《计算机网络：自顶向下方法》(第一章：计算机网络和因特网）

《计算机网络：自顶向下方法》通常包括以下主要部分：

1.1什么是因特网

一、概念

• 因特网（Internet）是一个全球性的计算机网络系统，它将世界各地的计算机网络通过一系列通用的协议（如TCP/IP协议）连接在一起。这些网络包括局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）等多种类型。
• 从用户的角度看，因特网是一个信息资源的宝库，人们可以通过它进行信息检索、通信、娱乐、电子商务等各种活动。例如，用户可以使用浏览器访问网页获取新闻资讯，利用电子邮件（E - mail）和世界各地的人通信，通过在线购物平台购买商品等。

二、原理

（一）网络互联

• 因特网通过路由器等网络设备将不同的网络连接起来。路由器就像是一个交通枢纽，它能够根据目标地址（IP地址）来转发数据包。例如，当你在电脑上访问一个国外的网站时，数据从你的电脑出发，经过本地网络的交换机到达路由器，路由器会根据目标网站服务器的IP地址信息，将数据包转发到合适的路径上，可能会经过多个其他的路由器，最终到达目标服务器。
• 这些连接在一起的网络使用统一的IP（Internet Protocol）地址来标识不同的设备。IP地址就像是每台设备在网络世界中的“家庭住址”，有了这个地址，数据才能准确地在不同设备之间传输。

（二）分层体系结构（TCP/IP协议栈）

• 因特网采用TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议栈，它是一个分层的体系结构。主要包括四层：应用层、传输层、网络层和网络接口层。
• 应用层：是用户与网络应用程序交互的接口层。像HTTP（超文本传输协议，用于网页浏览）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等协议都在这一层工作。例如，当你使用浏览器访问网页时，浏览器就是应用层的一个程序，它通过HTTP协议向服务器请求网页内容。
• 传输层：主要负责在不同主机之间提供端到端的通信服务。其中TCP协议提供可靠的、面向连接的通信服务，它会保证数据的完整性和顺序性。UDP协议则提供无连接的、不可靠的通信服务，但它具有传输速度快的特点。比如，在进行视频直播时，为了保证实时性，可能会采用UDP协议；而在传输重要文件时，通常会使用TCP协议。
• 网络层：主要负责将数据包从源主机传输到目标主机，核心协议是IP协议。它会根据IP地址进行路由选择，将数据包发送到合适的路径上。另外，还有一些辅助协议，如ICMP（Internet控制消息协议）用于传递网络控制消息，如检测网络是否可达等。
• 网络接口层：负责将IP数据包封装成适合在物理网络（如以太网、Wi - Fi等）中传输的帧格式，并将数据发送到物理介质上，或者从物理介质接收数据并进行解封装。

三、示例

• 网页浏览：当你在浏览器中输入一个网址（如https://www.example.com），浏览器首先会通过DNS（域名系统）将域名解析为对应的IP地址。然后，浏览器会使用HTTP或HTTPS协议向服务器发送请求，服务器接收到请求后，会将网页内容以HTML（超文本标记语言）等格式返回给浏览器，浏览器再将这些内容解析并显示在屏幕上。
• 文件传输：使用FTP协议，用户可以从远程服务器上传或下载文件。例如，一个网站管理员需要将网站的更新文件上传到服务器，他可以通过FTP客户端软件，输入服务器的IP地址、用户名和密码，然后将本地的文件传输到服务器指定的目录下。
• 电子邮件：以发送一封电子邮件为例。用户在电子邮件客户端（如Outlook、Gmail等）中编写邮件内容，填写收件人地址等信息后，邮件客户端会使用SMTP协议将邮件发送到发件人邮件服务器。发件人邮件服务器再根据收件人的地址信息，通过一系列的网络传输和路由，将邮件最终投递到收件人邮件服务器。当收件人打开邮件客户端时，就可以通过POP3（邮局协议第3版）或IMAP（Internet消息访问协议）协议从服务器下载邮件并阅读。

四、分类

• 按覆盖范围分类
  • 局域网（LAN）：一般覆盖范围较小，如在一个办公室、一栋建筑物或一个校园内的网络。它通常使用高速的通信介质，如以太网电缆或Wi - Fi，数据传输速率较高，并且延迟较低。例如，一个公司内部的办公网络，员工可以通过这个网络共享文件、打印机等资源。
  • 城域网（MAN）：覆盖范围是一个城市或者城市的一部分区域。它可以将多个局域网连接起来，实现城市范围内的数据通信和资源共享。例如，一个城市的有线电视网络可以看作是一个城域网，它可以为用户提供高速的互联网接入服务，同时还可以传输电视信号等。
  • 广域网（WAN）：覆盖范围非常广泛，可以跨越国家甚至全球。因特网就是一个最大的广域网，它通过各种通信手段（如光纤、卫星通信等）将世界各地的网络连接起来。例如，一家跨国公司在不同国家的分支机构之间通过广域网进行数据通信和业务协同。
• 按拓扑结构分类
  • 总线型拓扑：所有的节点都连接在一条总线上，数据在总线上进行传输。这种结构简单，成本较低，但如果总线出现故障，整个网络就会瘫痪。例如，早期的一些小型办公网络可能采用这种拓扑结构，通过一条同轴电缆连接所有的计算机。
  • 星型拓扑：以一个中心节点（如交换机）为核心，其他节点都与这个中心节点相连。这种结构易于管理和维护，如果某个节点出现故障，不会影响其他节点的正常工作。在现代的企业网络和家庭网络中，星型拓扑结构比较常见，如通过一个无线路由器连接多台电脑和移动设备。
  • 环型拓扑：所有节点连接成一个环形，数据沿着环单向传输。这种结构的优点是传输效率较高，但如果环中的一个节点出现故障，会影响整个网络的运行。这种拓扑结构在一些特殊的工业控制网络等场景中可能会使用。

五、发展

• 因特网的起源可以追溯到20世纪60年代的美国。当时，美国国防部高级研究计划局（DARPA）建立了一个名为ARPANET的网络，其目的是为了在军事通信中提供一种能够在部分网络节点遭受破坏的情况下仍能正常通信的网络系统。最初，ARPANET只有四个节点，主要连接了美国的一些大学和研究机构。
• 在20世纪70年代，TCP/IP协议逐渐成熟，这为网络之间的互联提供了标准的通信协议。随着越来越多的网络采用TCP/IP协议，不同网络之间的互联变得更加容易，因特网的雏形开始形成。
• 20世纪80年代，个人计算机（PC）的普及推动了因特网的进一步发展。更多的个人和企业开始接入网络，网络上的应用也逐渐丰富起来，如电子邮件开始广泛使用。
• 20世纪90年代，万维网（WWW）的出现是因特网发展的一个重大里程碑。由蒂姆·伯纳斯 - 李（Tim Berners - Lee）发明的超文本标记语言（HTML）、超文本传输协议（HTTP）和第一个网页浏览器等技术，使得人们可以通过简单的方式在网上浏览和共享信息。这一时期，互联网服务提供商（ISP）如雨后春笋般出现，为用户提供接入因特网的服务，因特网开始进入大众的视野，并且得到了迅猛的发展。
• 进入21世纪，随着移动互联网技术的发展，智能手机和平板电脑等移动设备成为接入因特网的重要终端。移动应用（App）的大量出现，如社交媒体应用、移动支付应用等，使得因特网的应用场景更加多样化，人们可以随时随地通过移动设备享受因特网带来的各种服务。同时，云计算、大数据、物联网等新兴技术也与因特网紧密结合，推动因特网不断向智能化、高效化方向发展。

1. 2 网络边缘

（一）概念

网络边缘是指用户设备（也称为端系统）与网络核心（如路由器等网络基础设施）相连接的部分。它是用户直接与之交互的部分，包括各种计算机（如个人电脑、服务器）、移动设备（智能手机、平板电脑）等。这些设备通过接入网络（如以太网、Wi - Fi等）连接到网络核心，进而访问各种网络服务。

（二）原理

• 通信原理：网络边缘的设备之间通信是基于协议栈的。例如，在发送数据时，应用层的数据会经过传输层（添加端口号等信息）、网络层（添加IP地址等信息）、链路层（添加MAC地址等信息）进行封装，然后通过物理介质传输到目标设备。目标设备则按照相反的顺序进行解封装，最终将数据交给应用层的相应程序。
• 接入原理：不同类型的网络边缘设备通过不同的接入技术接入网络。比如，有线接入主要通过以太网技术，计算机通过以太网线连接到交换机，交换机再与网络核心相连。而无线接入则是通过Wi - Fi等无线通信协议，移动设备中的Wi - Fi模块与无线路由器建立连接，从而接入网络。

###（三）示例

• 家庭网络环境：在家庭中，个人电脑、智能手机、智能电视等都是网络边缘设备。个人电脑通过以太网线或者Wi - Fi连接到家庭无线路由器。智能手机则主要通过Wi - Fi或者移动数据（如4G/5G）连接到网络。当用户在电脑上使用浏览器访问网页时，电脑作为网络边缘设备向网络核心发送请求，网络核心将请求转发到相应的服务器，服务器返回网页内容，再通过网络核心回到电脑的浏览器进行显示。
• 企业办公环境：企业中的办公电脑通过企业内部的局域网（通常也是以太网技术）连接到企业的核心交换机。员工通过这些办公电脑访问企业内部的服务器（如文件服务器、邮件服务器）或者通过企业网络连接到互联网访问外部资源。

网络边缘的分类

###（一）按设备类型分类

• 固定设备：
  • 包括台式计算机、服务器等。这些设备通常位置固定，通过有线方式（如以太网）接入网络的情况较多。例如，企业数据中心的服务器，它们通过高速的以太网网线连接到交换机，为企业内部用户或者外部用户提供各种服务，如网站服务、数据库服务等。
• 移动设备：
  • 智能手机和平板电脑是典型的移动设备。它们可以通过Wi - Fi或者移动蜂窝网络（如3G、4G、5G）接入网络。移动设备的特点是可以在不同的位置移动并保持网络连接。例如，用户在乘坐地铁时，可以使用手机的移动数据功能浏览新闻、观看视频等。

（二）按接入网络类型分类

• 有线接入设备：
  • 如通过以太网线连接到网络的设备。以太网是一种广泛使用的有线局域网技术，其特点是速度快、稳定性高。在办公室、家庭等环境中，许多计算机都采用以太网接入。以家庭网络为例，智能电视通过以太网线连接到无线路由器，可以获得更稳定的网络连接，用于在线观看高清视频等。
• 无线接入设备：
  • 像使用Wi - Fi接入的设备，包括笔记本电脑、智能手机等。Wi - Fi技术使用无线电波进行通信，方便用户在一定范围内自由移动并保持网络连接。例如，在咖啡店，顾客可以使用笔记本电脑的Wi - Fi功能连接到店内的无线网络，进行工作或者休闲娱乐活动。

网络边缘的发展

（一）设备性能提升

• 计算能力增强：网络边缘设备的处理器性能不断提高。以智能手机为例，早期的智能手机处理器性能有限，只能运行简单的应用程序，而现在的高端智能手机处理器性能已经可以媲美一些桌面计算机，能够流畅运行复杂的图形处理、人工智能等应用。
• 存储容量增大：设备的存储容量也在不断增加。现在的移动设备存储容量可以达到数TB，这使得用户可以在设备本地存储大量的文件、照片、视频等资料，同时也为应用程序提供了足够的空间进行缓存等操作。

（二）接入技术革新

• 无线接入技术发展：从早期的低速Wi - Fi标准（如802.11b）到现在的高速Wi - Fi 6（802.11ax）和Wi - Fi 6E，无线接入速度得到了极大的提升。Wi - Fi 6的最高速率可以达到9.6Gbps，而且在多设备同时连接的情况下能够更好地分配带宽，减少网络拥堵。同时，5G移动蜂窝网络的出现，使得移动设备的接入速度更快、延迟更低，为物联网、自动驾驶等新兴领域提供了强大的支持。
• 有线接入技术升级：以太网技术也在不断升级，从早期的10Mbps以太网到现在的10Gbps、100Gbps以太网，甚至未来有望实现更高的传输速率。这些高速有线接入技术在数据中心、企业网络等领域发挥着关键作用，确保大量数据的快速传输。

1.3 网络核