从前慢-计算机网络

计算机网络

1.1 计算机网络在信息时代的作用

计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信
息服务基础设施
计算机网络已经像水，电，煤气这些基础设施一样，成为
我们生活中不可或缺的一部分

1.2 我国互联网发展状况

中国互联网络信息中心CNNIC
http://www.cnnic.net.cn

1.3 因特网概述

1.3.1 网络、互连网（互联网）和因特网

网络：网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点
的链路（Link）组成。

主机
服务器
路由器
网络

互连网（互联网）：多个网络通过路由器互连起来，这样就
构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网（互联网）。因
此，互联网又称为“网络的网络（Network of Networks）”。

因特网：因特网（Internet）是世界上最大的互连网络（用
户数以亿计，互连的网络数以百万计）。

1.3.1.1 internet与Internet的区别

internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指多个计
算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以
是任意的。

Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大
的、开放的、由众多网络互连而成的特定计算机网络，它
采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并
能够相互通信，这样构成的是一个互连网(internet) ，而
不是互联网(Internet)。

1.3.2 因特网发展的三个阶段

因特网服务提供者ISP(`Internet Service Provider)

• 普通用户是如何接入到因特网的呢？

答：通过ISP接入因特网

ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥
有通信线路以及路由器等联网设备。任何机构和个人只需
缴纳费用，就可从ISP的得到所需要的IP地址。

因为因特网上的主机都必须有IP地址才能进行通信，这
样就可以通过该ISP接入到因特网

中国的三大ISP：中国电信，中国联通和中国移动

基于ISP的三层结构的因特网

一旦某个用户能够接入到因特网，那么他也可以成为一
个ISP，所需要做的就是购买一些如调制解调器或路由器
这样的设备，让其他用户可以和他相连。

1.3.3 因特网的标准化工作

因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。

因特网在指定其标准上的一个很大的特点是**面向公众。
因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档
都可从因特网上免费下载；
任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。

因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行
全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。
因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的
开发；
因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针
对协议的开发和标准化；
因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和
开发一些需要长期考虑的问题。

制订因特网的正式标准要经过一下4个阶段：

  1、因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档）

  2、建议标准（从这个阶段开始就成为RFC文档）

  3、草案标准

  4、因特网标准

1.3.4 因特网的组成

边缘部分

由所有连接在因特网上的主机组成（台式电脑，大型
服务器，笔记本电脑，平板，智能手机等）。这部分是
用户直接使用的，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。这部分是为边
缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

路由器是一种专用计算机，但我们不称它为主机，路由
器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分
组，这是网络核心最重要的部分。

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主
机。这些主机又称为**端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很大的差别：

1. 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能
2. 的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。

3. 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。

4. 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企
5. 业、政府机关等），当然也可以是某个ISP。路由器是一
种专用计算机，但我们不称它为主机，路由器是实现分组
交换的关键构建，其任务是转发收到的分组，这是网络核
心最重要的部分。

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。
这些主机又称为**端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很大的差别：

1. 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能
的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。

2. 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。

3. 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学
校、企业、政府机关等），当然也可以是某个ISP。

1.3.5 端系统之间通信的含义

“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A
上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。
即主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。
简称为“计算机之间通信”。

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

客户-服务器方式：

客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的
两个应用进程。
客户 - 服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

对等连接方式：

对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P) 是指两个主机在通信
时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
只要两个主机都运行了对等连接软件 ( P2P 软件) ，它们
就可以进行平等的、对等连接通信。
双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。 

1.4 三种交换方式

网络核心部分是互联网中最复杂的部分。

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通
性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机
通信（即传送或接收各种形式的数据）。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。

路由器是实现分组交换(packet switching) 的关键
构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

1.4.1 电路交换（Circuit Switching）

传统两两相连的方式，当电话数量很多时，电话线也
很多，就很不方便

所以要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进
行通信，就应该使用一个中间设备将这些电话连接
起来，这个中间设备就是电话交换机

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换；

从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按
照某种方式动态地分配传输线路的资源；

电路交换的三个步骤：

1、建立连接（分配通信资源）

2、通话（一直占用通信资源）

3、释放连接（归还通信资源）	

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。

这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。
假设某个用户编写某个文件，然后传输，此时并没有利用真正利
用到线路，但此时却占用到了线路资源
所以计算机通常采用的是分组交换，而不是线路交换

1.4.2 分组交换（Packet Switching）

通常我们把表示该消息的整块数据成为一个报文。

在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等
长数据段，在每一个数据段前面。加上一些由必要的控
制信息组成的首部后，就构成一个分组，也可简称为包，
相应地，首部也可称为“包头”。

首部包含了分组的目的地址

分组从源主机到目的主机，可走不同的路径。

发送方

构造分组
发送分组

路由器

缓存分组
转发分组
简称为“分组转发”

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是：

1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
3. 把分组送到适当的端口转发出去。

接收方

接收分组
还原报文

1.4.3 报文交换（Message Switching）

报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文
交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要
较大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信
网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

1.4.4 三种交换方式的对比

假设A，B，C，D是分组传输路径所要经过的4个结
点交换机，纵坐标为时间

分析：

电路交换：

通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立
好的连接进行数据传送；数据传送后，需释放连接，以归还之
前建立连接所占用的通信线路资源。

 一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特
 流可以直达终点；

报文交换：

可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传
送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发
到下一个结点交换机。
整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制
报文大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。

分组交换：
可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的
一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机
在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。
构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转
发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报
文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

1.5 计算机网络的定义和分类

1.5.1 定义

计算机网络的精确定义并未统一
计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算
机的集合。
  互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
  自治：是指独立的计算机，他有自己的硬件和软件，可以单
  独运行使用；
  集合：是指至少需要两台计算机；
计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用
的，可编程的硬件（一定包含有中央处理机CPU）互连而成
的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，
传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多
种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包
括了智能手机等智能硬件。
计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的
应用（包括今后可能出现的各种应用）。

1.5.2 分类

按交换技术分类：
电路交换网络
报文交换网络
分组交换网络

按使用者分类：
公用网
专用网

按传输介质分类：
有线网络
无线网络

按覆盖范围分类：

广域网WAN（Wide Area Network）
作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为
远程网（long haul network）。广域网是互联网的
核心部分，其任务是通过长距离（例如，跨越不同的
国家）运送主机所发送的数据。

城域网MAN
作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市

局域网LAN
一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相
连（速率通常在 10 Mbit/s 以上），但地理上范围
较小（1 km 左右）

个域网PAN
就是在个人工作的地方把个人使用的电子设备用无线技术
连接起来的网络。

按拓扑结构分类：

总线型网络

星型网络

环形网络

网状型网络

1.6 计算机网络的性能指标

1.6.1 速率

需要具体问题具体分析

1.6.2 带宽

1.6.3 吞吐量

带宽1 Gb/s的以太网，代表其额定速率是1 Gb/s，这个数值
也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此，对于带宽1 Gb/s的
以太网，可能实际吞吐量只有 700 Mb/s，甚至更低。

注意：吞吐量还可以用每秒传送的字节数或帧数表示

1.6.4 时延

时延时指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）
的一端传送到另一端所需的时间。

网络时延由几部分组成：

发送时延

主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧
的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

传播时延

电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费一定时间进行处理

排队时延

分组在进过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入
路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

有时会把排队时延看成处理时延 一部分
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 （处理
时延 + 排队时延）

当处理时延忽略不计时，发送时延 和 传播时延谁占主
导，要具体情况具体分析

1.6.5 时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

1.6.6 往返时间

1.6.7 利用率

1.6.8 丢包率

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 常见的计算机网络体系结构

如今用的最多的是TCP/IP体系结构，现今规模最大的、覆盖
全球的、基于TCP/IP的互联网并未使用OSI标准。

TCP/IP体系结构相当于将OSI体系结构的物理层和数据链路
层合并为了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。

TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议，IP协议的意思是网
际协议，因此TCP/IP体系结构的网络层称为网际层

在用户主机的操作系统中，通常都带有符合TCP/IP体系结
构标准的TCP/IP协议族。

而用于网络互连的路由器中，也带有符合TCP/IP体系结构
标准的TCP/IP协议族。

只不过路由器一般只包含网络接口层和网际层。

网络接口层：并没有规定具体内容，这样做的目的是可
以互连全世界各种不同的网络接口，例如：有线的以太
网接口，无线局域网的WIFI接口等。

网际层：它的核心协议是IP协议。

运输层：TCP和UDP是这层的两个重要协议。

应用层：这层包含了大量的应用层协议，如 HTTP , DNS 等。

IP协议（网际层）可以将不同的网络接口（网络接口层）进
行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议（运输层）提供网络互连服务

而TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应
用层的相应协议提供可靠的传输服务。

UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向
应用层的相应协议提供不可靠的传输服务。

TCP/IP体系结构中最重要的是IP协议和TCP协议，因此用
TCP和IP来表示整个协议大家族。

教学时把TCP/IP体系结构的网络接口层分成了物理层和数据链路层

1.7.2 计算机网络体系结构分层的必要性

1.7.2.1 物理层问题

第一，严格来说，传输媒体并不属于物理层
计算机传输的信号，并不是图示的方波信号
这样举例只是让初学者容易理解

1.7.2.2 数据链路层问题

1.7.2.3 网络层问题

1.7.2.4 运输层问题

如何标识与网络通信相关的应用进程：一个分组到来，我
们应该交给哪个进程处理呢？浏览器进程还是QQ进程

1.7.2.5 应用层问题

应用层该用什么方法（应用层协议）去解析数据

1.7.2.6 总结

1.7.2.7 计算机网络体系结构分层思想举例

例子：主机的浏览器如何与Web服务器进行通信

解析：
主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的
浏览器应用进程与Web服务器中的Web服务器应用进程之
间基于网络的通信

体系结构的各层在整个过程中起到怎样的作用？

1、发送方发送

第一步：
应用层按照HTTP协议的规定构建一个HTTP请求报文
应用层将HTTP请求报文交付给运输层处理

第二步：

运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为TCP报文段
TCP报文段的首部格式作用是区分应用进程以及实现可靠传输
运输层将TCP报文段交付给网络层处理

第三步：

网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使之成为IP数据报
IP数据报的首部格式作用是使IP数据报可以在互联网传输，
也就是被路由器转发
网络层将IP数据报交付给数据链路层处理

第四步：

数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使之成为
帧  （图示右边为首部，左边为尾部） 
该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上或一个网
络上传输，能够被相应的目的主机接收
该尾部的作用是让目的主机检查所接收到的帧是否有误码
数据链路层将帧交付给物理层

第五步：

物理层先将帧看做是比特流，这里的网络N1假设是以太网，
所以物理层还会给该比特流前面添加前导码
前导码的作用是为了让目的主机做好接收帧的准备
物理层将装有前导码的比特流变换成相应的信号发送给传输媒体

第六步：

信号通过传输媒体到达路由器

2、路由器转发

在路由器中

物理层将信号变为比特流，然后去掉前导码后，将其交付给
数据链路层
数据链路层将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，这
实际交付的是IP数据报
网络层解析IP数据报的首部，从中提取目的网络地址

在路由器中

提取目的网络地址后查找自身路由表。确定转发端口， 以便进行转发
网络层将IP数据报交付给数据链路层
数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使之成为帧
数据链路层将帧交付给物理层
物理层先将帧看成比特流，这里的网络N2假设是以太网，所以物
理层还会给该比特流前面添加前导码
物理层将装有前导码的比特流变换成相应的信号发送给传输
媒体，信号通过传输媒体到达Web服务器

3、接收方接收

和发送方（主机）发送过程的封装正好是反着来

在Web 服务器上

物理层将信号变换为比特流，然后去掉前导码后成为帧，
交付给数据链路层
数据链路层将帧的首部和尾部去掉后成为IP数据报，将其
交付给网络层
网络层将IP数据报的首部去掉后成为TCP报文段，将
其交付给运输层
运输层将TCP报文段的首部去掉后成为HTTP请求报文，将
其交付给应用层
应用层对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发回响应报文

发回响应报文的步骤和之前过程类似

1.7.3 计算机网络体系结构中的专用术语

以下介绍的专用术语来源于OSI的七层协议体系结
构，但也适用于TCP/IP的四层体系结构和五层协议体系结构

1.7.3.1 实体

1.7.3.2 协议

协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

协议三要素：

语法：定义所交换信息的格式
语义：定义收发双方所要完成的操作
同步：定义收发双发的时序关系

语法：定义所交换信息的格式

语义：定义收发双方所要完成的操作

同步：定义收发双发的时序关系

1.7.3.3 服务

1.8 体系结构题目

1.9 时延相关题目

2.1 物理层的基本概念

2.2 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，他就是数据传输系统
中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体课分为两大
类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。如果非
要将它添加到体系结构中，那只能将其放置到物理层之下。

2.2.1 导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。

2.2.1.1 同轴电缆

2.2.1.2 双绞线

2.2.1.3 光纤

多模光纤

可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
这种光纤就称为多模光纤。

单模光纤

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根
波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次
反射。这样的光纤称为单模光纤。

2.2.1.4 电力线

2.2.2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间。

2.2.2.1 无线电波

2.2.2.2 微波

2.2.2.3 红外线

2.2.2.4 可见光

2.3 传输方式

2.3.1 串行传输和并行传输

串行传输：

数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端与接收端之间，
只需要一条数据传输线路即可

并行传输：

一次发送n个比特，因此，在发送端和接收端之间需要有n条传输线路

并行传输的优点是比串行传输的速度n倍，但成本高

数据在传输线路上的传输采用是串行传输，计算机内部的数据
传输常用并行传输

2.3.2 同步传输和异步传输

同步传输：

数据块以稳定的比特流的形式传输。字节之间没有间隔
接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接
收到的是比特0还是比特1

由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全
相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的
累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位

所以要使收发双发时钟保持同步

异步传输：

以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定
接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位

2.3.3 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）

在许多情况下，我们要使用“信道（channel）”这一名词。
信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方
向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条
发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

2.3.3.1 单向通信

又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反
方向的交互。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型

2.3.3.2 双向交替通信

又称为半双工通信，即通信的双方可以发送信息，但不
能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信
方式使一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来

2.3.3.3 双向同时通信

又称为全双工通信，即通信的双发可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信
则需要两条信道（每个方向各一条）

双向同时通信的传输效率最高

2.4 编码与调制

常用术语

数据 (data)—— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。 
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的
取值是连续的。 
数字信号 (digital signal)—— 代表消息的参数的取值
是离散的。 
码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形
表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像
计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都
属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，
而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必
须对基带信号进行调制  (modulation)。 

在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过
编码或调制的方法在相应信道进行传输

2.4.1 传输媒体与信道的关系

信道的几个基本概念

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反
方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发
送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同
时发送和接收信息。 

严格来说，传输媒体不能和信道划等号

对于单工传输，传输媒体只包含一个信道，要么是发
送信道，要么是接收信道

对于半双工和全双工，传输媒体中要包含两个信道，一
个发送信道，另一个是接收信道

如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道

2.4.2 常用编码

不归零编码

正电平表示比特1/0

负电平表示比特0/1

中间的虚线是零电平，所谓不归零编码，就是指在整个
码元时间内，电平不会出现零电平

实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定

这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步

需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收
方同步，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元
但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据
信号，而不是传输时钟信号

由于不归零编码存在同步问题，因此计算机网络中的数
据传输不采用这类编码！

归零编码

归零编码虽然自同步，但编码效率低

曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变

负跳变表示比特1/0
正跳变表示比特0/1
码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据

实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定

传统以太网使用的就是曼切斯特编码

差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发送跳变，但与曼彻斯特不同

跳变仅表示时钟
码元开始处电平是否变换表示数据
变化表示比特1/0
不变化表示比特0/1

实际比特1和比特0的表示要看现实怎么规定

比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

总结

2.4.3 调制

数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输，例如
WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交
频分复用OFDM等调制方式。

模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中
传输，例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传
输。频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。

基本调制方法