摘要:这一章首先介绍网络的结构，然后介绍分组交换以及分组交换网络中的时延、丢包、吞吐率等基本概念，这些概念在后续各章节中会反复提到。最后对计算机网络中协议进行了概述。
关键词:网络结构；分组运输；协议
目录:
1.网络边缘
2.网络核心
3.分组交换
3.1分组交换原理及其原因
3.2分组交换网络的特点
4.协议
4.1协议栈
4.2服务模型
1 网络边缘
目前的计算机网络组成部分有很多，包括端系统、路由器、交换机、传输介质等。
网络边缘：端系统及其接入网。端系统也就是运行应用程序的终端主机，而接入网则是将端系统介入网络的第一条传输链路，比如wlan、2G/3G/4G/5G、有线。顾名思义，网络边缘，就是在一个2D网络图中，他们都将位于图边界上的节点(端系统)和与之相连的边上(接入网)。
2 网络核心
网络核心:分组交换网络和其之间的链路构成。网络边缘由消费者使用，而网络核心则由网络服务提供商(Internet Service Provider，ISP)提供。
3 分组交换
3.1 分组交换原理及其原因
端系统接入计算机网络之后，便可以与网络中的其他端系统之间进行信息交换。而信息是如何交换的呢？分组交换。
分组交换：把一个数据(后面都将称之为“报文”)切分成分割成若干小的数据段，将小数据段依次传送出去。
Why分组交换？
使用分组交换的一个重要原因在于网络核心中路由器使用的存储转发传输机制：在一个分组没有完全到达之前，不会向下一个路由器发送该分组。也就是意味着一个长度为L的分组的从端系统A经过N个路由器和传输速率为R的链路到达端系统B经历的时间延迟为：
delay=N*L/R
L越大，delay越大，如果不使用分组运输，那么一个数据包相当于只有一个分组，L就会很大。但分组也不是越多越好，一个数据包的分组越多，每个分组就越小，理论上总延迟就会减少，实际的做法是，每个分组的大小是固定的并非越小越好。分组的大小为什么选取这个值，等到第五章的时候，自然知晓了。
除了分组交换的策略之外，还有电路交换，只是已经逐渐不再使用了。
3.2 分组交换网络特点
3.2.1 时延
时间延迟更确切的其实就是数据从一个端系统运输至另一个端系统所需的时间。包括：
- 处理时延：路由器检查分组的首部并决定该分组将发往何处的时间
- 排队时延： 分组在路由器中等待的时间。在大流量的时候，很可能分组达到一个路由后需要等待前面的分组发送完成之后才轮到自己被路由器发送出去。
- 传输时延：将分组推出路由器的时间。就好比一个水池把里面的水放完的时间
-
传播时延：分组在链路中传播的时间。就好比水从水池放出去后，到达下一个地方需要消耗的时间。
那么端到端的总时延为：
delay = delayproc + delayqueue+ delaytrans+ delayprop
3.2.2 丢包
我们把路由器比作一个水池，水池上部有流入流量为Rin的水管，水池底部有流出流量为Rout的水管，如果Rin>Rout，随着时间的推移，水池里的水就会慢慢上涨，也就是意味着流入的水开始排队流出，而水池满了以后，水就溢出来了，也就是数据包丢失了，即丢包。
3.2.3 吞吐量
在介绍吞吐量之前，需要首先知道传输速率。
传输速率：单位时间内可以传输的比特数。常用单位：bps。
吞吐量则是指，单位时间内，从一个端系统发送到另一个端系统的数据，单位也是bps。
吞吐量与什么有关呢?
显然首先与路由器的传输速率有关，路由器能提供的传输速率越高，单位时间就能传送越多的数据，其能达到的理想的最大吞吐量是整个链路中所有路由器中传输速率的最小值，但这只是理想情况。实际情况是，同时有很多端系统之间在传送数据，吞吐量往往达不到理想的吞吐量，网络越拥塞，吞吐量就会越小，因此吞吐量还会与网络拥塞程度相关。
吞吐量vs时延
- 吞吐量和时延从两个不同的方面描述了网络性能。
吞吐量表明连接个水池之间的管道有多大，管道越大流量越大。而时延表明该管道有多长。越长消耗在运输过程中的时间将会越大 - 对于一条给定的网络而言，如果吞吐量降低了或者时延提高了，都表明网络拥塞程度提高了。
- 不同的数据对吞吐量和时延有不同的要求
高吞吐量：对于传送一个大文件而言，时延高一点没关系，因为时延再高，相比于文件推送出去的时间而言都是很小的，如果吞吐量很小文件要很久才能推出去，因此对大文件传送而言，更看重高吞吐量。就好比将青海湖的水运到你家附件，你家在中国哪个位置不是关键，关键是你用多大流量的管道来运输。用普通管道运输即使你家在青海湖附近，估计也要很久很久，如果你用长江来运，即使你家在上海，也用不了很久。
低延时：有些数据不大，而且发出去的也是断断续续的，需要的是时候发送，不需要的时候不发送，但响应要快，比如微信聊天，这对时延的要求就比较低了。
当然如果吞吐量也高，延时也低，那就最好了。这样就可以玩实时在线游戏了。
此外要说明的一点是，平常所谓的”带宽“和”传输速率“实际上并不是同一个概念。
带宽：能传输信号的频率范围，就最高频率和最低之差，其单位是赫兹Hz。
由于带宽的大小决定了能其能达到的传输速率，并有一个确定的关系(香农定理),越来越多的情况下，带宽就指代了传输速率，如果你遇到别人说带宽多少bps的，你就当成传输速率就可以了。
4.协议
4.1协议栈
各种层级的协议贯穿着整个计算机网络知识体系的始终，学习计算机网络很大程度上是在学习其各种协议。
目前互联网使用的是五层模型：
| 协议栈 | 服务内容 | 分组的别称 |
|---|---|---|
| 应用层 | 描述端系统之间发送或接收的是什么信息，提供了很多对信息本身的描述，只要是关于信息本身的都由应用层提供 | 报文(message) |
| 传输层 | 确定应用层的报文将以何种方式从端系统中推送出去，如报文将被分成多少段，每段大小多少，报文将发往哪个ip和端口。与报文传输相关的信息都将由传输层提供 | 报文段(segment) |
| 网络层 | 报文段从传输层推出后，将由网络边缘进入网络核心，网络层将确定该报文经由什么样的路由，以顺利达到目的地，并使网络中的各个链路负载均衡 | 数据报(datagram) |
| 链路层 | 确定如何在两个路由器之间移动数据报，是可靠传输还是不可靠传输(此处与TCP可靠传输协议不同，TCP是端到端的，这里是路由器之间的) | 帧(frame) |
| 物理层 | 将链路层中的帧以一个一个比特从一个节点移动到下一个节点，不同的传输介质，其移动比特的方式也将是不同的 | -- |
为什么要称之为协议栈?
栈的特点是先入栈的元素后出栈，协议栈也是一样。
例如：现在需要传送一段文字“i was graduated from Huazhong University of Science and Technology ”。
发送数据：先将文本变成二进制流0，首先应用层会在这个二进制流基础上增加应用层信息，变成一个新的二进制流1 = 二进制流0+应用层二进制流，该流推送到传输层后，将二进制流1分割后，每个报文段加上传输层的信息形成二进制流2i = 二进制流1i+传输层二进制流i，后面的协议层依次类推。
接收数据：接受信息时，传输层会先抽出属于传输层的信息，剩下的二进制流中包含由应用层信息和真正的文本信息，之后送到应用层，应用层把他这层的信息抽取出来，剩下真正要交换的信息给应用程序。
从这个发送和接收的过程可以看到，发送过程各层将相应的数据入栈，接收过程各层将相应的数据出栈。
4.2 服务模型
从将一个数据传输从一个端系统传送至另一个端系统，数据将经过5层处理，每一层都各司其职，层与层之间都是消费者和生成者的关系，每一层要做的事情就是确保自己能提供上一层所需要的服务，以及如何把该服务的质量提高，而不做不属于自己该做的事情。例如使用https协议时，TCP层只负责报文段的发送，而不负责https报文数据的解密，TCP不会先将数据解密再递交到应用层。
在此后的学习中，我们除了应该关注于每一层能提供的服务及其是如何提供的之外，还需要知道其是如何与上一层和下一层进行交互的，比如应用层是如何把信息传给传输层的，而传输层不断收到分组之后又是以何种方式送给应用层的。
