流量；直接与较低层 ISP 连接，减少向顶层 ISP 的付费，控制服务器如何交付给主机
分组交换网中的时延、丢包、吞吐
时延
- 节点处理时延 proc
检查 packet 首部，决定将它导向哪条链路
对路由器的最大吞吐量有重要影响 - 排队时延 queue
packet 在链路上等待传输，取决于前面等待的 packet 数量；是流量的强度和性质的函数 - 传输时延 trans
packet 长度为 L bit，链路传输速率为 R bit/s，则传输时延是 L/R - 传播时延 prop
传播时延等于两台路由器之间的距离 d/传播速率 s，速率取决于链路的物理媒体
排队时延和丢包
排队时延取决于流量到达队列的速率、链路传输速率、到达流量的性质（周期性/突发）
流量强度 traffic intensity（La/R）不能大于 1
丢包可能基于端到端的原则重传
端到端吞吐量
吞吐量是服务器和客户之间瓶颈链路 bottleneck link 的传输速率，限制因素通常是接入网
也取决于干扰流量
协议层次及其服务模型
分层 layer 的特点：
- 对上面层次提供服务 service，使用下面层次的服务（下层被包装了，只提供接口）
- 某层的实现方式变化时，系统其余部分不受影响
第 n 层协议的不同部分分布于网络组件的各个部分中
协议栈 protocol stack：物理层、链路层、网络层、运输层、应用层，自顶向下处理
- 应用层
网络应用程序及其应用层协议
应用层协议分布在多个主机上，其信息分组就是 message - 运输层
在应用程序端点之间传送应用层的 message
两种运输协议 TCP/UDP
TCP 面向连接的服务：流量控制、划分、拥塞控制
运输层分组称为报文段 segment - 网络层（IP 层）
将网络层分组数据报 datagram 在主机之间移动
运输层协议向网络层递交运输层 segment 和目的地址
网际协议 IP 定义 datagram 的字段
路由选择协议 - 链路层
网络层将 datagram 下传给链路层，链路层沿路径将其传递给下一个节点，然后在那里将 datagram 上传给网络层
一个 datagram 可能被不同链路的不同链路层协议处理
链路层分组称为帧 frame - 物理层
将 frame 中的一个个 bit 在节点间移动
协议与链路的实际传输媒体相关
TCP/IP 体系结构中链路层和物理层合并为接口层
封装 encapsulation
application-layer message - 运输层增加首部信息（差错检测等），构成 transport-layer segment - 网络层增加首部信息（源和目的系统地址等），构成 network-layer datagram - 链路层生成 link-layer frame
每层的分组分为首部字段和有效载荷 payload field，通常来自上一层的分组
网络攻击
- 自我复制的恶意软件：virus, worm
- DoS (Denial-of-Service) attack 主机、服务器瘫痪
- 分组嗅探器 packet sniffer 获得传输分组的副本
- 冒充其他用户：IP spoofing - 需要端点鉴别