1.1 信息时代中的网络

• 3大网络：电信网络（电话、传真、电报），有线电视网络，计算机网络
• 3网融合的技术实现
  • 传输载体：双绞线、同轴电缆——光纤+无线电波【扩大传输距离、提高传输质量】
  • 数字编码：将语音、图像、及更多的数据统一编码，并进行统一的传输

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1.2 互联网概述

1.2.1名称解析

• 网络：若干结点（node）、连接结点的链路（link）组成

• 互连网（network of network）：由路由器，将多个小网络连接成一个大网络

• 互联网（Internet）：专有名词，起源于美国，逐渐发展成当下覆盖范围最大的网络
  

• 信道、接口、链路

  • 信道：路由器使用2.4GHz频段的信道6传输Wi-Fi信号。
  • 接口：电脑通过RJ45网口连接路由器，手机通过无线网卡接入。
  • 链路：电脑到路由器的网线是物理链路；手机通过无线链路（信道6）连接路由器。

概念	核心作用	类型	实例
信道	数据传输的通道	物理/逻辑信道	Wi-Fi信道6、光纤波长
接口	设备接入网络的端口	硬件/软件接口	RJ45网口、无线网卡
链路	两点间的直接连接	物理/逻辑链路	光纤、VPN隧道

1.2.2互联网结构的3个阶段

• 第一阶段
  • 仅连接美国几所高校
  • 只有一层
  • 提出TCP/IP协议
• 第二阶段
  • 未普及民用
    
• 第三阶段
  • 普及民用
  • 出现多级ISP（网络服务提供商）
    

1.2.3万维网技术

• ​统一资源标识符（URL/URI）​：为互联网上的资源提供唯一标识，解决了信息定位问题
• ​超文本传输协议（HTTP）​：
  • HTTP协议通过请求-响应模型统一了数据传输标准
    【提升了客户端、服务器端之间的传输速度】
• ​超文本标记语言（HTML）​：
  • <a>标签配合url属性，可以创建超链接，指向不同服务器的文档
    【点击链接即可跨服务器获取信息，无需记忆复杂的IP地址】
  • 各种标签配合 CSS（层叠样式表）
    【可以实现复杂的页面布局效果】
  • <audio>和<video>标签分别用于嵌入音频和视频文件
    【网页能够展示更加丰富多样的内容】

1.2.4互联网的标准化

• RFC 文档（Request for Comments）：互联网标准的发表形式

• 标准化工作流程

  • 互联网草案（Internet Draft）：新想法，不是RFC文档
  • 建议标准（Proposed Standard）：已经过初步实验，提升为RFC文档
  • 互联网标准（Internet Standard）：经过充分的实践验证，互联网行业必须遵循的准则

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1.3 互联网的组成部分

• 互联网 = 边缘部分、核心部分
• 边缘部分：终端设备、接入网络，负责生成和消费数据
  • 接入网络【连接终端设备、核心网络的设备】
    • 家庭场景：家庭路由器
    • ​企业场景：企业局域网中的交换机、防火墙
    • 与终端设备连接：通过无线电波、双绞线、数据线
    • 与核心网络连接：通过光纤
• 核心部分：高速路由器、光纤链路（如ISP之间的互联），负责远距离数据传输
  • 路由器分多层（接入层、汇聚层、核心层），根据实时网络状态，选择同层、跨层路由
    

1.3.1边缘部分的数据交换

• 2个端系统间【2个应用进程】的通信方式（通信架构）
  • 客户-服务器方式（Client-Server，C/S）
  • 对等方式（Peer to Peer，P2P）

C/S方式

• 客户程序：

  • 被用户运行后，向所需服务对应的服务器发起请求（知道服务器IP）

• 服务器程序：

  • 系统启动后一直运行，等待来自各地客户的请求（无需知道客户IP）

• 优点：

  1. 中心化：数据和服务集中在服务器端，易于维护、备份和权限控制【企业级应用】
  2. 安全性高：通过服务器统一验证客户端身份，减少数据泄露风险【电子邮件、在线支付】
  3. 服务稳定：服务器端经过优化，可处理高并发请求【在线游戏、金融交易】
  4. 成本高：客户端只需处理交互逻辑，计算和存储压力由服务器承担

• 缺点：

  1. 扩展困难：流量激增时服务器可能成为性能瓶颈，扩展需额外成本大。
  2. 单点故障：服务器宕机会导致整个系统瘫痪，通过硬件、数据、网络冗余保障可用。
  3. 依赖网络：客户端需持续连接服务器，网络中断时服务不可用。

P2P方式

• 每一台主机，既可以是请求服务端，也可以是提供服务端

• 优点：

  1. 去中心化：无单点故障，节点间直接通信，系统容错性高。
  2. 高扩展性：节点越多，资源（带宽、存储）越丰富，支持横向扩展【BitTorrent、迅雷】
  3. 成本低：无需昂贵服务器，利用终端设备的闲置资源。
  4. 抗审查性强：数据分散存储，难以被完全封锁或删除。

• 缺点：

  1. 管理困难：节点行为不可控，易出现恶意节点或数据不一致问题。
  2. 安全性风险：数据分散存储可能导致隐私泄露（如文件共享中的版权问题）。
  3. 依赖节点稳定性：节点随时加入或退出，影响服务连续性（如下载中断）。
  4. 复杂路由逻辑：需高效算法（如DHT）协调节点通信，开发难度高。

	C/S模式	P2P模式
架构复杂度	简单（分层明确）	复杂（需协调节点）
数据管控性	集中存储、强管控分发	分散存储、弱验证分发
服务可靠性	依赖服务器冗余	依赖节点分布
扩展性	垂直扩展（升级服务器）	水平扩展（动态增节点）
成本	高（服务器维护）	低（利用终端资源）

P2P应用例子

• 百度网盘的“优化传输速率”实现共享带宽

  • 原理：使用P2P模式下载文件时，系统会从多个节点（包括其他用户设备）同时获取数据片段，整合后的下载速度可能超过单一节点提供的带宽上限
  • 流程：百度网盘的“优化传输速率”功能开启后，会将用户设备的空闲上传带宽用于构建一个“传输通道”。其他用户下载同一文件时，系统会优先从离他们更近的节点（包括你的设备）获取数据片段，减少对中心服务器的依赖
  • ​你的设备角色：当你的网盘客户端处于开启状态时，可能作为临时节点为他人提供热门资源的上传，同时你下载时也能从其他节点获取资源

• 基于P2P架构的区块链技术实现价值交换能力

  • 问题：传统P2P网络（如文件共享）缺乏信任机制，难以支撑涉及价值交换的场景。
  • 解决：在P2P的基础上，区块链技术通过密码学技术、共识算法和智能合约，实现信任
    • 数字签名与身份验证：为节点生成唯一身份标识（如公钥地址），确保交易发起者身份可验证且不可抵赖
    • 哈希算法与链式结构：为文件生成不可篡改的哈希指纹
    • 共识机制：所有节点需遵守一套规则来验证交易，交易记录被广播到全网所有节点，并在所有节点保持一致

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1.3.2核心部分的数据交换

电路交换

• 问题：原始的电话信号是2部电话之间一条电线直连的。N部电话，需要 N(N-1 )/2 条电线
• 解决：
  • 条件：一块物理区域内的用户，很少同时打电话
  • 设置交换机【只负责转接】：源电话申请到目标电话之间的全部线路、交换机，等待目标电话接受，然后占用资源，一方挂电话后，释放资源
    • 建立连接（申请通信资源）
    • 通话（一直占用通信资源）
    • 释放连接（归还通信资源）
• 特点：在通话的全部时间内， 通话的两个用户始终整段占用 端到端的传输线路

报文交换

• 问题：电报数据交换是瞬时的、异步的，不像电话持续的、同步的
• 解决：采用存储转发的方案，逐段占用 通信链路

分组交换

• 问题：计算机数据交换也是瞬时的、异步的，但中间节点存储完整报文容易引发阻塞

• 解决：

  • 将报文message切分成分组
    • 每一个分组独立地选择最合适的转发路由
  • 设置路由器【暂时存储、再转发】
    • 不先建立连接就能单方面向其他主机发送分组
    • 在分组传输的过程中动态分配传输带宽，逐段占用 通信链路
      

• 3种交换的对比
  

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分组路由的细节

• 报文message被分成多个数据段，在每个数据段开头添加首部（控制信息），形成多个独立转发的分组package
  

• 首部组成

  • 目的地址：标识分组的最终接收者。
  • 源地址：标识分组的发送者。
  • 端口号：用于区分不同应用程序服务（传输层信息）。
  • 校验和：用于检测数据在传输过程中是否出错。
  • 生存时间（TTL）：防止分组在网络中无限循环。

• 转发表

  • 定义：路由器内部维护的一张表，每个条目包括目的网络、下一跳、出接口
    • 目的网络：根据协议、实时网络拓扑，路由器可达的网络
      【IP范围】
    • 下一跳：通向目的网络的最优下一跳
      【最优路径的下一个路由器的IP】
    • 出接口：路由器将数据转发出去使用的物理接口
      【当路由器的某个接口配置的IP，与目标主机在同一个局域网下时，无需跳到下一个路由器，而是到达链路层，显示Direct】

• 多级路由的流程

  • 假设一个分组从源地址 192.168.1.2 到目的地址 172.16.1.5，经过三级路由器（R1、R2、R3）的转发
  • 转发表如下：
    
  • 源主机：检查目的地址是否在同一子网（192.168.1.0/24）。发现不在同一子网后，将分组发送给默认网关 192.168.1.1（即R1的eth0接口）
  • R1：检查与目的地址最匹配的目的网络，并将分组从对应的eth1接口发送到下一跳 10.0.0.2
  • R2：检查与目的地址最匹配的目的网络，并将分组从对应的eth1接口发送到下一跳 203.0.113.2
  • R3：检查匹配的下一跳，通过eth1接口直接发送分组到目的主机 172.16.1.5

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1.4 计算机网络在我国的发展

1.5 计算机网络的类别

• 按地理范围分

  • 广域网WAN，Wide Area Network
  • 城域网MAN，Metropolitan Area Network
  • 局域网LAN，Local Area Network
    【校园网、企业网】
  • 个人域网PAN，Personal Area Network
    【开手机热点连电脑】

• 按逻辑功能分

  • 通信子网
  • 资源子网

• 按使用者分

  • 公有网
  • 专用网

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1.6 互联网的组成部分

1.6.1 计算机网络的性能指标

1.传输速率、数据率、比特率

• 定义：单位时间内，通过某个网络、信道、接口的数据量

• 单位：

  • bps，bit per second
  • kbps、Mbps、Gbps等等

• 注意：

  • 存储领域：以 2的幂次为单位
  • 通信领域：以 10的幂次为单位【网络协议设计需与物理层信号速率（如时钟频率）匹配】
  • 存储中，1MB = $10^6$B = 8*$10^6$b

单位	通信	存储
k (kilo)，千	$10^3$	$2^{10}$
M (Mega)，兆	$10^6$	$2^{20}$
G (Giga)，吉	$10^9$	$2^{30}$
T(Tera)，太	$10^{12}$	$2^{40}$
P (Peta)，拍	$10^{15}$	$2^{50}$
E (Exa)，艾	$10^{18}$	$2^{60}$
Z (Zetta)，泽	$10^{21}$	$2^{70}$
Y (Yotta)，尧	$10^{24}$	$2^{80}$

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2.带宽

• 定义：
  • 物理信号领域：某个信号占据的频带的宽度（频域称谓）
    【如，在传统的通信线路上传送的 电话信号 的标准带宽是3 .1kHz 千赫
    （ 从 300 Hz 到 3 .4 kHz）】
  • 网络通信领域：单位时间内，通过某个网络、信道、 接口的最大数据量（时域称谓）
    【最大数据率】

3.吞吐量

• 定义：单位时间内，某网络中所有设备的接收、发出的数实际据量之和

• 注意

  • 主机 A 接入到互联网 的 链路速率是 100Mbit/s
    【指的是A接入网络传输的额定速率】
  • 用户向运营商交了速率 为 100 Mbit/s 的 宽带接入费用
    【仅保障了本地网络到运营商网络接入点的传输速率为100 Mbit/s，后续的传输速率（如访问外部服务器）不再由本地运营商完全控制】

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4.时延

• 定义：数据从一个网络设备传输到另一个网络设备，所需的时间
  • 发送/传输时延：在源主机、交换设备发送器中，从发送数据帧的第一个bit，到该帧的最后一个bit发送完毕，所需的时间
    • 发送速率 = 数据率
      
  • 传播时延：在信道（如，铜线电缆、光纤）中，电磁波传播一定距离，所需的时间
    • 传播速率取决于信道材料
    • 铜线电缆比光纤传播速率大
      
  • 处理时延：在网络设备中，收到数据后，分析首部、提取数据、检验差错，所需的时间
  • 排队时延：在路由器中，在输入队列中等待、解析转发接口、在输出队列中等待，所需的时间
    
    

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5.时延带宽积

• 定义：当发送端（以最大数据率）持续发送数据，从发送端发出但尚未到达接收端的数据量
• 注意：这里以时间作为单位来表示链路长度
  

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6.往返时间RTT

• Round Trip Time
• 定义：发送方，从发送数据，到知道数据被对方成功接收，所需的时间

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7.利用率

• 定义：

  • 信道利用率 = 实际吞吐量 / 信道带宽
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

• 若令 $D_0$ 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，U 是网络的利用率
  

• 利用率、时延的关系：随着利用率增大，时延急剧增大
  【运营商一般会控制利用率<50%】

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1.6.2计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性
• 易于管理、维护

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1.7计算机网络体系结构

体系结构的形成历史

• 体系结构 = 各层协议的集合
• OSI（open system interconnection reference model，开放系统互连参考模型）
  • 由 ISO 指定
  • 冗余不实用
• TCP/IP
  • 简单，但不完整
    【存在应用层协议之间调用链路层的情况】
  • 商业化成功，成为实际标准
• 五层协议：最简单且完整，教学用
  

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数据在各层传递的相关概念

• 注意：层数是从下往上数的

• 实体：任何参与信息传输的硬件、软件进程

• 协议：

  • 控制同一层（对等层）的实体通信的集合
  • 协议的实现使得本层实体能够为上层实体提供服务
  • 本层实体对协议的实现基于下层实体提供的服务

• 协议数据单元（PDU）：

  • 对等层之间传输数据的单位
  • 应用层：报文（Message）【原始的文字、语言、图像】
  • 传输层：数据段（Segment）（TCP） 、或 用户数据报（Datagram）（UDP）
  • 网络层：数据包/分组（Packet）
  • 数据链路层：帧（Frame）
  • 物理层：比特流（Bit）

• 协议控制信息（PCI）：下层协议添加到 SDU 中的控制信息，用于实现本层协议功能

• 服务数据单元（SDU）

  • 上层传递给下层的传输数据的单位
  • SDU + PCI = PDU

• 服务原语：上下两层实体的交互信息

• 服务访问点（SAP，service access point）：上下两层实体传输交互信息的逻辑接口