中科大《计算机网络》1.1什么是Internet笔记

什么是Internet

1. 网络核心概念与术语‌

‌1.1 网络与互联网的本质区别‌

‌对比维度‌	‌网络（Network）‌	‌互联网（Internet）‌
‌定义‌	任意互连的计算设备集合（如局域网）	由多个网络通过路由器互联形成的全球性网际网络
‌组成‌	单一管理域内的设备（如企业网）	跨管理域的网络联盟（如ISP、跨国企业网）
‌协议标准‌	可自定义（如私有协议）	强制遵循TCP/IP协议簇
‌典型示例‌	家庭WiFi、校园网	全球互联网、国家级骨干网

‌1.2 网络节点的分类与功能‌

• ‌终端节点（End System）‌：
  • ‌功能‌：数据生产/消费的源头或终点（PC、手机、IoT设备）
  • ‌技术特征‌：具备完整协议栈（如HTTP客户端、DNS解析器）
• ‌中间节点（Intermediate System）‌：
  • ‌路由器（Router）‌：网络层设备，基于IP地址转发分组
  • ‌交换机（Switch）‌：链路层设备，基于MAC地址转发帧

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‌2. 互联网的物理与逻辑架构‌

‌2.1 物理拓扑模型‌

               +---------------+
               | 核心网（Core）|  
               +-------▲-------+  
                       │  
         +-------------+-------------+  
         │                           │  
+--------▼-------+         +---------▼--------+  
| 接入网（Access）|         | 边缘设备（Edge）  |  
+----------------+         +-------------------+  
（光纤/5G基站）           （PC/手机/服务器）  

‌2.2 逻辑分层结构‌

• ‌Tier-1 ISP‌：
  • ‌角色‌：拥有国际骨干网的核心运营商（如中国电信、AT&T）
  • ‌特点‌：不向其他ISP付费即可实现全球互联
• ‌区域ISP（Tier-2）‌：
  • ‌角色‌：连接Tier-1与本地ISP的中介网络
  • ‌示例‌：省级运营商网络
• ‌本地ISP（Tier-3）‌：
  • ‌角色‌：直接面向终端用户提供接入服务
  • ‌技术‌：ADSL、FTTH、WiFi 7（802.11be）

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‌3. 协议分层模型‌

‌3.1 OSI七层模型与TCP/IP四层模型对比‌

‌OSI模型‌	‌TCP/IP模型‌	‌核心协议示例‌	‌封装单元‌
应用层（Application）	应用层	HTTP/3、DNS、MQTT	报文（Message）
表示层（Presentation）	(合并至应用层)	TLS/SSL、JPEG压缩	-
会话层（Session）	(合并至应用层)	SIP、NetBIOS	-
传输层（Transport）	传输层	TCP（可靠）、UDP（不可靠）	段（Segment）
网络层（Network）	网络层	IPv6、ICMPv6、BGP	分组（Packet）
数据链路层（Data Link）	链路层	以太网（IEEE 802.3）、WiFi 7	帧（Frame）
物理层（Physical）	物理层	光纤（ITU-T G.652）、5G NR	比特（Bit）

‌3.2 分层设计的核心思想‌

1. ‌抽象隔离‌：每层只需关注相邻层的接口，无需理解其他层实现细节
   • ‌示例‌：应用层开发者无需关心底层是WiFi还是5G
2. ‌协议栈协作‌：

​​​​​​​​​​​​​​+-------------------+  
| 应用层：HTTP请求  | → 封装为TCP段  
+-------------------+  
| 传输层：添加端口号| → 封装为IP分组  
+-------------------+  
| 网络层：添加IP地址| → 封装为以太网帧  
+-------------------+  
| 物理层：转换为电信号 | → 通过光纤传输  
+-------------------+ 

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‌4. 交换技术与性能指标‌

‌4.1 线路交换 vs 分组交换‌

‌对比项‌	‌线路交换（Circuit Switching）‌	‌分组交换（Packet Switching）‌
‌资源分配‌	独占物理通路（如电话呼叫）	动态共享带宽（统计复用）
‌延迟特性‌	固定传播延迟	可变排队延迟（依赖网络拥塞）
‌适用场景‌	实时语音通信（逐步淘汰）	互联网数据传输（主流）
‌2025年演进‌	仅存于传统电话网遗留系统	主导技术，支持SRv6（Segment Routing over IPv6）

‌4.2 分组交换四大延迟详解‌

1. ‌传输延迟（Transmission Delay）‌：
   • ‌公式‌：D_{\text{trans}} = \frac{L}{R}Dtrans​=RL​ （L=分组大小，R=链路带宽）
   • ‌示例‌：1MB文件通过1Gbps链路传输延迟 ≈ 8ms
2. ‌传播延迟（Propagation Delay）‌：
   • ‌公式‌：D_{\text{prop}} = \frac{d}{s}Dprop​=sd​ （d=物理距离，s=信号速度≈2×10⁸ m/s）
   • ‌示例‌：北京到上海（1200km）光纤延迟 ≈ 6ms
3. ‌排队延迟（Queuing Delay）‌：
   • ‌影响因素‌：流量突发性、缓冲区大小、调度算法（如WFQ）
   • ‌缓解技术‌：AQM（Active Queue Management，如CoDel算法）
4. ‌处理延迟（Processing Delay）‌：
   • ‌组成‌：首部解析、路由查找、安全检查（如DPI）
   • ‌优化方案‌：硬件加速（ASIC/FPGA）、SR-IOV虚拟化

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‌5. 互联网发展史与标准化‌

‌5.1 里程碑事件时间轴‌

1969 ─ ARPANET诞生（4节点）  
1983 ─ TCP/IP成为ARPANET标准协议  
1991 ─ WWW（万维网）公开发布  
1998 ─ ICANN成立，管理域名与IP地址  
2010 ─ IPv4地址耗尽，IPv6加速部署  
2022 ─ QUIC协议正式成为HTTP/3标准  
2025 ─ 全球互联网用户突破60亿，IoT设备超300亿台 

‌5.2 互联网标准化组织‌

• ‌IETF（互联网工程任务组）‌：
  • ‌职责‌：制定TCP/IP相关协议（RFC文档）
  • ‌工作模式‌：开放邮件列表讨论，rough consensus原则
• ‌IEEE（电气电子工程师协会）‌：
  • ‌贡献‌：制定局域网标准（如802.3以太网、802.11 WiFi）
• ‌ITU-T（国际电信联盟）‌：
  • ‌领域‌：广域网与电信网络标准（如SDH、5G核心网）

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‌6. 未来趋势与挑战‌

‌6.1 技术演进方向‌

• ‌网络协议层‌：
  • ‌HTTP/3 over QUIC‌：基于UDP的0-RTT连接，解决队头阻塞
  • ‌SRv6（Segment Routing IPv6）‌：简化SDN架构，提升可编程性
• ‌物理层创新‌：
  • ‌空芯光纤（Hollow-Core Fiber）‌：降低传播延迟至真空光速的99.7%
  • ‌太赫兹通信（THz）‌：6G候选技术，支持Tbps级速率

‌6.2 安全与隐私挑战‌

• ‌量子计算威胁‌：
  • ‌风险‌：Shor算法破解RSA/ECC加密
  • ‌对策‌：后量子密码学（NIST标准化中）
• ‌数据主权争议‌：
  • ‌GDPR 2.0（2024）‌：强化跨境数据流动监管
  • ‌技术响应‌：同态加密、联邦学习（Federated Learning）

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‌7. 附录：实验工具与案例‌

‌7.1 实验工具推荐‌

‌工具名称‌	‌用途‌	‌学习场景‌
Wireshark 4.2	抓包分析协议交互细节	理解TCP三次握手、TLS握手
Mininet 2.3	虚拟化网络拓扑模拟	测试SDN控制器（如OpenDaylight）
GNS3 3.0	模拟企业级网络设备	实践BGP路由配置

‌7.2 经典案例分析‌

• ‌案例1：DNS解析全过程‌

  1. 浏览器缓存查询 → 2. 本地Hosts文件 → 3. 递归DNS服务器 → 4. 根域名服务器 → 5. TLD服务器（.com）→ 6. 权威DNS服务器 → 7. 返回IP地址

• ‌案例2：TCP拥塞控制算法对比‌
  • ‌Reno‌：基于丢包的AIMD（加性增/乘性减）
  • ‌BBR‌：基于带宽与延迟测量的模型驱动算法（Google 2016）

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知识点整理：

1. 课程目标与学习框架

• ‌主要目标‌：了解计算机网络的主要概念和术语，掌握网络的基本工作原理。
• ‌学习框架‌：为后续章节打下基础，提供概念级和技术理解框架。
• ‌学习建议‌：第一章内容重要且术语密集，需要投入较多时间和精力。

2. 计算机网络的基本概念

• ‌网络‌：由节点和边组成的系统，节点可以是计算机、手机等设备，边是连接节点的通信链路。
• ‌计算机网络‌：联网的计算机系统，包括主机节点和数据交换节点（如路由器、交换机）。
• ‌互联网（Internet）‌：以TCP/IP协议族为主的网络，是全球最大的计算机网络。

3. 互联网的组成与结构

• ‌边缘设备‌：互联网的终端设备，如PC、手机、智能冰箱等。
• ‌接入网‌：连接边缘设备与核心网的媒介，如光纤、WiFi。
• ‌核心网‌：互联网的骨干部分，由路由器和交换机组成，负责数据的高速传输。
• ‌网络互联设备‌：路由器，负责不同网络之间的数据转发。
• ‌层次结构‌：互联网是一个分层的网络，包括Tier-1 ISP、区域网、本地网等。

4. 网络协议

• ‌定义‌：对等实体在通信过程中应遵守的规则集合，包括语法、语义和时序。
• ‌重要性‌：协议是支撑互联网工作的基础，不同厂商生产的网络设备需遵守相同的协议才能实现互操作。
• ‌协议分层‌：
  • ‌物理层‌：传输比特流，定义物理介质和传输方式。
  • ‌链路层‌：负责相邻节点之间的数据传输，如以太网、WiFi。
  • ‌网络层‌：实现主机到主机的端到端传输，如IP协议。
  • ‌传输层‌：提供进程到进程的通信服务，如TCP、UDP。
  • ‌应用层‌：提供网络应用服务，如HTTP、FTP。

5. 交换技术

• ‌线路交换‌：传统电话网采用的技术，通信时独占物理通路，实时性高但资源利用率低。
• ‌分组交换‌：现代IP网络采用的技术，数据被分割成多个分组独立传输，资源利用率高但可能产生延迟。
• ‌性能指标‌：
  • ‌四大延迟‌：传输延迟、传播延迟、排队延迟、处理延迟。
  • ‌吞吐量‌：单位时间内成功传输的数据量。

6. 分层架构体系

• ‌分层设计思想‌：每层实现特定的功能，上层通过协议报文调用下层服务。
• ‌优点‌：简化复杂性，支持模块化开发与协议升级。
• ‌实践意义‌：
  • ‌物理层‌：传输比特流，如光信号、电信号。
  • ‌链路层‌：解决点到点的传输问题，如以太网帧。
  • ‌网络层‌：实现主机到主机的端到端传输，如IP路由。
  • ‌传输层‌：提供可靠或不可靠的进程间通信，如TCP、UDP。
  • ‌应用层‌：提供各种网络应用服务，如HTTP、FTP、SMTP。

7. 互联网的历史与发展

• ‌起源‌：1969年ARPANET，最初用于军事目的。
• ‌发展‌：经过数十年的迭代，互联网逐渐从军用网络演变为全球性的民用网络。
• ‌现状‌：包含数十亿台设备，数百万个网络，支撑着人类的生产和生活。

8. 互联网的标准与制定

• ‌标准制定机构‌：IETF（互联网工程任务组），负责互联网标准的制定和发布。
• ‌标准形式‌：RFC（请求评述）文档，是互联网标准的主要载体。
• ‌开放性与参与度‌：互联网标准制定过程开放，全球工程师和科学家共同参与。

9. 互联网的应用与服务

• ‌分布式应用‌：互联网存在的理由，如电子商务、游戏、社交网络等。
• ‌基础设施‌：为分布式应用提供通信服务的基础设施，包括主机、路由器、交换机等。
• ‌服务形式‌：基础设施通过API（如Socket API）向应用进程提供通信服务。
• ‌服务类型‌：
  • ‌面向连接的服务‌：如TCP，通信前需建立连接，保证数据传输的可靠性。
  • ‌无连接的服务‌：如UDP，通信前无需建立连接，数据传输不可靠但速度快。

10. 典型网络设备与端系统

• ‌主机节点‌：PC、服务器、智能手机等终端设备。
• ‌数据交换节点‌：路由器、交换机、负载均衡设备等网络设备。
• ‌端系统‌：包括硬件设备、操作系统和网络应用程序，是互联网的基本组成单元。

11. 互联网的未来趋势

• ‌物联网（IoT）‌：万物互联的时代，小型设备、工业设备、生活设备均可联网。
• ‌5G与6G‌：下一代移动通信技术，将进一步提高数据传输速度和可靠性。
• ‌网络安全与隐私保护‌：随着互联网的普及，网络安全和隐私保护问题日益突出。