计算机网络课程笔记

概论

发展历史

  1. 早期系统

    • 联机系统：终端 – 线路 – 计算机（只能远程访问主机资源）。
    • 分时系统：终端 – 集中器 – 计算机（多用户共享，集中式计算）。

    特点：仍然是 单个复杂系统的演化，计算机不独立。

  2. 计算机网络的出现

    • 多台 独立计算机互连，实现数据交换与资源共享。
    • 向 开放式标准化网络 发展（互联互通）。

  3. 信息化时代

    • 21世纪的重要特征：数字化、网络化、信息化。
    • 核心：计算机网络 → 互联网、物联网、社交网络、移动网络（5G/蓝牙）。
timeline
    title Internet History
    1961-1966 : MIT 提出分组交换概念，ARPA 启动实验网络项目
    1969 : ARPANET 建成，首四个节点 UCLA, SRI, UCSB, Utah
    1972 : 电子邮件 (Ray Tomlinson)，Telnet 协议提出
    1974 : Cerf 和 Kahn 提出 TCP 概念，引入 “Internet” 一词
    1977 : 首个无线网关接入 ARPANET
    1978 : TCP 与 IP 分离，提出独立的 IP 协议
    1982 : TCP/IP 成为 ARPANET 主协议
    1983 : ARPANET 民用化，Internet 诞生
    1988 : Internet 达 6万主机，光纤跨洋连接，首个网络蠕虫出现
    1990 : ARPANET 正式退役，NSFNET 接替
    1993 : 全球 > 200万主机
    1999 : 全球 > 1600万主机，美国骨干网速率 2.5Gbps
    2000-2001 : IPv6 开始应用，推动无线通信

代表人物：

  • Vinton Cerf（TCP/IP之父）：设计并推动 TCP/IP 协议
  • Bob Kahn：与 Cerf 一起提出 TCP/IP 体系结构
  • Ray Tomlinson：电子邮件发明人

功能

  1. 数据通信：实现不同主机之间的信息传递与交互。
  2. 资源共享：硬件（打印机、存储）、软件、数据、信息的共享。
  3. 并行与分布式处理：多个计算机协作完成计算任务，提高效率。
  4. 提高可靠性：通过冗余和多路径机制，提升容错能力和网络生存性。
  5. 可扩充性：易于扩展规模和增加新功能，支持新设备和新应用

组成

  1. 通信子网
    • 作用：负责信息传递，实现数据传输和分组转发。
    • 组成：通信链路、路由器、交换机、调制解调器等。
  2. 资源子网
    • 作用：负责信息处理，向用户提供各种服务。
    • 组成：主机（计算机系统）、外设、数据库、软件资源等。

计算机网络的基本概念体系

网络 (Network)：由若干 结点 (node) 和连接结点的 链路 (link) 组成。

主机 (Host)：连接在网络上的计算机。

计算机网络：一个由多台独立的计算机，通过通信线路和设备互连起来，实现 信息交换 和 资源共享 的系统。

发展趋势：

  • 从互联网扩展到 物联网 (IoT)。
  • 从固定终端走向 移动终端。

计算机网络的拓扑结构

  1. 网状拓扑

    • 避免拥塞问题

    • 健壮性强（单链路故障不会导致全网瘫痪）

    • 安全性高

    • 便于管理

    • 成本高，安装复杂

  2. 星状拓扑

    • 结构简单
    • 健壮性较好（单个节点故障不影响全网）
    • 便于管理
    • 中央控制器成为网络瓶颈和单点故障

  3. 树状拓扑

    • 扩展了网络覆盖距离
    • 支持分层管理
    • 可隔离不同分支的通信

  4. 总线型拓扑

    • 无路由选择，结构简单
    • 易于安装
    • 总线长度有限，易衰减
    • 故障隔离困难（某处断开可能导致全网瘫痪）

  5. 环状拓扑

    • 安装方便
    • 管理简单
    • 传输延迟大（逐站转发）
    • 时延可控（有序访问）

  6. 混合拓扑：由两种或多种基本拓扑组合而成，结合多种优点，适用于大规模网络。

拓扑类型优点缺点
网状拓扑高可靠性，安全性强，无拥塞成本高，布线复杂
星状拓扑结构简单，管理方便中央节点瓶颈，单点故障
树状拓扑可扩展，分层管理主干故障影响范围大
总线型拓扑安装简单，成本低长度有限，故障隔离难
环状拓扑安装方便，时延可控延迟大，任一节点故障可能影响全网
混合拓扑灵活，适应大规模管理复杂，成本高

  • 拓扑结构影响 网络性能、可靠性、成本和管理难度。

  • 核心规律：高可靠性 ↔ 成本高；结构简单 ↔ 可扩展性差。

计算机网络的分类

分类方案分类类别与特点
按作用范围局域网 LAN：覆盖范围小（房间/楼宇），速率高，误码率低，适合企业内部。
城域网 MAN：覆盖范围为一个城市，常用光纤。
广域网 WAN：跨地区、跨国家，连接多个局域网，依赖运营商。
个域网 PAN：个人设备间的短距离通信（10m 内），如蓝牙、红外。
按通信介质有线：同轴电缆、双绞线、光纤（速率高、抗干扰强）。
无线：卫星、微波、Wi-Fi、蓝牙（覆盖灵活，但受干扰大）。
按传播方式点对点：一对一连接，常用于专线或拨号。
广播：一对多通信（如传统以太网、无线网络）。
按通信速率低速：kbps — 1.4 Mbps（早期拨号上网）。
中速：1.4 Mbps — 45 Mbps。
高速：50 Mbps — 1000 Mbps（光纤宽带）。
超高速：10 Gbps — 100 Gbps（数据中心、骨干网）。
注意：1 B=8 b1\ \text{B} = 8\ \text{b}。
按使用范围公用网 (Public)：由运营商建设和管理，对公众开放。
专用网 (Private)：由企业或机构建设，仅内部使用。
按网络控制方式集中式：单台中央机负责控制，管理简单但风险高（单点故障）。
分布式：多台计算机共同协作，容错性和可靠性高。
按环境/用途部门网：服务于某一部门，如实验室网络。
企业网：覆盖整个企业，可能跨区域。
校园网：覆盖高校或研究机构，典型 MAN 规模。

网络分层体系结构

计算机网络是一个复杂系统，采用 分层设计思想 来降低复杂性：

  • 每层完成特定功能
  • 同层通信，邻层服务
  • 整体协作，完成数据传输

协议分层的优点：

  1. 独立性：各层之间相对独立
  2. 灵活性：某一层可替换升级
  3. 模块化：便于理解与实现
  4. 可维护性：排错容易
  5. 标准化：利于国际通用

分层的原则：

  1. 功能相近 的划分在同一层
  2. 每层功能明确，避免交叉
  3. 层间接口简洁，边界信息尽量少

网络协议

通信双方必须遵守的 规则、标准、约定，作用在 同层之间。三要素：

  • 语法：数据与控制信息的结构或格式（如电平、编码格式）。
  • 语义：控制信息的功能与意义（表示什么，如何处理）。
  • 时序：事件顺序及速度匹配（同步、流控）。

OSI 参考模型 (7层)

1984年，ISO 提出 OSI/RM（开放系统互连参考模型），解决网络互联和兼容性问题。

层次功能数据单位
物理层定义机械特性（接口、插头）、电气特性（电平、速率）、功能特性（信号关系）、规程特性（交换步骤）。负责比特的传输。比特 (Bit)
数据链路层相邻节点可靠传输；差错控制、流量控制、链路管理。帧 (Frame)
网络层路由选择、拥塞控制、网际互连，实现任意节点的传输。分组 (Packet)
传输层端到端通信，提供差错控制、流量控制，使数据可靠送达进程。报文 (Message/Segment)
会话层建立、管理、终止会话，对话控制。
表示层处理信息的语法，数据翻译、压缩、加密。
应用层用户接口，提供具体应用服务（HTTP、FTP、SMTP等）。应用数据

TCP/IP 网络体系结构 (4层)

TCP/IP 是 事实上的工业标准，应用最广。

OSI 七层TCP/IP 四层
应用层、表示层、会话层应用层
传输层传输层
网络层网际层
数据链路层、物理层网络接口层

实体间的通信与服务

层间通信与对等层间通信

  • 层间通信：同一节点上相邻层次的通信
  • 对等层间通信：不同网络节点上同一层之间的通信
  • 实通信：层间通信与物理层之间的通信
  • 虚通信：除物理层之外，对等层之间的通信

服务与数据单元

  • 服务提供：NN 层向 N+1N+1 层提供服务（+1+1 表示向上）
  • 服务访问点 SAP (Service Access Point)：层间接口，提供服务的地方
  • 数据单元
    • SDU (Service Data Unit)：服务数据单元，相邻层传递的信息
    • PDU (Protocol Data Unit)：协议数据单元，对等层交换的信息单位
    • PCI (Protocol Control Information)：协议控制信息
  • 关系：
    • (N+1)PDU→(N)SDU(N+1)\text{PDU} \to (N)\text{SDU}
    • (N)SDU+(N)PCI→(N)PDU(N)\text{SDU} + (N)\text{PCI} \to (N)\text{PDU}
  • 拼接（Concatenation）/分割（Separation）：小的 PDU 拼成大的 SDU，或反向操作
  • 分段（Segmenting）/合段（Reassembling）：大的 SDU 分成多个 PDU，或反向操作

服务原语

  • 定义：服务用户与服务提供者之间交互的工具（可理解成 API）
  • 类型
    • 请求（request）：N+1→NN+1 \to N，请求服务
    • 指示（indication）：N→N+1N \to N+1，通知事件发生
    • 响应（response）：N+1→NN+1 \to N，对指示的响应
    • 证实（confirm）：N→N+1N \to N+1，请求完成的确认
  • 服务类型
    • 证实型服务：有确认过程
    • 非证实型服务：无确认过程
  • 组成：原语名字 + 原语类型 + 原语参数
  • 协议是“水平的”，规定对等实体通信规则。
  • 服务是“垂直的”，下层为上层提供功能支持。

面向连接与无连接的服务

  • 面向连接服务（类似打电话）
    1. 建立连接
    2. 数据交换
    3. 释放连接
  • 无连接服务（类似寄信）
    • 数据报方式
    • 证实交付
    • 请求/响应

参考和注解

课程笔记
#计算机网络
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https://blog.kisechan.space/2025/notes-networks/
作者
Kisechan
发布于
2025年9月27日
更新于
2025年9月27日
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