甚麼是因特網

具體構成描述

因特網是世界級計算機網絡。

主機(host，又稱端系統, end system)：所有連接到因特網上的設備。

通信鏈路(communication link)：由物理媒介組成，包含同軸電纜、銅線、光纖、無線電頻譜。

分組(packet)：當一台端系統要向另一台端系統發送信息，發送端系統會將數據分段，並為每段加上首部字節。這種信息包就稱分組。

分組交換機(packet switch)：用於向最終目的轉發分組，分組以等於該鏈路的最大速率通過通信鏈路。以下為兩種常見類型：

路由器(router)：通常用於網絡核心中。
鏈路層交換器(link-layer switch)：通常用於接入網中。

路徑(path)：從發送端系統到接收端系統，一個分組所通過的一系列通訊鏈路與交換機稱為通過該網絡的路徑。

協議(protocol)：協議控制因特網中信息的接收和發送。TCP(Transmission Control Protocol，運輸控制協議) 與 IP(Internet Protocol，網際協議) 是因特網中最為重要的協議。統稱因特網中的協議為 TCP/IP。協議定義了在多個通信實體間交換的報文格式和順序，以及報文的發送/接收等事件所採取的操作。

因特網服務提供商(ISP)：每個 ISP 都是多台分組交換機和多段通信鏈路組成的網絡。ISP 為內容提供者接入因特網。因為因特網把各處的端系統相連，所以 ISP 也必須互聯。每個 ISP 網絡都是獨立管理的，運行著 IP 協議，並遵從一定的命名與地址規則。

服務描述

分布式應用(distributed application)：涉及多個互相交換數據的端系統的應用。

套接字(socket interface)：發送數據的程序必須遵守的規則合集。

網絡邊緣

接入網絡

邊緣路由器(edge router)：端系統到其他遠程端系統路徑上的第一個路由器。

接入網：特指將端系統物理的連接到邊緣路由器的網絡。

家庭接入：DSL、電纜、FTTH 和 5G 固定式無線

寬帶住宅接入有以下兩種最流行的類型：

數字用戶線(Digital Subscriber Line, DSL)
電纜

住戶通常從電話公司獲得 DSL 因特網接入，所以在使用 DSL 時，電話公司就是 ISP。

DSL 調製解調器將數據轉換為高頻音，通過電話線與數字用戶線接入複用器(Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM) 交換數據。這些轉換後的信號大多會在 DSLAM 處被轉換回數據。

電話線同時承載數據和電話信號，它們以不同頻率編碼：

高速下行(下載)信道：50kHz ~ 1MHz
中速上行(上傳)信道：4kHz ~ 50kHz
普通雙向電話信道：0 ~ 4kHz

在用戶側，分頻器把到達的數據信號和電話信號分開，並將數據信號傳送給 DSL 調製解調器。在電話公司側，數字用戶線路接入複用器把數據和電話信號分開，並將數據送往因特網。上千家庭與同一 DSLAM 相連。

由於住戶與中心局距離會影響傳輸速率，規定距離與中心局大於 5 ~ 10 英里則採用其他形式的因特網接入。

電纜因特網接入(cable Internet access)：利用有線電視設備接入。光纜(較快)將電纜頭端連接到地區樞紐(光纖節點)，從此透過同軸電纜(較慢)到達各戶。由於在此系統中運用到光纖與同軸電纜，所以稱混和光纖同軸(Hybrid Fiber Coax, HFC) 系統。

電纜因特網接入需要特殊的調製解調器，稱為電纜調製解調器(cable modem)。

在電纜頭端，電纜調製解調器端接系統(Cable Modem Termination System, CMTS) 將下行家庭中的電纜調製解調器發送的模擬信號轉換回數據。電纜調製解調器將 HFC 網絡劃分為下行與上行兩個信道。

電纜因特網接入的一個重要特徵是：共享廣播媒體。即上行速度與下行速度會因同時使用的人數而波動。因為所有數據共享同一根電纜。

光纖到戶(Fiber To The Home, FTTH)：光纖直接從中心局鏈接到家中的光纖路徑。

FTTH 分為兩種：有源光纖網絡(Active Optical Network, AON)，和無源光纖網絡(Passiv Optical Network, PON)。

我們簡要介紹下 PON。每個家庭都有一個光纖網絡端接器(Optical Network Terminator, ONT)，它們由專門的光纖連接到鄰近的分配器(splitter)。分配器再把一些家庭連接到一根共享光纖，該光纖再連接到中心局中的光纖線路端接器(Optical Line Terminator, OLT)。OLT 提供光信號與電信號的轉換，經電話公司路由器與因特網相連。在家庭中，用戶由家庭路由器與光纖網絡端接器相連，並通過該路由器接入因特網。

在 PON 中，由 OLT 發送到分配器的分組在分配器處複製，並傳送給各個家庭。

企業(和家庭)接入：以太網和 WiFi

以太網(Ehernet) 是局域網(Local Area Network, LAN) 技術中的一種，用戶使用雙絞銅線與一台以太交換機相連，交換機再與更大的因特網相連。

在無線 LAN 環境中，無線用戶從/到一個接入點(Access Point, AP) 發送/接收分組，該接入點(可能是無線路由器)與企業網相連，企業網再與有線因特網相連。無線 LAN 用戶必須再距離接入點較近的範圍內。WiFi 即是基於 IEEE 802.11 技術的無線 LAN 接入。

物理媒介(Physical Medium)

物理媒介分為以下兩種：

導引型媒介(guided media)：電波沿著固體媒介前行，如光纖、同軸電纜。
非導引型媒介(unguided media)：電波在空氣或外層空間傳播，如無線局域網。

雙絞銅線
通常許多雙絞線捆扎在一起形成一根電纜。一對電線構成一條通信鏈路。非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pair, UTP) 常用於局域網中。
同軸電纜
光纖
由於高昂的光設備，如發射器、接收器和交換機，使得光纖無法在短途傳輸中使用。例如在 LAN 或家庭接入網中就不使用它。
陸地無線電通道
衛星無線電通道

網絡核心

分組交換

多數分組交換器在鏈路輸入端採取存儲轉發傳輸(store-and-forward transmission) 機制。該機制規定必須接收到整個分組才能開始轉發。

一台交換器的所有連接其他交換器的鏈路上都有一個輸出緩存(output buffer，又稱輸出對列, output queue)。若到達此交換器的分組需要傳輸到的鏈路正忙，分組就必須在緩存中等待。

所以除了存儲轉發延遲，分組還有排隊時延(queuing delay)。

若到達該交換器的分組發現緩存已滿，就會發生丟包(packet loss)，使得緩存中的一個分組，或到達的分組被丟棄。(基於不同策略做法不同)

轉發表(forwarding table)：用於將 IP 地址映射為輸出鏈路，由路由選擇協議(routing protocol) 自動設置。

電路交換

在電路交換(circuit switching) 中，預留了端系統間沿路徑通訊所需要的資源(緩存，鏈路傳輸數據等)，使得在路徑上的傳輸速率是恆定的。而在分組交換網絡中，則不會預留。

端到端連接(end-to-end connection)：網絡在鏈路中為兩個連接的主機提供穩定的電路(鏈路由多條電路組成)，一條電路的速度占整個鏈路中所含的電路數 $n$ 的 $\frac{1}{n}$。

電路通過頻分複用(Frequency-Division Multiplexing, FDM) 或 時分複用(Time-Division Multiplexing, TDM) 實現。

對 FDM 來說，鏈路的頻譜由鏈路上所有連接共享。每個連接會被分配到特定的頻段。其中，頻段的寬度稱為頻寬(bandwidth)。

對 TDM 來說，時間被劃分為固定時長的幀，每個幀又被劃分為固定數量的時隙(slot)。每個電路會被分配一個專門的時隙，用來傳輸數據。

要計算 TDM 的傳輸數據：

對電路來說：$\text{幀數} \times \text{一個時隙可傳輸的大小}$
對鍊路來說：$\text{幀數} \times \text{一個時隙可傳輸的大小} \times \text{幀的時隙數}$

二者對比

由上我們可以知道，分組交換的性能比電路交換的性能好。因為電路交換即使在用戶未活躍時仍為其保留電路，造成資源浪費。

Internet of Internets

存在點(Point of Presence, PoP)：PoP 存在於所有除了底層(接入 ISP )之外的所有層次等級中，是提供商網絡中多台路由器的群組，其中客戶 ISP 可以和提供商 ISP 連接。

多宿(multi-home)：除了第一層 ISP 外的所有 ISP 都可以與多個提供商 ISP 連接，使得就算其中一個提供商出現故障仍可訪問因特網。

對等(peer)：可直接將此二對等路由器相連，而雙方都不收取代價。

因特網交換點(Internet Exchange Point, IXP)：一個匯合點，多個 ISP 可以在此對等。

內容提供商網絡(content provider network)：直接與較低層網絡對等，嘗試繞過因特網較高層。

以下描述了因特網結構：

分組交換中的時延、丟包和吞吐量

時延

節點處理延遲(nodal processing delay)：解析傳來的封包所需要的時間。
排隊延遲(queueing delay)：在隊列中等待的時間。
假設封包長度 $L$ bits，分組到達隊列的速率是 $a$ packet/s，$R$ 是傳播速率。則可知 $La$ 為 bits 到達隊列的平均速率。
定義流量強度(traffic intensity) 為 $\frac{La}{R}$。
當流量強度 > 1 時，代表 bits 到達隊列的平均速率大於隊列傳輸出去的速率。此時隊列會無限增長。
$\implies$設計系統時流量強度不能大於1。
傳輸延遲(transmission delay)：將分組從路由器一字節一字節推向鏈路所需的時間。
傳播延遲(propagation dalay)：從鏈路起點傳送分組到路由器所需的時間。

丟包

更詳細的排隊延遲：

當流量強度 <= 1 時

若週期性到達：i.e., 每 $\frac{L}{R}$ 秒到達一個分組，則每個分組到達時對列皆為空。沒有排隊延遲。
若突發性到達：i.e., 每 $\left( \frac{L}{R} \right)N$ 秒同時到達 $N$ 個分組，則第 $n$ 個分組有 $(n-1)\left( \frac{L}{R} \right)$ 秒的排隊延遲。

若隊列滿了，仍有分組到達，則新到達的分組被丟棄，i.e. 丟包。