计算机网络（1）

（0）里更正一下，中科大github网址里给的是自顶向下的原版PPT，纯英的，中科大的相当于做了一些本土化和翻译

几个PPT图都差不多，文字也基本一致

作为第一课，计网内容十分驳杂，有点像计算机系统里的第一章，如果不是学到后面看明白了具体章节回头看，直接啃是很难啃得动的——当然，学过计科导论的小伙伴应该对这些东西都不陌生了

那就开始第一章的内容吧

虽然我自己也做笔记，但是我还是很推荐你直接看ppt的，写得比我自己写的详细很多，看自己能接受中文还是英文自己挑一份看，对着网课啃，还是很有收获的

概述

一、计算机网络基本概念

1.1 计算机网络定义

计算机网络是互连的、自治的计算机集合（Interconnected and autonomous set of computers）

核心特征为：

• 自治：无主从关系，各计算机独立运行；
• 互连：通过通信链路和交换设备实现互联互通，解决远距离、大规模设备的连接问题。Internet 是全球最大的计算机网络，也被称为网络之网络（network of networks），由数以百万计的计算设备、通信链路和交换设备组成。

1.2 Internet 的双重视角

（1）组成细节视角（Nuts and Bolts View）

• 端系统 / 主机（Host/End System）：运行网络应用（Web、Email、VoIP 等），包括 PC、服务器、智能手机、无线笔记本等；
• 通信链路（Communication Link）：传输介质包括光纤（fiber）、铜缆（copper）、无线电（radio）、卫星（satellite），传输速率称为带宽（Bandwidth），单位 bps；
• 分组交换机（Packet Switch）：转发数据包（分组），核心设备为路由器（Router）和交换机（Switch）；
• ISP（Internet Service Provider）：互联网服务提供商，包括家庭 ISP、区域 ISP、全球 ISP、移动网络 ISP，实现网络的互连互通。

（2）服务视角（Service View）

• Internet 是为网络应用提供通信服务的基础设施（Infrastructure），支持 Web、VoIP、电子商务、社交网络等应用；
• 提供应用编程接口（API），让应用程序能 “连接” Internet 并收发数据，类似邮政系统的通用数据传输服务。

上面主要展示了计算机网络的不同层次的划分，主要是硬件设备，但是计算机网络还需要软件层面的支持，软件相关约定称为协议。我们可以理解为，这是不同设备之间沟通交流需要遵循的一系列步骤。

1.3 网络协议（Network Protocol）

（1）核心定义

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，是计算机网络运行的核心，所有网络通信行为均由协议约束。协议规定了通信实体间交换消息的格式、意义、顺序，以及收到信息 / 发生事件时应采取的动作（Action）。

（2）协议三要素

（3）Internet 协议标准

• RFC（Request for Comments）：协议规范文档，是 Internet 协议的基础；
• IETF（Internet Engineering Task Force）：互联网工程任务组，负责制定和维护 Internet 协议。常见协议：TCP、IP、HTTP、Skype、802.11（WiFi）。

（4）类比理解

人类交互的 “协议”（如问时间、打招呼）与网络协议逻辑一致，均为 “发送特定消息→执行特定动作”，区别仅在于网络协议的交互主体是机器而非人类。

1.4 计算机网络分类

（1）按覆盖范围分类

• 个人区域网PAN（Personal Area Network）：~10 米；
• 局域网LAN（Local Area Network）：~1 公里；
• 城域网MAN（Metropolitan Area Network）：~5-50 公里；
• 广域网WAN（Wide Area Network）：~ 几十 – 几千公里。

（2）按使用者分类

• 专用网（Private Network）：企业、校园等内部网络；
• 公用网（Public Network）：电信运营商提供的公共网络。

（3）按拓扑结构分类

星形（Star）、总线（Bus）、环形（Ring）、树形（Tree）、网状（Mesh）、混合拓扑（Hybrid）。

二、计算机网络的结构

网络结构采用分层架构，核心分为网络边缘（Network Edge）、接入网络（Access Network）、** 网络核心（Network Core）** 三部分，三者协同实现端到端的数据传输。

2.1 网络边缘（Network Edge）

位于网络最外侧，是数据的产生和接收端，核心为主机（Host），运行各类网络应用，采用两种应用模型：

2.2 接入网络（Access Network）

将网络边缘连接到网络核心（边缘路由器）的网络，核心问题是如何连接和带宽 / 共享性，分为四类核心类型：

表格

补充：家庭网络接入

通常集成调制解调器（Modem）、路由器（Router）、防火墙（Firewall）、NAT、** 无线接入点（AP）** 于一个设备，通过有线以太网（1Gbps）和无线 WiFi 连接家庭设备，再通过 DSL/Cable/FTTH 连接到 ISP。

一个典型的家庭网络状况如图所示：

我们可以见到目前常见的手机电脑路由等设备

注意这个调节器，这也是历史的痕迹了，千禧年后美国等大规模铺设了有线电视网络，这些线路经过复用技术也能提供网络信号。关于复用大致理解为如何在有限的线路里为更多设备有效提供各自需要的信息，下面还会着重讲

每家每户都有这样的有线电视网络的话，整个小区的线路铺设就会比较统一，一并接入网络服务提供商

当然，这也是时代的眼泪了，现在有这个：（并非广告）

不过写这本书的时候这项技术还是很先进的，所以有必要写在里面

作为对比，公司内部的网络就会相对复杂一些，除了常规的网络设施，可能还有用于服务内部或者外部人员的服务器，相应的就会有更多的网络配置

2.3 物理介质（Physical Media）

接入网络的底层传输载体，分为导向介质（Guided Media）和非导向介质（Unguided Media）：

2.4 网络核心（Network Core）

网络的核心交换层，由互连的路由器（Router）组成，核心功能是数据交换，实现分组从源主机到目的主机的转发，包含两个关键操作：

2.5 Internet 的整体结构（网络之网络）

Internet 的结构由 ISP 的互连决定，核心演进逻辑为解决大规模接入 ISP 的互连扩展性问题，最终形成 “接入 ISP→区域 ISP→一级 ISP + 内容提供商网络” 的多层结构

如果所有设备都通过线路互联，数量一多就会无法管理

一种目前在用的巧妙方法是，先让这些计算机根据需要在小型的网络之间通过路由等设备互联，组建小型网络后，小网络在合并成大网络

这些网络之间通过专门的交换交换信息，从而极大地减轻路由设备和接入设备承担的压力

如果我们画一张图来展示这里面的层级结构，大概是这样的：

关键节点包括：

三、数据交换（Data Exchange）

网络核心的核心功能，解决多设备互连的连通性和网络规模问题，避免直接互连的 O (N²) 链路开销，分为电路交换、报文交换、分组交换三种方式，其中分组交换是 Internet 的核心交换方式。

3.1 电路交换（Circuit Switching）

（1）核心原理

为源和目的之间建立专用的物理电路，通信期间独占资源，通信结束后释放电路，典型应用为传统电话网络。

（2）三个阶段

建立连接（呼叫建立）→ 通信（独占资源）→ 释放连接（拆除电路）。

（3）链路共享方式：多路复用

• 频分多路复用（FDM）：将链路带宽划分为不同频率的信道，各用户独占一个信道；
• 时分多路复用（TDM）：将链路时间划分为固定时隙，各用户独占一个时隙。

（4）特点

• 优点：专用资源，性能保证，无拥塞、无延迟，适合实时性要求高的业务（语音）；
• 缺点：资源利用率低，电路空闲时无法被其他用户使用，不适合突发数据传输。

对于保密性要求很高的政府之间等通信，为了防止窃听会采用这种方式，比如

3.2 报文交换（Message Switching）

（1）核心原理

源主机将 ** 完整的应用消息（报文，Message）作为传输单元，采用存储 – 转发（Store-and-Forward）** 方式：路由器接收完整报文后，再转发到下一跳。

（2）特点

• 优点：无需建立专用电路，资源共享，适合突发数据；
• 缺点：报文通常较大，存储 / 转发延迟大，路由器需要大缓存，易产生拥塞。

3.3 分组交换（Packet Switching）

（1）核心原理

源主机将报文拆分为较小的分组（Packet，L bits）作为传输单元，每个分组包含数据和分组头（Header），采用存储 – 转发方式，路由器接收完整分组后转发，目的主机收到所有分组后重组为报文。

（2）核心特性：统计多路复用（Statistical Multiplexing）

分组的到达和发送序列不确定，链路资源按需共享，相比电路交换的 “固定分配”，大幅提升资源利用率。

（3）存储 – 转发延迟计算

• 单跳传输延迟：dtrans​=RL​（L 为分组长度，R 为链路带宽）；
• 多跳（h 跳，n 个路由器）端到端延迟：T=RM​+(h−1)RL​=RM​+nRL​（M 为报文长度）。

（4）与报文交换的对比

分组交换因分组尺寸小，存储 / 转发延迟远小于报文交换，路由器缓存要求低，更适合大规模网络（如 Internet）；代价是增加了拆分 / 重组的额外开销和分组头的带宽开销。

（5）分组交换的问题

• 排队延迟（Queueing Delay）：分组到达速率超过链路输出速率时，在路由器缓存中排队；
• 丢包（Loss）：路由器缓存（缓冲区）容量有限，缓存满时到达的分组被丢弃；
• 需通过协议实现可靠传输和拥塞控制。

3.4 分组交换 vs 电路交换

（1）经典案例

1Mbps 链路，每个用户活动时需 100kbps，活动时间占 10%：

• 电路交换：最多支持10 个用户（独占资源）；
• 分组交换：35 个用户时，同时活动的用户数 > 10 的概率 < 0.0004，支持更多用户。

（2）核心对比

（3）结论

分组交换是 Internet 的最优选择，适合突发数据传输；为解决实时业务需求，需通过协议提供类电路的带宽保证（仍为网络领域待解问题）。

四、计算机网络性能指标

性能指标是衡量网络服务质量的核心，核心包括速率、带宽、时延、吞吐量、丢包率等，是网络设计和优化的依据。

4.1 速率（Data Rate / Bit Rate）

• 定义：单位时间内传输的比特数，即数据传输速率；
• 单位：bps（bit per second）、kbps（10³bps）、Mbps（10⁶bps）、Gbps（10⁹bps）；
• 说明：通常指额定速率 / 标称速率，即链路的最大传输速率。

4.2 带宽（Bandwidth）

• 原本含义：信号的频带宽度（Hz）；
• 网络含义：数字信道的最高数据传输速率，与速率单位一致（bps），是链路传输能力的上限。

4.3 时延（Delay / Latency）

分组从源主机到目的主机的总延迟，分为四种核心时延，总时延为四者之和：

dnodal​=dproc​+dqueue​+dtrans​+dprop​

关键补充

4.4 时延带宽积（Delay-Bandwidth Product）

• 定义：dprop​×R，即传播时延 × 带宽；
• 物理意义：以比特为单位的链路长度，表示链路中同时存在的最大比特数，反映链路的 “比特容量”。

4.5 往返时间（RTT, Round-Trip Time）

• 定义：源主机发送分组后，到收到目的主机的确认分组的总时间；
• 公式：RTT=2dprop​+dproc​+dtrans​（含双向传播、处理、传输时延）；
• 应用：衡量端到端通信的延迟，是 TCP 协议拥塞控制、超时重传的重要依据。

4.6 吞吐量（Throughput）

• 定义：源主机到目的主机之间实际的平均数据传输速率（bps），反映网络的实际传输能力；
• 分类：即时吞吐量（某一时刻的速率）、平均吞吐量（一段时间的平均速率）；
• 瓶颈链路（Bottleneck Link）：端到端路径中带宽最小的链路，吞吐量由瓶颈链路决定，即Throughput=min(R1​,R2​,…,Rn​)（Rn​为各链路带宽）。
  • 例：10 个连接共享骨干链路 R，则单连接吞吐量=min(Rc​,Rs​,R/10)（Rc​/Rs​为接入链路带宽）。

4.7 丢包率（Packet Loss Rate）

• 定义：丢包数已发送分组总数；
• 原因：路由器缓存容量有限，分组到达时缓存已满，导致分组被丢弃；
• 影响：丢包会导致数据重传，增加时延，降低吞吐量，是网络拥塞的重要标志。

4.8 利用率（Utilization）

• 信道利用率：某条信道被利用的时间占总时间的百分比；
• 网络利用率：全网络所有信道利用率的加权平均值；
• 规律：利用率升高时，时延会呈指数级增长，因此网络利用率通常控制在 50% 以下。

五、计算机网络体系结构（Network Architecture）

计算机网络是复杂系统，通过分层（Layering）将复杂功能拆解为若干简单的层，每层完成特定功能，通过协议实现层内交互，通过服务实现层间交互，体系结构是网络各层及其协议的集合。

5.1 分层的意义

5.2 分层的核心概念

5.3 两种核心体系结构

（1）OSI 参考模型（OSI Reference Model）

• 提出：ISO（国际标准化组织）1984 年提出，7 层结构，是网络通信的理论模型；
• 特点：理论完整，功能划分清晰，但过于复杂，市场应用失败，是理解网络通信的重要工具；
• 七层结构（自下而上）：物理层→数据链路层→网络层→传输层→会话层→表示层→应用层。

（2）TCP/IP 参考模型（TCP/IP Reference Model）

• 提出：为 Internet 设计，4 层结构，是实际应用模型，贯穿 Internet 的所有协议；
• 核心思想：Everything over IP（所有应用基于 IP）、IP over Everything（IP 基于所有物理介质）；
• 四层结构（自下而上）：网络接口层→网络层→传输层→应用层。

（3）五层参考模型（综合模型）

结合 OSI 和 TCP/IP 的优点，是教材和工程中最常用的模型，兼顾理论和实际，五层结构及核心功能 / 协议如下（自下而上）：

表格

5.4 五层模型的通信过程

六、计算机网络与 Internet 发展历史

Internet 的发展是分组交换技术、网络互连技术、协议标准化和商业化的结合，核心分为 6 个阶段，关键节点如下：

6.1 1961-1972：早期分组交换原理的提出与 ARPAnet 诞生

• 1961：Kleinrock 用排队论证实分组交换的有效性；
• 1964：Baran 提出分组交换应用于军事网络；
• 1967：ARPA 提出ARPAnet构想（美国国防部高级研究计划局）；
• 1969：ARPAnet 首个节点运行（4 个节点），是 Internet 的前身；
• 1972：ARPAnet 公开演示，提出首个主机 – 主机协议NCP，诞生首个 Email 程序，节点数达 15。

6.2 1972-1980：网络互连技术与新型网络涌现

• 1970：夏威夷 ALOHAnet 卫星网络（首个无线分组交换网络）；
• 1974：Cerf & Kahn 提出网络互连体系结构，奠定 Internet 的核心架构（极简、自治、尽力服务、无状态路由器）；
• 1976：Xerox PARC 发明以太网（Ethernet）；
• 1979：ARPAnet 节点数达 200，出现私有网络体系结构（DECnet、SNA）。

6.3 1980-1990：TCP/IP 协议标准化与网络激增

• 1983：TCP/IP正式部署为 ARPAnet 的核心协议，成为 Internet 的基础（“TCP/IP 日”）；
• 1982：SMTP（电子邮件）协议定义；
• 1983：DNS（域名系统）定义，解决 IP 地址记忆问题；
• 1985：FTP（文件传输）协议定义；
• 1988：TCP 拥塞控制算法提出；
• 1986：NSFnet 建成，形成 “骨干网 – 区域网 – 校园网” 三级结构，连接 10 万台主机。

6.4 1990-2000：商业化、Web 诞生与 Internet 普及

• 1990：ARPAnet 正式退役，NSFnet 成为 Internet 核心；
• 1991：NSF 解除 NSFnet 的商业应用限制，Internet 进入商业化时代；
• 1991：Berners-Lee 提出HTML、HTTP，诞生 Web；
• 1994：Mosaic/Netscape 浏览器诞生，Web 快速普及；
• 90 年代后期：P2P、即时通信出现，网络安全成为核心问题，主机数达 5000 万，用户数超 1 亿。

6.5 2000-2005：宽带与无线互联网发展

• 宽带接入（DSL/Cable/FTTH）大规模部署，网络主干带宽提升至 Gbps；
• 3G 无线通信诞生，移动互联网开始发展；
• 社交网络、电子商务开始兴起，Google、百度等搜索引擎出现。

6.6 2005 – 至今：移动互联网、云计算与物联网

• 2016：全球约50 亿设备接入 Internet，以智能手机 / 平板为主；
• 4G/5G 无线接入普及，WiFi 成为主流无线技术；
• 内容提供商网络（Google、Microsoft、阿里云）崛起，自建网络绕过传统 ISP；
• 云计算（AWS、Azure、阿里云）、大数据、物联网（IoT）成为网络发展核心；
• 在线社交网络（Facebook、微信）用户数达数十亿，成为主流网络应用。

七、总结