第一章 计算机网络概述

1.1 网络概述

生活中三类常见的网络：电信网络、电视网络、计算机网络。这三类网络分别对应着电话、电视和电脑。

网络之所以能为我们提供各种各样的服务，是因为网络具备两个重要的特点：连通性（connectivity）和共享（sharing）¹。
【Q1-1】 网络（network）、计算机网络（computer network）、互连网（internetwork 或 internet）、互联网（Internet），这四个词有什么区别和联系？
【A1-1】网络是一个十分宽泛的词，凡是能抽象为一系列结点和边相互连接而成的复杂系统都可以称之为网络，生活中常见的网络包括电信网络、有线电视网络和计算机网络等等，其中计算机网络特指由计算机相互联接形成的网络。计算机网络之间还可以通过路由器互连起来，形成覆盖范围更大的计算机网络，这样的网络称为互连网，因此可以将互连网理解为“网络的网络”（network of networks）。[而以大写字母I开头的Internet（互联网或因特网）则是一个专有名词，特指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，其采用TCP/IP协议族，前身为美国的ARPANET¹。

1.2 互联网发展历史

1.2.1 世界互联网发展简史

互联网大体经历了三个阶段的演进，三个阶段互有重叠，并无绝对的分界线：

第一阶段：从单个网络向互连网发展。1969年，第一个分组交换网ARPANET出现；1983年，ARPANET正式开始使用TCP/IP协议（互联网诞生标志）；直到1990年，ARPANET关闭。
第二阶段：三级结构的互联网。1985年，美国国家科学基金会建立NSFNET，1991年，NSFNET进行扩展。
第三阶段：多层次ISP结构的互联网。1993年开始，NSFNET被若干互联网主干网替代，出现互联网服务提供者ISP（Internet Service Provider），即为客户提供互联网接入服务的商业公司，如中国电信、中国联通和中国移动等。

更详细的互联网历史可以参考互联网发展史_百度百科和History of the Internet_WikiZer

1.2.2 中国互联网发展简史

互联网在中国的发展历程可以划分为三个阶段：

第一阶段：1986年－1993年为研究试验阶段。中国一些科研部门和高等院校开始研究Internet联网技术，并开展了科研课题和科技合作工作。这个阶段的网络应用仅限于小范围内的电子邮件服务，而且仅为少数高等院校、研究机构提供电子邮件服务。
第二阶段：1994年－1996年为起步阶段。1994年，中国通过一条64K带宽的国际专线接入互联网，中国互联网诞生。之后，互联网开始进入公众生活，并在中国得到了迅速的发展。1996年底，中国互联网用户数已达20万。
第三阶段：1997年至今为快速增长阶段。1997年后，国内互联网用户数基本保持每半年翻一番的增长速度。2008年，中国网民数量首次超过美国。今天中国互联网已经发展为全球第一大网，网民人数最多，联网区域最广。

更详细的中国互联网历史可以参考中国互联网_百度百科和Internet in China_WikiZer

1.3 互联网组成

互联网从工作方式上可以分为：

• 边缘部分：边缘部分包括互联网上所有的主机，也称端系统（end system）。端系统之间通信方式包括：客户端-服务器（C/S）方式和对等连接（P2P）方式；
• 核心部分：核心部分为边缘部分提供连通性，核心构件是路由器。路由器数据传输的方式为分组交换（packet switching），其他交换方式还有：电路交换和报文交换。

【Q1-2】分组交换有哪些要点？
【A1-2】①对要传送的报文进行分组，并加上首部；②经过路由器存储转发；③在目的地进行合并。

1.4 计算机网络分类

按照网络作用范围可分为：

1. 广域网（Wide Area Network，WAN）：作用范围通常为几十到几千公里，属于互联网的核心部分，通信速率高，距离远，容量大。
2. 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：作用范围一般为一个城市，约为5~50km，常使用以太网技术。
3. 局域网（Local Area Network，LAN）：作用范围较小（1km左右）。
4. 个人区域网（Personal Area Network，PAN）：作用范围在10m左右，一般使用无线技术连接。

按照网络使用者可分为：

1. 公用网（public network）：指电信公司建造的大型网络，用户缴费即可使用，也称公众网；
2. 专用网（private network）：特定部门建造的网络，不对本单位之外的人开放。

1.5 计算机网络指标

1.5.1 性能指标

常用得七个性能指标包括：

• 速率：数据的传送速率，也称数据率或比特率，单位bit/s。
• 带宽：信道能通过的最高数据率，单位bit/s。
• 吞吐量：单位时间内通过某接口实际的数据量，单位bit/s。
• 时延：数据从发送到接收所用的时间，单位s。
• 时延带宽积：传播时延和带宽的乘积，单位bit。
• 往返时间RTT：网络上信息双向交互一次的时间，单位s。
• 利用率：分为信道利用率和网络利用率。

1.5.2 非性能指标

常用的非性能指标包括：

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

1.6 计算机网络体系结构

1.6.1 计算机网络体系结构的形成

历史上推出了两套著名的网络体系结构：

• OSI体系结构：国际标准化组织推出的OSI参考模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI将网络划分为七层：分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
• TCP/IP体系结构：互联网中最基本的通信协议，TCP/IP协议族规定了网络中各部分通信的标准和方法。包括应用层、传输层、网络层和网络接口层。

在OSI推广之前，TCP/IP的四层模型已经抢先占领了全球大部分的市场，所以今天互联网广泛使用的是TCP/IP的四层模型。

上图从左到右依次为OSI体系结构、TCP/IP体系结构和五层协议体系结构。分层可以带来很多好处，但是如何分层却是一个非常复杂的任务。好的层次划分可以使系统具有好的灵活性和可靠性，并且能使系统便于实现和维护。

1.6.2 协议

协议其实就是计算机交流的语言和行为标准，下面引用TCP/IP详解卷一²中的一段话：

Effective communication depends on the use of a common language. This is true
for humans and other animals as well as for computers.When a set of common
behaviors is used with a common language, a protocol is being used.

检查一个协议是否可靠，不能只看正常情况下协议的工作状态，还需要仔细考察该协议是否能因对各种异常情况。下面是一个关于网络协议非常著名的例子。
【例1-1 】占据东、西两个山顶的蓝军 1 和蓝军 2 与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军 1 和蓝军 2 协同作战则可战胜白军。现蓝军 1 拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军 2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军 1 和蓝军 2 能够实现协同作战，因而一定（即 100 %而不是 99.999…%）取得胜利？
答案是没有任何一种协议能保证蓝军能100%胜利，其原因留给读者思考。

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1. 谢希仁. 计算机网络（第七版）[M]. 电子工业出版社, 2017. ↩︎ ↩︎

2. W. Richard Stevens. TCP/IP illustrated vol. I: the protocols[M]. Pearson Education India, 1994. ↩︎