一、什麼是因特網
什麼是因特網，這個問題可以從兩個方面來回答。其一、根據因特網的具體構成，即構成因特網的基本硬件和軟件組件；其二、根據爲分佈式應用提供服務的聯網基礎設施來描述因特網
1、具體構成描述
越來越多的非傳統因特網物品，如智能手機、平板電腦、電視等設備正在與因特網連接，所有這些設備都稱爲主機或端系統。端系統通過通信鏈路和分組交換機連接到一起，當一臺端系統像另一臺端系統發送數據時，發送端系統將數據分組，併爲每段加上首部字節。由此形成的信息包用計算機網絡術語來說稱爲分組。市面上流行着各種類型、各具特色的交換機，兩種最著名的是路由器和鏈路層交換機，這兩種類型的交換機朝着最終目的地轉發分組，鏈路層交換機通常用於接入網中，而路由器通常用於網路核心中。
端系統通過因特網服務提供商ISP接入因特網，每個ISP自身就是一個由多臺分組交換機和多段通信鏈路組成的網絡。端系統、分組交換機和其他因特網部件都要運行一些協議，這些協議控制着因特網中信息的接受和發送。因特網的主要協議稱爲TCP/IP。
2、服務描述
與因特網相連的端系統提供了一個套接字接口，該接口規定了運行在一個端系統上的程序請求因特網基礎設施向運行在另一個端系統上的特定目的的程序交付數據的方式。因特網套接字接口是一套發送程序必須遵循的規則集合，因此因特網能夠將數據交付給目的地。
3、什麼是協議
協議定義了在兩個或多個通信實體之間交換的報文的格式和順序，以及報文發送或接受一條報文或其他事件所採取的動作。
二、網絡邊緣
端系統也稱爲主機，因爲它們容納應用程序，如Web服務器程序或電子郵件服務器程序。主機有時又被進一步劃分爲兩類：客戶端（client）和服務器端（server）
1、接入網
接入網是指將端系統物理連接到邊緣路由器的網絡。邊緣路由器是端系統到任何其他遠程端系統的路徑上的第一臺路由器。通常分爲以下幾種接入方式：
- 家庭接入：DSL、電纜、FTTH、撥號和衛星；
- 企業（和家庭）接入：以太網和WIFI；
- 廣域無線接入：3G和LTE
2、物理媒介
比特從源到目的地傳輸時，通過一系列“發射器-接收器”對，每個對通過跨越一種物理媒體傳播電磁波或光脈衝來發射該比特。物體媒體分爲兩種：導引型媒體和非導引型媒體，對於導引型媒體，電波沿着固體媒體前行，如光纜、雙絞銅或同軸電纜；對於非導引型電纜，電波在空氣或外層空間中傳播，例如在無線局域網或數字衛星頻道中。
三、網絡核心
通過網絡鏈路和交換機交換移動數據有兩種基本方法，電路交換和分組交換。
1、分組交換
在各種網絡應用中，端系統彼此交換報文，報文可以執行一種控制功能，也可以包含數據。爲了從源端系統向目的端系統發送一個報文，源將長報文劃分爲較小的數據塊，稱之爲分組。在源和目的地之間，每個分組都通過通信鏈路和分組交換機傳送。
存儲轉發傳輸：多數分組交換機在鏈路的輸入端使用存儲轉發傳輸機制。存儲轉發傳輸是指在交換機能夠開始向輸出鏈路傳輸該分組的第一個比特之前，必須接受到整個分組。
排隊延時和分組丟失：每臺分組交換機有多條鏈路與之相連。對於每條相連的鏈路，該分組交換機具有一個輸出緩存，也稱爲輸出隊列，它用於存儲路由器準備發往那條鏈路的分組。如果到達的分組需要傳輸到某條鏈路，但該鏈路正忙於傳輸其他分組，則該到達分組必須在輸出緩存中等待。因此，除了存儲轉發時延外，分組還要承受輸出緩存的排隊時延，並且這些時延是變化的，變化程度取決於網絡的擁塞程度。如果緩存已經被其他分組充滿了，則會出現分組丟失（丟包），到達的分組或已經在排隊的分組之一將被丟棄。
轉發表和路由選擇協議：當源主機要向目的端系統發送一個分組時，源在該分組的首部包含了目的地的IP地址。當一個分組到達網絡中的路由器時，路由器檢查該分組目的地址的一部分，並向相鄰路由器轉發該分組。每臺路由器都有一個轉發表，用於將目的地址映射成輸出鏈路。因特網具有一些特殊的路由選擇協議，用於自動設置這些轉發表，並且依據這些信息，選擇每臺路由到每個目的地的最短路徑。
2、電路交換
在電路交換網絡中，在端系統間通信會話期間，預留了端系統之間沿路徑通信所需要的資源（緩存、鏈路傳輸速率）。在分組交換網絡中，這些資源是不預留的。會話的報文按需使用這些資源，其結果可能是不得不等待接入通信線路。
電路交換網絡中的複用：鏈路中的電路是通過頻分複用（FDM）或時分複用（TDM）來實現的。對於FDM，鏈路的頻譜由跨越鏈路創建的所有連接共享。在連接期間鏈路爲每條連接專用一個頻段。對於一條TDM鏈路，時間被劃分爲固定期間的幀，並且每個幀又被劃分爲固定數量的時隙。當網絡跨越一條鏈路創建一條連接時，網絡在每個幀中爲該連接指定一個時隙。這些時隙專門由該連接單獨使用，一個時隙（在每個幀內）可用於傳輸該連接的數據。
分組交換與電路交換的對比：分組交換的性能能夠優於電路交換的性能。電路交換不考慮需求，而預先分配了傳輸鏈路的使用，這使得已分配而不需要的鏈路時間未被利用。另外一方面，分組交換按需分配鏈路使用。鏈路傳輸能力將在所有需要的鏈路上傳輸分組的用戶之間逐漸分組地被共享。
網絡的網絡：在任何給定區域，可能有一個區域ISP，區域中的接入ISP與之相連接。每個區域ISP則與第一層ISP相連。較低層的ISP與較高層的ISP相連，較高層的ISP彼此互聯。用戶和提供商是較低層的ISP的客戶，較低層的ISP是較高層的客戶。
四、分組交換網中的時延、丟包和吞吐量
1、分組交換網中的時延概述
當分組從一個節點（主機或路由器）沿着這條路徑到達後繼節點（主機或路由器），該分組的沿途的每個節點經受了幾種不同的時延。這些時延中最爲重要的是節點處理時延、排隊時延、傳輸時延和傳播時延，這些時延總體累加起來是節點總時延
時延的類型：
- 處理時延：檢查分部首部和決定將該分組導向何處所需要的時間是處理時延的一部分，處理時延也包括其他因素，如檢查比特級別的差錯所需要的時間。高速路由器的處理時延通常是微妙或更低的數量級
- 排隊時延：在隊列中，當分組在鏈路上等待傳輸時，它經受排隊時延。一個特定分組的排隊時延長度將取決於先期到達的正在排隊等待向鏈路傳輸的分組數量。實際的排隊時延可以是毫秒到微妙量級
- 傳輸時延：用L比特表示該分組的長度，用R bps表示從路由器A到路由器B的鏈路傳輸速率，則傳輸時延爲L/R。實際的傳輸時延通常在毫秒到微妙量級
- 傳播時延：一旦一個比特被推向鏈路，該比特需要向路由器B傳播，從該鏈路的起點到路由器B傳播所需要的時間是傳播時延，該比特以該鏈路的速率傳播，速率則取決於物理媒體。一旦該分組的最後一個比特傳播到節點B，該比特及前面所有的比特被存儲與路由器B。在廣域網中，傳播時延爲毫秒量級。
傳輸時延與傳播時延的比較：傳輸時延是路由器推出分組所需要的時間，它取決於分組長度和鏈路傳輸速率，與兩臺路由器之間的距離無關；傳播時延是一個比特從一臺路由器傳播到另外一臺路由器所需要的時間，它取決於兩臺路由器之間的距離，與分組長度和鏈路傳輸速率無關。
2、排隊時延與丟包
令a表示分組到達隊列的平均速率（單位爲分組/秒，即pkt/s），R爲傳輸速率-即從隊列中推出比特的速率（單位爲b/s），假設所有分組都是由L比特組成的。則比特的平均速率爲La bps，比率La/R稱爲流量強度。如果La/R>1，則比特到達隊列的平均速率超過從該隊列傳輸出去的速率。這種情況下，隊列趨向無限增加，排隊時延將趨向無窮大！因而，設計系統時流量強度不能大於1。隨着流量強度接近1，平均排隊時延將迅速增加，該強度的少量增加將導致時延大比例增加。
丟包：因爲排隊容量是有限的，隨着流量強度接近1，排隊時延並不真正趨向無窮大，相反到達的分組將發現一個滿的隊列。由於沒有地方存儲這個分組，路由器將丟棄該分組，即該分組將會丟失。分組丟失的比例隨着流量強度增加而增加。
3、端到端時延
除了處理時延、傳輸時延和傳播時延，端系統中還有一些其他重要的時延，例如向共享媒體（如在WiFI）傳輸分組的端系統可能有意延遲它的傳輸，把這作爲它與其他端系統共享媒體的協議的一部分
4、計算機網絡中的吞吐量
考慮主機A向主機B跨計算機網絡傳送一個大文件，在任何時間瞬間的瞬時吞吐量是主機B接受到該文件的速率。如果該文件由F比特組成，主機B接受到所有F比特用去T秒，則文件傳送的平均吞吐量是F/T bps。
五、協議層次及其服務模型
1、分層的體系結構
1、協議分層
協議分層具有概念化和結構化的特優點，分層提供了一種結構化方式來討論系統組件，模塊化使更新系統組件更爲容易。分層的一個潛在缺點是一層可能冗餘較低層的功能，另外一種潛在的缺點是某層的功能可能需要僅在其他層纔出現的信息，這違法了層次分離的目標。各層的所有協議被稱爲協議棧。因特網的協議棧由5個層次組成：物理層、鏈路層、網絡層、運輸層和應用層。
- 應用層是網絡應用程序及它們的應用協議存留的地方。因特網的應用層包括許多協議，例如Http、SMTP和FTP。應用層協議分佈在多個端系統上，而一個端系統中的應用程序使用協議與另一個端系統中的應用程序交換信息分組。我們把這種位於應用層的信息分組稱爲報文。
- 因特網的運輸層在應用程序端點之間傳送應用層報文。在因特網中，由兩種運輸協議，即TCP和UDP。TCP向它的應用程序提供了面向連接的服務，這種服務包括了應用層報文向目的地確保傳遞和流量控制，TCP將長報文劃分爲短報文，並提供擁塞控制機制。UDP協議向它的應用程序提供無連接服務，沒有可靠性，沒有流量控制，也沒有擁塞控制。我們把傳輸層的分組稱爲報文段。
- 因特網的網絡層負責將稱爲數據報的網絡層分組從一臺主機移動到另一臺主機。在一臺源主機中的因特網運輸層協議向網絡層遞交運輸層報文段和目的地址。網絡層包括著名的網際協議IP。因特網的網絡層也包括決定路由的路由選擇協議，它根據該路由將數據報從源傳輸到目的地。
- 爲了將分組從一個節點移動到路徑上的下一個節點，網絡層必須依靠鏈路層的服務。特別是在每個節點，網絡層將數據報下傳給鏈路層，鏈路層沿着路徑將數據報傳遞給下一個節點，在該下一個節點，鏈路層將數據報上傳給網絡層。因爲數據報從源到目的地傳輸通常需要經過幾條鏈路，一個數據報可能被沿途不同鏈路上的不同鏈路層協議處理。網絡層將受到來自每個不同鏈路層協議的不同服務。我們把鏈路層分組稱爲幀
- 物理層的任務是將該幀中的一個個比特從一個節點移動到下一個節點。在這層中的協議仍然是鏈路相關的，並且進一步與該鏈路的實際傳輸媒體相關。
2、OSI模型
OSI模型中的7層是：應用層、表示層、會話層、運輸層、網絡層、鏈路層、物理層。其中表示層的作用是使通信的應用程序能夠解釋交換數據的含義，包括數據壓縮和數據加密以及數據描述。會話層提供了數據交換的定界和同步功能，包括了建立檢查點和恢復方案的方法。這兩個缺少的層次通常是留給應用程序開發者處理，讓開發者來決定是否構建該功能。
2、封裝
主機、路由器和鏈路層交換機，每個包含了不同的層，反映了它們的功能差異，同時也說明了一個重要的概念：封裝。在發送主機端，一個應用層報文被傳送給運輸層，運輸層接受到報文並附上首部信息，被接收端的運輸層使用。應用層報文和運輸層首部信息構成了運輸層報文段。運輸層向網絡層傳遞該報文段，網絡層增加了如源和目的端系統地址等網絡層首部信息，生成了網絡層數據報，該數據報接下來傳遞給鏈路層，鏈路層增加它自己的鏈路層首部信息並生成鏈路層幀。在每一層，一個分組具有兩種類型的字段，首部字段和有效載荷字段，有效載荷字段通常來自上一層的分組。
