第1章 计算机网络和因特网

第1章 计算机网络和因特网

课程目标

一、课程教学目标

​ 本课程的核心教学目标是帮助学生掌握计算机网络领域的核心知识，具体包括计算机网络基本概念、工作原理、常用技术及协议，最终为后续计算机网络的学习、实际应用以及相关领域研究筑牢基础。

二、课程学习核心方法

  1. 行业发展特性
    • 计算机网络技术迭代速度极快，相关教材更新频繁，授课教师已执教该课程 20 余年，教材从第 1 版更新至第 7 版，且每版更新率达 10%-30%，预计教材更新至第 11 版时教师将临近退休。
    • 技术更新快导致难以追更所有新技术，因此不能盲目跟风新技术。
  2. 核心学习策略需牢牢掌握学科最根本的内容，即基本原理、核心协议与技术、常规思维及问题分析方法；在夯实基础后，可依托已有的知识体系和思考逻辑，快速理解和接纳新的网络技术。

三、课程的重要性（电口 / 信息口学生的 “安身立命之本”）

  1. 日常应用层面计算机网络已融入各行各业及日常生活，例如健康码核验、线上购物、网络游戏等娱乐活动，均离不开网络技术的支撑。

  2. 职业发展层面

    • 若进入互联网、工业互联网、制造类企业，需结合计算机网络技术开发更高级的系统，若无扎实的网络原理与协议知识，无法高效开展相关工作。

    • 若入职华为等一线互联网设备提供商，工作内容多为网络本身的研究与开发，对计算机网络知识的深度掌握是开展工作的前提。

      因此，学好本课程是构建专业知识体系的关键一环，需投入足够的时间与精力学扎实。

四、课程学习难点及应对方向

  1. 难点 1：概念与术语数量庞大
    • 课程包含大量专业概念和术语，仅第一章就有四五十个重要概念，初期会给学生带来较强的学习冲击。
    • 应对：前期需扎实掌握基础概念，打好铺垫后，后续学习难度会显著降低。
  2. 难点 2：推理逻辑特殊
    • 课程推理多为定性的逻辑描述，与数学的严谨公式推理差异较大，存在表述繁杂、术语穿插的问题，且概念间的逻辑、包含关系需自主梳理。
    • 应对：一方面要提升自身逻辑思维能力，另一方面要学会从繁杂的知识中提炼核心主线；同时，这种能力的锻炼也是本课程学习的重要 “副产品”。

课程主要内容

一、课程整体框架与授课安排

（一）内容模块划分

​ 课程内容整体分为三个模块，各模块定位与核心内容如下：

  1. 计算机网络导论 / 绪论

    • 特殊性：区别于常规课程绪论，是 “小型核心课”，课时占比高、内容扎实，非单纯的历史与概括性介绍。
    • 核心内容：计算机网络关键术语与概念、网络工作框架性原理、互联网发展历史，需重点吃透以建立整体认知。

  2. 五层协议核心内容

    • 授课逻辑：采用top-down（自顶向下）讲解顺序，从应用层到物理层依次展开；因物理层部分内容（编解码等）已在通信原理课程涉及，故将**数据链路层与物理层合并为一章讲解。
    • 章节结构：每一层章节均分为两部分
      • 原理部分：先明确本层核心功能与向上层提供的服务，再讲解本层功能如何借助下层服务通过软硬件实现。
      • 实例部分：以互联网该层主流协议为案例，具象化原理知识。

  3. 必修拓展内容

    为课程必修模块，包含网络安全、无线与移动网络、多媒体网络、网络管理四大板块，具体内容见下文拓展模块。

（二）分层核心逻辑：功能与服务的关系

  1. 概念区别
    • 功能：某一层自身具备的技术能力。
    • 服务：功能通过层间接口向上层输出的可用能力，是功能的对外体现。
  2. 分层协作逻辑
    • 上层通过接口调用下层服务，无需关心下层功能的具体实现；
    • 本层功能的实现依赖下层服务，同时需为上层提供更优质的服务，形成 “下层支撑、上层调用” 的层级协作体系。

二、五层协议核心内容详解（top-down 顺序）

（一）应用层

  1. 原理核心
    • 服务对象：远程应用进程（不同主机上的应用程序，非同一主机内进程）。
    • 核心作用：规范远程应用进程间通信的语法、语义、时序，实现不同厂商应用程序的互操作（如 Chrome 浏览器与 Apache 服务器的交互）。
  2. 协议实例
    • HTTP 协议：支撑 Web 应用，实现浏览器与服务器的网页请求与响应交互；
    • FTP 协议：支撑文件传输应用，实现文件的上传与下载；
    • SMTP/POP3 协议：分别支撑电子邮件的发送与接收。

（二）传输层

1.核心定位

​ 基于网络层 “主机到主机” 的端到端服务，进一步实现进程到进程的精准通信（一台主机存在多个应用进程，需区分通信对象），并对网络层服务进行增强。

2.两大核心协议对比

协议类型 服务特性 实现可靠的关键措施（TCP 专属） 适用场景 选择逻辑
TCP（传输控制协议） 可靠传输（不丢失、不重复、不错序、不出错） 发送端留数据副本、数据编号；接收端校验、确认；异常时检错重传、超时重传；乱序时排序 对可靠性要求高的应用（Web、FTP、邮件传输） 应用程序无需关注可靠性，降低开发难度，但需付出时间与存储空间代价
UDP（用户数据报协议） 不可靠传输、实时性强 无可靠性保障措施 1. 实时多媒体应用（直播、麦克风通话，少量数据丢失不影响内容理解）；
2. 事务性应用（一次请求 - 响应即可完成，丢包可重发，避免 TCP 两次往返的耗时）		 牺牲可靠性换取低时延，适配对实时性要求高或轻量交互的场景

3.关键辨析：TCP 的可靠性存在代价（占用收发端存储空间、增加传输时延），因此并非所有场景都优先选择，需平衡可靠性与实时性。

（三）网络层

  1. 核心功能与服务
    • 核心功能：路由（路由器间交换路由信息，通过算法生成路由表）与转发（根据路由表将 IP 分组从合适端口转发）。
    • 服务特性：提供 ** 尽力而为（best effort）** 的端到端（主机到主机）服务，无传输保障（可能丢包、错序、出错），以 IP 数据报为传输单位。
    • 层级依赖：端到端通信由多个 “点到点（point to point）” 链路组成，需依赖数据链路层的相邻节点传输服务实现。
  2. 两种工作方式
工作方式 数据平面 控制平面 优缺点
传统方式 运行 IP 协议，根据目标 IP 匹配路由表完成转发，动作仅为转发 运行路由协议（如 RIP），路由器间交换路由信息并生成路由表 优点：逻辑简单；缺点：功能僵化，无法扩展新能力，设备升级困难
SDN（软件定义网络）方式 运行交换机，根据流表（含源 IP、源 MAC、目标 MAC 等多字段）匹配分组，可执行转发、泛洪、阻断、改字段等多样化动作 部署网络操作系统，通过网络应用生成流表，经南向接口下发至数据平面 优点：可编程性强，可快速部署负载均衡、防火墙等新功能，统一设备框架降低运营商成本；缺点：架构相对复杂

（四）数据链路层与物理层

  1. 数据链路层
    • 核心功能：在物理层基础上，实现相邻两点间以 “帧” 为单位的数据传输，为网络层的端到端通信提供点到点支撑。
  2. 物理层
    • 核心功能：实现数字信号与物理信号的双向转换（发送端将 01 数字信号转为光 / 电磁波信号，接收端反向转换）。
    • 媒介定位：网线、同轴电缆、光纤、电话线等传输媒介为 “第 0 层”，物理层在媒介之上完成信号转换工作。

（五）网络安全

核心内容为网络安全的核心特性，以及各类安全特性的具体实现方案。

（六）无线与移动网络

  • 覆盖场景：WiFi（小范围）、4G/5G（广域 / 全球范围）；
  • 核心问题：移动性管理（保障移动过程中通信持续性）；
  • 重点对比：无线网络与有线网络的技术差异及适配方案。

（七）多媒体网络

  • 多媒体应用定位：互联网 “杀手级应用”，兼具两大特性（一是高带宽消耗，二是强用户吸引力，助力运营商盈利）；
  • 核心内容：多媒体应用类型、传输需求，以及应用层、传输层、网络层的针对性适配修改方案。

（八）网络管理

以SNMP 协议为核心，讲解互联网设备的故障排查、配置管理等运维功能（具体内容视课时安排调整）。

三、关键概念辨析

  1. 端到端 vs 点到点：端到端是主机到主机的整体通信，由多个点到点（相邻节点）链路组成；
  2. 尽力而为服务：网络层 IP 协议的服务特性，无传输保障，仅尽最大努力完成数据交付；
  3. 主机到主机 vs 进程到进程：网络层实现主机级通信，传输层在其基础上实现进程级精准通信，颗粒度更细。

1.1什么是Internet

1.1.1本章整体定位与学习要求

（1）章节核心地位

  • 与多数课程 “导论性第一章” 不同，本章是整门课程的框架性核心章节，老师强调 “第一章最重要、最具框架性”，学好本章能为后续章节（如网络边缘、核心、协议层次等）打下 “概念级 + 技术框架级” 基础。
  • 学习痛点与价值：本章术语密集（如 “协议”“分组交换”“ISP” 等），初期可能因术语密集产生认知冲击，但掌握后后续内容会 “相对清晰”，需投入时间与精力攻克这些内容，实现 “在挑战中成长” 的学习效果。

（2）学习目标与方法

  • 核心目标：①了解计算机网络的基本术语与概念；②掌握网络的基本工作原理（“网络的定义”“网络的运行逻辑”）；③建立分层、模块化的网络思维。
  • 讲解方法：全程以Internet（互联网）为核心案例，遵循 “网络→计算机网络→互联网” 的概念递进逻辑，结合实际设备与应用场景（如 Web、直播、智能家电）辅助理解。

1.1.2从 “通用网络” 到 “Internet” 的概念递进

（1）通用网络的本质（讲课文稿引入的基础认知）

  1. 核心定义：网络是由节点和 边（链路）构成的拓扑结构，其核心价值取决于节点间的连接关系，与节点 / 链路的物理大小、形状无关。
  2. 生活实例佐证
    • 自然网络：蜘蛛网（蜘蛛为节点，蛛丝为链路）、大脑神经元网络（1000 多亿神经元为节点，突触为链路，神经元可通过突触传递神经冲动）。
    • 社会网络：人际社交网络（人为节点，朋友关系为链路）。

（2）计算机网络的定义与构成（通用网络到专用网络的过渡）

  1. 官方定义：计算机网络是联网计算机及相关设备组成的通信系统，同样遵循 “节点 + 链路” 的拓扑逻辑，且各组成部分有明确的功能分工。
  2. 节点的两类划分（功能 + 层次双维度）
    • 主机节点（端系统 / Host）
      • 功能定位：数据通信的源端或目标端，不承担数据中转任务。
      • 设备类型：传统设备（PC、笔记本、服务器、智能手机）+ 物联网设备（课件提及的联网烤面包机、IP 相框、智能冰箱、Tweet-a-watt（能耗监测设备）、Slingbox（远程控制有线电视设备）；讲课文稿补充的带传感器智能球鞋、智能机顶盒）。
      • 内部构成（讲课文稿细节）：硬件设备 + 支持通信的操作系统（内置协议栈）+ 网络应用程序（如浏览器、Web 服务器、电商 / 社交 App），三者缺一不可，共同实现网络通信能力。
    • 中转节点（网络交换设备）
      • 功能定位：仅负责数据转发，无数据的源 / 目标属性，是跨节点 / 跨网络通信的枢纽。
      • 设备类型及层次差异（课件 + 讲课文稿整合）
        • 交换机：工作于链路层，以 MAC 地址为转发依据，主要服务于局域网内数据传输。
        • 路由器：工作于网络层，以 IP 地址为转发依据，通过查询路由表确定转发路径，是跨网络通信的核心设备。
        • 补充设备：负载均衡设备（讲课文稿提及，工作于传输层 / 应用层，实现流量分发）、防火墙（课件隐含的安全类中转设备）。
  3. 链路的基础属性（课件核心补充）
    • 物理载体：光纤、同轴电缆、无线电、卫星、双绞线等。
    • 核心指标：带宽（bps，比特 / 秒），即链路每秒可传输的比特数，直接决定数据传输速率。
    • 功能价值：不仅是连接节点的物理通道，还需配套链路层协议，才能实现稳定的数据传输逻辑。

（3）Internet 的专属定义（构成 + 协议双核心）

  1. 核心标识 1：物理构成 ——“网络的网络”

    （课件明确定义 + 讲课文稿解读）

    • 结构逻辑：Internet 并非单一平面网络，而是由大量独立网络（如教育科研网、电信 / 移动运营商网络、企业内网）通过路由器等互联设备连接而成的巨型系统。
    • 规模量级（讲课文稿 + 课件补充）：联网设备达数十亿级（接近百亿），物联网时代将增至数千亿；由几十万甚至上百万个独立子网构成，是支撑全球生产生活的复杂通信枢纽。

  2. 核心标识 2：协议支撑 ——TCP/IP 协议簇

    （讲课文稿重点强调 + 课件佐证）

    • 协议价值：是不同厂商设备 / 软件实现互操作的统一标准，如苹果手机的 App 可与 Linux 服务器通信，核心是双方均遵循 TCP/IP 协议。
    • 协议地位：是 Internet 区别于其他专用网络（如银行专网、军用专网）的关键，无 TCP/IP 协议支撑的网络，无法接入公共 Internet。

1.1.3Internet 的详细构成要素（物理层面）

（1）端系统（主机）的深度解析

  1. 功能拓展（课件补充）：端系统不仅是数据收发终端，还需运行网络应用程序，如 Web、Email、VoIP、分布式游戏、电子商务等，是 Internet 提供服务的最终载体。
  2. 设备多样性（课件趣味案例）
    • 生活类物联网设备：Web-enabled toaster（可联网获取天气预报的烤面包机）、Internet refrigerator（可自动下单食材的智能冰箱）、Internet phones（网络电话）。
    • 专业类物联网设备：IP picture frame（可远程更新照片的电子相框）、Tweet-a-watt（可上传能耗数据的监测设备）、Slingbox（远程控制有线电视的设备）。

（2）网络交换设备的核心能力（课件技术细节）

  1. 路由器的核心功能：转发分组（Packets），即接收来自某一链路的分组后，根据分组首部的目标地址，选择最优链路转发至下一跳路由器，最终实现源端到目标端的跨网络传输。
  2. 交换机的补充作用：在局域网内完成帧（Frame）的快速转发，减少局域网内的广播风暴，提升局部网络的通信效率。

（3）通信链路的分类与载体（课件分类 + 技术参数）

  1. 按连接对象分类
    • 接入网链路：主机连接到 Internet 的 “最后一公里” 链路，如家庭的以太网网线、无线 WiFi 链路，对应课件中的 “住宅 / 企业接入网” 范畴。
    • 主干链路：路由器之间的高速链路，载体多为光纤、卫星，具备大带宽、长距离传输能力，是 Internet 跨地域通信的核心通道。
  2. 物理载体的技术特性（课件补充）
    • 有线载体：光纤（高速、低误码率、抗电磁干扰）、同轴电缆（支持多信道传输）、双绞线（5 类支持 100Mbps 以太网，6 类支持 10Gbps 万兆以太网）。
    • 无线载体：无线电、卫星（广域覆盖，但存在传输延迟）。

1.2.4Internet 的核心支撑 —— 协议（逻辑层面）

（1）协议的官方定义

协议是两个或多个通信实体（对等层实体）在通信过程中必须遵守的规则集合，其核心是规定了报文的交换格式、交互次序，以及报文传输 / 接收时应采取的动作。

  • 对等层实体举例（讲课文稿补充）：两台主机的 TCP 协议模块、两个相邻路由器的链路层协议模块。

（2）协议与人类协议的类比

人类协议场景 计算机网络协议对应场景 协议动作逻辑
见面说 “你好”（建立沟通） TCP 连接请求与响应 先完成 “握手”，再开展数据传输
询问 “几点了？”（发起请求） 浏览器发送 HTTP 请求（Get http://www.awl.com/kurose-ross） 主动发起服务请求，明确需求
回复 “2:00”（反馈结果） Web 服务器返回目标文件 接收请求后，按约定格式反馈响应

（3）协议的三大核心要素（课件技术拆解 + 讲课文稿解读）

  1. 语法：规定协议数据单元（PDU）的格式，包括报文的字段长度、字段顺序、各字段的取值范围。
    • 实例（讲课文稿）：HTTP 请求报文的首部字段需按 “请求方法 - URL - 协议版本” 的顺序排列，且每个字段有固定的字节数限制。
  2. 语义：定义 PDU 各字段的含义，即字段取值对应的通信意图。
    • 实例（课件隐含）：TCP 报文的 “确认位” 为 1 时，代表已成功接收对方传输的数据；为 0 时，代表未接收或接收异常。
  3. 时序 / 动作：明确通信的先后次序与触发动作，规定何时发送报文、何时接收报文，以及接收报文后需执行的内部操作。
    • 实例（讲课文稿）：Web 通信需先完成 TCP 连接建立，服务器需在接收到 HTTP 请求后，才触发 “读取本地文件并返回响应” 的动作。

（4）Internet 协议的类型（课件列举）

核心协议：TCP（传输控制协议）、IP（网际协议）；应用层协议：HTTP（Web）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件）、PPP（点对点协议）；讲课文稿补充 DNS（域名解析）、VoIP（网络电话）相关协议。

（5）协议的标准制定机制（讲课文稿重点 + 课件佐证）

  1. 制定机构：互联网工程任务组（IETF），非盈利性组织，面向全球工程师、科研机构开放技术方案征集，无单一主导方。
  2. 标准载体：请求评述文档（RFC），任何人可向 IETF 提交技术方案，方案经全球公开评议后编号发布；一个协议通常关联多个 RFC 文档（如 TCP 对应 RFC793，UDP 对应 RFC768），具备高度开放性与协同性。

1.2.5Internet 的服务视角定义

  1. 核心定位：Internet 是为分布式应用提供通信设施的基础设施，其通信能力为上层应用提供编程接口（通信服务）。
  2. 服务类型（类比邮政服务）
    • 无连接不可靠服务：以 UDP 协议为代表，无连接建立过程，不保证数据有序、无丢失传输，适用于流媒体、远程会议等对实时性要求高于可靠性的场景。
    • 面向连接的可靠服务：以 TCP 协议为代表，需先建立连接（三次握手），可保证数据可靠、按序传输，还具备流量控制、拥塞控制能力，适用于 HTTP、FTP、Email 等对可靠性要求高的场景。

1.2.6公共 Internet 与专用 Intranet 的区分

维度 公共 Internet（大写 I） 专用 Intranet（小写 i，企业 / 机构内网）
接入范围 面向全球用户开放，多网络互联的公共平台 仅限企业 / 机构内部使用，封闭性网络
协议支撑 基于 TCP/IP 协议簇 同样基于 TCP/IP 协议簇（讲课文稿补充）
核心功能 提供全球范围的公共通信与服务（如 Web、社交） 服务于内部生产管理、部门协同（如企业 OA、内部文件传输）
互联关系 与全球各类子网互联互通 不接入公共 Internet，或通过防火墙有限互联

1.2 网络边缘

1.2.1课件 “网络边缘” 主模块（第一张图）

这张图是 “网络边缘” 的总框架，包含端系统、客户 / 服务器模式、对等模式三个核心部分，老师讲课对每个点都做了具象化补充：

（1）端系统（主机）

  • 课件核心描述：“运行应用程序，如 Web、email”“在‘网 / 服务器模式’下工作”。
  • 老师讲课的详细展开：
    • 定义与定位：端系统是 “网络边缘的载体”，也叫 “边缘系统”—— 老师强调 “边缘系统是网络应用的落地处，所有网络功能（接入、核心交换）都是为了支撑边缘应用的通信”。
    • 设备类型（老师举例 +“方设备” 比喻）：
      • 传统计算设备：PC、笔记本电脑、服务器（如 Web 服务器、邮件服务器）；
      • 移动智能设备：智能手机、iPad（老师提到 “没有这些设备就没联网入口”）；
      • IoT 设备：智能冰箱、面包机等（老师戏称这些是 “方的联网设备”，用来区别网络核心 “圆的交换节点”，是边缘系统的 “数据采集终端”）。
    • 核心价值（老师反复强调）：“边缘系统上的网络应用是网络存在的理由”—— 没有端设备（比如没手机、PC）就没人能联网，没有 Web、电商、电子政务等应用，网络就没有使用需求；同时，IoT 设备需通过端系统收集、处理信息，是网络的 “数据入口”。

（2）客户 / 服务器（C/S）模式

  • 课件核心描述：“客户端向服务器请求、接收服务；如 Web 浏览器 / 服务器、email 客户端 / 服务器”。
  • 老师讲课的详细展开：
    • 通信逻辑：主从式关系：
      • 服务器：主动启动，提前守候在指定端口（比如 Web 服务器守候 80 端口），是 “资源提供者”—— 存储的资源包括：硬件资源（计算能力）、软件资源（业务处理能力，如电商的订单结算）、数据资源（数据库中的商品信息、用户邮件）；
      • 客户端：被动启动，只有当服务器已运行时，才会主动向服务器发送请求（比如你打开浏览器，是 “客户端” 向 Web 服务器请求网页资源）。
    • 实际案例（老师举的 “服务器农场”）：大型服务商会搭建 “服务器农场”（比如阿里的服务器集群，数千台服务器分布在全国；盛大游戏的机房，每个机房有几千台服务器）—— 因为单个服务器承载能力有限，需多台服务器集中提供服务。
    • 核心缺点：可扩展性差（老师的崩溃场景）：
      • 当客户端数量较少时，服务器能 “hold 住” 请求；但当客户端数量超过阈值（比如电商大促时，数百万用户同时下单），服务器载荷会 “断崖式崩溃”—— 老师举例：“服务器服务 100 个客户，每个客户分 1% 的服务能力；服务 1 万个客户，每个客户只能分万分之一，此时用户页面会一直加载（沙漏转圈），甚至付了钱却收不到订单反馈”。
      • 同时，服务器是 “集中式” 的，若服务器农场宕机（比如阿里网站崩溃），所有依赖它的客户端都会失去服务（“想买东西也买不着”）。

（31）对等（Peer-to-Peer，P2P）模式

  • 课件核心描述：“很少（甚至没有）专门的服务器；如 Gnutella、KaZaA、Emule”。
  • 老师讲课的详细展开：
    • 通信逻辑：平等式关系：每个节点（比如迅雷客户端）既是客户端，也是服务器——
      • 作为 “客户端”：向其他对等节点请求文件的某一个片段（比如你用迅雷下载电影，会向 3 个不同的迅雷用户请求 “电影的开头、中间、结尾片段”）；
      • 作为 “服务器”：将自己已下载完成的文件片段，提供给其他请求该片段的对等节点（比如你下载了电影开头，其他用户可以从你这里获取这个片段）。
    • 核心优势：可扩展性强 + 下载速度快（老师的 “带宽聚集” 例子）：
      • 可扩展性：对等节点越多，提供资源的节点也越多，请求的载荷被 “分布式分担”（不会出现 C/S 模式的 “服务器挤爆” 问题）；
      • 下载速度：能同时从多个对等节点获取不同片段，实现 “带宽聚集”—— 老师对比：“从单 FTP 服务器下载，只能用服务器的带宽；用迅雷下载，能同时用 3 个对等节点的带宽，速度快很多”。
    • 对比 C/S 模式：P2P 规避了 “集中式服务器的瓶颈”，适合大文件分发（比如电影、软件安装包），这也是迅雷、电驴等工具流行的原因。

1.2.2课件 “面向连接服务（TCP）” 模块

  • 课件核心描述：“目标：端系统间传数据；握手（通信前准备）；TCP 是传输控制协议（RFC793）；服务：可靠按序、流量控制、拥塞控制”。
  • 老师讲课的详细展开：
    • 面向连接的本质：先 “握手” 再通信：
      • 通信前，两个应用进程的底层 TCP 实体要完成 “握手”（比如 TCP 三次握手）—— 老师比喻为 “打招呼：‘你好’‘你好’‘收到你的你好’”；
      • 握手的同时，底层要做 “通信准备”：分配缓冲区（存储待发送 / 待接收的数据）、设置控制变量（标记通信状态）、配置超时定时器（用于后续重传）；
      • 关键区分（老师强调）：“面向连接≠有连接”—— 面向连接仅端系统（边缘主机）维护通信状态，中间网络核心的路由器不维护；“有连接” 则是端系统和中间节点都维护状态（后续章节会讲）。
    • TCP 服务特性的细节：
      • 可靠按序传输：
        • 目标：“发送方发什么，接收方收什么”，满足 4 个要求：不丢失、不重复、不失序、不出错；
        • 实现机制（老师举例）：发送方要 “缓存已发送数据”（没收到确认就重传）、“给数据编号”（接收方按编号排序，避免失序）、“等待接收方的确认”（知道哪些数据被收到）；
        • 老师比喻：“数据在链路中传输像‘人在江湖飘’，容易出错 / 丢失，TCP 靠这些机制把‘不可靠的底层’变成‘可靠的服务’”。
      • 流量控制：
        • 目标：协调发送方和接收方的速度，避免 “发送方太快，接收方处理不及”；
        • 老师举的极端例子：“发送方是‘至强处理器 + 万兆网卡’的服务器，接收方是‘五六年前的老旧手机（内存小、处理弱）’——TCP 会让服务器放慢发送速度，避免手机的缓冲区被塞满、数据溢出丢失”。
      • 拥塞控制：
        • 目标：感知网络核心链路的拥堵状态，避免 “发送太快导致链路堵死”；
        • 场景（老师描述）：若发送方和接收方之间的链路被多用户占用（比如 “这条链路同时被 10 个用户用”），TCP 会 “让发送方减速”—— 老师比喻为 “路堵了就慢点开车，避免数据被路由器‘扔了’（路由器处理不过来就会丢弃数据）”。
    • 典型应用（课件 + 老师补充）：HTTP（Web）、FTP（文件传输）、Telnet（远程登录）、SMTP（email）—— 这些应用对 “可靠性” 要求高，TCP 已保障可靠，应用进程无需额外处理 “检错、纠错”。

1.2.3课件 “无连接服务（UDP）” 模块

  • 这张图讲的是边缘应用进程依赖的 “无连接通信服务”（基于 UDP 协议），老师重点解释了 “UDP 看似‘功能弱’，但有不可替代的场景”：
    • 课件核心描述：“目标：端系统间传数据；无连接服务（UDP，RFC768）；特点：无连接、不可靠、无流量 / 拥塞控制；应用：流媒体、DNS 等；用 TCP 的应用：HTTP、FTP 等”。
    • 老师讲课的详细展开：
      • 无连接的本质：直接发送，不握手：
        • 通信前无需 “打招呼”—— 应用进程直接构造 UDP 报文并发送，底层不提前分配资源、不设置定时器，“发出去就不管了”。
      • UDP 特点对应的 “存在理由”（老师的关键解释）：
        • 无连接：适合 “事务性短交互”—— 比如 DNS 域名解析（“查询域名对应的 IP” 是 “一次请求 + 一次响应”，若用 TCP，“握手 + 断开” 的时间比查询本身还长，太浪费）。
        • 不可靠：适合 “丢少量数据不影响体验” 的场景 —— 比如直播、视频通话（丢 1 个采样帧，用户几乎感知不到；但如果用 TCP 重传这个帧，会导致延迟，影响实时性）。
        • 无流量 / 拥塞控制：适合 “实时性要求高” 的场景 —— 老师比喻：“TCP 像‘多愁善感的人’，要考虑接收方和网络的感受；UDP 像‘直性子’，应用产生数据多快，就往网络里发多快”—— 比如实时流媒体（每时每刻都要产生数据，若被 TCP “减速”，会导致画面卡顿）。
      • 应用区分（课件 + 老师举例）：
        • 用 UDP 的应用：流媒体（直播）、远程会议、DNS（域名解析）、Internet 电话；
        • 用 TCP 的应用：HTTP（Web）、FTP（文件传输）、Telnet（远程登录）、SMTP（email）。

1.3 网络核心

1.3.1网络核心的基本概念

  1. 组成：由交换节点（如路由器、交换机） 和连接交换节点的通信链路构成，是网络的核心承载部分。
  2. 核心功能：实现数据交换—— 将源主机发送的数据准确传输到目标主机，是数据在网络中 “中转传递” 的关键环节。

1.3.2数据交换的两种核心方式

网络核心通过两种方式实现数据交换：电路交换（线路交换） 和分组交换，其中互联网及几乎所有现代数据网络均采用分组交换，电路交换主要用于传统电话网。

（1）电路交换（Circuit Switching）

①定义与核心逻辑
  • 通信前需建立专属电路连接：通过 “信令系统”（如电话拨号的控制信息）在源主机与目标主机之间分配一条 “独享的通信路径”，路径上的链路资源（带宽）仅为该通信双方所用，直到连接释放。
  • 核心特点：资源独享------ 一旦建立连接，链路中的特定 “资源片”（如带宽片段）被独占，无其他用户争抢，性能有保障。
②链路资源的复用方式（将链路带宽分成 “资源片”）

交换节点间的链路带宽较宽，需通过复用技术划分为多个 “小片”，为不同通信分配专属小片，课件及老师讲解的核心复用方式如下：

复用方式 英文缩写 原理 适用场景
频分多路复用 FDM 将链路的可用频率范围划分为多个不重叠的子频段，每个通信占用一个子频段 传统电话网、部分有线接入网
时分多路复用 TDM 将时间划分为固定周期，每个周期再分多个 “时间片”，每个通信占用固定时间片 传统电话网（如 1.536Mbps 链路分 24 个时间片）
波分多路复用 WDM 针对光纤链路，将光信号的可用波段划分为多个子波段，每个通信占用一个子波段 光纤骨干网（核心网高速链路）
  • 示例：1.536Mbps 的链路采用 TDM 分为 24 个时间片，每个时间片的带宽为\(R_{wb} = \frac{R_{totalWB}}{N_{timeSlots}} = \frac{1.536 \text{ Mbps}}{24} = 64 \text{ kbps}\)，每个通信独占一个 64kbps 的时间片。

③通信过程（以传统电话为例）
  1. 建立连接：通过信令系统（如拨号）在源与目标之间的每段链路中分配空闲 “资源片”，串联成专属电路（耗时通常为秒级，如国内电话 1-2 秒、长途几秒到十几秒）；
  2. 数据传输：连接建立后，双方通过专属电路双向传输数据，带宽、延迟固定，无争抢；
  3. 释放连接：通信结束后释放电路，资源片归还链路供其他通信使用。
④关键特性与优缺点
优点 缺点
1. 资源独享，性能有保障（带宽、延迟固定，无不确定性）；
2. 数据传输过程无排队延迟，实时性强（适合语音通话）。		 1. 连接建立时间长（秒级），不适合计算机短突发通信；
2. 资源利用率低 —— 通信空闲时（如电话沉默），专属资源片无法被其他用户使用，存在浪费；
3. 可靠性风险高 —— 交换节点需维护大量 “资源片映射关系”（如电话网节点维护 10 万级以上通信状态），若节点宕机，大量通信中断。
⑤不适合计算机通信的核心原因
  • 计算机通信具有强突发性：如浏览网页（点击链接时才传数据，浏览时无流量）、下载文件（非持续传输），若用电路交换，空闲时专属资源片被浪费；
  • 连接建立时间成本高：计算机通信常为 “短时长”（如 1 毫秒传输数据），但电路交换建立连接需 500 毫秒，建立时间占比过高，效率极低。
⑥电路交换传输时间计算示例

  • 已知条件：主机 A 向主机 B 传输 640K 比特（640×103 比特）文件；链路总带宽 1.536Mbps，采用 TDM 分 24 个时间片；建立电路需 500 毫秒（0.5 秒）。
  • 步骤 1：计算单用户可用带宽 ——\(\frac{1.536 \text{ Mbps}}{24} = 64 \text{ kbps}\)；
  • 步骤 2：计算数据传输时间 ——\(\frac{640×10^3\text{比特}}{24比特/秒} = 10 \text{秒}\)；
  • 步骤 3：总时间（不含传播延迟）—— 建立时间 + 传输时间 = 0.5 秒 + 10 秒 = 10.5 秒；
  • 补充：若 A、B 距离远（如卫星链路），需额外加传播延迟（物理距离 / 电磁波速率，真空速率 3×10⁸m/s，介质中会打折）；局域网中距离近（百米 / 公里级），传播延迟可忽略。

（2）分组交换（Packet Switching）

①定义与核心逻辑
  • 通信前无需建立连接，将源主机待传输的数据分割为多个固定 / 可变长度的 “分组（Packet，又称数据包）”，每个分组携带目标主机地址等控制信息；
  • 核心机制：存储 - 转发—— 分组到达每个交换节点（如路由器）后，先被完整 “存储” 在节点缓存中，再根据分组中的目标信息 “转发” 到下一跳链路，直到到达目标主机。
②核心特点（与电路交换的关键区别）
  1. 链路资源按需共享：交换节点间的链路不预先划分 “资源片”，分组传输时独占链路全部带宽（如 1.536Mbps 链路，一个分组传输时用满 1.536Mbps），无数据传输时链路可被其他分组使用；
  2. 以分组为单位传输：大数据被拆分后独立传输，避免单一大数据独占链路过久；
  3. 存储 - 转发保障共享：若不存储直接转发（“直肠子” 传输），则链路会被单个通信独占，退化为 “类电路交换”；存储 - 转发可让不同分组 “错峰” 使用链路，实现多通信共享。
③分组交换的延迟与丢失问题

分组在传输过程中会产生两类关键代价，是 “资源共享” 的必然结果：

  1. 延迟构成：
    • 存储延迟：交换节点需完整接收分组后再转发，延迟为 “分组长度 / 链路带宽”（如 7.5M 比特分组在 1.5Mbps 链路上，存储延迟为 1.5 Mbps7.5 M比特=5 秒）；
    • 排队延迟：若多个分组同时到达某交换节点的同一输出链路，需在缓存中排队等待，延迟随机可变（取决于网络拥塞程度，闲时短、忙时长）；
    • 对比电路交换：电路交换仅在节点处有 “1 比特延迟”（整形放大），无存储和排队延迟，总延迟更短但资源利用率低。
  2. 分组丢失：
    • 交换节点的缓存容量有限，若排队分组过多导致缓存满，后续到达的分组会被 “丢弃（Drop）”；
    • 后果：源主机需通过上层协议（如 TCP）重传丢失的分组，而 UDP 协议不重传，可能导致数据不完整。
④统计多路复用（分组交换的复用本质）

分组交换对链路时间资源的复用方式为统计多路复用（Statistical Multiplexing），与 TDM（固定时间片）的区别如下：

对比维度 TDM（时分多路复用，电路交换） 统计多路复用（分组交换）
时间片分配 固定 —— 每个通信占用周期内的固定时间片，无论是否有数据 随机 —— 链路空闲时，有分组的通信优先使用，无固定分配
资源利用率 低 —— 空闲时间片浪费 高 —— 无数据时不占用，链路时间被充分利用
适用场景 持续通信（如语音） 突发通信（如计算机数据）
  • 示例：A、B 两台主机共享一条链路，A 在 0-2 秒传分组、B 在 2-4 秒传分组、4-5 秒链路空闲，时间片随分组传输 “动态分配”，无浪费。
⑤分组交换的定量优势分析（老师课堂例题）

通过 “1Mbps 链路支持用户数量” 的对比，体现分组交换的资源共享优势：

  • 已知条件：链路带宽 1Mbps；每个用户活跃时需 100kbps 带宽，且仅 10% 时间活跃（突发性）。

    • 1）电路交换支持用户数：

      因资源独享，每个用户需预留 100kbps，故支持数量为 \(\frac{100 kbps}{1 Mbps} = 10 个\text{}\)（即使 90% 时间空闲，资源也无法给他人用）。

    • 2）分组交换支持用户数：

      假设支持 35 个用户，计算 “任意时刻活跃用户≤10 个” 的概率（因 10 个用户需 1Mbps，超过则拥塞）：

      • 单个用户活跃概率 p=0.1，不活跃概率 1−p=0.9；
      • 活跃用户数≤10 的概率为\(\sum_{n=0}^{10} \binom{35}{n} p^{n} (1-p)^{35-n}≈99.6%\)，仅 0.4% 概率出现拥塞；
      • 结论：分组交换在 99.6% 的情况下可支持 35 个用户，远超电路交换的 10 个，资源利用率显著更高。

  • 补充：为何按 “≤9 个用户” 计算更严谨？—— 分组交换中 “流量强度（La/R，L 为分组长度、a 为到达速率、R 为链路带宽）” 不能等于 1（满负荷时队列会无限增长），需预留一定冗余，故实际按 “≤9 个活跃用户” 计算，拥塞概率更低。

⑥分组交换的核心问题与需求平衡
  • 问题：分组交换的 “可变延迟” 和 “分组丢失” 无法满足部分对 “带宽 / 延迟有保障” 的应用（如流媒体、IP 电话）；
  • 需求：需在分组交换网络中模拟电路交换的 “性能保障”（如为特定应用预留带宽），这一问题将在 “多媒体网络” 章节深入讲解。

（3）两种交换方式的核心对比

对比维度 电路交换 分组交换
资源分配 通信前分配专属资源，独享 按需共享，无专属分配
连接建立 需建立连接（秒级） 无需建立连接
延迟特性 固定（无排队 / 存储延迟） 可变（含存储 + 排队延迟）
资源利用率 低（空闲资源浪费） 高（空闲资源可复用）
数据丢失 无（资源独占，无拥塞） 可能（缓存满时丢弃）
适用场景 传统电话网（持续语音） 互联网（突发数据，如网页、下载）

1.3.3网络核心的关键功能：转发与路由

分组交换网络的核心功能由 “转发” 和 “路由” 配合实现，二者共同保障分组从源到目标的准确传输：

功能 定义 范围 实现方式
转发（Forwarding） 交换节点（如路由器）收到分组后，根据分组中的目标信息，将其从 “输入链路” 转移到 “输出链路” 的过程 局部（单个交换节点） 1. 存储分组；
2. 查 “路由表”（记录目标地址与输出链路的映射）；
3. 转发到对应输出链路
路由（Routing） 确定分组从源主机到目标主机的 “全局路径”（如 A→路由器 1→路由器 2→B）的过程 全局（整个网络） 1. 路由器运行 “路由协议”（如 RIP、OSPF）；
2. 与其他路由器交换网络拓扑信息；
3. 计算出最优路径，生成 “路由表” 供转发使用
  • 本质：路由是 “规划路径”，转发是 “按路径执行”，二者协同完成数据交换。

1.3.4分组交换的两种具体实现：数据报与虚电路

根据网络层是否建立 “连接”，分组交换分为数据报网络和虚电路网络两种类型：

（1）数据报网络（Datagram Network）

①核心特点（无连接）
  • 通信前无需建立连接：源主机直接将数据拆分为分组，每个分组携带目标主机的完整地址（如 IP 地址）；
  • 分组独立路由：每个分组的传输是 “独立的”，即使是同一源 - 目标的多个分组，也可能因路由表动态变化（如链路故障）走不同路径，可能出现 “分组失序”；
  • 交换节点无状态：路由器仅维护 “路由表”，不记录 “源 - 目标的通信状态”（即 “无状态路由器”），收到分组后仅查路由表转发，不关心分组属于哪个通信。
②示例（类比寄信）
  • 源主机（如小明）将多封 “信”（分组）写清目标地址（如小红的地址），交给 “邮局”（路由器）；
  • 每个邮局根据地址独立决定 “送信路线”（如第一封信走陆路、第二封信走空运），不记录小明和小红的通信关系；
  • 最终所有信（分组）均能到达小红（目标主机），但可能先后顺序不同。
③典型案例：互联网的 IP 网络（TCP/IP 协议栈的网络层）

（2）虚电路网络（Virtual Circuit Network，VC）

①核心特点（有连接）
  • 通信前需建立虚电路：通过 “信令” 在源 - 目标之间的交换节点中建立一条 “虚拟路径”，每个交换节点维护 “虚电路表”（记录虚电路号与输出链路的映射）；
  • 分组携带虚电路号：建立虚电路后，分组不再携带完整目标地址，仅携带 “虚电路号”（VC ID），交换节点通过虚电路号查 “虚电路表” 转发；
  • 交换节点有状态：路由器需记录 “虚电路的通信状态”（如虚电路号、输入 / 输出链路），若节点宕机，依赖该节点的虚电路均会中断。
②通信过程（类比打电话）
  1. 建立虚电路：源主机发送 “连接请求”（信令），途经的每个交换节点生成 “虚电路表项”（如源→路由器 A：VC 0；路由器 A→路由器 B：VC 2；路由器 B→目标：VC 3），串联成虚电路；
  2. 数据传输：源主机发送的分组携带 VC ID（如 0），路由器 A 查虚电路表，将 VC ID 改为 2 转发给路由器 B；路由器 B 再改为 3 转发给目标，分组沿固定虚电路传输，无失序；
  3. 释放虚电路：通信结束后，发送 “释放请求”，删除各节点的虚电路表项。
③关键区别：虚电路与 TCP 的 “面向连接”
  • 虚电路：网络层连接—— 连接状态（虚电路表）存在于 “所有途经的交换节点”（路由器）；
  • TCP 面向连接：传输层连接—— 连接状态（如 TCB）仅存在于 “源主机和目标主机”（端系统），中间路由器无状态，不记录 TCP 连接信息。
④典型案例：X.25、ATM 网络（传统电信数据网，现较少使用）

（3）数据报与虚电路的核心对比

对比维度 数据报网络 虚电路网络
连接需求 无连接 有连接（需建立虚电路）
分组携带信息 完整目标地址 虚电路号（VC ID）
交换节点状态 无状态（仅路由表） 有状态（虚电路表）
分组路径 可能不同（路由表变化） 固定（虚电路确定后不变）
分组失序 可能 不会
故障影响 仅故障链路的分组受影响，其他分组可走新路径 虚电路中断，需重新建立
典型案例 互联网 IP 网络 X.25、ATM 网络

1.3.5总结

  1. 网络核心的本质：通过交换节点和链路，以 “电路交换” 或 “分组交换” 实现数据交换，分组交换因 “资源共享、适合突发通信” 成为互联网的核心方式；
  2. 电路交换的局限：资源独享导致利用率低、连接建立时间长，仅适合传统电话网；
  3. 分组交换的核心：以 “存储 - 转发” 和 “统计多路复用” 为基础，虽有延迟和丢失风险，但资源利用率高，通过 “转发 + 路由” 和 “数据报 / 虚电路” 两种实现适配不同场景；
  4. 关键结论：计算机通信的 “强突发性” 决定了分组交换的适用性，是现代数据网络的主流技术。

1.4 接入网和物理媒体

1.4.1接入网络和物理媒体概述

（1）接入网的核心定位与关联场景

  • 核心作用：作为 “网络边缘（端系统，如手机、电脑）” 与 “网络核心（路由器集群）” 的连接桥梁，同时顺带介绍网络核心的物理媒体（如骨干链路的光纤）------ 核心网同样依赖物理媒体，本节课借接入网统一讲解。
  • 关键关联：接入网的 “最后一公里” 决定用户体验，例如家庭光纤到户 vs 有线电视共享带宽，高峰时段速率差异显著。

（2）核心指标详解（带宽 + 共享 / 专用）

指标 课件定义 老师补充细节
带宽（bps） 传输速率单位 例：早期拨号 Modem 56Kbps，DSL 下行 10Mbps，光纤到户 1Gbps，5G 数 Gbps
共享带宽 多用户共用链路 案例：有线电视 Cable Modem，数百用户共享数百兆带宽------凌晨 2-3 点可满速，晚 8-9 点仅获 1% 速率（因用户集中上网）；辩证看待：即使光纤到楼（用户到楼内交换机独享 1Gbps），楼到运营商机房的链路仍可能共享（如整楼共享 10Gbps 出口）。
专用带宽 用户独占链路 案例：中国电信光纤到户，用户到最近交换机的链路专属，带宽有保障（如 1Gbps）；优势：速率稳定，适合对延迟敏感的场景（如直播、云游戏）。

（3）运营商早期接入思路

  • 早期难题：直接铺专线到每户（如长城宽带）投入大、收益慢，100 万人民币被出售，因支撑不起前期成本；
  • 替代方案：利用现有资源（电话线、有线电视同轴电缆），降低部署成本，快速接入大量用户（如拨号 Modem 用电话线、Cable 用同轴电缆）。

1.4.2住宅接入:modem

（1）技术原理（调制解调）

  • 名称来源：由 “调制（Modulate）” 和 “解调（Demodulate）” 组成，用户端 Modem（猫）将数字信号（0/1）调制到音频载波，局端 “Modem 池” 解调提取数据；
  • 调制方式：
    • 调幅：高幅度音频（如 3KHz）持续一段时间代表 “1”，低幅度代表 “0”；
    • 调频：2KHz 音频代表 “1”，3KHz 代表 “0”；
    • 调相 / 综合调制：更复杂的信号调整（基于通信原理），提升数据传输效率。

（2）局限性与淘汰原因

  • 带宽瓶颈：电话线仅保障 4KHz 带宽（人类语音频率 300-3400Hz），实际速率 30-56Kbps，无法满足大文件传输（如 90 年代下载一首歌曲需数十分钟）；
  • 独占线路：上网时占用电话线，无法同时打电话（“打电话就断网，断网才能打电话”）；
  • 时代替代：90 年代中后期常见，21 世纪后被 DSL、光纤取代。

1.4.3接入网: digital subscriber line (DSL)

（1）核心改进：频段划分与并行通信

  • 频段分离：0-4KHz 保留给语音通信，4KHz 以上频段用于互联网数据传输，通过 “分离器（splitter）” 区分两类信号，实现 “打电话与上网并行”；
  • 非对称特性：下行带宽（用户下载）远大于上行带宽（用户上传），即 “ADSL（非对称数字用户线）”------ 课件中 “<24Mbps 下行” 是理论值，实际因线路质量多为 10Mbps，上行 1 - 几 Mbps（符合老师提到的 “下行 10 兆、上行 1 兆”）。

（2）技术适配场景

  • 依赖 “电话线到交换局（CO）的短距离”：城市中 CO 距离用户近（通常 1-3 公里）、线路质量好，4KHz 以上频段可挖掘额外带宽；
  • 现状：部分老旧小区仍在使用，逐步被 “光纤到户（FTTH）” 替代（光纤带宽更高、稳定性更强）。

1.4.4接入网：线缆网络

（1）技术原理：双向改造与频段分配

  • 双向改造背景：原有有线电视同轴电缆是 “单向广播”（仅电视台到用户），需改造为双向 —— 划分频段：
    • 下行频段：传统数字电视信号 + 互联网下行数据（头端到用户）；
    • 上行频段：互联网上行数据（用户到头端）；
    • 控制频段：预留带宽用于接入控制（协调多用户上行带宽）。
  • HFC 架构：“光纤（头端到小区）+ 同轴电缆（小区到用户）”，即课件中 “hybrid fiber coax”。

（2）共享带宽的问题与现状

  • 共享局限：所有用户共享 “用户到头端” 的链路，例如 200 户共享 30Mbps 下行，晚高峰每户实际速率仅 150Kbps 左右（老师提到 “共享带宽导致高峰拥堵”）；
  • 业务萎缩：因 “光纤到户 + IPTV” 普及，大量用户退订有线电视的上网 / 电视服务（如老师家庭 “去年已退订”），传统数字广播和互联网接入业务持续萎缩 —— 光纤是专用链路，带宽更有保障，替代优势明显。

（3）延伸接入方式：电力线接入

  • 原理：利用电网线路，通过 “电力调制解调器（Power Modem）” 传输数据；
  • 现状：国外有应用，国内因电网干扰大、速率不稳定，极少使用（老师提到 “国内用户少”）。

1.4.5住宅接入：电缆模式

  • HFC 实际架构：“光纤（头端到小区）+ 同轴电缆（小区到用户）”，课件图示对应此结构；
  • 带宽现状：虽支持最高 30Mbps 下行，但因共享特性，实际体验差，目前被光纤到户替代 —— 光纤是 “用户到机房专用链路”，带宽更稳定（如 1Gbps），且支持 IPTV 点播（替代传统有线电视）。

1.4.6接入网：家庭网络

（1）组合设备的核心功能（“一体机” 特性）

  • 集成功能：现代家庭 “光猫 / DSL 猫 + 无线路由器” 一体机，同时具备：
    • 调制解调：转换光信号（光纤）/ 电信号（DSL）；
    • 路由功能：NAT（网络地址转换，将内网 IP 转为公网 IP）、防火墙（拦截恶意访问）、DHCP（自动分配内网 IP）；
    • 交换功能：局部设备通信（如手机投屏到电视、电脑传文件到平板），无需经互联网；
    • 无线接入：支持 WiFi（符合 802.11 标准），接入手机、平板等无线设备。
  • 成本优势：设备价格低廉，家庭只需一台设备即可实现 “多终端有线 + 无线接入”（老师提到 “现在设备很便宜”）。

1.4.7企业接入网络 (Ethernet)

（1）企业 / 校园接入案例（以中科大为例）

  • 层级级联架构：

    房间终端（有线 / 无线 AP）→ 楼层交换机 → 大楼交换机 → 校区核心交换机（西区→东区）→ 机构路由器 → 多 ISP 出口（中国电信、中国移动、教育网、中科院网络等）；

  • 多出口优势：可选择不同 ISP 链路，同时作为 “安徽省属高校接入点”—— 其他省属高校通过中科大接入教育网 / 互联网（老师提到 “科大出口有十几个，支持多网络接入”）。

（2）以太网带宽演进

  • 速率升级：10Mbps（早期以太网）→ 100Mbps（快速以太网）→ 1Gbps（千兆以太网，家庭 / 工作室常用）→ 10Gbps（万兆以太网，数据中心用，支撑深度学习大数据传输）；
  • 核心优势：带宽充足，局域网内通信延迟低（如企业服务器间数据交换）。

1.4.8无线接入网络

（1）无线 LAN（WiFi）细节

  • 标准升级：802.11b（11Mbps）→ 802.11g（54Mbps）→ 802.11n（540Mbps）→ WiFi 6/7（Gbps 级），带宽持续提升；
  • 覆盖与共享：覆盖范围 100 英尺（约 30 米），小范围共享（如家庭 3-5 台设备共享 54Mbps 带宽），墙体遮挡会减弱信号。

（2）广域无线接入（3G/4G/5G）

  • 5G 特性：
    • 优势：部署密度高（需微基站）、接入带宽高（数 Gbps）；
    • 问题：能耗大，缺乏 “杀手级应用”（如老师比喻 “高速公路跑拖拉机”）—— 运营商部署积极性不高，用户套餐响应度低；
    • 我国优势：5G 核心设备生产远超欧美，是高技术领域领先的标志（老师提到 “自豪的点”）。
  • 移动互联时代：2006-2007 年进入移动互联时代，目前通过移动设备（手机）访问互联网的数量、电子商务交易量，已超过传统有线方式（老师强调 “移动互联占比超有线”）。

（3）其他无线技术：无线光通信

  • 原理：中科大信息学院中科院重点实验室研发 —— 通过 LED 光源（发送端）和摄像头（接收端），在开放空间传输光信号，还原数据；
  • 优势：利用光的高带宽，无需铺线；
  • 现状：未普及，潜力待挖掘（如 Li-Fi，利用室内 LED 灯实现上网）。

1.4.9物理媒体

1. 物理媒体分类核心差异

类型 课件定义 老师补充特性
导引型媒体 有形固体媒介 信号局限在介质内部，衰减少、传得远；例：双绞线（拧合抗干扰，6 类支持 10Gbps）、同轴电缆（粗缆多频段、细缆单频段）、光纤（核心传输介质）。
非导引型媒体 开放空间传电磁波 / 光信号 信号随 “距离平方” 成反比衰减，易受反射、吸收、干扰；例：WiFi（30 米）、5G（1-3 公里）、卫星（全球）。

2. 光纤 / 光缆深度解析

  • 发明与意义：华人科学家高锟发明，获诺贝尔奖，是 “光通信革命”—— 将铜介质带宽放大无数倍，支撑骨干网传输（老师强调 “革命性技术”）；
  • 传输原理：全反射 —— 光纤内芯折射率 > 外层（外层视为空气），光信号满足入射角度条件时，完全在内芯传播，无泄漏（确保安全）；
  • 分类与应用：
    • 单模光纤：芯径细，仅垂直方向光信号传输，传距远（百公里级），成本高，用于骨干网（如太平洋海底光缆）；
    • 多模光纤：芯径粗，一定角度光信号可传输，传距近、成本低，用于短距（如小区内部）；
  • 优势：带宽 Tbps 级、低误码率（不受电磁干扰）、安全（需割开才能窃听，老师提到 “某些国家割海底光缆截获数据”）。

3. 卫星通信细节

  • 同步静止卫星：轨道高（数万公里），端到端延迟 270ms，单信道速率 Kbps-45Mbps，覆盖广但延迟高；
  • 低轨卫星（如星链）：轨道低、高速运转，延迟低（50ms），但单星覆盖用户有限（老师提到 “适合军方 / 偏远地区，无法取代 5G”）—— 用户数量少，带宽共享后速率有限。

1.4.10本节课核心总结

  1. 接入网逻辑：边缘端系统→接入网（住宅 / 企业 / 无线）→网络核心，核心指标是带宽和共享 / 专用，光纤是当前最优接入方式；
  2. 物理媒体选择：长距高带宽用单模光纤，短距低成本用双绞线 / 多模光纤，移动场景用无线 / 卫星；
  3. 技术趋势：5G 需解决杀手级应用和能耗问题，无线光通信是潜在方向，光纤逐步替代铜介质和共享链路。

1.5 Internet结构和ISP

1.5.1互联网结构的本质：“网络的网络”

（1）概述

  • 端系统需通过接入 ISP（Internet Service Providers，互联网服务提供商） 连接到互联网；所有接入 ISP 必须互联，才能实现任意两个端系统间的分组传输，因此互联网的本质是 “网络的网络”（由多个 ISP 的网络通过路由器等互联设备构建而成）。
  • 互联网结构的演化受经济政策和技术可行性双重驱动，需通过 “渐进式分析” 理解其收敛到当前结构的必然性。

（2）实例

①ISP 网络的定义

　　将 “关系密集” 的设备（含交换设备、链路、主机）构成的子系统称为一个 ISP 网络，例如中国教育科研网（CERNET）、中国科技大学（科大）校园网、中国移动 / 中国联通的运营商网络等，均属于不同的 ISP 网络。

②端系统接入的实际场景：
  • 个人用户：移动手机通过中国移动 / 联通的 ISP 接入，家庭电脑通过宽带 ISP（如电信宽带）接入；
  • 机构用户：科大的电脑通过 “科大校园网 ISP” 接入（基本免费）；
  • 移动接入与固定接入的区别：家庭接入是 “固定位置”（接入到特定 ISP），手机接入是 “移动位置”（在有对应基站的区域均可接入所属 ISP）。
③“网络的网络” 的通俗理解：

　　互联网不是单一网络，而是 “一堆 ISP 网络通过路由器连起来的集合”，这也是 “Internet”（小写 “i” 表示互联网络）的命名来源。

1.5.2接入 ISP 的互联挑战：可扩展性问题

（1）课件核心内容

  • 若存在 N 个接入 ISP，若采用 “全连接” 方式（每两个接入 ISP 直接相连），需 O (N²) 条连接，不可扩展（当 N 达到几十万、上百万时，连接成本极高，系统性能会急剧下降）。

（2）分析

  • 不可扩展的本质原因：“全连接” 的连接数量随接入 ISP 数量呈平方级增长，例如 10 万接入 ISP 需约 10¹⁰条连接，技术上难以实现、经济上成本失控。
  • 术语提示：“可扩展性” 对应英文 “scalability”，需注意计算机网络术语中文翻译可能不统一，但英文表述相对统一（后续看文献 / 教材时需关注英文术语）。

1.5.3ISP 的层次结构：从 “全局” 到 “本地” 的演化

（1）核心内容

互联网形成松散的层次结构，从顶层到底层依次为：

  1. 全局 ISP（Global ISP）：覆盖国家 / 国际范围，部署高速路由器与链路，负责连接大量区域 ISP 和接入 ISP，带宽极高（如 1Gbps 以上）；
  2. 区域 ISP（Regional ISP）：覆盖特定区域（如一个国家的某个省份、多个州），负责连接本地 ISP 和接入 ISP，提供 “精细化区域服务”；
  3. 本地 ISP / 接入 ISP：最靠近端系统的 ISP，直接连接个人 / 家庭 / 机构的端系统（如小区宽带 ISP、校园网 ISP）。

2.实例

（1）全局 ISP 的出现：经济驱动的必然
  • 出现逻辑：“接入 ISP 互联” 存在 “有利可图” 的商业空间 —— 若某运营商在全球部署高速路由器与链路，将所有接入 ISP 接入自己的网络，即可通过 “流量结算” 盈利（如按包月、按流量计费），因此必然有企业参与构建全局 ISP。
  • 竞争与合作的共存：
    • 竞争：若某全局 ISP 服务差、价格高，会有其他企业（如另一家运营商）部署自己的全局 ISP 参与竞争（例：美国的 Level 3、Sprint、AT&T，中国的电信、联通骨干网）；
    • 合作：全局 ISP 间会通过 “对等互联” 减少成本 —— 例如 ISP A 接入了一批区域 ISP，ISP B 接入了另一批区域 ISP，二者无需重复部署链路，只需互相开放网络（“你的客户通过我访问我的客户，我的客户通过你访问你的客户”），且若双向流量基本对等，通常不涉及费用结算。
（2）区域 ISP 的出现：业务细分的结果
  • 出现逻辑：全局 ISP 覆盖范围广但 “颗粒度粗”，部分运营商可专注于 “区域服务”（如仅覆盖中国安徽省、美国加州），部署更多本地链路和路由器，将大量本地 ISP / 接入 ISP 接入，再通过全局 ISP 连接到其他区域，实现 “精细化服务 + 成本控制”。
（3）本地 ISP 的角色：端系统的 “直接入口”
  • 本地 ISP 是端系统接入互联网的 “最后一公里”，例如小区的宽带服务商、企业的局域网 ISP、学校的校园网 ISP；
  • 本地 ISP 需通过区域 ISP 或全局 ISP 接入更大的网络，才能实现与其他端系统的通信。
（4）实例：美国 BBN/GTE 骨干网与中国科大校园网
  • 美国 BBN/GTE 骨干网：典型的全局 ISP，覆盖北美范围，节点数量少但带宽极高（如 10Gbps），通过区域 ISP 接入大量本地 ISP；
  • 中国科大校园网：属于本地 ISP，通过中国教育科研网（区域 ISP）接入中国的骨干网（全局 ISP），最终连接到全球互联网；且科大采用 “多宿（multi-home）” 策略 —— 同时接入多个 ISP（如教育网、电信、联通），避免单一 ISP 故障导致断网。

1.5.4ISP 互联的关键设施：ISP 与 POP

（1）核心内容

  • IXP（Internet Exchange Point，互联网交换点）：多个 ISP（含全局、区域 ISP）在此互联，实现网间流量交换，通常不涉及费用结算；
  • POP（Point of Presence，存在点）：高层 ISP（如全局 ISP）面向低层 ISP（如区域 ISP）的 “接入点”，低层 ISP 通过 POP 接入高层 ISP，涉及费用结算（低层 ISP 向高层 ISP 付费）。

（2）补充与解释

①IXP 的作用：“多 ISP 互联的枢纽”
  • 若多个 ISP（如 ISP A、B、C）需互联，无需两两建立对等链路，只需均接入同一个 IXP，即可在 IXP 内完成 A→B、B→C、C→A 的流量交换，大幅减少连接成本；
  • 实际案例：全球知名 IXP 如美国的 Equinix、中国的上海互联网交换中心（SIX），均是骨干 ISP 流量交换的核心节点。
②POP 的作用：“层次间的接入接口”
  • POP 是高层 ISP 的 “客户服务点”，例如全局 ISP 在某城市部署 POP，区域 ISP 可将自己的路由器接入该 POP，从而使用全局 ISP 的网络资源；
  • 费用结算：区域 ISP 需向全局 ISP 支付费用（如按带宽付费），才能通过 POP 接入全局网络。

1.5.6内容提供商网络（ICP）：超越传统 ISP 的补充

1. 课件核心内容

  • 大型内容提供商（如 Google、Microsoft、Akamai）会构建私有内容网络，将数据中心（DC）部署在靠近端系统的位置，通过私有链路连接各 DC，减少对传统 ISP 的依赖，提升用户体验并降低运营成本。

2. 补充与实例

（1）ICP 与 ISP 的区别
  • ISP：提供 “网络接入服务”（让端系统连入互联网），如中国移动、联通、电信；
  • ICP（Internet Content Provider，互联网内容提供商）：提供 “互联网内容 / 服务”，如百度（搜索）、谷歌（地图 / 搜索）、微信（社交）、淘宝（电商）。
（2）ICP 构建私有网络的原因
  1. 成本控制：若 ICP 依赖传统 ISP 接入互联网，需向 ISP 支付高额带宽费用（如谷歌全球数十亿用户访问其服务器，带宽成本极高）；
  2. 用户体验：若 ICP 的服务器仅部署在少数地区（如谷歌仅在美国有服务器），南非用户访问需跨越多个 ISP，延迟高、丢包率高；
  3. 服务质量保障：传统 ISP 的网络拥塞会影响 ICP 服务，私有网络可自主控制带宽和路由。
（3）ICP 私有网络的部署实践
  • 全球数据中心（DC）部署：谷歌、微软在全球部署数十个 DC（如中国贵州、北极、海底），选址考虑：
    • 环境：贵州（高山峻岭，地震少，山洞温度低，水资源丰富利于降温）、北极（天然低温，无需额外降温成本）、海底（用水介质降温，成本低）；
    • 位置：靠近核心 ISP 的 POP 或 IXP，便于用户快速接入（如用户通过本地 ISP→区域 ISP→ICP 的 DC，无需经过多层全局 ISP）；
  • 私有链路连接：ICP 通过 “自建光缆” 或 “租用专线” 连接全球 DC，例如谷歌租用船只在海底铺设光缆，潜水员协助将光缆拉至岸边；
  • 服务逻辑：本地用户访问本地 DC 的内容（如中国用户访问谷歌上海 DC 的地图数据），需跨区域内容时通过私有链路调用其他 DC 的资源（如上海 DC 无某数据，通过私有链路从美国 DC 获取），避免占用传统 ISP 的带宽。

（4）国内 ICP 的特殊策略：“提速降费” 呼吁

  • 国内 ICP（如腾讯、阿里）除部署私有网络外，还会向政府呼吁 “提速降费”—— 因国内 ISP 多为央企（如移动、联通），政府可通过政策引导 ISP 降低带宽费用、提升网速，间接降低 ICP 的运营成本并提升用户体验。

1.5.6ISP 之间的连接方式

1. 课件核心内容

ISP 间的连接分为三类：

  1. 层次接入（POP 接入）：低层 ISP 通过高层 ISP 的 POP 接入，涉及费用结算（如本地 ISP→区域 ISP→全局 ISP）；
  2. 对等互联（Peering Link）：两个 ISP（通常是同层次，如两个全局 ISP）直接连接，双向流量对等时不涉及费用结算；
  3. IXP 互联：多个 ISP 接入 IXP 实现互联，通常不涉及费用结算。

2. 补充与实例

  • 层次接入实例：科大校园网（本地 ISP）通过中国教育科研网（区域 ISP）的 POP 接入，中国教育科研网再通过中国电信骨干网（全局 ISP）的 POP 接入，科大需向教育网付费，教育网需向电信付费；
  • 对等互联实例：中国电信骨干网（全局 ISP）与美国 AT&T 骨干网（全局 ISP）建立对等链路，双向流量基本对等，无需互相付费；
  • IXP 互联实例：中国电信、联通、移动均接入上海互联网交换中心（SIX），三者的用户间流量可在 SIX 内交换，无需两两建立对等链路。

1.5.7本节课核心总结

  1. 互联网结构本质：由多个 ISP 网络通过路由器互联而成的 “网络的网络”，呈松散的层次结构（全局 ISP→区域 ISP→本地 ISP / 接入 ISP），且有 ICP 的私有网络作为补充；
  2. 关键驱动因素：经济（盈利空间促使 ISP 竞争与合作）、技术（可扩展性需求推动层次结构形成）、用户体验（ICP 部署私有网络提升服务质量）；
  3. 核心设施与连接：IXP（多 ISP 互联枢纽）、POP（层次间接入点），连接方式包括层次接入、对等互联、IXP 互联；
  4. 实际角色区分：
    • ISP：提供接入服务（移动、联通、教育网）；
    • ICP：提供内容服务（谷歌、百度、腾讯）；
    • 端系统：通过接入 ISP 接入互联网，访问 ICP 的服务。

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

1.6.1分组交换的优势与代价

回顾网络核心的数据交换方式，主要分为电路交换和分组交换：

  • 电路交换因连接建立时间长、资源独享（不适合计算机通信的突发性），不适合计算机间通信；
  • 互联网采用分组交换，优势是资源按需共享、适合突发数据传输，但代价是存在更多延迟和分组丢失风险，本节重点分析这两类性能指标及吞吐量。

1.6.2分组丢失及原因

（1）核心机制

路由器的每条输出链路对应一个有限容量的队列：

  • 分组到达后，路由器通过查路由表确定输出链路；
  • 若链路空闲，直接传输；若链路忙，分组需在队列中等待；
  • 若队列已满（溢出），分组将被丢弃，这是分组丢失的核心原因。

（2）队列不能无限长的原因

若将路由器队列设计为极大容量（如 100T），分组虽不丢失，但排队时间可能长达数天，远超用户 / 应用的延迟容忍上限（到达后无实际意义，如实时通信、视频通话无法接受），因此队列容量需合理设计。

（3）排队的必要性

当多分组（如蓝、绿、黄分组）竞争同一条链路时，若链路带宽（如 100Mbps）小于瞬时到达的总数据量（如 150Mbps），多余分组必须排队等待，避免链路资源过载。

（4）分组丢失后的重传机制

分组丢失后是否重传，取决于链路层服务可靠性及上层协议，分三种情况：

  • 上一跳重传：若链路层提供可靠服务（如 WiFi），物理介质（无线）不可靠，链路层通过 “发送 - 应答” 机制，上一跳未收到应答则重传，直至成功；
  • 原主机重传：若链路层提供不可靠服务（如以太网，物理介质可靠，链路层不做可靠性保障），由上层协议（如 TCP）负责重传 ——TCP 通过 “应答机制”，未收到目标端应答则原主机重传；
  • 不重传：若应用使用 UDP 协议（如流媒体、语音通话），因对可靠性要求低，丢包后不重传，直接放弃。

（5）链路层可靠性的设计逻辑

链路层是否提供可靠服务，取决于物理介质的可靠性：

  • 物理介质可靠（如以太网的双绞线、光纤）：链路层放弃可靠性设计（避免冗余开销），丢包由上层处理；
  • 物理介质不可靠（如无线链路）：链路层 “亡羊补牢”，通过重传等机制提供可靠服务，降低整个协议栈的错误处理代价。

1.6.3分组延时

分组从源端到目标端的总延时，由每一跳（路由器 / 链路）的四种延时叠加而成，每跳的延时构成如下：

（1）四种延时的定义与细节（课件 + 老师讲解）

延时类型 课件核心定义 老师补充解释与实例
处理延时（dproc） 检查比特差错、提取目标 IP、查路由表 - 由路由器专用 CPU 处理，耗时微秒级或更少，时间确定；- 处理内容：校验分组完整性、更新 IP 头部字段（如 TTL）、确定下一跳。
排队延时（dqueue） 在输出链路队列中等待传输的时间 - 随机变化，取决于链路拥塞程度；
- 关键指标：流量强度（La/R）：
- L：分组长度（bits），a：单位时间到达的分组数，R：链路带宽（bps）；
- 流量强度范围0<La/R<1：La/R接近 0 时，排队延时极小；La/R接近 1 时，排队延时趋近无穷大（拥塞）；
- 设计原则：避免流量强度等于 1（如上下班 6:35 西区门口堵车，开车延时剧增）。
传输延时（dtrans） 将分组所有比特发送到链路的时间（L/R） - 实例 1：R=1Mbps，L=106bits（1 兆比特），传输延时106/106=1s；
- 实例 2：10 辆车的车队（类比 10 个比特），每车过收费站需 12 秒（类比每比特传输时间），总传输延时10×12=120s（2 分钟）。
传播延时（dprop） 比特从发送端到接收端的空间传播时间（d/s） - d：链路物理长度，s：电磁波 / 光信号速率（有形介质中约2×108~2.5×108m/s，低于光速）；
- 短距离（如 100 米、1 公里）：传播延时可忽略（发送同时近似接收）；
- 长距离（如卫星链路、越洋光纤）：传播延时不可忽略（如地球同步卫星链路约 270ms，车队 100 公里路程以 100km/h 行驶，传播延时 1 小时）；
- 局域网（LAN）vs 广域网（WAN）：LAN 中传输延时占比高，WAN 中传播延时占比高。

（2）多跳场景的延时特点

从源主机到目标主机需经过多跳（如 A→路由器 1→路由器 2→B），每一跳均需经历四种延时：

  • 不同跳的链路技术（如光纤、无线）和拥塞程度不同，导致各跳的延时存在差异；
  • 总延时为所有跳的 “处理 + 排队 + 传输 + 传播” 延时之和。

1.6.4吞吐量

（1）课件核心定义

  • 吞吐量：单位时间内从源端到目标端有效传输的比特数（区别于链路带宽，带宽是链路最大传输能力）；
  • 分类：瞬间吞吐量（短时间内的速率）、平均吞吐量（长时间的平均速率）；
  • 端到端吞吐量：无其他用户共享时，等于路径中最小链路带宽（瓶颈链路，木桶效应）。

（2）补充讲解

①吞吐量的 “瓶颈链路” 逻辑
  • 比喻：源到目标的传输路径类似 “多段管道串联”，管道粗细对应链路带宽，总吞吐量由最细的管道（瓶颈链路）决定；
  • 实例：若路径为 “源（Rs=2Mbps）→链路 1（R1=10Mbps）→链路 2（R2=1Mbps）→目标（Rc=5Mbps）”，无其他用户时，端到端吞吐量 = min {2,10,1,5}=1Mbps（链路 2 为瓶颈）。
②实际场景：链路共享对吞吐量的影响

分组交换中链路为多用户共享，需考虑 “共享后的实际带宽”：

  • 若某链路带宽为R，有N个用户同时通信（TCP 协议保证公平性），每个用户获得的实际带宽约为R/N；

  • 端到端吞吐量需计算每段链路共享后的带宽，取其中最小值。

    实例：路径三段链路：

    1. 链路 1（R=8Mbps，8 个用户共享）→ 实际带宽8/8=1Mbps；

    2. 链路 2（R=12Mbps，12 个用户共享）→ 实际带宽12/12=1Mbps；

    3. 链路 3（R=10Mbps，10 个用户共享）→ 实际带宽10/10=1Mbps；

      端到端吞吐量 = min {1,1,1}=1Mbps。

1.6.5延时测量工具：traceroute 原理（课件 + 老师重点讲解）

traceroute 用于测量从源端到目标端的每跳往返延迟及路径中的路由节点 IP，核心依赖ICMP 协议和IP 头部的 TTL 字段。

（1）关键技术基础

  • TTL（Time to Live，生存时间）：IP 头部字段，分组每经过一个路由器，TTL 减 1；若 TTL 减为 0，路由器丢弃分组，并向源端发送ICMP 超时报文（告知分组因 TTL 耗尽被丢弃）；
  • ICMP 协议：互联网控制报文协议，用于传输差错报告（如 TTL 超时、端口不可达）。

（2）工作流程

  1. 第一轮测试（测第 1 跳）：
    • 源端发送 3 个探测分组，TTL 设为 1，目标 IP 为目标主机；
    • 分组到达第 1 个路由器，TTL 减为 0，路由器丢弃分组，返回 ICMP 超时报文（包含自身 IP）；
    • 源端计算 “发送探测包→接收 ICMP 报文” 的时间差，即为第 1 跳的往返延迟（测 3 次取平均）。
  2. 后续测试（测第 2 跳、第 3 跳...）：
    • 逐轮将 TTL 设为 2、3...，每轮探测分组到达对应跳数的路由器时，TTL 耗尽并返回 ICMP 超时报文，源端记录该跳 IP 和往返延迟。
  3. 测试终止条件：
    • 当探测分组成功到达目标主机时，因分组指定的 “目标端口” 无应用进程监听，目标主机向源端发送ICMP 目标端口不可达报文；
    • 源端收到该报文，确认已到达目标，终止测试。

（3）典型实例

  • 越洋链路的延迟陡增：如从中国主机到美国主机，前 7 跳（国内链路）往返延迟约 22ms，第 8 跳（越洋光纤）延迟陡增至 100+ms，因链路物理距离大幅增加（传播延时主导）。

1.6.6关键结论

  1. 分组交换的性能瓶颈：延迟（四种延时叠加）和丢失（队列溢出），需通过流量控制（避免流量强度 = 1）、链路层可靠性设计缓解；
  2. 吞吐量由 “瓶颈链路” 决定，实际场景中需考虑链路共享后的带宽；
  3. traceroute 是分析网络路径和延迟的核心工具，依赖 TTL 和 ICMP 协议实现；
  4. 链路层可靠性设计遵循 “按需原则”：物理介质可靠则简化链路层，不可靠则增强链路层可靠性。

1.7 协议层次及服务模型

1.7.1引言：网络复杂性与分层必要性

  1. 网络的复杂性

    计算机网络是人类构建的规模最大、最复杂的人工系统之一：包含数百亿设备、几十亿用户、数千种流行应用；需实现局部点到点传输、端到端路由、可靠数据传输、复杂应用交互等多元功能，直接设计实现难度极高。

  2. 解决复杂问题的思路

    • 模块化思路：将复杂功能分解为多个模块，但模块间调用关系灵活（可跨模块调用），并非网络首选。
    • 分层思路（网络核心方法）：将复杂功能分解为功能明确的层次，仅允许相邻层次间调用（禁止 / 不推荐跨层调用）。每一层通过层间接口向上层提供 “服务”，借助下层服务与对等层实体交互，最终实现整体复杂功能（互联网、各类计算机网络均采用此思路）。

1.7.2分层思想的直观理解（实例类比）

（1）异地哲学家交流案例（核心类比）

场景：两位异地哲学家使用不同语言（如英语、德语）进行哲学思想交流，通过三层结构解决问题：

层次 核心功能 对应网络层次逻辑 协议与交互
哲学家层 交换哲学思想（核心目标） 应用层（实现网络应用核心逻辑） 双方约定哲学思想的交流主题、语义规则
翻译层 语言转换（将各自语言转为通用语言） 表示层（OSI 模型中存在，TCP/IP 中由应用层实现） 翻译间约定通用语言、语法转换规则
秘书层 异地通信（传递翻译后的文稿） 通信子网层（链路层 + 网络层） 秘书间约定传递方式（马车→电报→电话）、信封格式等

关键启示：

  • 每层仅关注自身功能，依赖下层服务完成任务，对上层透明（如秘书层更换传递方式，不影响翻译层和哲学家层）；
  • 对等层（如两个翻译、两个秘书）需遵守 “协议”（规则集合）实现交互。

（2）其他辅助类比

  • 军队指挥体系：师长→团长→连长→士兵，每层仅向下级下达任务，上级无需直接指挥士兵，避免混乱（对应分层中 “相邻层交互” 原则）。
  • 航线系统（课件案例）：票务、行李托运、登机、飞行、着陆等环节分层处理，某环节优化（如登机流程）不影响其他环节。

1.7.3核心概念辨析

（1）服务（Service）

  • 定义（课件原文）：低层实体向上层实体提供它们之间的通信能力，是垂直关系（层间交互）。
  • 关键属性：
    • 服务是 “功能的子集”：低层仅开放部分功能供上层使用，未开放的功能不构成服务；
    • 服务的构成：不仅包含下层自身功能，还包含所有更底层服务的总和（如团长的服务 = 连长 + 士兵的服务 + 团长间交互的新功能）；
    • 实例：TCP 实体向 Web、FTP、Telnet 等应用提供服务（TCP 是服务提供者，应用是服务用户）；socket API 是传输层向应用层提供服务的 “接口形式”。

（2）协议（Protocol）

  • 定义（课件原文）：对等层实体（同一层次的不同节点）之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输 / 接收或其他事件方面所采取的动作，是水平关系（对等层交互）。
  • 关键属性：
    • 协议的实现依赖下层服务：对等层实体需借助下层提供的通信能力，才能交换协议数据单元（PDU）；
    • 协议的目的：通过对等层交互，向上层提供 “更优服务”（如 TCP 协议通过确认、重传等动作，将 IP 层的不可靠服务转为可靠服务）；
    • 实例：TCP 协议（对等 TCP 实体约定报文段格式、连接建立 / 释放流程）、IP 协议（对等 IP 实体约定分组格式、路由规则）。

（3）服务与协议的关系（老师重点强调）

维度 服务（Service） 协议（Protocol）
交互关系 垂直（层间：上层用下层服务） 水平（对等层：同一层次节点交互）
依赖关系 上层服务依赖下层服务 协议实现依赖下层服务
目的 为上层提供通信能力 实现对等层交互，支撑上层服务
实例 TCP 向应用层提供 “可靠的进程到进程通信” TCP 对等实体约定 “三次握手”“重传机制”

（4）服务访问点（SAP）与原语（Primitive）

①服务访问点（SAP）
  • 定义（课件原文）：层间接口上用于区分不同上层用户的 “地点”，是低层实体识别上层服务用户的标识。
  • 实例：
    • 传输层的 SAP 是 “端口”（如 Web 服务用 80 端口，FTP 用 21 端口），确保 TCP 实体将数据正确交付给对应的应用（Web/FTP）；
    • 顺丰快递的 “收件人手机号 / 地址”：区分不同用户的快递，避免混淆。
②原语（Primitive）
  • 定义（课件原文）：上层使用下层服务、下层向上层提供服务的 “形式”，是层间交互的 “操作规范”。
  • 实例：
    • socket API 中的函数（socket()创建连接、send()发送数据、close()关闭连接）：应用层通过这些 “原语” 使用传输层服务；
    • 顺丰快递的 “寄件 / 收件 / 查件” 操作：用户通过这些 “原语” 使用快递服务。

（5）数据单元（DU）：SDU、IDU、PDU

①核心定义（课件原文）
数据单元 定义 作用场景
服务数据单元（SDU） 上层要求下层传输的 “核心数据”（上层交给下层的 “原始数据”） 层间交互（如应用层交给传输层的 “HTTP 报文”）
接口控制信息（ICI） 上层传给下层的 “控制信息”，用于辅助 SDU 穿过层间接口（如 “传输方式要求”） 层间接口交互，仅在接口处有效
接口数据单元（IDU） SDU + ICI，是上层通过层间接口传给下层的 “完整数据” 层间接口传输，ICI 在下层处理后丢弃
协议数据单元（PDU） 下层将 SDU 加上 “本层协议控制信息（头部 / 尾部）” 后的 “对等层交互单元” 对等层交互（如传输层的 “TCP 段”）
②SDU 与 PDU 的关系（老师举例）
  • 一对一：SDU 大小适中，直接加本层头部形成 1 个 PDU（如短 HTTP 报文→1 个 TCP 段）；
  • 一对多：SDU 过大，拆分后每部分加本层头部形成多个 PDU（如长文件→多个 TCP 段）；
  • 多对一：SDU 过小，合并后加本层头部形成 1 个 PDU（如多个短 UDP 数据报→1 个 IP 分组）。

1.7.4分层的优缺点（课件 + 老师补充）

（1）优点

  • 分而治之：将复杂问题分解为多个简单子问题，每层独立设计实现（如物理层仅关注比特传输，应用层仅关注应用逻辑）；
  • 便于技术升级：某层技术优化（如秘书层从马车改为电报）不影响其他层，只要层间接口不变（“透明性”）；
  • 便于交流与标准化：明确的层次划分和术语（如 PDU、SAP），降低行业协作成本；
  • 便于维护：故障定位更精准（如端到端丢包，优先排查网络层路由）。

（2）缺点

  • 效率损耗：数据需逐层封装 / 解封装，比 “整体实现” 多一层处理开销；
  • 层次冗余风险：若层次划分过细（如 OSI 七层），可能导致层间交互复杂度上升。

1.7.5主流协议栈：TCP/IP 五层模型与 OSI 七层模型

（1）TCP/IP 五层模型（互联网核心协议栈，课件重点）

层次 核心功能 协议数据单元（PDU） 关键协议 / 技术实例 老师补充说明
应用层 实现网络应用（如 Web、邮件），交换应用报文 报文（Message） HTTP（Web）、SMTP（邮件）、FTP（文件传输）、DNS（域名解析） 包含 OSI 模型中 “会话层”“表示层” 功能（如加密、会话管理由应用自行实现）
传输层 1. 进程到进程通信（通过端口区分）；2. 可靠 / 不可靠传输 报文段（Segment） TCP（可靠、面向连接）、UDP（不可靠、无连接） 弥补网络层 “主机到主机” 的不足，将 IP 的不可靠服务升级为 TCP 的可靠服务
网络层 1. 端到端分组传输（主机到主机）；2. 路由（找路）与转发（局部转发） 分组（Packet）/ 数据报（Datagram） IP（分组格式、转发）、RIP/OSPF/BGP（路由协议） 核心是 “无连接”，仅提供 “尽力而为” 服务（可能丢包、乱序）
数据链路层 1. 相邻两点间传输（点到点）；2. 帧的封装与解析（区分帧头 / 帧尾） 帧（Frame） PPP（拨号上网）、以太网（有线局域网）、802.11（WiFi） 解决物理层 “比特无结构” 问题，部分链路层提供可靠传输（如以太网的 CRC 校验）
物理层 1. 比特传输；2. 数字信号与物理信号转换（如电信号、光信号） 比特（Bit） 双绞线、光纤、同轴电缆、无线电磁波 无 “协议”，仅关注物理介质与信号特性，是网络的 “物理基础”

（2）OSI 七层模型（ISO 标准化模型，课件对比）

  • 层次划分：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层（比 TCP/IP 多 2 层）；
  • 额外层次功能：
    • 会话层：管理通信会话（如建立 / 中断会话、断点续传）；
    • 表示层：数据表示转换（如加密 / 解密、压缩 / 解压缩、字符编码转换）；
  • 与 TCP/IP 的差异：OSI 的会话层、表示层功能在 TCP/IP 中由应用层自行实现（如 HTTPS 的加密在应用层完成，而非独立表示层），因此 TCP/IP 更简洁、更贴合互联网实际需求。

1.7.6封装与解封装（数据传输的核心流程，老师详细演示）

（1）原端（发送方）：封装过程

  1. 应用层：生成应用报文（Message），通过 socket API 交给传输层；
  2. 传输层：将报文加上 TCP/UDP 头部（如 TCP 的端口、序号），形成报文段（Segment），交给网络层；
  3. 网络层：将报文段加上 IP 头部（如源 IP、目标 IP），形成分组（Packet），交给链路层；
  4. 链路层：将分组加上帧头 / 帧尾（如 MAC 地址、CRC 校验），形成帧（Frame），交给物理层；
  5. 物理层：将帧的比特流转换为物理信号（如电信号），通过物理介质传输。

（2）中间节点：部分解封装与重新封装

  • 交换机（链路层设备）：

    1. 物理层：接收物理信号，还原为帧；

    2. 链路层：解析帧头（获取目标 MAC 地址），丢弃帧尾，提取分组；

    3. 重新封装：将分组加上新的帧头（适配输出链路的 MAC 地址），形成新帧，交给物理层传输；

      （仅处理链路层及以下，不碰网络层及以上）

  • 路由器（网络层设备）：

    1. 物理层→链路层：解封装获取分组；

    2. 网络层：解析 IP 头部（获取目标 IP 地址），查路由表确定输出端口，提取报文段；

    3. 重新封装：将报文段加上新的 IP 头部（若需）、新的帧头，形成新帧，交给物理层传输；

      （处理网络层及以下，不碰传输层及以上）

（3）目标端（接收方）：解封装过程

  1. 物理层：接收物理信号，还原为帧，交给链路层；
  2. 链路层：解析帧头 / 帧尾，提取分组，交给网络层；
  3. 网络层：解析 IP 头部，提取报文段，交给传输层；
  4. 传输层：解析 TCP/UDP 头部（确定目标端口），提取应用报文，交给应用层；
  5. 应用层：处理应用报文（如 Web 浏览器渲染 HTML），完成通信。

1.7.7总结（核心要点）

  1. 分层是解决网络复杂性的核心思路：通过 “相邻层交互、对等层协议、层间服务” 实现复杂功能；
  2. 核心概念关系：服务（垂直）是协议（水平）的支撑，协议实现依赖下层服务，目的是向上层提供更优服务；
  3. TCP/IP 模型是互联网基石：五层功能明确，每层 PDU 与协议对应，封装 / 解封装是数据传输的核心流程；
  4. 实例是理解关键：异地哲学家、顺丰快递、socket API 等类比，帮助掌握服务、SAP、原语等抽象概念。

1.8历史

1.8.1 1960 年之前：线路交换的局限与分组交换的理论萌芽

（1）线路交换网络的核心问题（不适合计算机通信）

  • 线路建立时间过长：相对于计算机通信的突发性，线路建立的时间成本极高。
  • 资源独享浪费：主机间建立的线路资源为专用，无法共享，不匹配计算机通信 “突发式数据传输” 的特点（无数据传输时资源闲置）。
  • 可靠性低：核心交换节点一旦损毁，会导致大量通信中断，尤其不满足军事通信需求。

（2）分组交换的理论研究（三个独立小组）

  • 背景：因当时信息交换不畅，三个小组分别从理论上证明分组交换对计算机通信的适用性。
    • 1961 年：MIT 的Kleinrock通过排队论，论证分组交换在突发通信场景下的有效性。
    • 1964 年：美国兰德公司的Baran：聚焦军用网络，提出分组交换可提升网络可靠性（节点损毁时，分组可绕道传输）。
    • 1964 年：英国的Donald（NPL 团队）：独立开展分组交换理论研究。

1.8.2 1961-1972 年：分组交换实验网（ARPAnet）的诞生与早期发展

（1）ARPAnet 的起源（美国国防部 DOD 资助）

  • 立项核心诉求：验证分组交换在军用网络中的可靠性 —— 解决线路交换 “核心节点损毁影响全局” 的问题，确保军用计算机、武器设备、观测设备的通信稳定。
  • 关键节点进展：
    • 1969 年：第一个ARPAnet 节点在 UCLA（加州大学洛杉矶分校）建立，设备为IMP（接口报文处理器）（兼具 “主机” 和 “网络交换设备” 功能：既是数据的源 / 目标，也能中转分组）。
    • 1969 年底：建成 4 个节点的 ARPAnet（互联网前身），实现 “分组存储 - 转发” 传输（数据分成分组，逐跳转发至目标节点）。
    • 1972 年：ARPAnet 节点数增至 15 个。

（2）早期协议与应用

  • NCP 协议（网络控制协议）：ARPAnet 早期的核心协议，功能相当于后来的 “TCP+IP”，既负责路由（类似 IP），也为应用进程提供远程通信服务（类似 TCP）。
  • 1972 年公开展示：尝试远程 Telnet 到 UCLA 主机，但因技术不成熟直接宕机。
  • 第一个 Email 应用：1972 年发布，实现 ARPAnet 节点间的邮件收发。

1.8.4 1972-1980 年：专用网络爆发与网络互联的迫切需求

（1）专用网络的 “雨后春笋”（存储转发架构，但标准混乱）

  • 典型网络：
    • 1970 年：ALOHAnet（夏威夷微波网络）。
    • 1973 年：以太网（Metcalfe 博士论文提出）、ATM 网络。
    • 法国 Cyclades、Telenet 等国家 / 区域性网络。
  • 混乱根源：各厂商 / 网络的协议不统一 —— 仅 IBM 一家在数据链路层相关标准就有 40 余种，即使同一厂商不同部门的设备也难以互通（如 IBM 不同部门的网卡无法互联）。

（2）网络互联的早期尝试

  • 阶段 1：企业内部专用体系结构（解决 “同厂商互通”）

    • DEC 公司：DECnet。
    • IBM 公司：SNA。
    • 施乐公司：XNA（施乐当时为信息领域龙头，图形用户界面、鼠标等均源自其研究中心，后逐渐没落为办公设备厂商）。

  • 阶段 2：全球统一标准的探索 ——

    OSI 参考模型（ISO/OSI）

    • 提出者：国际标准化组织（ISO），即 “开放系统互联参考模型”（7 层架构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层）。
    • 核心问题（老师补充）：
      1. 成本极高：需淘汰原有设备，重新采购符合 OSI 标准的新设备，用户投资无法保护。
      2. 效率低下：电信背景人员设计，“技术官僚味重”，每层均需维护连接状态，协议臃肿。
      3. 时机滞后：标准制定周期长，难以适配当时快速发展的网络需求。

1.8.4 1980-1990 年：TCP/IP 体系结构确立与关键协议落地

（1）TCP/IP 的诞生（Cerf 与 Kahn 的网络互联原则）

  • 核心思路：“覆盖式互联”（IP over Everything）—— 不替换原有物理网络，通过 “IP 层” 实现跨网络互通。
  • 四大核心原则（指导互联网数十年发展）：
    • 极简设计：仅提供 “尽力而为” 的基础服务（不保证可靠传输、顺序，仅负责分组转发）。
    • 自治性：各物理网络保持独立，IP 不干预底层网络的运行。
    • 无状态路由器：路由器不维护主机间的通信状态，仅根据分组的目标 IP 地址匹配路由表转发。
    • 分布式控制：无中心节点，路由控制分散在各路由器中。
  • 可靠性补充：IP 层的 “不可靠服务” 由端系统的TCP 协议解决（TCP 负责可靠传输、流量控制、拥塞控制）；同时定义UDP 协议（仅区分进程，不提供可靠性，适配实时应用如流媒体）。

（2）关键里程碑：1983 年 “标记日（Flag Day）”

  • 背景：1979 年 ARPAnet 节点数达 200+，NCP 协议已无法满足互联需求，需升级为 TCP/IP。
  • 行动：ARPAnet 所有节点在当日统一宕机，完成从 NCP 到 TCP/IP 的软件升级（因当时节点少，“革命式升级” 可行；如今百亿节点规模，仅能渐进式升级）。
  • 设备分离：升级后，主机设备（含应用层、传输层、网络层、链路层、物理层）与网络交换设备（路由器）（仅含网络层、链路层、物理层）正式分离，形成互联网的基本设备架构。

（3）关键协议与应用落地

时间 协议 / 应用 功能与意义
1982 年 SMTP 协议 定义电子邮件传输标准，实现规范化的邮件收发
1983 年 DNS（域名系统） 特殊应用：为其他应用服务，将 “域名” 转换为 “IP 地址”，降低用户记忆成本
1985 年 FTP 协议 定义文件传输标准，支持文件上载 / 下载（如早期科大 FTP 服务器用于共享内容）
1988 年 TCP 拥塞控制 解决 TCP 传输中的网络拥塞问题，提升传输稳定性

（4）其他网络发展

  • 国家级网络：美国NSFnet（国家科学基金会资助，原 ARPAnet 的访问网，后与 ARPAnet 形成 “双骨干”）、法国 Minitel（全国覆盖，提供广告、论坛等服务，后被互联网取代）。
  • 主机规模：1980 年代后期，联网主机数达 10 万台。

1.8.5 1990-2000 年：互联网商业化与 Web 的爆发

（1）商业化推动因素

  • NSFnet 放宽限制：1991 年 NSF 允许 NSFnet 用于商业目的（原仅支持学术交流），刺激企业部署商业应用。
  • UNIX 免费捆绑 TCP/IP：降低用户使用 TCP/IP 的成本，推动协议普及。

（2）Web 的起源与发展（互联网普及的核心驱动力）

  • 超文本前身：
    • 1945 年：Bush 提出 “超文本” 概念（非线性文本，通过链接跳转知识点）。
    • 1960 年代：Nelson（数学家、AI 领域大牛）完善超文本定义。
  • Web 的诞生（CERN 物理学家需求）：
    • 背景：欧洲核子研究中心（CERN）需便捷发布实验数据，原 Email/FTP 方式低效。
    • 1989 年：Berners-Lee（蒂姆・伯纳斯 - 李）定义：
      1. HTML：超文本标记语言（超文本的子集，用于描述网页内容）。
      2. HTTP：超文本传输协议（用于浏览器与 Web 服务器的通信）。
      3. 首个 Web 服务器与字符界面浏览器：实现实验数据的 “网状链接访问”。
  • 浏览器竞争（推动 Web 普及）：
    • 1994 年：网景（Netscape） 发布图形界面浏览器（Netscape Navigator），引发企业建站热潮（企业通过网页展示黄页、产品）。
    • 微软跟进：免费捆绑IE 浏览器（与 Windows 系统绑定），凭借操作系统垄断地位挤压网景（网景浏览器需付费）。
    • 结果：网景发起 “世纪诉讼”（诉微软滥用市场地位），最终网景被收购，IE 成为主流浏览器。

（3）互联网泡沫（2001 年）

  • 背景：互联网应用快速发展，资本市场狂热（如 “会 Java 的家庭主妇编网站即可上市”），但多数公司无实际盈利，仅靠资本输血。
  • 结果：泡沫破裂，大量劣质公司倒闭，优质企业沉淀（如谷歌、微软、苹果、雅虎、思科）。
  • 技术进展：互联网主干速率提升至Gbps 级。

1.8.6 2000 年之后：移动互联、新型应用与架构挑战

（1）终端与接入技术演进

  • 终端规模：2005 年至今，联网设备达 50 亿 +（含智能手机、平板，移动终端数量远超固定终端）。
  • 接入技术：
    • 宽带接入：从拨号 modem（56Kbps）→ DSL（专用线路，下行≤24Mbps）→ 光纤到户（高带宽、低延迟）。
    • 无线接入：WiFi（建筑物内覆盖，速率 11-540Mbps）→ 3G（数 Mbps）→ 4G（10Mbps，支持移动业务）→ 5G（数 Gbps，带宽足但缺乏适配的高需求业务）。

（2）新型应用与生态

  • 杀手级应用：即时通讯（QQ、微信）、P2P 文件共享、社交网络（Facebook、微信）、电子商务、云服务。
  • 超级应用：微信（用户超数十亿，整合通讯、支付、社交、服务，成为 “一站式入口”）。
  • 内容提供商自建网络：谷歌、微软等搭建私有网络，将数据中心接入各级 ISP，降低运营成本，提升用户访问速度。
  • 云服务普及：企业、大学将业务部署于云端（如 Amazon EC2），终端无需强算力，依赖云端处理与存储。

（3）挑战与架构变化

  • 现存问题：安全漏洞、地址资源不足（IPv4）、网络复杂性高（TCP/IP 架构需大量 “补丁” 适配新需求）。
  • 未来趋势：物联网（IoT，联网设备进一步增加）、互联网架构渐进式升级（无法再 “革命式” 重构）。

1.8.7核心总结：互联网发展的关键逻辑

  1. 技术路径：从 “线路交换” 到 “分组交换”，从 “专用网络” 到 “TCP/IP 覆盖式互联”，核心是TCP/IP 的包容性（适配所有物理网络、支持灵活扩展）。
  2. 发展动力：
    • 应用部署便捷性：仅需修改端系统（主机），无需改动核心网络设备，吸引大量开发者与企业。
    • 商业化与用户需求：从学术 / 军用转向民用，商业应用（Web、电商、社交）驱动网络扩容与技术迭代。
  3. 关键特质：赢者通吃（如搜索引擎领域谷歌 / 百度、浏览器领域 IE/Chrome）、复制性强（应用快速全球部署），推动行业快速迭代但也加剧竞争。

小结

  1. 核心概念：明确 “计算机网络 / 互联网” 的定义，讲解了 “协议” 的核心含义。
  2. 网络划分：拆分网络为边缘、核心、接入网，重点对比分组交换与电路交换的工作原理、特性。
  3. Internet 结构：Internet 是 “网络的网络”，为松散层次结构；ICP 的加入使该结构更复杂。
  4. 性能指标：因网络核心采用分组交换，可能出现数据丢失；延迟包含 4 类（后续模块展开），吞吐量是核心性能指标之一。
  5. 层次模型：为简化复杂设计，网络被分解为功能明确的层次；本层协议需调用下层服务，同时向上层提供服务，逐层堆叠实现网络功能。
  6. 补充说明：网络安全部分会单独设章节讲解，本次暂不深入；互联网历史的学习可建立其 “成功原因” 的感性认识。

  1. 分层设计：通过分层拆分复杂功能，是网络设计 / 实现 / 调试的核心方法。
  2. 服务类型：通信服务分为 “面向连接”“面向无连接” 两类（服务角度的互联网核心）。
  3. 关键术语：需掌握分层体系中的术语 —— 服务、协议、服务访问点（SAP）、协议数据单元（PDU）、服务数据单元、原语。

  1. 数据交换：详细区分 “虚电路”“数据报” 两种分组交换方式，对比电路交换与分组交换的差异。
  2. ISP 角色：中国科大是省属高校的网络接口提供商（如阜阳师范、安徽师大等通过科大接入教育网）；这些高校也可同时接入电信、移动等网络（网络支持任意互联）。

  1. 延迟细节：分组交换网络的延迟由处理、传输、传播、排队四类组成，是性能分析的核心内容。
  2. 分层重点：再次强调需掌握 “服务、协议、PDU、封装 / 解封” 等术语，是理解网络分层的基础。

  1. 拓扑细节：
    • 各校区（北 / 西 / 南）：楼层交换机→大楼交换机→校区核心交换机，通过光纤冗余连接；链路层运行生成树算法，同一时刻仅单棵树工作（避免数据循环）。
    • 东区网络中心：核心交换机通过防火墙接入多个 ISP；挂载服务器群（含 web、办公、FTP、邮件服务器），提供拨号、VPN 等服务。
  2. 架构模式：校园网采用 “接入层 - 分布层 - 核心层” 的物理架构，同时承担教育网省内高校接入的角色。

参考资料来源：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程

posted @ 2025-12-26 11:07  CodeMagicianT  阅读(1)  评论(0)    收藏  举报