计算机网络第一讲：Introduction 复习博客

计算机网络第一讲：Introduction 复习博客

文章目录

• 计算机网络第一讲：Introduction 复习博客
• • @[toc]
  • 前言：这一讲到底在讲什么？
  • 一、为什么要学计算机网络？
  • • 1. 网络是信息社会的基础设施
    • 2. AI 时代仍然需要底层网络知识
  • 二、本章学习目标与路线图
  • 三、Internet 是什么？
  • • 1. 硬件组成视角：nuts and bolts view
    • • 端系统 hosts / end systems
      • 通信链路 communication links
      • 分组交换设备 packet switches
      • 网络 networks
    • 2. 服务视角：services view
  • 四、什么是协议 Protocol？
  • • 1. 协议规定消息格式
    • 2. 协议规定消息顺序
    • 3. 协议规定收到消息后的动作
    • 4. 人类协议类比
  • 五、网络边缘：Network Edge
  • • 1. 端系统
    • 2. 接入网络 Access Network
  • 六、家庭接入网络
  • • 1. Cable-based access：有线电视网络接入
    • 2. DSL：数字用户线路
    • 3. 家庭网络结构
  • 七、企业、校园与数据中心接入
  • 八、主机如何发送数据？
  • 九、物理介质 Physical Media
  • • 1. Guided media
    • 2. Unguided media
  • 十、网络核心：Network Core
  • 十一、Forwarding 和 Routing
  • • 1. Forwarding：转发
    • 2. Routing：路由
    • 3. 一句话区分
  • 十二、分组交换 Packet Switching
  • • 1. 基本思想
    • 2. Store-and-forward 存储转发
    • 3. 为什么会排队和丢包？
  • 十三、电路交换 Circuit Switching
  • • 1. FDM 和 TDM
  • 十四、分组交换 vs 电路交换
  • • 1. 电路交换
    • 2. 分组交换
    • 3. 统计复用 Statistical Multiplexing
  • 十五、Internet 结构：网络的网络
  • 十六、网络性能：Delay、Loss、Throughput
  • 十七、四种节点时延
  • • 1. Processing Delay 处理时延
    • 2. Queueing Delay 排队时延
    • 3. Transmission Delay 传输时延
    • 4. Propagation Delay 传播时延
    • 5. 传输时延 vs 传播时延
  • 十八、车队类比理解时延
  • 十九、流量强度 Traffic Intensity
  • 二十、Packet Loss 丢包
  • 二十一、Traceroute 和 RTT
  • • 1. Traceroute
    • 2. RTT
  • 二十二、Bandwidth、Throughput 和 BDP
  • • 1. Bandwidth 带宽
    • 2. Throughput 吞吐量
    • 3. Bandwidth 和 Throughput 的区别
    • 4. BDP：Bandwidth Delay Product
    • 5. 单位换算
  • 二十三、网络安全入门
  • • 1. Packet Sniffing 嗅探
    • 2. IP Spoofing 伪造身份
    • 3. DoS 拒绝服务攻击
    • 4. 防御手段
  • 二十四、为什么需要分层？
  • • 1. 航空旅行类比
    • 2. 分层的好处
  • 二十五、TCP/IP 五层模型
  • • 1. Application Layer 应用层
    • 2. Transport Layer 传输层
    • 3. Network Layer 网络层
    • 4. Link Layer 链路层
    • 5. Physical Layer 物理层
  • 二十六、封装 Encapsulation
  • 二十七、Host、Router、Switch 分别处理到哪一层？
  • 二十八、协议、服务、接口
  • 二十九、OSI 七层模型与 TCP/IP 模型
  • 三十、TCP/IP 沙漏模型
  • • 1. Everything over IP
    • 2. IP over Everything
    • 3. 简单网络，复杂端系统
  • 三十一、互联网历史
  • • 1. 1961—1972：早期分组交换与 ARPANET
    • 2. 1972—1980：互联网络思想形成
    • 3. 1980—1990：TCP/IP、DNS、SMTP、FTP
    • 4. 1990s—2000s：Web 时代
    • 5. 2005 至今：移动互联网、云、内容网络
  • 三十二、标准化组织
  • 三十三、第一次作业补充知识点
  • • 1. QoS 不只包括带宽和时延
    • 2. Broadcast subnet 的碰撞概率
    • 3. Connectionless vs Connection-oriented
    • 4. Header overhead 封装开销
    • 5. 电路交换与分组交换精确时延公式
  • 三十四、本讲考试重点总结
  • • 1. Internet 两种视角
    • 2. 协议定义
    • 3. 网络结构
    • 4. Forwarding vs Routing
    • 5. 分组交换 vs 电路交换
    • 6. 四种时延
    • 7. 流量强度
    • 8. 吞吐量
    • 9. BDP
    • 10. 分层和封装
    • 11. TCP/IP 沙漏模型
  • 三十五、常见易错点整理
  • • 易错点 1：传输时延和传播时延混淆
    • 易错点 2：FDM 和 TDM 反了
    • 易错点 3：Forwarding 和 Routing 混淆
    • 易错点 4：吞吐量不是链路速率相加
    • 易错点 5：La/R = 1 不代表现实中稳定
    • 易错点 6：IP 地址不等于身份认证
    • 易错点 7：分层中“服务变化”和“实现变化”不同
  • 三十六、选择判断速记版
  • 三十七、计算题公式汇总
  • • 1. 传输时延
    • 2. 传播时延
    • 3. 节点总时延
    • 4. 流量强度
    • 5. 吞吐量
    • 6. BDP
    • 7. Header overhead
    • 8. 碰撞概率
    • 9. 电路交换时延
    • 10. 分组交换时延
  • 结语

前言：这一讲到底在讲什么？

第一讲是整门《计算机网络》的总览课。它不是深入讲某一个协议，而是先帮我们建立一张“网络知识地图”：Internet 到底是什么，什么是协议，网络边缘和网络核心分别是什么，数据从一台主机到另一台主机大概经历什么过程，分组交换和电路交换有什么区别，网络性能如何衡量，以及为什么网络要分层、为什么安全很重要。

这一讲最重要的不是背零散概念，而是建立主线：

应用要通信，必须依靠端系统、接入网络、网络核心、协议、分层封装以及各种性能和安全机制共同配合。

后面学习应用层、传输层、网络层、链路层时，其实都是在展开第一讲这张总图。

一、为什么要学计算机网络？

1. 网络是信息社会的基础设施

计算机网络支撑了网页搜索、远程会议、云游戏、文件传输、工业远程操控、云计算、物联网、大数据、AI、智慧城市、工业互联网、金融互联网、5G、WiFi、光纤接入和卫星互联网等大量场景。

所以网络不是简单的“能上网”，而是现代数字世界的交通系统。没有网络，应用、数据、云服务、AI 训练和推理都无法真正运转。

2. AI 时代仍然需要底层网络知识

AI 可以帮我们查资料、写代码，但不能替代我们对底层约束的理解。学习网络时要建立三种思维：

物理直觉：例如以太网为什么有最小帧长，这和传播时延、碰撞检测、网络直径有关。

约束思维：例如为什么 TCP 要三次握手，而 UDP 不需要，因为 TCP 要提供可靠、有状态的连接服务，UDP 则是无连接、轻量的。

权衡框架：例如为什么 Internet 采用“简单网络、复杂端系统”的设计，因为这样核心网络更容易扩展。

学习每个机制时都可以问三个问题：它解决什么问题？它付出什么代价？为什么不采用另一种方案？

二、本章学习目标与路线图

第一讲对应 Chapter 1 Introduction，目标是建立整体感觉和基本术语，而不是深入某个协议。

本章路线包括：

也就是说，这一讲先回答：互联网是什么？数据怎么走？为什么会慢？为什么会丢？为什么要分层？为什么需要安全？

三、Internet 是什么？

Internet 可以从两个角度理解：硬件组成视角和服务视角。

1. 硬件组成视角：nuts and bolts view

从硬件角度看，Internet 由端系统、通信链路、分组交换设备和各种网络组成。

端系统 hosts / end systems

端系统就是接入网络的设备，例如笔记本电脑、手机、服务器、智能家居设备、物联网设备。端系统运行网络应用，例如浏览器、微信、邮件客户端、视频会议软件等。

通信链路 communication links

链路负责在两个相邻节点之间传输数据。常见链路包括光纤、铜缆、同轴电缆、双绞线、无线电波、卫星链路。链路的传输速率通常用 bps 表示，也就是 bit per second。

分组交换设备 packet switches

网络中间有很多交换设备，负责把数据从一条链路转发到另一条链路。主要包括 routers 和 switches。它们不理解应用内容，只是根据包头中的地址信息进行转发。

网络 networks

Internet 不是一个单独的大网络，而是 network of networks，即网络的网络。家庭网络、校园网络、企业网络、运营商网络、数据中心网络、内容提供商网络互相连接，最终组成全球互联网。

2. 服务视角：services view

从服务角度看，Internet 是给分布式应用提供通信服务的基础设施。Web、视频会议、电子邮件、在线游戏、电商、云盘、流媒体等应用都依赖 Internet。

应用程序不需要自己关心底层链路、路由器、光纤、无线电等细节，只需要调用操作系统提供的网络接口，就可以把数据交给 Internet 传输。

所以服务视角可以概括为：

Internet 为分布式应用提供数据传输服务和编程接口。

四、什么是协议 Protocol？

协议是第一讲最核心的概念之一。

协议规定了网络实体之间交换消息的格式、顺序，以及发送或收到消息后应该采取什么动作。

1. 协议规定消息格式

例如 HTTP 请求可能长这样：

GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.com

这里的 GET、路径、版本号、Host 字段都有固定格式。如果格式不对，对方就可能无法理解。

2. 协议规定消息顺序

例如 TCP 建立连接时不是随便发，而是有顺序的：

客户端 -> 服务器：SYN
服务器 -> 客户端：SYN + ACK
客户端 -> 服务器：ACK

这就是三次握手的消息顺序。

3. 协议规定收到消息后的动作

例如收到 TCP SYN 后要回复 SYN+ACK，收到 HTTP GET 后服务器要返回 HTTP Response，收到错误数据包可能丢弃或者要求重传。

所以协议不是一个“软件名字”，而是一套通信规则。

4. 人类协议类比

人类聊天也有协议：

A：你好
B：你好
A：现在几点？
B：两点

如果 A 一上来就说“两点”，B 可能不知道你在回答什么。网络协议也是一样，通信双方必须按照约定格式和顺序交换消息。

五、网络边缘：Network Edge

Network edge 指网络的边缘部分，主要是端系统。

1. 端系统

端系统包括客户端 client 和服务器 server。客户端通常是用户设备，例如手机、电脑；服务器通常部署在数据中心中，为大量客户端提供服务。

比如你访问一个网站：浏览器所在电脑是客户端，网站服务器可能在云数据中心中。

2. 接入网络 Access Network

接入网络负责把端系统连接到第一个路由器，也就是 first-hop router。常见接入网络包括家庭接入网络、校园网络、企业网络、移动蜂窝网络、WiFi、数据中心网络。

学习接入网络时要问：端系统怎么接入 Internet？接入链路速率是多少？是独享链路还是共享链路？

六、家庭接入网络

1. Cable-based access：有线电视网络接入

Cable access 使用有线电视网络基础设施。它常使用 HFC，Hybrid Fiber Coax，混合光纤同轴。特点是下行和上行速率不对称，多个家庭共享到 cable headend 的接入网络，并使用 FDM 频分复用。

FDM 是 Frequency Division Multiplexing，频分复用，把频率分成多个频段，不同信道使用不同频率。注意：FDM 是分频率，不是分时间。

2. DSL：数字用户线路

DSL 使用传统电话线接入 Internet。电话线同时承载语音和数据，通过 splitter 分离语音和数据，数据进入 DSLAM，语音进入电话网。ADSL 中的 A 是 asymmetric，表示非对称，即下行速率通常高于上行速率。

3. 家庭网络结构

典型家庭网络包括 cable/DSL modem、路由器、NAT、防火墙、WiFi AP、有线 Ethernet 接口，以及手机、电脑、电视、智能设备等终端。

家庭路由器通常同时承担多个角色：接入 Internet、提供 WiFi、分配局域网地址、做 NAT、提供简单防火墙功能。

七、企业、校园与数据中心接入

企业和校园网络通常结合 Ethernet、WiFi、switches、routers 和 servers。校园网内部往往有多个子网，通过交换机和路由器互联，然后再接入运营商网络。

数据中心网络连接大量服务器，通常要求高带宽、低延迟、高可靠性和可扩展。现代云计算、搜索引擎、AI 训练和大模型服务都严重依赖数据中心网络。

八、主机如何发送数据？

主机发送数据时，并不是把一个大文件一口气直接扔进网络，而是应用层产生 message，message 被切分成 packets，每个 packet 逐个发送到链路上。

假设分组长度是 L bits，链路速率是 R bps，那么把一个分组全部推入链路所需时间是：

d_trans = L / R

这个叫传输时延，也叫发送时延。

例子：如果 L = 10 Kbits，R = 100 Mbps，那么：

d_trans = 10 × 10^3 / 100 × 10^6 = 0.0001 s = 0.1 ms

注意：传输时延看的是“把数据推上链路需要多久”。

九、物理介质 Physical Media

物理介质分为 guided media 和 unguided media。

1. Guided media

guided media 指信号沿着固体介质传播，包括双绞线、同轴电缆和光纤。

双绞线常用于以太网，例如 Cat5、Cat6。同轴电缆支持双向传输和多个频率信道。光纤使用光脉冲传输 bit，具有高速、低误码率、抗电磁干扰等特点，适合长距离、高带宽通信。

2. Unguided media

unguided media 指无线传播，比如无线电波。常见无线链路包括 WiFi、4G/5G、Bluetooth、微波和卫星。无线传播容易受到反射、遮挡、干扰、噪声和多径传播影响。

十、网络核心：Network Core

Network core 是由大量互联路由器组成的 mesh 网络。它的任务是把分组从源主机沿着路径一跳一跳转发到目的主机。

Internet 核心采用的是 packet switching，分组交换。

十一、Forwarding 和 Routing

这是第一讲非常容易考的概念。

1. Forwarding：转发

Forwarding 是本地动作，发生在单个路由器内部。路由器查看到达分组的头部，根据转发表，把分组从输入链路转到合适的输出链路。

关键词：local，per-router，input link to output link，forwarding table。

2. Routing：路由

Routing 是全局动作。它决定分组从源主机到目的主机应该走哪条路径。

关键词：global，source-to-destination path，routing algorithm。

3. 一句话区分

Routing 决定路怎么走，Forwarding 按表把包转出去。

类比：Routing 是出门前用地图规划路线；Forwarding 是到每个路口时按照路标转弯。

十二、分组交换 Packet Switching

1. 基本思想

分组交换中，主机会把应用层消息切成一个个 packet。每个 packet 独立在网络中转发。网络中间的路由器负责把 packet 一跳一跳转发到目的地。

2. Store-and-forward 存储转发

store-and-forward 的意思是：路由器必须先收到完整的分组，然后才能把它转发到下一条链路。

假设分组长度为 L bits，链路速率为 R bps，每一跳的传输时延是：

L / R

如果一个分组经过多条链路，每一跳都要经历一次传输时延。

3. 为什么会排队和丢包？

路由器输出链路速率有限。如果多个输入方向的分组都要从同一个输出链路出去，就会形成排队。当到达速率短时间超过输出链路处理能力，就会发生 queueing delay。如果 buffer 满了，新的分组就可能被丢弃，也就是 packet loss。

十三、电路交换 Circuit Switching

电路交换在通信前先建立一条端到端连接，并为通信预留资源。

典型特点：先建立连接，预留端到端资源，通信期间资源专用，性能较稳定，空闲时资源浪费。传统电话网就是典型的电路交换。

1. FDM 和 TDM

FDM 是 Frequency Division Multiplexing，频分复用，把频率分成多个频带，每个用户占用一个频带。

TDM 是 Time Division Multiplexing，时分复用，把时间分成多个时隙，每个用户周期性占用某些时隙。

记忆：FDM 分 frequency，分频率；TDM 分 time，分时间。

十四、分组交换 vs 电路交换

1. 电路交换

优点：预留资源，性能稳定，适合长期、连续、稳定通信，适合需要固定带宽和固定时延的业务。

缺点：建立连接需要时间，用户不发送数据时预留资源也不能给别人用，资源利用率低，不适合突发数据。

2. 分组交换

优点：不需要预留固定资源，多个用户动态共享链路，适合突发数据，资源利用率高，不需要 call setup，网络更灵活。

缺点：可能排队，可能丢包，时延不稳定，需要可靠传输和拥塞控制机制配合。

3. 统计复用 Statistical Multiplexing

假设链路速率为 1 Gbps，每个用户活跃时需要 100 Mbps，每个用户只有 10% 时间活跃。

如果使用电路交换：

1 Gbps / 100 Mbps = 10

最多支持 10 个用户。

但分组交换不为每个用户固定预留 100 Mbps，因为用户不是一直活跃。空闲用户不占资源，活跃用户动态共享链路。所以可以支持超过 10 个用户。

代价是：如果同时活跃的用户太多，就会出现排队、拥塞和丢包。

十五、Internet 结构：网络的网络

Internet 不是一个单独运营商控制的网络，而是由很多网络互联形成的。

Access ISP 直接给家庭、企业、校园提供接入服务。若所有 Access ISP 两两直接相连，需要 N(N-1)/2 条连接，不可扩展。

更可扩展的方式是 Access ISP 连接到更大的 ISP，多个大型 ISP 之间再互联。Tier-1 ISP 是全球范围内连接能力很强的大型网络。

IXP 是 Internet Exchange Point，互联网交换点，多个 ISP 可以在 IXP 互联交换流量。Peering 是网络之间的对等互联关系。

大型内容提供商也会建设自己的网络，例如 Google、Microsoft、Akamai、Meta 和大型 CDN。它们会把内容部署到靠近用户的位置，减少访问时延，提高服务质量。

十六、网络性能：Delay、Loss、Throughput

第一讲性能部分主要包括 delay、loss、RTT、throughput、bandwidth 和 BDP。

十七、四种节点时延

一个分组经过路由器时，总节点时延是：

d_nodal = d_proc + d_queue + d_trans + d_prop

其中包括 processing delay、queueing delay、transmission delay、propagation delay。

1. Processing Delay 处理时延

处理时延包括检查 bit 错误、读取包头、查转发表、决定输出链路。通常比较小。

2. Queueing Delay 排队时延

排队时延发生在路由器缓冲区中。如果输出链路很忙，分组就要等待。排队时延取决于网络拥塞程度，因此变化很大。

3. Transmission Delay 传输时延

传输时延是把整个分组推入链路所需时间：

d_trans = L / R

其中 L 是分组长度，单位 bit；R 是链路速率，单位 bps。带宽越大，传输时延越小。

4. Propagation Delay 传播时延

传播时延是一个 bit 从链路一端传播到另一端所需时间：

d_prop = d / s

其中 d 是链路长度，s 是信号传播速度。传播时延和带宽没有直接关系，主要取决于距离和信号传播速度。

5. 传输时延 vs 传播时延

带宽变大，能让数据更快“上链路”，但不能让信号传播速度无限变快。

十八、车队类比理解时延

课件用车队过收费站类比分组传输：car 类比 bit，caravan 类比 packet，toll booth service 类比 transmission，highway travel 类比 propagation。

如果一个车队有 10 辆车，收费站每辆车处理 12 秒，那么整个车队进入高速需要 10 × 12 = 120 秒。如果高速距离 100 km，车速 100 km/h，那么第一辆车到终点需要 1 小时。

这说明收费站处理时间类似传输时延，高速行驶时间类似传播时延，两者不是一回事。

十九、流量强度 Traffic Intensity

流量强度公式：

La / R

其中 L 是每个分组长度，单位 bit；a 是平均分组到达率，单位 packets/s；R 是链路速率，单位 bps。La 表示平均每秒到达多少 bit。

当 La/R 接近 0，说明流量远小于链路能力，排队时延很小。

当 La/R 接近 1，说明平均到达速率接近链路处理能力，排队时延会急剧增大。注意，等于 1 并不代表真实网络中“刚好稳定”。如果到达过程完全均匀，理论上可以刚好处理；但真实网络流量有突发性，只要短时间来一波流量，队列就会堆积，而系统没有多余能力快速消化队列。

当 La/R 大于 1，说明平均到达速率超过链路处理能力，长期来看队列会越来越长，最终 buffer 溢出，发生丢包。

二十、Packet Loss 丢包

路由器 buffer 是有限的。当分组到达时，如果 buffer 有空间，进入队列；如果 buffer 已满，分组被丢弃。

丢包可能由传输层处理，例如 TCP 会检测丢包并重传。但重传也会带来额外流量，可能进一步加重拥塞。

二十一、Traceroute 和 RTT

1. Traceroute

Traceroute 用来探测从源主机到目的主机经过哪些路由器。它发送带不同 TTL 的探测包，TTL 到 0 时，路由器返回错误消息，发送方根据返回消息知道路径上的路由器。每一跳通常发送 3 个 probe。

如果 traceroute 结果出现 * * *，不一定说明网络断了，也可能是路由器不回复探测包。

2. RTT

RTT 是 Round-Trip Time，往返时延，含义是从发送方发出数据，到收到对方响应所经历的时间。ping 命令常用来测 RTT。RTT 可以反映网络是否连通、往返时延大小、是否可能存在丢包。

二十二、Bandwidth、Throughput 和 BDP

1. Bandwidth 带宽

带宽表示链路最高传输速率，单位通常是 bps，例如 100 Mbps、1 Gbps、10 Gbps。带宽不是文件大小，而是传输能力。

2. Throughput 吞吐量

吞吐量是实际端到端传输速率。如果服务器到客户端路径有两条链路：

Rs = 20 Mbps
Rc = 5 Mbps

那么最大吞吐量约为：

min(20 Mbps, 5 Mbps) = 5 Mbps

所以端到端吞吐量由瓶颈链路决定。

3. Bandwidth 和 Throughput 的区别

带宽高不代表吞吐量一定高，因为路径中可能有瓶颈链路，也可能有拥塞、丢包、协议限制。

4. BDP：Bandwidth Delay Product

BDP 是带宽时延积：

BDP = bandwidth × propagation delay

它表示链路这根“管道”中可以同时容纳多少 bit。

例如：

带宽 = 100 Mbps
传播时延 = 50 ms = 0.05 s
BDP = 100 × 10^6 × 0.05 = 5,000,000 bits

换算成 Byte：

5,000,000 / 8 = 625,000 Bytes ≈ 0.625 MB

注意：BDP 中的带宽和传播时延相乘，不是因为带宽决定传播时延，而是计算在传播时延这段时间内最多能塞进链路多少数据。

5. 单位换算

1 B = 8 b

小写 b 是 bit，大写 B 是 Byte。传输速率通常用 bit/s，存储容量通常用 Byte。

100 Mbps = 100 / 8 MB/s = 12.5 MB/s

二十三、网络安全入门

Internet 最初并不是以强安全为核心目标设计的。早期 Internet 更像是一个互相信任的研究网络。后来规模扩大，攻击变多，所以安全成为所有层都必须考虑的问题。

1. Packet Sniffing 嗅探

嗅探指读取或记录经过网络的数据包。在共享介质或无线网络中，攻击者可能通过混杂模式网卡记录经过的数据。Wireshark 就是一种抓包工具。如果数据没有加密，嗅探者可能看到敏感信息。

2. IP Spoofing 伪造身份

IP spoofing 指伪造源 IP 地址发送数据包。这说明 IP 地址本身不能证明身份，所以网络安全中需要 authentication，鉴权。

3. DoS 拒绝服务攻击

DoS 是 Denial of Service。攻击者通过大量虚假流量占满服务器、链路或其他资源，让合法用户无法正常访问服务。

4. 防御手段

常见防御包括 authentication 鉴权、confidentiality 加密、integrity checks 完整性检查、access restrictions 接入限制、firewalls 防火墙、DoS detection/reaction。

二十四、为什么需要分层？

计算机网络非常复杂，包含 hosts、routers、links、applications、protocols、hardware、software。如果不分层，所有功能搅在一起，会非常难设计、维护和扩展。

1. 航空旅行类比

从一个地方旅行到另一个地方，需要买票、托运行李、登机、跑道起飞、飞行路由、降落、取行李。每一步只关心自己的服务，并依赖下一层服务。网络分层也是类似思想。

2. 分层的好处

分层的主要优点：结构清晰，便于讨论复杂系统，模块化，易于维护和更新，某一层实现变化时可以尽量不影响其他层。

例如 WiFi 换成 Ethernet，应用层的 HTTP 不需要改变。

二十五、TCP/IP 五层模型

本课程常用五层模型：

Application
Transport
Network
Link
Physical

1. Application Layer 应用层

应用层直接为用户应用服务。典型协议包括 HTTP、DNS、SMTP、IMAP。数据单位通常叫 message。

2. Transport Layer 传输层

传输层负责端系统中进程到进程的通信。典型协议是 TCP 和 UDP。数据单位通常叫 segment。TCP 提供可靠、有序、面向连接的传输；UDP 提供无连接、不可靠、轻量的传输。

3. Network Layer 网络层

网络层负责主机到主机的通信和路由选择。典型协议是 IP 和 routing protocols。数据单位通常叫 datagram。

4. Link Layer 链路层

链路层负责相邻节点之间的数据传输。典型技术包括 Ethernet、WiFi、PPP。数据单位通常叫 frame。

5. Physical Layer 物理层

物理层负责在线路上传输 bit，例如电信号、光信号、无线电波。数据单位是 bits。

二十六、封装 Encapsulation

封装是分层体系结构中非常重要的概念。发送端数据从上往下走，每一层都会加上自己的头部。

应用层：message
传输层：segment = Ht + message
网络层：datagram = Hn + segment
链路层：frame = Hl + datagram
物理层：bits

可以理解成套娃：

Frame [
Link Header
Datagram [
IP Header
Segment [
TCP Header
Application Message
]
]
]

接收端则反过来逐层拆包：

bits -> frame -> datagram -> segment -> message

二十七、Host、Router、Switch 分别处理到哪一层？

Host 主机通常实现完整五层，因为主机既要运行应用，也要收发数据。

Router 路由器通常处理到网络层，主要看 IP 头部，根据目的 IP 决定转发方向。

Switch 交换机通常处理到链路层，主要看 MAC 地址，在局域网内转发 frame。

二十八、协议、服务、接口

协议是水平的，发生在同一层的对等实体之间。例如客户端 TCP 和服务器 TCP 遵守 TCP 协议。

服务是垂直的，是下层给上层提供的能力。例如传输层给应用层提供进程间通信服务，网络层给传输层提供主机间通信服务。

接口是上层调用下层服务的方式。例如应用程序通过 socket API 使用传输层服务。

如果第 k 层提供给上层的 service 发生变化，主要影响第 k+1 层，因为第 k+1 层直接依赖第 k 层服务。但第 k-1 层通常不受直接影响，因为第 k-1 层只是给第 k 层提供服务。

一句话：服务变化主要影响上一层，实现变化通常不影响上下层。

二十九、OSI 七层模型与 TCP/IP 模型

OSI 七层模型从上到下是：

Application
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical

TCP/IP 常见四层模型是：

Application
Transport
Internet
Network Interface

本课程常用五层混合模型：

Application
Transport
Network
Link
Physical

Internet 协议栈中没有单独的表示层和会话层。如果需要加密、压缩、数据格式转换、会话同步，通常由应用层自己实现。

三十、TCP/IP 沙漏模型

TCP/IP 沙漏模型中，中间最窄处是 IP。

上面可以有很多应用：HTTP、DNS、Email、Streaming、Games。下面可以有很多链路技术：Ethernet、WiFi、4G/5G、Fiber、Satellite。但是中间都通过 IP 连接起来。

1. Everything over IP

各种应用都可以跑在 IP 之上。

2. IP over Everything

IP 又可以跑在各种底层链路之上。

3. 简单网络，复杂端系统

Internet 的设计思想是网络核心尽量简单，复杂功能尽量放在端系统。例如 IP 尽力而为转发，可靠传输由 TCP 在端系统实现，拥塞控制由端系统配合完成，应用逻辑放在应用层。

这样做的好处是 Internet 更容易扩展。

三十一、互联网历史

1. 1961—1972：早期分组交换与 ARPANET

重要事件包括 Kleinrock 的排队论工作、Baran 的军用分组交换研究、ARPANET 构想、1972 年 ARPANET demo、NCP、email 出现、ARPANET 约 15 个节点。

2. 1972—1980：互联网络思想形成

重要事件包括 ALOHAnet、Cerf and Kahn 提出互联网络架构、Ethernet 在 Xerox PARC 出现、ARPANET 扩展到约 200 个节点。重要原则包括 minimalism、autonomy、best-effort service、stateless routing、decentralized control。

3. 1980—1990：TCP/IP、DNS、SMTP、FTP

重要事件包括 1983 年 TCP/IP 正式部署，SMTP、DNS、FTP 出现，TCP congestion control 出现，主机数量达到约 100,000。

4. 1990s—2000s：Web 时代

重要事件包括 ARPANET 退役、NSFnet 商业化、Web 出现、HTML、HTTP、Mosaic、Netscape、IM、P2P、安全问题凸显，backbone 速率进入 Gbps 级别。

5. 2005 至今：移动互联网、云、内容网络

重要变化包括宽带普及、SDN 出现、4G/5G/WiFi 普及、智能手机兴起、云计算和数据中心兴起，大型内容提供商建设自有网络，CDN 把内容靠近用户。

三十二、标准化组织

ISO 制定了 OSI 七层参考模型。OSI 是 de jure standard，即正式标准，但现实中 Internet 更广泛采用 TCP/IP。

ITU 是联合国相关机构，负责通信标准制定。

IEEE 制定很多局域网和无线局域网标准，例如 IEEE 802.3 Ethernet 和 IEEE 802.11 WiFi。

WiFi Alliance 负责 WiFi 产品兼容认证。

IETF 是 Internet 标准制定的核心组织。很多 Internet 协议通过 RFC 发布，例如 RFC 791 是 IP，RFC 793 是 TCP。IETF 的文化是 rough consensus and running code，即粗略共识和可运行代码。

三十三、第一次作业补充知识点

作业里有一些点比 PPT 主线更偏教材题，复习时也要补上。

1. QoS 不只包括带宽和时延

QoS 是 Quality of Service，服务质量。除了 bandwidth 和 latency，还可能包括 jitter、packet loss、reliability、security、availability。

语音最怕时延太大、jitter 太大、连续丢包。语音可以忍受少量丢包，但不能忍受声音一会儿快一会儿慢。

视频关心带宽、时延、jitter、丢包率。直播和视频会议比点播视频更怕 jitter 和大时延。

金融交易更关心 reliability、security、correctness，有时也关心低时延。

2. Broadcast subnet 的碰撞概率

如果有 n 个主机，每个主机在一个时隙中以概率 p 发送，碰撞 collision 发生条件是同一个时隙中有 2 个或更多主机发送。

因此：

P(collision) = 1 – P(0个发送) – P(1个发送)

0 个主机发送：

P(0) = (1 – p)^n

刚好 1 个主机发送：

P(1) = n p (1 – p)^(n – 1)

所以：

P(collision) = 1 – (1 – p)^n – n p (1 – p)^(n – 1)

3. Connectionless vs Connection-oriented

Connectionless 无连接通信的特点是发送前不建立连接，每个分组独立处理，网络不维护连接状态，可能丢包、乱序。例子是 UDP 和 IP。

Connection-oriented 面向连接通信的特点是发送前先建立连接，通信双方维护连接状态，通常提供可靠、有序传输，结束后释放连接。例子是 TCP。

一句话：UDP/IP 像寄明信片；TCP 像先打电话接通，再持续通话。

4. Header overhead 封装开销

假设有 n 层协议，应用生成 M bytes 数据，每层添加 h bytes header。

总 header 大小：

n h

总发送大小：

M + n h

header 占比：

nh / (M + nh)

如果要百分比，再乘以 100%。

5. 电路交换与分组交换精确时延公式

假设消息长度为 x bits，路径有 k 跳，电路建立时间为 s 秒，每跳传播时延为 d 秒，分组大小为 p bits，数据速率为 b bps。

电路交换总时延：

T_circuit = s + k d + x / b

分组交换总时延，轻载、无排队、store-and-forward 情况下：

T_packet = k d + x / b + (k – 1)p / b

分组交换什么时候更快？比较 T_packet < T_circuit：

kd + x/b + (k – 1)p/b < s + kd + x/b

消去相同项：

(k – 1)p/b < s

所以：

s > (k – 1)p/b

也就是说，如果电路建立时间比分组交换的额外 store-and-forward 开销更大，那么分组交换更快。

三十四、本讲考试重点总结

第一讲最重要的内容可以压缩成下面这张清单。

1. Internet 两种视角

硬件视角：hosts + links + packet switches + networks
服务视角：为分布式应用提供通信服务

2. 协议定义

协议 = 消息格式 + 消息顺序 + 收到消息后的动作

3. 网络结构

Network edge：主机、客户端、服务器
Access network：把端系统接入第一个路由器
Network core：互联路由器组成的核心网络

4. Forwarding vs Routing

Forwarding：本地动作，按表转发
Routing：全局动作，决定路径

5. 分组交换 vs 电路交换

分组交换：共享资源，适合突发数据，可能排队和丢包
电路交换：预留资源，性能稳定，但资源利用率低

6. 四种时延

d_nodal = d_proc + d_queue + d_trans + d_prop
d_trans = L / R
d_prop = d / s

7. 流量强度

Traffic intensity = La / R

接近 1 时，排队时延急剧增大。

8. 吞吐量

Throughput = min(R1, R2, …, Rn)

端到端吞吐量由瓶颈链路决定。

9. BDP

BDP = bandwidth × propagation delay

表示链路中可以同时容纳多少 bit。

10. 分层和封装

五层模型：

Application
Transport
Network
Link
Physical

PDU：

message
segment
datagram
frame
bits

封装：

message -> segment -> datagram -> frame -> bits

11. TCP/IP 沙漏模型

Everything over IP
IP over everything

核心思想：IP 是中间窄腰，网络核心简单，端系统复杂。

三十五、常见易错点整理

易错点 1：传输时延和传播时延混淆

错误理解：带宽越大，传播时延越小。

正确理解：带宽影响传输时延，不直接影响传播时延。

易错点 2：FDM 和 TDM 反了

正确：FDM 分频率，TDM 分时间。

易错点 3：Forwarding 和 Routing 混淆

正确：Forwarding 是路由器内部本地转发，Routing 是全局路径计算。

易错点 4：吞吐量不是链路速率相加

端到端吞吐量看瓶颈链路：

min(R1, R2, …, Rn)

易错点 5：La/R = 1 不代表现实中稳定

只有完全均匀到达时才可能“刚好处理”。真实网络流量有突发性，所以接近 1 就已经很危险。

易错点 6：IP 地址不等于身份认证

IP spoofing 可以伪造源 IP，因此 IP 地址本身不能证明身份。

易错点 7：分层中“服务变化”和“实现变化”不同

实现变化通常对其他层透明；服务接口变化会影响上一层。

三十六、选择判断速记版

三十七、计算题公式汇总

1. 传输时延

d_trans = L / R

2. 传播时延

d_prop = d / s

3. 节点总时延

d_nodal = d_proc + d_queue + d_trans + d_prop

4. 流量强度

La / R

5. 吞吐量

Throughput = min(R1, R2, …, Rn)

6. BDP

BDP = R × d_prop

7. Header overhead

nh / (M + nh)

8. 碰撞概率

P(collision) = 1 – (1 – p)^n – n p (1 – p)^(n – 1)

9. 电路交换时延

T_circuit = s + kd + x/b

10. 分组交换时延

T_packet = kd + x/b + (k – 1)p/b

结语

第一讲看起来很杂，其实主线非常清楚：

应用想通信，就要把消息交给协议栈；协议栈逐层封装；数据通过接入网络进入网络核心；核心路由器用分组交换一跳一跳转发；传输过程中会产生时延、排队、丢包和吞吐瓶颈；为了管理复杂性，网络被设计成分层结构；为了安全，还要考虑嗅探、伪造、DoS 和各种防御机制。

这一讲真正要掌握的是“网络整体框架”。后面应用层、传输层、网络层、链路层，都是在这张框架图上继续展开。

只要第一讲这张图搭好了，后面的知识就不会散。