概述
此概述为作者基于上课讲解的PPT进行制作，部分内容较为繁琐，当为阅读材料即可。
文章目录
计算机网络在信息时代中的作用
上面这个图应该不陌生，这里就不在废话了。
计算机网络的三网融合
互联网的 2个重要基本特点
互联网作为现代社会不可或缺的一部分，其基础建立在两个关键特征之上：连通性和资源共享。
连通性 (Connectivity)
- 定义: 使得互联网上的用户可以方便、快捷地交换各种信息，就好像这些用户终端都彼此直接连接一样。
- 意义:
- 打破地理限制: 无论用户身处何地，只要接入互联网，就可以与世界各地的其他人进行实时通信。
- 促进信息交流: 互联网为人们提供了高效的信息交流平台，促进了知识的传播和共享。
资源共享 (Sharing)
- 定义: 实现信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样方便使用。
- 意义:
- 提高资源利用率: 通过共享，可以充分利用各种资源，避免重复建设。
- 降低成本: 用户可以共享昂贵的硬件和软件资源，从而降低个人或组织的成本。
其他
在互联网的作用这一章中，还有一些其他的内容，但是都很简单，就不在文档中进行赘述。
具体的包括但不限于：
-
互联网的负面影响
-
互联网+
-
生活中的地位等。
互联网概述
网络的网络
网络的网络，简单来说就是互联网
互联网，就是无数个小网络（比如你家里的Wi-Fi、学校的局域网、公司的内网）相互连接在一起，形成的一个巨大的全球性网络。
互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段：单个分组交换网络ARPANET诞生（20世纪60年代末 - 70年代）
**ARPANET：**最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。 最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。
- 标志性事件： ARPANET（高级研究计划署网络）的诞生，这是互联网的雏形。
- 特点：
- 规模小: 初期仅连接几个大学和研究机构。
- 实验性质: 主要用于军事和学术研究。
- 协议不统一: 各种网络采用不同的协议，互联性差。
第二阶段：三级结构互联网的形成（20世纪70年代末 - 80年代）
- 标志性事件: TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议，为互联网的发展奠定了基础。
- 特点：
- 形成三级结构: 主干网、地区网和校园网（或企业网）的划分，使得互联网的规模不断扩大。
- 面向更广泛的用户: 不仅限于学术界，开始面向商业和政府机构。
- 协议统一: TCP/IP协议的广泛采用，极大地提高了网络的互联性。
第三阶段：多层次ISP结构互联网的形成（20世纪90年代至今）
-
标志性事件: 万维网（World Wide Web）的出现，以及商用互联网的兴起。
-
特点：
-
多层次ISP结构: 出现了众多的互联网服务提供商（ISP），形成了复杂的网络生态。
-
全球互联: 互联网连接了全球各地的计算机，实现了信息的全球共享。
-
应用多样化: 互联网的应用领域不断拓展，从电子邮件到电子商务、社交网络等。
-
总结
互联网基础结构的发展是一个不断演进的过程。从最初的实验性网络，到全球互联的庞大网络，互联网的规模和复杂性不断增加。TCP/IP协议的统一和万维网的出现是互联网发展的重要里程碑。
互联网的标准化工作
互联网的组成
从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
-
边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
-
**核心部分：**由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。
边缘部分
端系统之间的两种通信方式
客户/服务器模式（Client/Server，简称C/S模式）
- 概念： 是一种典型的网络应用模式，其中有一个或多个服务器提供服务，而多个客户端向服务器请求服务。
- 特点：
- 角色明确： 服务器负责提供服务，客户端负责请求服务。
- 集中管理： 数据和资源集中存储在服务器上，由服务器统一管理。
- 高效： 服务器通常具有强大的处理能力，可以高效地处理大量的客户端请求。
- 应用场景：
- Web应用： 浏览器作为客户端，向Web服务器请求网页。
- 数据库系统： 数据库服务器提供数据存储和管理服务。
- 邮件系统： 邮件服务器提供邮件收发服务。
- 优点：
- 易于管理： 由于集中管理，系统的维护和更新比较方便。
- 安全性高： 可以通过对服务器进行严格的访问控制来保证系统的安全性。
- 缺点：
- 单点故障： 服务器一旦出现故障，整个系统就会瘫痪。
- 可扩展性有限： 随着用户数量的增加，服务器的负载会越来越重，扩展性受到限制。
对等模式（Peer-to-Peer，简称P2P模式）
- 概念： 是一种分布式的网络应用模式，网络中的每个节点既是客户端，又是服务器，可以同时提供和接收服务。
- 特点：
- 去中心化： 没有中心服务器，数据分散存储在各个节点上。
- 平等性： 每个节点的地位是平等的，都可以直接与其他节点进行通信。
- 可扩展性强： 随着节点的增加，系统的处理能力也会随之增强。
- 应用场景：
- 文件共享： 如BitTorrent。
- 即时通讯： 如Skype。
- 分布式计算： 如Folding@home。
- 优点：
- 高可用性： 没有单点故障，即使某个节点出现故障，也不会影响整个系统的运行。
- 可扩展性强： 可以通过增加节点来提高系统的处理能力。
- 缺点：
- 安全性较低： 由于数据分散存储，安全性难以保证。
- 管理复杂： 由于没有中心服务器，系统的管理比较复杂。
互联网的核心部分
三种典型的交换方式
交换技术概述
交换技术是计算机网络中数据传输的基本方式之一。它指的是将数据从一个网络节点传输到另一个网络节点的过程。常见的交换技术主要有以下几种：
- 电路交换： 类似于电话系统，在数据传输前先建立一条专用的物理连接，整个传输过程独占这条线路。电路交换的优点是实时性好，但线路利用率低。
- 分组交换： 将数据分割成一个个小的数据包，每个数据包都带有目的地址和源地址等信息。这些数据包在网络中独立传输，可以共享网络资源。分组交换的优点是线路利用率高，灵活性和容错性好。
- 报文交换： 整个报文作为一个整体进行传输，直到整个报文传输完毕，下一个报文才能开始传输。报文交换的优点是简单，但效率较低。
互联网核心为何采用分组交换
互联网之所以采用分组交换技术，主要有以下几个原因：
- 线路利用率高： 分组交换可以使多路数据共享一条通信线路，提高线路的利用率。
- 灵活性和容错性好： 数据被分割成多个小包，每个小包可以独立传输，即使某个小包丢失，也不会影响整个数据的传输，提高了系统的可靠性。
- 适应性强： 分组交换可以适应各种类型的网络，如局域网、广域网等。
详细讲解见三种交换方式。
计算机网络在我国的发展
这一小章不想进行详细讲解，感兴趣的见计算机网络在中国的发展。
计算机网络的类别
计算机网络的性能
1. 时延 (Delay or Latency)
时延是指数据从发送方到接收方所需要的时间。网络时延是影响网络性能的重要因素，通常由以下四种时延组成：
-
传播时延 (Propagation Delay)：
-
定义：信号在物理介质中传播所需要的时间。
-
公式：
D propagation = 距离 传播速度 D_{\text{propagation}} = \frac{\text{距离}}{\text{传播速度}} Dpropagation=传播速度距离- 距离：数据从发送方到接收方的物理距离。
- 传播速度：信号在介质中的传播速度（例如光纤中接近光速，铜线中略低）。
-
-
发送时延 (Transmission Delay)：
-
定义：发送方将数据从网络接口卡 (NIC) 传输到链路上所需的时间。
-
公式：
D transmission = 数据大小 传输速率 D_{\text{transmission}} = \frac{\text{数据大小}}{\text{传输速率}} Dtransmission=传输速率数据大小- 数据大小：待发送数据的总量（通常以比特为单位）。
- 传输速率：链路的速率（单位：bps，即比特每秒）。
-
-
排队时延 (Queuing Delay)：
- 定义：数据包在路由器或交换机的队列中等待处理的时间。
- 特性：随机性较强，取决于网络负载和流量情况。
-
处理时延 (Processing Delay)：
- 定义：路由器或主机处理数据包（如检查首部、计算校验和等）所需的时间。
- 特性：一般较小且稳定。
总时延公式：
D
t
o
t
a
l
=
D
p
r
o
p
a
g
a
t
i
o
n
+
D
t
r
a
n
s
m
i
s
s
i
o
n
+
D
q
u
e
u
i
n
g
+
D
p
r
o
c
e
s
s
i
n
g
D_{total}=D{propagation}+D{transmission}+D{queuing}+D{processing}
Dtotal=Dpropagation+Dtransmission+Dqueuing+Dprocessing
2. 吞吐量 (Throughput)
吞吐量是指单位时间内网络中成功传输的数据量，通常用bps（比特每秒）或Bps（字节每秒）表示。
-
公式：
吞吐量 = 传输的数据量传输时间吞吐量 = 传输的数据量 传输时间 吞吐量=传输的数据量传输时间\text{吞吐量} = \frac{\text{传输的数据量}}{\text{传输时间}} 吞吐量=传输的数据量传输时间吞吐量=传输时间传输的数据量
特性：- 吞吐量受网络带宽、时延、拥塞等因素的影响。
- 吞吐量的最大值称为带宽，但实际吞吐量通常低于带宽。
-
衡量：
- **瞬时吞吐量：**某一时刻的吞吐量。
- **平均吞吐量：**一段时间内的平均传输速率。
3. 带宽 (Bandwidth)
带宽是网络链路所能传输的最高数据速率，通常也用bps表示。
- 特性：
- 带宽是链路的理论最大传输能力，与实际吞吐量不同。
- 带宽可以是物理带宽（硬件支持的最大传输速率）或有效带宽（实际可用的带宽）。
- 单位：
- 常用单位是kbps（千比特每秒）、Mbps（兆比特每秒）、Gbps（千兆比特每秒）。
4. 速率 (Rate)
速率一般指数据在某一时间段内的传输速度，即网络接口的即时传输能力。
- 物理速率：
- 是指链路上发送数据的速率，例如以太网的速率为10Mbps、100Mbps、1Gbps等。
- 实际速率：
- 考虑了协议开销、错误重传等因素后的实际数据传输速率。
- 实际速率往往低于物理速率。
5.时延-带宽积
一个重要的概念是时延-带宽积，它衡量了在网络中传播的数据量：
时延
−
带宽积
=
带宽
×
传播时延时延-带宽积
=
带宽
×
传播时延
时延-带宽积=带宽×传播时延\text{时延-带宽积} = \text{带宽} \times \text{传播时延}
时延−带宽积=带宽×传播时延时延-带宽积=带宽×传播时延
- 时延-带宽积表示网络中可以同时存在的数据量。
- 对于高带宽高时延的网络（如卫星网络），时延-带宽积会非常大，需要优化协议来有效利用网络。
以下说法是错误的： “在高速网络（或高带宽网络）上，比特传输会更快一些。”
对于高速网络，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。 提高数据发送速率只是减少了数据的发送时延。
解读：
这段文字主要说明了消费者对于网络速度的一个常见误解。
- 高速网络提高的是发送速率，而不是传播速率：
- 发送速率 指的是数据在网络中传输的快慢，类似于水管的水流速度。
- 传播速率 指的是信号在介质中传播的速度，类似于光在光纤中的传播速度，它是一个物理常数，很难改变。
- 高速网络通过增加带宽，可以提高数据的发送速率，就像粗水管比细水管能流过更多的水一样。但是，它并不能改变信号在介质中的传播速度。
- 提高发送速率减少的是发送时延：
- 发送时延 指的是数据从源端发送到目的端所花费的时间。
- 通过提高发送速率，可以减少数据传输所需要的时间，从而降低发送时延。
时延计算的例子
6.往返时间 RTT (Round-Trip Time)
RTT 是指一个数据包从发送端传输到接收端，并从接收端返回确认的时间。
它包括两个方向的传播时间以及其他各种时延的总和。
- 公式：
分析举例
7.利用率
网络时延与利用率关系
- 根据排队论，当某信道的利用率增大时，时延会迅速增加。
公式
D = D 0 1 − U D=\frac{D_0}{1-U} D=1−UD0
其中：
-
D₀：网络空闲时的时延。
-
D：网络在当前的时延。
-
U：网络当前的利用率，数值在 0 到 1 之间。
当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。
计算机网络的体系结构
计算机网络体系结构的形成
请参见计算机网络体系结构的形成，读者自行进行阅读，这里不过多赘述。
协议与划分层次
网络协议
网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
三个组成要素：
-
语法：数据与控制信息的结构或格式 。
-
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
-
同步：事件实现顺序的详细说明。
网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。
划分层次
OSI 七层模型
OSI 模型是国际标准化组织（ISO）提出的参考模型，用于指导网络通信功能的分层设计。
| 层次 | 功能 | 协议示例 |
|---|---|---|
| 应用层 | 提供用户接口，支持应用程序通信 | HTTP、FTP、SMTP |
| 表示层 | 负责数据的表示、加密与解密、压缩与解压缩 | JPEG、MPEG、SSL |
| 会话层 | 管理会话连接，提供会话建立、维护和终止服务 | NetBIOS、RPC |
| 传输层 | 提供端到端的可靠传输服务 | TCP、UDP |
| 网络层 | 负责路由选择和数据转发 | IP、ICMP |
| 数据链路层 | 提供帧传输、差错检测与纠正 | Ethernet、PPP |
| 物理层 | 传输比特流，提供物理硬件接口 | 光纤、网线、Wi-Fi |
TCP/IP 四层模型
TCP/IP 模型是互联网的核心协议模型，具有更简化的层次划分。
| 层次 | 功能 | 协议示例 |
|---|---|---|
| 应用层 | 提供用户接口，支持应用程序通信 | HTTP、DNS、SMTP |
| 传输层 | 提供端到端的可靠传输服务 | TCP、UDP |
| 网络层 | 负责路由选择和数据转发 | IP、ICMP |
| 网络接口层 | 定义物理传输方式，提供链路层功能 | Ethernet、Wi-Fi |
OSI 与 TCP/IP 模型对比
| 功能 | OSI 模型层次 | TCP/IP 模型层次 |
|---|---|---|
| 应用支持 | 应用层、表示层、会话层 | 应用层 |
| 可靠传输 | 传输层 | 传输层 |
| 路由与转发 | 网络层 | 网络层 |
| 链路与物理传输 | 数据链路层、物理层 | 网络接口层 |
总结：
- OSI 模型更注重理论，细分层次以指导标准化。
- TCP/IP 模型更注重实用性，广泛应用于互联网。
划分层次的概念举例：两台主机通过网络传送文件
各层完成的主要功能
- 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
- 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
- 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
- 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
- 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。
五层网络体系结构及功能讲解
五层网络体系结构是计算机网络中常用的分层模型，它将网络功能划分为 5 个逻辑层，每一层负责完成特定的任务。以下是对各层功能的详细说明：
1. 物理层
- 主要功能：
- 负责比特流的传输，提供物理硬件接口。
- 定义硬件设备之间的电气、机械、功能和过程特性。
- 处理信道特性，如电压、电流、光信号等。
- 示例协议和技术：光纤、网线、Wi-Fi、蓝牙。
2. 数据链路层
- 主要功能：
- 将物理层的比特流组织成帧，提供可靠的数据传输。
- 实现差错检测与纠正，确保数据帧的可靠性。
- 管理数据链路的访问控制，防止冲突。
- 示例协议：以太网（Ethernet）、PPP、MAC 协议。
3. 网络层
- 主要功能：
- 实现网络间的路由和数据包转发。
- 确保数据能够从源主机传输到目标主机。
- 支持逻辑地址（如 IP 地址）的分配和管理。
- 示例协议：IP、ICMP、ARP。
4. 运输层
- 主要功能：
- 提供端到端的可靠数据传输服务。
- 负责分段与重组，确保数据在通信过程中不会丢失或损坏。
- 提供流量控制和拥塞控制。
- 示例协议：TCP、UDP。
5. 应用层
- 主要功能：
- 面向用户，提供直接的网络服务。
- 定义应用程序之间的通信规则。
- 支持常见的网络功能，如文件传输、邮件服务、网页浏览等。
- 示例协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS。
总结
-
层次划分的优点：
- 模块化设计：每层独立实现功能，简化开发和维护。
- 互操作性：不同厂商的设备可以通过标准协议实现兼容。
- 扩展性：新技术可以无缝集成到已有的体系结构中。
-
五层结构的本质：从物理信号的传输到用户应用的实现，五层模型将复杂的网络功能分解为清晰的模块，方便理解和实现。
数据在各层之间的传递过程
图片较多，见数据在各层之间的传递过程。
实体、协议、服务和服务访问点
-实体 (entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
- 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
- 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
- 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
| 特征 | 协议 | 服务 |
|---|---|---|
| 实现目标 | 其实现保证了能够向上一层提供服务。 | 上层使用服务原语获得下层所提供的服务。 |
| 透明性 | 对上面的服务用户是透明的。 | 上面的服务用户只能看见服务，无法看见下面的协议。 |
| 方向性 | 是"水平的" | 是"垂直的" |