计算机网络概述-EW帮帮网

基本概念
网络（Network）：由若干节点（计算机、集线器、交换机、路由器等）与链路组成的通信系统。
互连网（internet，小写 i）：多个网络通过路由器连接而成的更大网络，协议不限于 TCP/IP。
互联网（Internet，大写 I）：当今全球最大的特定互连网，采用 TCP/IP 协议族，前身为 ARPANET。

TCP/IP 是互联网的沟通底层规则，不管是手机刷网页、电脑传文件，还是微信发消息，设备之间能传数据，靠的就是这套统一规则；没有它，不同系统的设备连了网也没法沟通。
TCP（传输控制协议）：负责把数据打包好、确保不丢不错，比如传一张照片，它会把照片拆成小数据包，发过去后再拼回来，还会检查有没有漏包、错包，漏了就重发，保证数据完整。
IP（网际协议）：负责给数据指路、找到目的地，就像快递的地址，它会给每个数据包贴个IP 地址，指挥数据包在复杂的互联网里绕开障碍，准确传到对方设备。

图 1-1(a)：多台计算机经链路接到集线器，构成一个小网络
图 1-1(b)：多个云代表多个网络，通过路由器相互连接，形成互连网

集线器工作方式：不管哪台设备发数据，它都会把数据原封不动地传给所有连在它身上的设备，类似于广播

云的画法(云代表网络)：
有时云内含主机，强调这是一个网络
有时主机画在云外（图 1-2），便于强调主机经互连网通信

主机（Host）：连接到网络的端系统（PC、服务器、智能手机、智能电视等）
路由器（Router）：特殊的计算设备，负责转发分组，但不称为主机

网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。
与网络相连的计算机常称为主机。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

阶段一：从单网到互连网（ARPANET → TCP/IP）
1969：ARPANET 诞生（分组交换单个网络）
70 年代中期：研究多种网络互联（含分组无线、电缆等），互连网雏形出现。
1983：TCP/IP 成为 ARPANET 标准协议，可在互连网内互通，惯将 1983 视为 Internet 诞生。1990：ARPANET 退役，完成历史使命。
区分：internet（通用名）≠ Internet（专有名）。只要“把网络互联”就是 internet；采用 TCP/IP 并形成全球开放体系的特定网络才称 Internet。

阶段二：三级结构互联网（主干网—地区网—校园/企业网）
1985 起：NSF 组织建设 NSFNET，形成主干网 / 地区网 / 校园（企业）网的三级结构，覆盖全美学研机构。
1991–1993：商业接入激增；主干网逐步移交私营运营，对接入单位开始收费；主干网速率提升至 T3（45 Mbit/s）
为什么三层？
让任意两端用户可达又控制成本：
校园/企业网负责末端接入
地区网完成区域范围互通
主干网实现跨区域互联

阶段三：多层次 ISP 结构 + IXP（商业互联网）
概念：ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供者）
ISP运作流程：向管理机构申请 IP 地址块，自建或租赁通信线路，部署路由器/交换机，向机构/个人出售接入服务（“上网” = 通过 ISP 获得 IP 并接入 Internet）

分层：
主干 ISP：覆盖国家/洲际范围，拥有高速主干网（≥10 Gbit/s），数量不多。
地区 ISP：规模较小，通过一个或多个主干 ISP 互联。
本地 ISP：直接服务端用户（个人/企业/校园）

图 1-3：三层 ISP 概念图。举例：
主机 A → 本地 ISP → 地区 ISP → 主干 ISP → 地区 ISP → 本地 ISP → 主机 B

IXP（Internet eXchange Point，互联网交换点）
作用：让两个网络直接对等交换流量，不再绕行第三方网络，更低时延、更低费用、更均衡的流量分布。

内容提供者（CP/CDN）
不提供“接入”，而是提供内容/视频；为效率自建专用内容分发网络，与各级 ISP/IXP 直连，承载海量视频流量（当今互联网主流流量类型）

1.2.3 互联网的标准化工作

RFC 机制（开放、透明、面向公众）

RFC = Request For Comments
中文：征求意见稿

RFC 是由 IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）组织发布的技术文档。用来定义互联网的各种协议、标准、流程和实验性技术。
里面包含了 TCP/IP、HTTP、SMTP、DNS、IP 地址分配等几乎所有互联网核心规范。

为什么叫 “Request For Comments”？
最早（1969 年），ARPANET 的研究人员把他们的想法写成文档，发给同行，名字就叫 Request For Comments，意思是征求意见。这个名字一直沿用下来，虽然很多 RFC 已经是正式标准，但仍然叫 RFC。

标准生命周期（现行）
Internet-Draft（I-D）：互联网草案（有效期 6 个月，尚非 RFC）
Proposed Standard（PS）：建议标准（成为 RFC）
Internet Standard（STD）：正式互联网标准（授予 STDxx 编号，可关联多个 RFC）
2011 年起取消草案标准（Draft Standard），流程由建议标准 → 互联网标准两级组成

草案标准（Draft Standard）不是 Internet-Draft（I-D）

1.3 互联网的组成

互联网虽然拓扑复杂、覆盖全球，但从工作方式上可以划分为两大部分：
1. 边缘部分
由所有连接在互联网上的主机（端系统，End Systems）构成。
功能：用户直接使用，用于通信与资源共享。

端系统（End System）：
强调它处在通信链路的“端点”上，即网络数据传输的起点或终点。

比如你手机发微信消息，你的手机就是一个端系统。

对方的手机收到消息，对方的手机也是一个端系统。

之所以叫端系统，是因为它不负责转发别人数据，只负责产生数据或消费数据。

2. 核心部分
由大量网络和路由器组成。
功能：为边缘部分提供连通性和分组交换服务。

图 1-4：互联网的边缘部分（主机）与核心部分（路由器+网络）的关系

1.3.1 互联网的边缘部分

主机 / 端系统
端系统（End System） = 互联网末端设备。
类型差异巨大：
小型：PC、笔记本、平板、智能手机、摄像头。
大型：服务器（Server），如 Google、百度的数据中心（单中心可有 10 万+ 台服务器）
拥有者：个人、企业、政府、学校、ISP 等。
端系统间通信，本质是运行在两台主机上的进程之间的通信。

通信方式分类

1. 客户-服务器方式（C/S 方式）
最常见的互联网通信模式（如电子邮件、网页浏览）
特点：
客户端（Client）：主动发起请求；需要知道服务器地址；不需特殊硬件。
服务器（Server）：被动等待请求；可同时服务多个客户端；需强大硬件与系统支持。

关系：
客户（请求方） ↔ 服务器（提供方）
一旦建立连接，通信可双向进行

图 1-5：主机 A 运行客户端程序，请求主机 B（服务器）服务 → B 返回结果

2. 对等连接方式（P2P 方式）

Peer-to-Peer：主机之间不再严格区分“客户 / 服务器”。
只要都运行 P2P 程序，双方可互为客户和服务器。

特点：
平等通信，双方均可下载/共享文件
实际本质：仍是 C/S 模式的变形（某一时刻一方是客户，另一方是服务器）

优势：
可支持大规模用户（上百万）
广泛应用于文件共享、分布式系统

图 1-6：主机 C、D、E、F 运行 P2P 程序 → 形成多条对等连接

1.3.2 互联网的核心部分

1. 先理解电路交换为何不适合数据
电话网的三种连接设想（图 1-7）
(a) 两机直连：两台电话用一对线即可
(b) 两两直连：若有 N 台电话，两两直连需 N(N−1)/2 对线 → 平方级膨胀，不现实
(c) 引入交换机：所有电话接到交换机，由交换机按需把双方接通 → 电路交换

电路交换的流程与特性（图 1-8）
流程：建立连接 → 通话（独占端到端话路）→ 释放连接
资源占用：建立后整段链路独占（即使沉默/思考也占着不放）
对数据业务的问题：计算机数据突发性强，链路空闲时间长，效率低（利用率常 <10%）

2. 分组交换：互联网的核心机制
报文切分与首部（图 1-9）
把待发送的整块数据称为报文（message）
发送前将报文切分成更小的分组（packet）；每个分组前加上首部（header）（含源/目的地址、序号等控制信息）
分组 = 首部 + 数据，是互联网传送的基本单位

路由器如何转发（图 1-10）
边缘主机以较低速链路接入核心；核心路由器之间以高速链路互联（常为网状）
每个分组在路由器处：缓存 → 查转发表 → 从合适接口转发，逐跳前进至目的主机
路由器之间运行路由选择协议，动态维护转发表，拓扑变化时可自动绕行故障/拥塞
分组只在所经过的链路上传输时占用带宽；到达路由器就释放上一段资源 → 带宽按需、断续分配

路由器处理一个分组的流程：

缓存

分组到达路由器时，先临时放入输入缓存（防止流量突发时丢包）

查转发表

路由器检查分组的目的 IP 地址。

在本地的“转发表”里查找：这个目的 IP 应该走哪个端口/下一跳。

转发

根据转发表的结果，从对应的输出接口把分组发出去，送到下一个路由器。

路由的灵活性（图 1-10(b)）
同一会话的不同分组可能走不同路径（如 A→C→E 或 A→B→E），以规避拥塞或故障。
多对主机可并发通信；一台主机内的多个进程也可分别与不同对端通信。

3. 分组交换 vs 电路交换 vs 报文交换（图 1-11）

维度	电路交换	报文交换	分组交换
连接建立	需要，端到端独占	不需要	不需要
传输单位	比特流连续通过“管道”	整份报文	分组（报文的片段）
中间节点处理	仅转发比特流	存储整报文后再转发	存储分组后再转发
时延	大数据且会话长时更小（摊薄建立时延）	大（等整报文到齐）	小于报文交换、灵活可并发
带宽占用	独占、可预留 QoS	共享	共享、按需、易扩展
适用场景	传统话音（现已被分组化取代）	历史技术，已淘汰	互联网数据与现代移动网语音/数据的主流

可预留 QoS

QoS = Quality of Service，服务质量

在电路交换中：

建立连接时，网络会为这条通信划出一条专用通道

带宽、时延、抖动等都被锁定下来，别人不能占用

这就叫可预留 QoS：

可以保证一定的带宽、时延和可靠性

用户体验稳定，不会因为别人用网而抖动

总结下来就是
可预留 QoS：电路交换的通道是独占的，能保证带宽和时延，这是分组交换难以完全做到的

4. 分组交换的优缺点

优点
高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速：以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：多路径与动态路由让网络具有良好生存性

代价 / 挑战
排队与时延抖动：路由器缓存中的队列等待会带来时延与抖动，需要拥塞控制/队列管理。
首部开销：每个分组都带控制信息，存在额外开销。
带宽不可事先保证：非预留，端到端吞吐受网络状况影响；需在更高层做拥塞控制、流量控制、服务质量等机制。

1.4 计算机网络的类别

1.4.1 定义

计算机网络：由一些通用的可编程的硬件互连而成，不仅能传送数据，还能支持多种应用。
硬件包括计算机、智能手机、智能电视等。
“可编程”说明必须包含 CPU。
不是单纯“计算机通信网”，而是综合的多功能网络。

1.4.2 分类方式

（一）按作用范围

广域网 WAN：
覆盖几十至几千公里
互联网核心部分，负责长距离传输
高速链路、大容量

城域网 MAN：
覆盖一个城市（5~50 km）
常用于连接多个局域网
现多采用以太网技术

局域网 LAN：
覆盖 1 km 左右，如校园/企业
高速通信（≥10 Mbit/s），便于开发和管理

个人区域网 PAN：
范围约 10 m（蓝牙、无线技术）
又称 WPAN，用于个人设备互连
WPAN = Wireless Personal Area Network（无线个人区域网）

注：若 CPU 距离极近（如 1m），则称多处理机系统，不算网络。

为什么 WAN/MAN/LAN/PAN 都叫网络？

WAN / MAN / LAN / PAN 虽然范围不同，但它们都有三个共同点：
1. 由多台设备互连组成（计算机、手机、服务器…）
2. 能够传递数据（有链路、协议、路由/转发机制）
3. 支持通信/共享/协作
它们都满足多设备互连 + 数据通信

（二）按使用者
公用网 Public Network：电信运营商建设，任何人付费可用。
专用网 Private Network：部门/行业专用，如军队、铁路、银行、电力。

（三）接入网 AN
又称本地接入网/居民接入网
接入网 (Access Network, AN) 是用户端设备（端系统）到 ISP 的入口路由器之间的所有链路
范围：几百米 ~ 几公里
早期：拨号上网，速率低
现代：宽带接入（ADSL、光纤、无线）

用户必须通过本地ISP才能接入到互联网。本地ISP可以使用多种接入网技术把用户的端系统连接到互联网。接入网实际上就是本地ISP所拥有的网络，它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。接入网由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一些物理链路所组成。

1.5 计算机网络的性能

1.5.1 常用 7 个性能指标

1. 速率
网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率
单位 bit/s（b/s、bps）。常用数量级：k、M、G、T、P、E、Z、Y（10 的幂）
当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率
k=10^3， M=10^6， G=10^9，T=10^12， P=10^15

计算机领域，数的计算使用二进制。因此习惯上，K=2^10=1024 ,M=2^20 ,G=2^30
T=2^40,P=2^50
此外，计算机中的数据量往往用字节B作为度量的单位(B代表byte)。通常1B=8bit。例如，15GB数据块的大小是 15*2^(30)*8bit ,而不是 15*10^9*8bit 。但10Gbit/s的速率则表示10×
10^9bit

2. 带宽

计算机网络里的带宽指数据传输能力
单位：bit/s（比特每秒）
举例：宽带 100 Mbps，就是带宽 = 100 兆比特每秒
意思就是单位时间内，链路最多能传多少数据
就像水管的粗细，越粗的水管（带宽大），水流量（数据率）就越大

3. 吞吐量

吞吐量指的是单位时间实际通过的数据量
单位：bit/s 或者 byte/s。
跟带宽不同：
带宽 = 理论上限
吞吐量 = 实际跑出来的速度（可能远低于带宽）

为什么实际吞吐量低？
链路瓶颈：
比如主机 A 接入 100 Mbit/s，服务器 B 接入 1 Gbit/s
最终 A 和 B 之间的吞吐量上限就是 100 Mbit/s

用户共享：
如果 100 个用户一起连服务器 B，而 B 到网络的出口带宽只有 1 Gbit/s
每个用户平均只能分到 10 Mbit/s

网络拥塞：
某些路段过载，分组丢失或排队太久，吞吐量会进一步下降，甚至可能掉到 0

ISP 带宽和吞吐量的区别
向 ISP 购买的“100 Mbit/s 宽带”只是保证 ISP 网络之间的某段链路最大能跑到这个速率。
但真正上网时，数据要经过很多链路和设备，还要和其他用户共享资源，
所以实际吞吐量（下载速度）可能只有几十 Mbit/s，甚至更低。

4. 时延

时延指的是数据从一端传到另一端所需的时间
单位：秒（s）、毫秒（ms）、微秒（µs）
时延不是单一的，而是由好几部分组成

时延的四个组成部分

发送时延
把整个数据帧/分组发出去需要的时间
公式：发送时延 = 数据帧长度 ÷ 发送速率
决定因素：帧有多大、速率有多快
类似于往高速路口塞车，把一队车全开上去需要多久

传播时延
信号在链路上传播所需的时间
公式：传播时延 = 信道长度 ÷ 信号在介质中的传播速率
光纤中电磁波传播 ≈ 2×10^5 km/s，铜缆更慢
类似于车子已经上了高速，跑到目的地要多久

处理时延
路由器/主机在处理分组时需要的时间，比如查表、差错检测
一般很短（微秒级），但遇到复杂操作可能增加
类似于收费站工作人员扫一下你的车牌

排队时延
分组在路由器缓存里排队等待的时间
网络空闲时几乎没有，拥塞时可能非常大
类似于收费站前的堵车等待

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5. 时延带宽积（BDP）

公式：时延带宽积=传播时延×带宽
传播时延：信号从发送端到接收端需要的时间。
带宽：链路每秒能传多少比特。
两者相乘 = 这条链路在传输过程中，最多能装下多少比特正在路上。

6. 往返时间 RTT

RTT = 一条消息从发送端到接收端再返回发送端的时间。
就像寄快递：发出去 + 收到对方签收确认，总共花多久。
在互联网中，很多通信是双向的，所以 RTT 是个非常关键的性能指标。

RTT 对传输速率的影响
例子：
A 要给 B 传 100 MB 数据，发送速率 = 100 Mbit/s。
单纯发送时延 = 8.39 秒

如果 B 必须等收完整个文件后再回个确认
RTT = 2 秒（假设）
A 只有等确认回来，才能继续发送。
那么有效数据率 = 100 MB ÷ (8.39 + 2) ≈ 80.7 Mbit/s
比原本的 100 Mbit/s 慢了一些。
公式：有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)

RTT 包含什么
传播时延（光纤/卫星距离很远时特别大，比如卫星要 0.25 秒以上）
中间路由器的处理时延、排队时延。
转发数据时的发送时延

7. 利用率

利用率 U：一条链路/整个网络被真正用来传数据的“忙碌程度”，0～1 之间。
0：几乎没人用
1：一直满载
基准时延 D₀：没有排队时的“固有时延”= 发送时延 + 传播时延 + 处理时延（不含排队）
总时延 D：真正在网里经历的时延 = 固有时延 + 排队时延。

也就是说D₀表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延(设现在的网络利用率为U)，在适当的假定条件下，D与 D₀ 以及利用率U之间的关系：D=D₀/(1−U)

U 越大，D 增长越快；当 U 接近 1（快满载）时，分母→0，时延会飙升（排队爆炸）
也就是图里那条在 U≈0.5 之后明显上扬、接近 1 时发散的曲线

为什么高利用率≠高性能

如果把公路压到满负荷，平均时延会不可控地上升，丢包也会变多。
所以运营商会留余量，常把关键链路的目标利用率控制在 ≤50% 左右，超了就要扩容（加带宽/增链路）
所以链路/网络别逼近满载，越接近 100% 利用率，时延越是指数式地恶化。

两种利用率
信道利用率：某条链路被占用的比例
网络利用率：把网络中各链路的利用情况综合后的“总体忙碌度”
二者都高了都会带来排队，时延升高

信道是通信系统里传输数据的媒介或路径，它是物理层里专门用来传递信号的通道。
换句话说，信道 = 发出去的数据走的那条路。

信道的几种类型

有线信道

双绞线、同轴电缆、光纤

通过导线或光纤传输电信号/光信号

无线信道

WiFi、蓝牙、4G/5G、卫星通信

通过电磁波在空气/空间中传输

1.5.2 影响性能的非性能特征

费用：速率越高、冗余越多，成本越高。
质量：器件与组网质量影响可靠性与可运维性。
标准化：遵循开放标准便于互通、升级与维护。
可靠性：与质量/架构/冗余相关；高性能并不必然牺牲可靠性，但成本更高。
可扩展/可升级：设计阶段就要预留扩容与演进空间。
易管理与维护：没有可观测与可运维，性能难以达标且难以保持。

计算机网络概述

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

信息时代与网络的重要性

三大类传统网络

互联网的基本特征

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络