第1章 計算機網絡和因特網

課程目標

一、課程教學目標

​ 本課程的核心教學目標是幫助學生掌握計算機網絡領域的核心知識，具體包括計算機網絡基本概念、工作原理、常用技術及協議，最終為後續計算機網絡的學習、實際應用以及相關領域研究築牢基礎。

二、課程學習核心方法

1. 行業發展特性
   • 計算機網絡技術迭代速度極快，相關教材更新頻繁，授課教師已執教該課程 20 餘年，教材從第 1 版更新至第 7 版，且每版更新率達 10%-30%，預計教材更新至第 11 版時教師將臨近退休。
   • 技術更新快導致難以追更所有新技術，因此不能盲目跟風新技術。
2. 核心學習策略需牢牢掌握學科最根本的內容，即基本原理、核心協議與技術、常規思維及問題分析方法；在夯實基礎後，可依託已有的知識體系和思考邏輯，快速理解和接納新的網絡技術。

三、課程的重要性（電口 / 信息口學生的 “安身立命之本”）

1. 日常應用層面計算機網絡已融入各行各業及日常生活，例如健康碼核驗、線上購物、網絡遊戲等娛樂活動，均離不開網絡技術的支撐。

2. 職業發展層面

   • 若進入互聯網、工業互聯網、製造類企業，需結合計算機網絡技術開發更高級的系統，若無紮實的網絡原理與協議知識，無法高效開展相關工作。

   • 若入職華為等一線互聯網設備提供商，工作內容多為網絡本身的研究與開發，對計算機網絡知識的深度掌握是開展工作的前提。

     因此，學好本課程是構建專業知識體系的關鍵一環，需投入足夠的時間與精力學紮實。

四、課程學習難點及應對方向

1. 難點 1：概念與術語數量龐大
   • 課程包含大量專業概念和術語，僅第一章就有四五十個重要概念，初期會給學生帶來較強的學習衝擊。
   • 應對：前期需紮實掌握基礎概念，打好鋪墊後，後續學習難度會顯著降低。
2. 難點 2：推理邏輯特殊
   • 課程推理多為定性的邏輯描述，與數學的嚴謹公式推理差異較大，存在表述繁雜、術語穿插的問題，且概念間的邏輯、包含關係需自主梳理。
   • 應對：一方面要提升自身邏輯思維能力，另一方面要學會從繁雜的知識中提煉核心主線；同時，這種能力的鍛鍊也是本課程學習的重要 “副產品”。

課程主要內容

一、課程整體框架與授課安排

（一）內容模塊劃分

​ 課程內容整體分為三個模塊，各模塊定位與核心內容如下：

1. 計算機網絡導論 / 緒論

   • 特殊性：區別於常規課程緒論，是 “小型核心課”，課時佔比高、內容紮實，非單純的歷史與概括性介紹。
   • 核心內容：計算機網絡關鍵術語與概念、網絡工作框架性原理、互聯網發展歷史，需重點吃透以建立整體認知。

2. 五層協議核心內容

   • 授課邏輯：採用top-down（自頂向下）講解順序，從應用層到物理層依次展開；因物理層部分內容（編解碼等）已在通信原理課程涉及，故將**數據鏈路層與物理層合併為一章講解。
   • 章節結構：每一層章節均分為兩部分
     • 原理部分：先明確本層核心功能與向上層提供的服務，再講解本層功能如何藉助下層服務通過軟硬件實現。
     • 實例部分：以互聯網該層主流協議為案例，具象化原理知識。

3. 必修拓展內容

   為課程必修模塊，包含網絡安全、無線與移動網絡、多媒體網絡、網絡管理四大板塊，具體內容見下文拓展模塊。

（二）分層核心邏輯：功能與服務的關係

1. 概念區別
   • 功能：某一層自身具備的技術能力。
   • 服務：功能通過層間接口向上層輸出的可用能力，是功能的對外體現。
2. 分層協作邏輯
   • 上層通過接口調用下層服務，無需關心下層功能的具體實現；
   • 本層功能的實現依賴下層服務，同時需為上層提供更優質的服務，形成 “下層支撐、上層調用” 的層級協作體系。

二、五層協議核心內容詳解（top-down 順序）

（一）應用層

1. 原理核心
   • 服務對象：遠程應用進程（不同主機上的應用程序，非同一主機內進程）。
   • 核心作用：規範遠程應用進程間通信的語法、語義、時序，實現不同廠商應用程序的互操作（如 Chrome 瀏覽器與 Apache 服務器的交互）。
2. 協議實例
   • HTTP 協議：支撐 Web 應用，實現瀏覽器與服務器的網頁請求與響應交互；
   • FTP 協議：支撐文件傳輸應用，實現文件的上傳與下載；
   • SMTP/POP3 協議：分別支撐電子郵件的發送與接收。

（二）傳輸層

1.核心定位

​ 基於網絡層 “主機到主機” 的端到端服務，進一步實現進程到進程的精準通信（一台主機存在多個應用進程，需區分通信對象），並對網絡層服務進行增強。

2.兩大核心協議對比

3.關鍵辨析：TCP 的可靠性存在代價（佔用收發端存儲空間、增加傳輸時延），因此並非所有場景都優先選擇，需平衡可靠性與實時性。

（三）網絡層

1. 核心功能與服務
   • 核心功能：路由（路由器間交換路由信息，通過算法生成路由表）與轉發（根據路由表將 IP 分組從合適端口轉發）。
   • 服務特性：提供 ** 盡力而為（best effort）** 的端到端（主機到主機）服務，無傳輸保障（可能丟包、錯序、出錯），以 IP 數據報為傳輸單位。
   • 層級依賴：端到端通信由多個 “點到點（point to point）” 鏈路組成，需依賴數據鏈路層的相鄰節點傳輸服務實現。
2. 兩種工作方式

（四）數據鏈路層與物理層

1. 數據鏈路層
   • 核心功能：在物理層基礎上，實現相鄰兩點間以 “幀” 為單位的數據傳輸，為網絡層的端到端通信提供點到點支撐。
2. 物理層
   • 核心功能：實現數字信號與物理信號的雙向轉換（發送端將 01 數字信號轉為光 / 電磁波信號，接收端反向轉換）。
   • 媒介定位：網線、同軸電纜、光纖、電話線等傳輸媒介為 “第 0 層”，物理層在媒介之上完成信號轉換工作。

（五）網絡安全

核心內容為網絡安全的核心特性，以及各類安全特性的具體實現方案。

（六）無線與移動網絡

• 覆蓋場景：WiFi（小範圍）、4G/5G（廣域 / 全球範圍）；
• 核心問題：移動性管理（保障移動過程中通信持續性）；
• 重點對比：無線網絡與有線網絡的技術差異及適配方案。

（七）多媒體網絡

• 多媒體應用定位：互聯網 “殺手級應用”，兼具兩大特性（一是高帶寬消耗，二是強用户吸引力，助力運營商盈利）；
• 核心內容：多媒體應用類型、傳輸需求，以及應用層、傳輸層、網絡層的針對性適配修改方案。

（八）網絡管理

以SNMP 協議為核心，講解互聯網設備的故障排查、配置管理等運維功能（具體內容視課時安排調整）。

三、關鍵概念辨析

1. 端到端 vs 點到點：端到端是主機到主機的整體通信，由多個點到點（相鄰節點）鏈路組成；
2. 盡力而為服務：網絡層 IP 協議的服務特性，無傳輸保障，僅盡最大努力完成數據交付；
3. 主機到主機 vs 進程到進程：網絡層實現主機級通信，傳輸層在其基礎上實現進程級精準通信，顆粒度更細。

1.1什麼是Internet

1.1.1本章整體定位與學習要求

（1）章節核心地位

• 與多數課程 “導論性第一章” 不同，本章是整門課程的框架性核心章節，老師強調 “第一章最重要、最具框架性”，學好本章能為後續章節（如網絡邊緣、核心、協議層次等）打下 “概念級 + 技術框架級” 基礎。
• 學習痛點與價值：本章術語密集（如 “協議”“分組交換”“ISP” 等），初期可能因術語密集產生認知衝擊，但掌握後後續內容會 “相對清晰”，需投入時間與精力攻克這些內容，實現 “在挑戰中成長” 的學習效果。

（2）學習目標與方法

• 核心目標：①瞭解計算機網絡的基本術語與概念；②掌握網絡的基本工作原理（“網絡的定義”“網絡的運行邏輯”）；③建立分層、模塊化的網絡思維。
• 講解方法：全程以Internet（互聯網）為核心案例，遵循 “網絡→計算機網絡→互聯網” 的概念遞進邏輯，結合實際設備與應用場景（如 Web、直播、智能家電）輔助理解。

1.1.2從 “通用網絡” 到 “Internet” 的概念遞進

（1）通用網絡的本質（講課文稿引入的基礎認知）

1. 核心定義：網絡是由節點和 邊（鏈路）構成的拓撲結構，其核心價值取決於節點間的連接關係，與節點 / 鏈路的物理大小、形狀無關。
2. 生活實例佐證
   • 自然網絡：蜘蛛網（蜘蛛為節點，蛛絲為鏈路）、大腦神經元網絡（1000 多億神經元為節點，突觸為鏈路，神經元可通過突觸傳遞神經衝動）。
   • 社會網絡：人際社交網絡（人為節點，朋友關係為鏈路）。

（2）計算機網絡的定義與構成（通用網絡到專用網絡的過渡）

1. 官方定義：計算機網絡是聯網計算機及相關設備組成的通信系統，同樣遵循 “節點 + 鏈路” 的拓撲邏輯，且各組成部分有明確的功能分工。
2. 節點的兩類劃分（功能 + 層次雙維度）
   • 主機節點（端系統 / Host）
     • 功能定位：數據通信的源端或目標端，不承擔數據中轉任務。
     • 設備類型：傳統設備（PC、筆記本、服務器、智能手機）+ 物聯網設備（課件提及的聯網烤麪包機、IP 相框、智能冰箱、Tweet-a-watt（能耗監測設備）、Slingbox（遠程控制有線電視設備）；講課文稿補充的帶傳感器智能球鞋、智能機頂盒）。
     • 內部構成（講課文稿細節）：硬件設備 + 支持通信的操作系統（內置協議棧）+ 網絡應用程序（如瀏覽器、Web 服務器、電商 / 社交 App），三者缺一不可，共同實現網絡通信能力。
   • 中轉節點（網絡交換設備）
     • 功能定位：僅負責數據轉發，無數據的源 / 目標屬性，是跨節點 / 跨網絡通信的樞紐。
     • 設備類型及層次差異（課件 + 講課文稿整合）
       • 交換機：工作於鏈路層，以 MAC 地址為轉發依據，主要服務於局域網內數據傳輸。
       • 路由器：工作於網絡層，以 IP 地址為轉發依據，通過查詢路由表確定轉發路徑，是跨網絡通信的核心設備。
       • 補充設備：負載均衡設備（講課文稿提及，工作於傳輸層 / 應用層，實現流量分發）、防火牆（課件隱含的安全類中轉設備）。
3. 鏈路的基礎屬性（課件核心補充）
   • 物理載體：光纖、同軸電纜、無線電、衞星、雙絞線等。
   • 核心指標：帶寬（bps，比特 / 秒），即鏈路每秒可傳輸的比特數，直接決定數據傳輸速率。
   • 功能價值：不僅是連接節點的物理通道，還需配套鏈路層協議，才能實現穩定的數據傳輸邏輯。

（3）Internet 的專屬定義（構成 + 協議雙核心）

1. 核心標識 1：物理構成 ——“網絡的網絡”

   （課件明確定義 + 講課文稿解讀）

   • 結構邏輯：Internet 並非單一平面網絡，而是由大量獨立網絡（如教育科研網、電信 / 移動運營商網絡、企業內網）通過路由器等互聯設備連接而成的巨型系統。
   • 規模量級（講課文稿 + 課件補充）：聯網設備達數十億級（接近百億），物聯網時代將增至數千億；由幾十萬甚至上百萬個獨立子網構成，是支撐全球生產生活的複雜通信樞紐。

2. 核心標識 2：協議支撐 ——TCP/IP 協議簇

   （講課文稿重點強調 + 課件佐證）

   • 協議價值：是不同廠商設備 / 軟件實現互操作的統一標準，如蘋果手機的 App 可與 Linux 服務器通信，核心是雙方均遵循 TCP/IP 協議。
   • 協議地位：是 Internet 區別於其他專用網絡（如銀行專網、軍用專網）的關鍵，無 TCP/IP 協議支撐的網絡，無法接入公共 Internet。

1.1.3Internet 的詳細構成要素（物理層面）

（1）端系統（主機）的深度解析

1. 功能拓展（課件補充）：端系統不僅是數據收發終端，還需運行網絡應用程序，如 Web、Email、VoIP、分佈式遊戲、電子商務等，是 Internet 提供服務的最終載體。
2. 設備多樣性（課件趣味案例）
   • 生活類物聯網設備：Web-enabled toaster（可聯網獲取天氣預報的烤麪包機）、Internet refrigerator（可自動下單食材的智能冰箱）、Internet phones（網絡電話）。
   • 專業類物聯網設備：IP picture frame（可遠程更新照片的電子相框）、Tweet-a-watt（可上傳能耗數據的監測設備）、Slingbox（遠程控制有線電視的設備）。

（2）網絡交換設備的核心能力（課件技術細節）

1. 路由器的核心功能：轉發分組（Packets），即接收來自某一鏈路的分組後，根據分組首部的目標地址，選擇最優鏈路轉發至下一跳路由器，最終實現源端到目標端的跨網絡傳輸。
2. 交換機的補充作用：在局域網內完成幀（Frame）的快速轉發，減少局域網內的廣播風暴，提升局部網絡的通信效率。

（3）通信鏈路的分類與載體（課件分類 + 技術參數）

1. 按連接對象分類
   • 接入網鏈路：主機連接到 Internet 的 “最後一公里” 鏈路，如家庭的以太網網線、無線 WiFi 鏈路，對應課件中的 “住宅 / 企業接入網” 範疇。
   • 主幹鏈路：路由器之間的高速鏈路，載體多為光纖、衞星，具備大帶寬、長距離傳輸能力，是 Internet 跨地域通信的核心通道。
2. 物理載體的技術特性（課件補充）
   • 有線載體：光纖（高速、低誤碼率、抗電磁干擾）、同軸電纜（支持多信道傳輸）、雙絞線（5 類支持 100Mbps 以太網，6 類支持 10Gbps 萬兆以太網）。
   • 無線載體：無線電、衞星（廣域覆蓋，但存在傳輸延遲）。

1.2.4Internet 的核心支撐 —— 協議（邏輯層面）

（1）協議的官方定義

協議是兩個或多個通信實體（對等層實體）在通信過程中必須遵守的規則集合，其核心是規定了報文的交換格式、交互次序，以及報文傳輸 / 接收時應採取的動作。

• 對等層實體舉例（講課文稿補充）：兩台主機的 TCP 協議模塊、兩個相鄰路由器的鏈路層協議模塊。

（2）協議與人類協議的類比

（3）協議的三大核心要素（課件技術拆解 + 講課文稿解讀）

1. 語法：規定協議數據單元（PDU）的格式，包括報文的字段長度、字段順序、各字段的取值範圍。
   • 實例（講課文稿）：HTTP 請求報文的首部字段需按 “請求方法 - URL - 協議版本” 的順序排列，且每個字段有固定的字節數限制。
2. 語義：定義 PDU 各字段的含義，即字段取值對應的通信意圖。
   • 實例（課件隱含）：TCP 報文的 “確認位” 為 1 時，代表已成功接收對方傳輸的數據；為 0 時，代表未接收或接收異常。
3. 時序 / 動作：明確通信的先後次序與觸發動作，規定何時發送報文、何時接收報文，以及接收報文後需執行的內部操作。
   • 實例（講課文稿）：Web 通信需先完成 TCP 連接建立，服務器需在接收到 HTTP 請求後，才觸發 “讀取本地文件並返回響應” 的動作。

（4）Internet 協議的類型（課件列舉）

核心協議：TCP（傳輸控制協議）、IP（網際協議）；應用層協議：HTTP（Web）、FTP（文件傳輸）、SMTP（郵件）、PPP（點對點協議）；講課文稿補充 DNS（域名解析）、VoIP（網絡電話）相關協議。

（5）協議的標準制定機制（講課文稿重點 + 課件佐證）

1. 制定機構：互聯網工程任務組（IETF），非盈利性組織，面向全球工程師、科研機構開放技術方案徵集，無單一主導方。
2. 標準載體：請求評述文檔（RFC），任何人可向 IETF 提交技術方案，方案經全球公開評議後編號發佈；一個協議通常關聯多個 RFC 文檔（如 TCP 對應 RFC793，UDP 對應 RFC768），具備高度開放性與協同性。

1.2.5Internet 的服務視角定義

1. 核心定位：Internet 是為分佈式應用提供通信設施的基礎設施，其通信能力為上層應用提供編程接口（通信服務）。
2. 服務類型（類比郵政服務）
   • 無連接不可靠服務：以 UDP 協議為代表，無連接建立過程，不保證數據有序、無丟失傳輸，適用於流媒體、遠程會議等對實時性要求高於可靠性的場景。
   • 面向連接的可靠服務：以 TCP 協議為代表，需先建立連接（三次握手），可保證數據可靠、按序傳輸，還具備流量控制、擁塞控制能力，適用於 HTTP、FTP、Email 等對可靠性要求高的場景。

1.2.6公共 Internet 與專用 Intranet 的區分

1.2 網絡邊緣

1.2.1課件 “網絡邊緣” 主模塊（第一張圖）

這張圖是 “網絡邊緣” 的總框架，包含端系統、客户 / 服務器模式、對等模式三個核心部分，老師講課對每個點都做了具象化補充：

（1）端系統（主機）

• 課件核心描述：“運行應用程序，如 Web、email”“在‘網 / 服務器模式’下工作”。
• 老師講課的詳細展開：
  • 定義與定位：端系統是 “網絡邊緣的載體”，也叫 “邊緣系統”—— 老師強調 “邊緣系統是網絡應用的落地處，所有網絡功能（接入、核心交換）都是為了支撐邊緣應用的通信”。
  • 設備類型（老師舉例 +“方設備” 比喻）：
    • 傳統計算設備：PC、筆記本電腦、服務器（如 Web 服務器、郵件服務器）；
    • 移動智能設備：智能手機、iPad（老師提到 “沒有這些設備就沒聯網入口”）；
    • IoT 設備：智能冰箱、麪包機等（老師戲稱這些是 “方的聯網設備”，用來區別網絡核心 “圓的交換節點”，是邊緣系統的 “數據採集終端”）。
  • 核心價值（老師反覆強調）：“邊緣系統上的網絡應用是網絡存在的理由”—— 沒有端設備（比如沒手機、PC）就沒人能聯網，沒有 Web、電商、電子政務等應用，網絡就沒有使用需求；同時，IoT 設備需通過端系統收集、處理信息，是網絡的 “數據入口”。

（2）客户 / 服務器（C/S）模式

• 課件核心描述：“客户端向服務器請求、接收服務；如 Web 瀏覽器 / 服務器、email 客户端 / 服務器”。
• 老師講課的詳細展開：
  • 通信邏輯：主從式關係：
    • 服務器：主動啓動，提前守候在指定端口（比如 Web 服務器守候 80 端口），是 “資源提供者”—— 存儲的資源包括：硬件資源（計算能力）、軟件資源（業務處理能力，如電商的訂單結算）、數據資源（數據庫中的商品信息、用户郵件）；
    • 客户端：被動啓動，只有當服務器已運行時，才會主動向服務器發送請求（比如你打開瀏覽器，是 “客户端” 向 Web 服務器請求網頁資源）。
  • 實際案例（老師舉的 “服務器農場”）：大型服務商會搭建 “服務器農場”（比如阿里的服務器集羣，數千台服務器分佈在全國；盛大遊戲的機房，每個機房有幾千台服務器）—— 因為單個服務器承載能力有限，需多台服務器集中提供服務。
  • 核心缺點：可擴展性差（老師的崩潰場景）：
    • 當客户端數量較少時，服務器能 “hold 住” 請求；但當客户端數量超過閾值（比如電商大促時，數百萬用户同時下單），服務器載荷會 “斷崖式崩潰”—— 老師舉例：“服務器服務 100 個客户，每個客户分 1% 的服務能力；服務 1 萬個客户，每個客户只能分萬分之一，此時用户頁面會一直加載（沙漏轉圈），甚至付了錢卻收不到訂單反饋”。
    • 同時，服務器是 “集中式” 的，若服務器農場宕機（比如阿里網站崩潰），所有依賴它的客户端都會失去服務（“想買東西也買不着”）。

（31）對等（Peer-to-Peer，P2P）模式

• 課件核心描述：“很少（甚至沒有）專門的服務器；如 Gnutella、KaZaA、Emule”。
• 老師講課的詳細展開：
  • 通信邏輯：平等式關係：每個節點（比如迅雷客户端）既是客户端，也是服務器——
    • 作為 “客户端”：向其他對等節點請求文件的某一個片段（比如你用迅雷下載電影，會向 3 個不同的迅雷用户請求 “電影的開頭、中間、結尾片段”）；
    • 作為 “服務器”：將自己已下載完成的文件片段，提供給其他請求該片段的對等節點（比如你下載了電影開頭，其他用户可以從你這裏獲取這個片段）。
  • 核心優勢：可擴展性強 + 下載速度快（老師的 “帶寬聚集” 例子）：
    • 可擴展性：對等節點越多，提供資源的節點也越多，請求的載荷被 “分佈式分擔”（不會出現 C/S 模式的 “服務器擠爆” 問題）；
    • 下載速度：能同時從多個對等節點獲取不同片段，實現 “帶寬聚集”—— 老師對比：“從單 FTP 服務器下載，只能用服務器的帶寬；用迅雷下載，能同時用 3 個對等節點的帶寬，速度快很多”。
  • 對比 C/S 模式：P2P 規避了 “集中式服務器的瓶頸”，適合大文件分發（比如電影、軟件安裝包），這也是迅雷、電驢等工具流行的原因。

1.2.2課件 “面向連接服務（TCP）” 模塊

• 課件核心描述：“目標：端系統間傳數據；握手（通信前準備）；TCP 是傳輸控制協議（RFC793）；服務：可靠按序、流量控制、擁塞控制”。
• 老師講課的詳細展開：
  • 面向連接的本質：先 “握手” 再通信：
    • 通信前，兩個應用進程的底層 TCP 實體要完成 “握手”（比如 TCP 三次握手）—— 老師比喻為 “打招呼：‘你好’‘你好’‘收到你的你好’”；
    • 握手的同時，底層要做 “通信準備”：分配緩衝區（存儲待發送 / 待接收的數據）、設置控制變量（標記通信狀態）、配置超時定時器（用於後續重傳）；
    • 關鍵區分（老師強調）：“面向連接≠有連接”—— 面向連接僅端系統（邊緣主機）維護通信狀態，中間網絡核心的路由器不維護；“有連接” 則是端系統和中間節點都維護狀態（後續章節會講）。
  • TCP 服務特性的細節：
    • 可靠按序傳輸：
      • 目標：“發送方發什麼，接收方收什麼”，滿足 4 個要求：不丟失、不重複、不失序、不出錯；
      • 實現機制（老師舉例）：發送方要 “緩存已發送數據”（沒收到確認就重傳）、“給數據編號”（接收方按編號排序，避免失序）、“等待接收方的確認”（知道哪些數據被收到）；
      • 老師比喻：“數據在鏈路中傳輸像‘人在江湖飄’，容易出錯 / 丟失，TCP 靠這些機制把‘不可靠的底層’變成‘可靠的服務’”。
    • 流量控制：
      • 目標：協調發送方和接收方的速度，避免 “發送方太快，接收方處理不及”；
      • 老師舉的極端例子：“發送方是‘至強處理器 + 萬兆網卡’的服務器，接收方是‘五六年前的老舊手機（內存小、處理弱）’——TCP 會讓服務器放慢發送速度，避免手機的緩衝區被塞滿、數據溢出丟失”。
    • 擁塞控制：
      • 目標：感知網絡核心鏈路的擁堵狀態，避免 “發送太快導致鏈路堵死”；
      • 場景（老師描述）：若發送方和接收方之間的鏈路被多用户佔用（比如 “這條鏈路同時被 10 個用户用”），TCP 會 “讓發送方減速”—— 老師比喻為 “路堵了就慢點開車，避免數據被路由器‘扔了’（路由器處理不過來就會丟棄數據）”。
  • 典型應用（課件 + 老師補充）：HTTP（Web）、FTP（文件傳輸）、Telnet（遠程登錄）、SMTP（email）—— 這些應用對 “可靠性” 要求高，TCP 已保障可靠，應用進程無需額外處理 “檢錯、糾錯”。

1.2.3課件 “無連接服務（UDP）” 模塊

• 這張圖講的是邊緣應用進程依賴的 “無連接通信服務”（基於 UDP 協議），老師重點解釋了 “UDP 看似‘功能弱’，但有不可替代的場景”：
  • 課件核心描述：“目標：端系統間傳數據；無連接服務（UDP，RFC768）；特點：無連接、不可靠、無流量 / 擁塞控制；應用：流媒體、DNS 等；用 TCP 的應用：HTTP、FTP 等”。
  • 老師講課的詳細展開：
    • 無連接的本質：直接發送，不握手：
      • 通信前無需 “打招呼”—— 應用進程直接構造 UDP 報文併發送，底層不提前分配資源、不設置定時器，“發出去就不管了”。
    • UDP 特點對應的 “存在理由”（老師的關鍵解釋）：
      • 無連接：適合 “事務性短交互”—— 比如 DNS 域名解析（“查詢域名對應的 IP” 是 “一次請求 + 一次響應”，若用 TCP，“握手 + 斷開” 的時間比查詢本身還長，太浪費）。
      • 不可靠：適合 “丟少量數據不影響體驗” 的場景 —— 比如直播、視頻通話（丟 1 個採樣幀，用户幾乎感知不到；但如果用 TCP 重傳這個幀，會導致延遲，影響實時性）。
      • 無流量 / 擁塞控制：適合 “實時性要求高” 的場景 —— 老師比喻：“TCP 像‘多愁善感的人’，要考慮接收方和網絡的感受；UDP 像‘直性子’，應用產生數據多快，就往網絡裏發多快”—— 比如實時流媒體（每時每刻都要產生數據，若被 TCP “減速”，會導致畫面卡頓）。
    • 應用區分（課件 + 老師舉例）：
      • 用 UDP 的應用：流媒體（直播）、遠程會議、DNS（域名解析）、Internet 電話；
      • 用 TCP 的應用：HTTP（Web）、FTP（文件傳輸）、Telnet（遠程登錄）、SMTP（email）。

1.3 網絡核心

1.3.1網絡核心的基本概念

1. 組成：由交換節點（如路由器、交換機） 和連接交換節點的通信鏈路構成，是網絡的核心承載部分。
2. 核心功能：實現數據交換—— 將源主機發送的數據準確傳輸到目標主機，是數據在網絡中 “中轉傳遞” 的關鍵環節。

1.3.2數據交換的兩種核心方式

網絡核心通過兩種方式實現數據交換：電路交換（線路交換） 和分組交換，其中互聯網及幾乎所有現代數據網絡均採用分組交換，電路交換主要用於傳統電話網。

（1）電路交換（Circuit Switching）

①定義與核心邏輯

• 通信前需建立專屬電路連接：通過 “信令系統”（如電話撥號的控制信息）在源主機與目標主機之間分配一條 “獨享的通信路徑”，路徑上的鏈路資源（帶寬）僅為該通信雙方所用，直到連接釋放。
• 核心特點：資源獨享------ 一旦建立連接，鏈路中的特定 “資源片”（如帶寬片段）被獨佔，無其他用户爭搶，性能有保障。

②鏈路資源的複用方式（將鏈路帶寬分成 “資源片”）

交換節點間的鏈路帶寬較寬，需通過複用技術劃分為多個 “小片”，為不同通信分配專屬小片，課件及老師講解的核心複用方式如下：

• 示例：1.536Mbps 的鏈路採用 TDM 分為 24 個時間片，每個時間片的帶寬為\(R_{wb} = \frac{R_{totalWB}}{N_{timeSlots}} = \frac{1.536 \text{ Mbps}}{24} = 64 \text{ kbps}\)，每個通信獨佔一個 64kbps 的時間片。

③通信過程（以傳統電話為例）

1. 建立連接：通過信令系統（如撥號）在源與目標之間的每段鏈路中分配空閒 “資源片”，串聯成專屬電路（耗時通常為秒級，如國內電話 1-2 秒、長途幾秒到十幾秒）；
2. 數據傳輸：連接建立後，雙方通過專屬電路雙向傳輸數據，帶寬、延遲固定，無爭搶；
3. 釋放連接：通信結束後釋放電路，資源片歸還鏈路供其他通信使用。

④關鍵特性與優缺點

⑤不適合計算機通信的核心原因

• 計算機通信具有強突發性：如瀏覽網頁（點擊鏈接時才傳數據，瀏覽時無流量）、下載文件（非持續傳輸），若用電路交換，空閒時專屬資源片被浪費；
• 連接建立時間成本高：計算機通信常為 “短時長”（如 1 毫秒傳輸數據），但電路交換建立連接需 500 毫秒，建立時間佔比過高，效率極低。

⑥電路交換傳輸時間計算示例

• 已知條件：主機 A 向主機 B 傳輸 640K 比特（640×103 比特）文件；鏈路總帶寬 1.536Mbps，採用 TDM 分 24 個時間片；建立電路需 500 毫秒（0.5 秒）。
• 步驟 1：計算單用户可用帶寬 ——\(\frac{1.536 \text{ Mbps}}{24} = 64 \text{ kbps}\)；
• 步驟 2：計算數據傳輸時間 ——\(\frac{640×10^3\text{比特}}{24比特/秒} = 10 \text{秒}\)；
• 步驟 3：總時間（不含傳播延遲）—— 建立時間 + 傳輸時間 = 0.5 秒 + 10 秒 = 10.5 秒；
• 補充：若 A、B 距離遠（如衞星鏈路），需額外加傳播延遲（物理距離 / 電磁波速率，真空速率 3×10⁸m/s，介質中會打折）；局域網中距離近（百米 / 公里級），傳播延遲可忽略。

（2）分組交換（Packet Switching）

①定義與核心邏輯

• 通信前無需建立連接，將源主機待傳輸的數據分割為多個固定 / 可變長度的 “分組（Packet，又稱數據包）”，每個分組攜帶目標主機地址等控制信息；
• 核心機制：存儲 - 轉發—— 分組到達每個交換節點（如路由器）後，先被完整 “存儲” 在節點緩存中，再根據分組中的目標信息 “轉發” 到下一跳鏈路，直到到達目標主機。

②核心特點（與電路交換的關鍵區別）

1. 鏈路資源按需共享：交換節點間的鏈路不預先劃分 “資源片”，分組傳輸時獨佔鏈路全部帶寬（如 1.536Mbps 鏈路，一個分組傳輸時用滿 1.536Mbps），無數據傳輸時鏈路可被其他分組使用；
2. 以分組為單位傳輸：大數據被拆分後獨立傳輸，避免單一大數據獨佔鏈路過久；
3. 存儲 - 轉發保障共享：若不存儲直接轉發（“直腸子” 傳輸），則鏈路會被單個通信獨佔，退化為 “類電路交換”；存儲 - 轉發可讓不同分組 “錯峯” 使用鏈路，實現多通信共享。

③分組交換的延遲與丟失問題

分組在傳輸過程中會產生兩類關鍵代價，是 “資源共享” 的必然結果：

1. 延遲構成：
   • 存儲延遲：交換節點需完整接收分組後再轉發，延遲為 “分組長度 / 鏈路帶寬”（如 7.5M 比特分組在 1.5Mbps 鏈路上，存儲延遲為 1.5 Mbps7.5 M比特=5 秒）；
   • 排隊延遲：若多個分組同時到達某交換節點的同一輸出鏈路，需在緩存中排隊等待，延遲隨機可變（取決於網絡擁塞程度，閒時短、忙時長）；
   • 對比電路交換：電路交換僅在節點處有 “1 比特延遲”（整形放大），無存儲和排隊延遲，總延遲更短但資源利用率低。
2. 分組丟失：
   • 交換節點的緩存容量有限，若排隊分組過多導致緩存滿，後續到達的分組會被 “丟棄（Drop）”；
   • 後果：源主機需通過上層協議（如 TCP）重傳丟失的分組，而 UDP 協議不重傳，可能導致數據不完整。

④統計多路複用（分組交換的複用本質）

分組交換對鏈路時間資源的複用方式為統計多路複用（Statistical Multiplexing），與 TDM（固定時間片）的區別如下：

• 示例：A、B 兩台主機共享一條鏈路，A 在 0-2 秒傳分組、B 在 2-4 秒傳分組、4-5 秒鏈路空閒，時間片隨分組傳輸 “動態分配”，無浪費。

⑤分組交換的定量優勢分析（老師課堂例題）

通過 “1Mbps 鏈路支持用户數量” 的對比，體現分組交換的資源共享優勢：

• 已知條件：鏈路帶寬 1Mbps；每個用户活躍時需 100kbps 帶寬，且僅 10% 時間活躍（突發性）。

  • 1）電路交換支持用户數：

    因資源獨享，每個用户需預留 100kbps，故支持數量為 \(\frac{100 kbps}{1 Mbps} = 10 個\text{}\)（即使 90% 時間空閒，資源也無法給他人用）。

  • 2）分組交換支持用户數：

    假設支持 35 個用户，計算 “任意時刻活躍用户≤10 個” 的概率（因 10 個用户需 1Mbps，超過則擁塞）：

    • 單個用户活躍概率 p=0.1，不活躍概率 1−p=0.9；
    • 活躍用户數≤10 的概率為\(\sum_{n=0}^{10} \binom{35}{n} p^{n} (1-p)^{35-n}≈99.6%\)，僅 0.4% 概率出現擁塞；
    • 結論：分組交換在 99.6% 的情況下可支持 35 個用户，遠超電路交換的 10 個，資源利用率顯著更高。

• 補充：為何按 “≤9 個用户” 計算更嚴謹？—— 分組交換中 “流量強度（La/R，L 為分組長度、a 為到達速率、R 為鏈路帶寬）” 不能等於 1（滿負荷時隊列會無限增長），需預留一定冗餘，故實際按 “≤9 個活躍用户” 計算，擁塞概率更低。

⑥分組交換的核心問題與需求平衡

• 問題：分組交換的 “可變延遲” 和 “分組丟失” 無法滿足部分對 “帶寬 / 延遲有保障” 的應用（如流媒體、IP 電話）；
• 需求：需在分組交換網絡中模擬電路交換的 “性能保障”（如為特定應用預留帶寬），這一問題將在 “多媒體網絡” 章節深入講解。

（3）兩種交換方式的核心對比

1.3.3網絡核心的關鍵功能：轉發與路由

分組交換網絡的核心功能由 “轉發” 和 “路由” 配合實現，二者共同保障分組從源到目標的準確傳輸：

• 本質：路由是 “規劃路徑”，轉發是 “按路徑執行”，二者協同完成數據交換。

1.3.4分組交換的兩種具體實現：數據報與虛電路

根據網絡層是否建立 “連接”，分組交換分為數據報網絡和虛電路網絡兩種類型：

（1）數據報網絡（Datagram Network）

①核心特點（無連接）

• 通信前無需建立連接：源主機直接將數據拆分為分組，每個分組攜帶目標主機的完整地址（如 IP 地址）；
• 分組獨立路由：每個分組的傳輸是 “獨立的”，即使是同一源 - 目標的多個分組，也可能因路由表動態變化（如鏈路故障）走不同路徑，可能出現 “分組失序”；
• 交換節點無狀態：路由器僅維護 “路由表”，不記錄 “源 - 目標的通信狀態”（即 “無狀態路由器”），收到分組後僅查路由錶轉發，不關心分組屬於哪個通信。

②示例（類比寄信）

• 源主機（如小明）將多封 “信”（分組）寫清目標地址（如小紅的地址），交給 “郵局”（路由器）；
• 每個郵局根據地址獨立決定 “送信路線”（如第一封信走陸路、第二封信走空運），不記錄小明和小紅的通信關係；
• 最終所有信（分組）均能到達小紅（目標主機），但可能先後順序不同。

③典型案例：互聯網的 IP 網絡（TCP/IP 協議棧的網絡層）

（2）虛電路網絡（Virtual Circuit Network，VC）

①核心特點（有連接）

• 通信前需建立虛電路：通過 “信令” 在源 - 目標之間的交換節點中建立一條 “虛擬路徑”，每個交換節點維護 “虛電路表”（記錄虛電路號與輸出鏈路的映射）；
• 分組攜帶虛電路號：建立虛電路後，分組不再攜帶完整目標地址，僅攜帶 “虛電路號”（VC ID），交換節點通過虛電路號查 “虛電路表” 轉發；
• 交換節點有狀態：路由器需記錄 “虛電路的通信狀態”（如虛電路號、輸入 / 輸出鏈路），若節點宕機，依賴該節點的虛電路均會中斷。

②通信過程（類比打電話）

1. 建立虛電路：源主機發送 “連接請求”（信令），途經的每個交換節點生成 “虛電路表項”（如源→路由器 A：VC 0；路由器 A→路由器 B：VC 2；路由器 B→目標：VC 3），串聯成虛電路；
2. 數據傳輸：源主機發送的分組攜帶 VC ID（如 0），路由器 A 查虛電路表，將 VC ID 改為 2 轉發給路由器 B；路由器 B 再改為 3 轉發給目標，分組沿固定虛電路傳輸，無失序；
3. 釋放虛電路：通信結束後，發送 “釋放請求”，刪除各節點的虛電路表項。

③關鍵區別：虛電路與 TCP 的 “面向連接”

• 虛電路：網絡層連接—— 連接狀態（虛電路表）存在於 “所有途經的交換節點”（路由器）；
• TCP 面向連接：傳輸層連接—— 連接狀態（如 TCB）僅存在於 “源主機和目標主機”（端系統），中間路由器無狀態，不記錄 TCP 連接信息。

④典型案例：X.25、ATM 網絡（傳統電信數據網，現較少使用）

（3）數據報與虛電路的核心對比

1.3.5總結

1. 網絡核心的本質：通過交換節點和鏈路，以 “電路交換” 或 “分組交換” 實現數據交換，分組交換因 “資源共享、適合突發通信” 成為互聯網的核心方式；
2. 電路交換的侷限：資源獨享導致利用率低、連接建立時間長，僅適合傳統電話網；
3. 分組交換的核心：以 “存儲 - 轉發” 和 “統計多路複用” 為基礎，雖有延遲和丟失風險，但資源利用率高，通過 “轉發 + 路由” 和 “數據報 / 虛電路” 兩種實現適配不同場景；
4. 關鍵結論：計算機通信的 “強突發性” 決定了分組交換的適用性，是現代數據網絡的主流技術。

1.4 接入網和物理媒體

1.4.1接入網絡和物理媒體概述

（1）接入網的核心定位與關聯場景

• 核心作用：作為 “網絡邊緣（端系統，如手機、電腦）” 與 “網絡核心（路由器集羣）” 的連接橋樑，同時順帶介紹網絡核心的物理媒體（如骨幹鏈路的光纖）------ 核心網同樣依賴物理媒體，本節課借接入網統一講解。
• 關鍵關聯：接入網的 “最後一公里” 決定用户體驗，例如家庭光纖到户 vs 有線電視共享帶寬，高峯時段速率差異顯著。

（2）核心指標詳解（帶寬 + 共享 / 專用）

（3）運營商早期接入思路

• 早期難題：直接鋪專線到每户（如長城寬帶）投入大、收益慢，100 萬人民幣被出售，因支撐不起前期成本；
• 替代方案：利用現有資源（電話線、有線電視同軸電纜），降低部署成本，快速接入大量用户（如撥號 Modem 用電話線、Cable 用同軸電纜）。

1.4.2住宅接入:modem

（1）技術原理（調製解調）

• 名稱來源：由 “調製（Modulate）” 和 “解調（Demodulate）” 組成，用户端 Modem（貓）將數字信號（0/1）調製到音頻載波，局端 “Modem 池” 解調提取數據；
• 調製方式：
  • 調幅：高幅度音頻（如 3KHz）持續一段時間代表 “1”，低幅度代表 “0”；
  • 調頻：2KHz 音頻代表 “1”，3KHz 代表 “0”；
  • 調相 / 綜合調製：更復雜的信號調整（基於通信原理），提升數據傳輸效率。

（2）侷限性與淘汰原因

• 帶寬瓶頸：電話線僅保障 4KHz 帶寬（人類語音頻率 300-3400Hz），實際速率 30-56Kbps，無法滿足大文件傳輸（如 90 年代下載一首歌曲需數十分鐘）；
• 獨佔線路：上網時佔用電話線，無法同時打電話（“打電話就斷網，斷網才能打電話”）；
• 時代替代：90 年代中後期常見，21 世紀後被 DSL、光纖取代。

1.4.3接入網: digital subscriber line (DSL)

（1）核心改進：頻段劃分與並行通信

• 頻段分離：0-4KHz 保留給語音通信，4KHz 以上頻段用於互聯網數據傳輸，通過 “分離器（splitter）” 區分兩類信號，實現 “打電話與上網並行”；
• 非對稱特性：下行帶寬（用户下載）遠大於上行帶寬（用户上傳），即 “ADSL（非對稱數字用户線）”------ 課件中 “<24Mbps 下行” 是理論值，實際因線路質量多為 10Mbps，上行 1 - 幾 Mbps（符合老師提到的 “下行 10 兆、上行 1 兆”）。

（2）技術適配場景

• 依賴 “電話線到交換局（CO）的短距離”：城市中 CO 距離用户近（通常 1-3 公里）、線路質量好，4KHz 以上頻段可挖掘額外帶寬；
• 現狀：部分老舊小區仍在使用，逐步被 “光纖到户（FTTH）” 替代（光纖帶寬更高、穩定性更強）。

1.4.4接入網：線纜網絡

（1）技術原理：雙向改造與頻段分配

• 雙向改造背景：原有有線電視同軸電纜是 “單向廣播”（僅電視台到用户），需改造為雙向 —— 劃分頻段：
  • 下行頻段：傳統數字電視信號 + 互聯網下行數據（頭端到用户）；
  • 上行頻段：互聯網上行數據（用户到頭端）；
  • 控制頻段：預留帶寬用於接入控制（協調多用户上行帶寬）。
• HFC 架構：“光纖（頭端到小區）+ 同軸電纜（小區到用户）”，即課件中 “hybrid fiber coax”。

（2）共享帶寬的問題與現狀

• 共享侷限：所有用户共享 “用户到頭端” 的鏈路，例如 200 户共享 30Mbps 下行，晚高峯每户實際速率僅 150Kbps 左右（老師提到 “共享帶寬導致高峯擁堵”）；
• 業務萎縮：因 “光纖到户 + IPTV” 普及，大量用户退訂有線電視的上網 / 電視服務（如老師家庭 “去年已退訂”），傳統數字廣播和互聯網接入業務持續萎縮 —— 光纖是專用鏈路，帶寬更有保障，替代優勢明顯。

（3）延伸接入方式：電力線接入

• 原理：利用電網線路，通過 “電力調制解調器（Power Modem）” 傳輸數據；
• 現狀：國外有應用，國內因電網干擾大、速率不穩定，極少使用（老師提到 “國內用户少”）。

1.4.5住宅接入：電纜模式

• HFC 實際架構：“光纖（頭端到小區）+ 同軸電纜（小區到用户）”，課件圖示對應此結構；
• 帶寬現狀：雖支持最高 30Mbps 下行，但因共享特性，實際體驗差，目前被光纖到户替代 —— 光纖是 “用户到機房專用鏈路”，帶寬更穩定（如 1Gbps），且支持 IPTV 點播（替代傳統有線電視）。

1.4.6接入網：家庭網絡

（1）組合設備的核心功能（“一體機” 特性）

• 集成功能：現代家庭 “光貓 / DSL 貓 + 無線路由器” 一體機，同時具備：
  • 調製解調：轉換光信號（光纖）/ 電信號（DSL）；
  • 路由功能：NAT（網絡地址轉換，將內網 IP 轉為公網 IP）、防火牆（攔截惡意訪問）、DHCP（自動分配內網 IP）；
  • 交換功能：局部設備通信（如手機投屏到電視、電腦傳文件到平板），無需經互聯網；
  • 無線接入：支持 WiFi（符合 802.11 標準），接入手機、平板等無線設備。
• 成本優勢：設備價格低廉，家庭只需一台設備即可實現 “多終端有線 + 無線接入”（老師提到 “現在設備很便宜”）。

1.4.7企業接入網絡 (Ethernet)

（1）企業 / 校園接入案例（以中科大為例）

• 層級級聯架構：

  房間終端（有線 / 無線 AP）→ 樓層交換機 → 大樓交換機 → 校區核心交換機（西區→東區）→ 機構路由器 → 多 ISP 出口（中國電信、中國移動、教育網、中科院網絡等）；

• 多出口優勢：可選擇不同 ISP 鏈路，同時作為 “安徽省屬高校接入點”—— 其他省屬高校通過中科大接入教育網 / 互聯網（老師提到 “科大出口有十幾個，支持多網絡接入”）。

（2）以太網帶寬演進

• 速率升級：10Mbps（早期以太網）→ 100Mbps（快速以太網）→ 1Gbps（千兆以太網，家庭 / 工作室常用）→ 10Gbps（萬兆以太網，數據中心用，支撐深度學習大數據傳輸）；
• 核心優勢：帶寬充足，局域網內通信延遲低（如企業服務器間數據交換）。

1.4.8無線接入網絡

（1）無線 LAN（WiFi）細節

• 標準升級：802.11b（11Mbps）→ 802.11g（54Mbps）→ 802.11n（540Mbps）→ WiFi 6/7（Gbps 級），帶寬持續提升；
• 覆蓋與共享：覆蓋範圍 100 英尺（約 30 米），小範圍共享（如家庭 3-5 台設備共享 54Mbps 帶寬），牆體遮擋會減弱信號。

（2）廣域無線接入（3G/4G/5G）

• 5G 特性：
  • 優勢：部署密度高（需微基站）、接入帶寬高（數 Gbps）；
  • 問題：能耗大，缺乏 “殺手級應用”（如老師比喻 “高速公路跑拖拉機”）—— 運營商部署積極性不高，用户套餐響應度低；
  • 我國優勢：5G 核心設備生產遠超歐美，是高技術領域領先的標誌（老師提到 “自豪的點”）。
• 移動互聯時代：2006-2007 年進入移動互聯時代，目前通過移動設備（手機）訪問互聯網的數量、電子商務交易量，已超過傳統有線方式（老師強調 “移動互聯佔比超有線”）。

（3）其他無線技術：無線光通信

• 原理：中科大信息學院中科院重點實驗室研發 —— 通過 LED 光源（發送端）和攝像頭（接收端），在開放空間傳輸光信號，還原數據；
• 優勢：利用光的高帶寬，無需鋪線；
• 現狀：未普及，潛力待挖掘（如 Li-Fi，利用室內 LED 燈實現上網）。

1.4.9物理媒體

1. 物理媒體分類核心差異

2. 光纖 / 光纜深度解析

• 發明與意義：華人科學家高錕發明，獲諾貝爾獎，是 “光通信革命”—— 將銅介質帶寬放大無數倍，支撐骨幹網傳輸（老師強調 “革命性技術”）；
• 傳輸原理：全反射 —— 光纖內芯折射率 > 外層（外層視為空氣），光信號滿足入射角度條件時，完全在內芯傳播，無泄漏（確保安全）；
• 分類與應用：
  • 單模光纖：芯徑細，僅垂直方向光信號傳輸，傳距遠（百公里級），成本高，用於骨幹網（如太平洋海底光纜）；
  • 多模光纖：芯徑粗，一定角度光信號可傳輸，傳距近、成本低，用於短距（如小區內部）；
• 優勢：帶寬 Tbps 級、低誤碼率（不受電磁干擾）、安全（需割開才能竊聽，老師提到 “某些國家割海底光纜截獲數據”）。

3. 衞星通信細節

• 同步靜止衞星：軌道高（數萬公里），端到端延遲 270ms，單信道速率 Kbps-45Mbps，覆蓋廣但延遲高；
• 低軌衞星（如星鏈）：軌道低、高速運轉，延遲低（50ms），但單星覆蓋用户有限（老師提到 “適合軍方 / 偏遠地區，無法取代 5G”）—— 用户數量少，帶寬共享後速率有限。

1.4.10本節課核心總結

1. 接入網邏輯：邊緣端系統→接入網（住宅 / 企業 / 無線）→網絡核心，核心指標是帶寬和共享 / 專用，光纖是當前最優接入方式；
2. 物理媒體選擇：長距高帶寬用單模光纖，短距低成本用雙絞線 / 多模光纖，移動場景用無線 / 衞星；
3. 技術趨勢：5G 需解決殺手級應用和能耗問題，無線光通信是潛在方向，光纖逐步替代銅介質和共享鏈路。

1.5 Internet結構和ISP

1.5.1互聯網結構的本質：“網絡的網絡”

（1）概述

• 端系統需通過接入 ISP（Internet Service Providers，互聯網服務提供商） 連接到互聯網；所有接入 ISP 必須互聯，才能實現任意兩個端系統間的分組傳輸，因此互聯網的本質是 “網絡的網絡”（由多個 ISP 的網絡通過路由器等互聯設備構建而成）。
• 互聯網結構的演化受經濟政策和技術可行性雙重驅動，需通過 “漸進式分析” 理解其收斂到當前結構的必然性。

（2）實例

①ISP 網絡的定義

　　將 “關係密集” 的設備（含交換設備、鏈路、主機）構成的子系統稱為一個 ISP 網絡，例如中國教育科研網（CERNET）、中國科技大學（科大）校園網、中國移動 / 中國聯通的運營商網絡等，均屬於不同的 ISP 網絡。

②端系統接入的實際場景：

• 個人用户：移動手機通過中國移動 / 聯通的 ISP 接入，家庭電腦通過寬帶 ISP（如電信寬帶）接入；
• 機構用户：科大的電腦通過 “科大校園網 ISP” 接入（基本免費）；
• 移動接入與固定接入的區別：家庭接入是 “固定位置”（接入到特定 ISP），手機接入是 “移動位置”（在有對應基站的區域均可接入所屬 ISP）。

③“網絡的網絡” 的通俗理解：

　　互聯網不是單一網絡，而是 “一堆 ISP 網絡通過路由器連起來的集合”，這也是 “Internet”（小寫 “i” 表示互聯網絡）的命名來源。

1.5.2接入 ISP 的互聯挑戰：可擴展性問題

（1）課件核心內容

• 若存在 N 個接入 ISP，若採用 “全連接” 方式（每兩個接入 ISP 直接相連），需 O (N²) 條連接，不可擴展（當 N 達到幾十萬、上百萬時，連接成本極高，系統性能會急劇下降）。

（2）分析

• 不可擴展的本質原因：“全連接” 的連接數量隨接入 ISP 數量呈平方級增長，例如 10 萬接入 ISP 需約 10¹⁰條連接，技術上難以實現、經濟上成本失控。
• 術語提示：“可擴展性” 對應英文 “scalability”，需注意計算機網絡術語中文翻譯可能不統一，但英文表述相對統一（後續看文獻 / 教材時需關注英文術語）。

1.5.3ISP 的層次結構：從 “全局” 到 “本地” 的演化

（1）核心內容

互聯網形成鬆散的層次結構，從頂層到底層依次為：

1. 全局 ISP（Global ISP）：覆蓋國家 / 國際範圍，部署高速路由器與鏈路，負責連接大量區域 ISP 和接入 ISP，帶寬極高（如 1Gbps 以上）；
2. 區域 ISP（Regional ISP）：覆蓋特定區域（如一個國家的某個省份、多個州），負責連接本地 ISP 和接入 ISP，提供 “精細化區域服務”；
3. 本地 ISP / 接入 ISP：最靠近端系統的 ISP，直接連接個人 / 家庭 / 機構的端系統（如小區寬帶 ISP、校園網 ISP）。

2.實例

（1）全局 ISP 的出現：經濟驅動的必然

• 出現邏輯：“接入 ISP 互聯” 存在 “有利可圖” 的商業空間 —— 若某運營商在全球部署高速路由器與鏈路，將所有接入 ISP 接入自己的網絡，即可通過 “流量結算” 盈利（如按包月、按流量計費），因此必然有企業參與構建全局 ISP。
• 競爭與合作的共存：
  • 競爭：若某全局 ISP 服務差、價格高，會有其他企業（如另一家運營商）部署自己的全局 ISP 參與競爭（例：美國的 Level 3、Sprint、AT&T，中國的電信、聯通骨幹網）；
  • 合作：全局 ISP 間會通過 “對等互聯” 減少成本 —— 例如 ISP A 接入了一批區域 ISP，ISP B 接入了另一批區域 ISP，二者無需重複部署鏈路，只需互相開放網絡（“你的客户通過我訪問我的客户，我的客户通過你訪問你的客户”），且若雙向流量基本對等，通常不涉及費用結算。

（2）區域 ISP 的出現：業務細分的結果

• 出現邏輯：全局 ISP 覆蓋範圍廣但 “顆粒度粗”，部分運營商可專注於 “區域服務”（如僅覆蓋中國安徽省、美國加州），部署更多本地鏈路和路由器，將大量本地 ISP / 接入 ISP 接入，再通過全局 ISP 連接到其他區域，實現 “精細化服務 + 成本控制”。

（3）本地 ISP 的角色：端系統的 “直接入口”

• 本地 ISP 是端系統接入互聯網的 “最後一公里”，例如小區的寬帶服務商、企業的局域網 ISP、學校的校園網 ISP；
• 本地 ISP 需通過區域 ISP 或全局 ISP 接入更大的網絡，才能實現與其他端系統的通信。

（4）實例：美國 BBN/GTE 骨幹網與中國科大校園網

• 美國 BBN/GTE 骨幹網：典型的全局 ISP，覆蓋北美範圍，節點數量少但帶寬極高（如 10Gbps），通過區域 ISP 接入大量本地 ISP；
• 中國科大校園網：屬於本地 ISP，通過中國教育科研網（區域 ISP）接入中國的骨幹網（全局 ISP），最終連接到全球互聯網；且科大采用 “多宿（multi-home）” 策略 —— 同時接入多個 ISP（如教育網、電信、聯通），避免單一 ISP 故障導致斷網。

1.5.4ISP 互聯的關鍵設施：ISP 與 POP

（1）核心內容

• IXP（Internet Exchange Point，互聯網交換點）：多個 ISP（含全局、區域 ISP）在此互聯，實現網間流量交換，通常不涉及費用結算；
• POP（Point of Presence，存在點）：高層 ISP（如全局 ISP）面向低層 ISP（如區域 ISP）的 “接入點”，低層 ISP 通過 POP 接入高層 ISP，涉及費用結算（低層 ISP 向高層 ISP 付費）。

（2）補充與解釋

①IXP 的作用：“多 ISP 互聯的樞紐”

• 若多個 ISP（如 ISP A、B、C）需互聯，無需兩兩建立對等鏈路，只需均接入同一個 IXP，即可在 IXP 內完成 A→B、B→C、C→A 的流量交換，大幅減少連接成本；
• 實際案例：全球知名 IXP 如美國的 Equinix、中國的上海互聯網交換中心（SIX），均是骨幹 ISP 流量交換的核心節點。

②POP 的作用：“層次間的接入接口”

• POP 是高層 ISP 的 “客户服務點”，例如全局 ISP 在某城市部署 POP，區域 ISP 可將自己的路由器接入該 POP，從而使用全局 ISP 的網絡資源；
• 費用結算：區域 ISP 需向全局 ISP 支付費用（如按帶寬付費），才能通過 POP 接入全局網絡。

1.5.6內容提供商網絡（ICP）：超越傳統 ISP 的補充

1. 課件核心內容

• 大型內容提供商（如 Google、Microsoft、Akamai）會構建私有內容網絡，將數據中心（DC）部署在靠近端系統的位置，通過私有鏈路連接各 DC，減少對傳統 ISP 的依賴，提升用户體驗並降低運營成本。

2. 補充與實例

（1）ICP 與 ISP 的區別

• ISP：提供 “網絡接入服務”（讓端系統連入互聯網），如中國移動、聯通、電信；
• ICP（Internet Content Provider，互聯網內容提供商）：提供 “互聯網內容 / 服務”，如百度（搜索）、谷歌（地圖 / 搜索）、微信（社交）、淘寶（電商）。

（2）ICP 構建私有網絡的原因

1. 成本控制：若 ICP 依賴傳統 ISP 接入互聯網，需向 ISP 支付高額帶寬費用（如谷歌全球數十億用户訪問其服務器，帶寬成本極高）；
2. 用户體驗：若 ICP 的服務器僅部署在少數地區（如谷歌僅在美國有服務器），南非用户訪問需跨越多個 ISP，延遲高、丟包率高；
3. 服務質量保障：傳統 ISP 的網絡擁塞會影響 ICP 服務，私有網絡可自主控制帶寬和路由。

（3）ICP 私有網絡的部署實踐

• 全球數據中心（DC）部署：谷歌、微軟在全球部署數十個 DC（如中國貴州、北極、海底），選址考慮：
  • 環境：貴州（高山峻嶺，地震少，山洞温度低，水資源豐富利於降温）、北極（天然低温，無需額外降温成本）、海底（用水介質降温，成本低）；
  • 位置：靠近核心 ISP 的 POP 或 IXP，便於用户快速接入（如用户通過本地 ISP→區域 ISP→ICP 的 DC，無需經過多層全局 ISP）；
• 私有鏈路連接：ICP 通過 “自建光纜” 或 “租用專線” 連接全球 DC，例如谷歌租用船隻在海底鋪設光纜，潛水員協助將光纜拉至岸邊；
• 服務邏輯：本地用户訪問本地 DC 的內容（如中國用户訪問谷歌上海 DC 的地圖數據），需跨區域內容時通過私有鏈路調用其他 DC 的資源（如上海 DC 無某數據，通過私有鏈路從美國 DC 獲取），避免佔用傳統 ISP 的帶寬。

（4）國內 ICP 的特殊策略：“提速降費” 呼籲

• 國內 ICP（如騰訊、阿里）除部署私有網絡外，還會向政府呼籲 “提速降費”—— 因國內 ISP 多為央企（如移動、聯通），政府可通過政策引導 ISP 降低帶寬費用、提升網速，間接降低 ICP 的運營成本並提升用户體驗。

1.5.6ISP 之間的連接方式

1. 課件核心內容

ISP 間的連接分為三類：

1. 層次接入（POP 接入）：低層 ISP 通過高層 ISP 的 POP 接入，涉及費用結算（如本地 ISP→區域 ISP→全局 ISP）；
2. 對等互聯（Peering Link）：兩個 ISP（通常是同層次，如兩個全局 ISP）直接連接，雙向流量對等時不涉及費用結算；
3. IXP 互聯：多個 ISP 接入 IXP 實現互聯，通常不涉及費用結算。

2. 補充與實例

• 層次接入實例：科大校園網（本地 ISP）通過中國教育科研網（區域 ISP）的 POP 接入，中國教育科研網再通過中國電信骨幹網（全局 ISP）的 POP 接入，科大需向教育網付費，教育網需向電信付費；
• 對等互聯實例：中國電信骨幹網（全局 ISP）與美國 AT&T 骨幹網（全局 ISP）建立對等鏈路，雙向流量基本對等，無需互相付費；
• IXP 互聯實例：中國電信、聯通、移動均接入上海互聯網交換中心（SIX），三者的用户間流量可在 SIX 內交換，無需兩兩建立對等鏈路。

1.5.7本節課核心總結

1. 互聯網結構本質：由多個 ISP 網絡通過路由器互聯而成的 “網絡的網絡”，呈鬆散的層次結構（全局 ISP→區域 ISP→本地 ISP / 接入 ISP），且有 ICP 的私有網絡作為補充；
2. 關鍵驅動因素：經濟（盈利空間促使 ISP 競爭與合作）、技術（可擴展性需求推動層次結構形成）、用户體驗（ICP 部署私有網絡提升服務質量）；
3. 核心設施與連接：IXP（多 ISP 互聯樞紐）、POP（層次間接入點），連接方式包括層次接入、對等互聯、IXP 互聯；
4. 實際角色區分：
   • ISP：提供接入服務（移動、聯通、教育網）；
   • ICP：提供內容服務（谷歌、百度、騰訊）；
   • 端系統：通過接入 ISP 接入互聯網，訪問 ICP 的服務。

1.6 分組延時、丟失和吞吐量

1.6.1分組交換的優勢與代價

回顧網絡核心的數據交換方式，主要分為電路交換和分組交換：

• 電路交換因連接建立時間長、資源獨享（不適合計算機通信的突發性），不適合計算機間通信；
• 互聯網採用分組交換，優勢是資源按需共享、適合突發數據傳輸，但代價是存在更多延遲和分組丟失風險，本節重點分析這兩類性能指標及吞吐量。

1.6.2分組丟失及原因

（1）核心機制

路由器的每條輸出鏈路對應一個有限容量的隊列：

• 分組到達後，路由器通過查路由表確定輸出鏈路；
• 若鏈路空閒，直接傳輸；若鏈路忙，分組需在隊列中等待；
• 若隊列已滿（溢出），分組將被丟棄，這是分組丟失的核心原因。

（2）隊列不能無限長的原因

若將路由器隊列設計為極大容量（如 100T），分組雖不丟失，但排隊時間可能長達數天，遠超用户 / 應用的延遲容忍上限（到達後無實際意義，如實時通信、視頻通話無法接受），因此隊列容量需合理設計。

（3）排隊的必要性

當多分組（如藍、綠、黃分組）競爭同一條鏈路時，若鏈路帶寬（如 100Mbps）小於瞬時到達的總數據量（如 150Mbps），多餘分組必須排隊等待，避免鏈路資源過載。

（4）分組丟失後的重傳機制

分組丟失後是否重傳，取決於鏈路層服務可靠性及上層協議，分三種情況：

• 上一跳重傳：若鏈路層提供可靠服務（如 WiFi），物理介質（無線）不可靠，鏈路層通過 “發送 - 應答” 機制，上一跳未收到應答則重傳，直至成功；
• 原主機重傳：若鏈路層提供不可靠服務（如以太網，物理介質可靠，鏈路層不做可靠性保障），由上層協議（如 TCP）負責重傳 ——TCP 通過 “應答機制”，未收到目標端應答則原主機重傳；
• 不重傳：若應用使用 UDP 協議（如流媒體、語音通話），因對可靠性要求低，丟包後不重傳，直接放棄。

（5）鏈路層可靠性的設計邏輯

鏈路層是否提供可靠服務，取決於物理介質的可靠性：

• 物理介質可靠（如以太網的雙絞線、光纖）：鏈路層放棄可靠性設計（避免冗餘開銷），丟包由上層處理；
• 物理介質不可靠（如無線鏈路）：鏈路層 “亡羊補牢”，通過重傳等機制提供可靠服務，降低整個協議棧的錯誤處理代價。

1.6.3分組延時

分組從源端到目標端的總延時，由每一跳（路由器 / 鏈路）的四種延時疊加而成，每跳的延時構成如下：

（1）四種延時的定義與細節（課件 + 老師講解）

（2）多跳場景的延時特點

從源主機到目標主機需經過多跳（如 A→路由器 1→路由器 2→B），每一跳均需經歷四種延時：

• 不同跳的鏈路技術（如光纖、無線）和擁塞程度不同，導致各跳的延時存在差異；
• 總延時為所有跳的 “處理 + 排隊 + 傳輸 + 傳播” 延時之和。

1.6.4吞吐量

（1）課件核心定義

• 吞吐量：單位時間內從源端到目標端有效傳輸的比特數（區別於鏈路帶寬，帶寬是鏈路最大傳輸能力）；
• 分類：瞬間吞吐量（短時間內的速率）、平均吞吐量（長時間的平均速率）；
• 端到端吞吐量：無其他用户共享時，等於路徑中最小鏈路帶寬（瓶頸鍊路，木桶效應）。

（2）補充講解

①吞吐量的 “瓶頸鍊路” 邏輯

• 比喻：源到目標的傳輸路徑類似 “多段管道串聯”，管道粗細對應鏈路帶寬，總吞吐量由最細的管道（瓶頸鍊路）決定；
• 實例：若路徑為 “源（Rs=2Mbps）→鏈路 1（R1=10Mbps）→鏈路 2（R2=1Mbps）→目標（Rc=5Mbps）”，無其他用户時，端到端吞吐量 = min {2,10,1,5}=1Mbps（鏈路 2 為瓶頸）。

②實際場景：鏈路共享對吞吐量的影響

分組交換中鏈路為多用户共享，需考慮 “共享後的實際帶寬”：

• 若某鏈路帶寬為R，有N個用户同時通信（TCP 協議保證公平性），每個用户獲得的實際帶寬約為R/N；

• 端到端吞吐量需計算每段鏈路共享後的帶寬，取其中最小值。

  實例：路徑三段鏈路：

  1. 鏈路 1（R=8Mbps，8 個用户共享）→ 實際帶寬8/8=1Mbps；

  2. 鏈路 2（R=12Mbps，12 個用户共享）→ 實際帶寬12/12=1Mbps；

  3. 鏈路 3（R=10Mbps，10 個用户共享）→ 實際帶寬10/10=1Mbps；

     端到端吞吐量 = min {1,1,1}=1Mbps。

1.6.5延時測量工具：traceroute 原理（課件 + 老師重點講解）

traceroute 用於測量從源端到目標端的每跳往返延遲及路徑中的路由節點 IP，核心依賴ICMP 協議和IP 頭部的 TTL 字段。

（1）關鍵技術基礎

• TTL（Time to Live，生存時間）：IP 頭部字段，分組每經過一個路由器，TTL 減 1；若 TTL 減為 0，路由器丟棄分組，並向源端發送ICMP 超時報文（告知分組因 TTL 耗盡被丟棄）；
• ICMP 協議：互聯網控制報文協議，用於傳輸差錯報告（如 TTL 超時、端口不可達）。

（2）工作流程

1. 第一輪測試（測第 1 跳）：
   • 源端發送 3 個探測分組，TTL 設為 1，目標 IP 為目標主機；
   • 分組到達第 1 個路由器，TTL 減為 0，路由器丟棄分組，返回 ICMP 超時報文（包含自身 IP）；
   • 源端計算 “發送探測包→接收 ICMP 報文” 的時間差，即為第 1 跳的往返延遲（測 3 次取平均）。
2. 後續測試（測第 2 跳、第 3 跳...）：
   • 逐輪將 TTL 設為 2、3...，每輪探測分組到達對應跳數的路由器時，TTL 耗盡並返回 ICMP 超時報文，源端記錄該跳 IP 和往返延遲。
3. 測試終止條件：
   • 當探測分組成功到達目標主機時，因分組指定的 “目標端口” 無應用進程監聽，目標主機向源端發送ICMP 目標端口不可達報文；
   • 源端收到該報文，確認已到達目標，終止測試。

（3）典型實例

• 越洋鏈路的延遲陡增：如從中國主機到美國主機，前 7 跳（國內鏈路）往返延遲約 22ms，第 8 跳（越洋光纖）延遲陡增至 100+ms，因鏈路物理距離大幅增加（傳播延時主導）。

1.6.6關鍵結論

1. 分組交換的性能瓶頸：延遲（四種延時疊加）和丟失（隊列溢出），需通過流量控制（避免流量強度 = 1）、鏈路層可靠性設計緩解；
2. 吞吐量由 “瓶頸鍊路” 決定，實際場景中需考慮鏈路共享後的帶寬；
3. traceroute 是分析網絡路徑和延遲的核心工具，依賴 TTL 和 ICMP 協議實現；
4. 鏈路層可靠性設計遵循 “按需原則”：物理介質可靠則簡化鏈路層，不可靠則增強鏈路層可靠性。

1.7 協議層次及服務模型

1.7.1引言：網絡複雜性與分層必要性

1. 網絡的複雜性

   計算機網絡是人類構建的規模最大、最複雜的人工系統之一：包含數百億設備、幾十億用户、數千種流行應用；需實現局部點到點傳輸、端到端路由、可靠數據傳輸、複雜應用交互等多元功能，直接設計實現難度極高。

2. 解決複雜問題的思路

   • 模塊化思路：將複雜功能分解為多個模塊，但模塊間調用關係靈活（可跨模塊調用），並非網絡首選。
   • 分層思路（網絡核心方法）：將複雜功能分解為功能明確的層次，僅允許相鄰層次間調用（禁止 / 不推薦跨層調用）。每一層通過層間接口向上層提供 “服務”，藉助下層服務與對等層實體交互，最終實現整體複雜功能（互聯網、各類計算機網絡均採用此思路）。

1.7.2分層思想的直觀理解（實例類比）

（1）異地哲學家交流案例（核心類比）

場景：兩位異地哲學家使用不同語言（如英語、德語）進行哲學思想交流，通過三層結構解決問題：

關鍵啓示：

• 每層僅關注自身功能，依賴下層服務完成任務，對上層透明（如秘書層更換傳遞方式，不影響翻譯層和哲學家層）；
• 對等層（如兩個翻譯、兩個秘書）需遵守 “協議”（規則集合）實現交互。

（2）其他輔助類比

• 軍隊指揮體系：師長→團長→連長→士兵，每層僅向下級下達任務，上級無需直接指揮士兵，避免混亂（對應分層中 “相鄰層交互” 原則）。
• 航線系統（課件案例）：票務、行李託運、登機、飛行、着陸等環節分層處理，某環節優化（如登機流程）不影響其他環節。

1.7.3核心概念辨析

（1）服務（Service）

• 定義（課件原文）：低層實體向上層實體提供它們之間的通信能力，是垂直關係（層間交互）。
• 關鍵屬性：
  • 服務是 “功能的子集”：低層僅開放部分功能供上層使用，未開放的功能不構成服務；
  • 服務的構成：不僅包含下層自身功能，還包含所有更底層服務的總和（如團長的服務 = 連長 + 士兵的服務 + 團長間交互的新功能）；
  • 實例：TCP 實體向 Web、FTP、Telnet 等應用提供服務（TCP 是服務提供者，應用是服務用户）；socket API 是傳輸層嚮應用層提供服務的 “接口形式”。

（2）協議（Protocol）

• 定義（課件原文）：對等層實體（同一層次的不同節點）之間交換的報文格式和次序，以及在報文傳輸 / 接收或其他事件方面所採取的動作，是水平關係（對等層交互）。
• 關鍵屬性：
  • 協議的實現依賴下層服務：對等層實體需藉助下層提供的通信能力，才能交換協議數據單元（PDU）；
  • 協議的目的：通過對等層交互，向上層提供 “更優服務”（如 TCP 協議通過確認、重傳等動作，將 IP 層的不可靠服務轉為可靠服務）；
  • 實例：TCP 協議（對等 TCP 實體約定報文段格式、連接建立 / 釋放流程）、IP 協議（對等 IP 實體約定分組格式、路由規則）。

（3）服務與協議的關係（老師重點強調）

（4）服務訪問點（SAP）與原語（Primitive）

①服務訪問點（SAP）

• 定義（課件原文）：層間接口上用於區分不同上層用户的 “地點”，是低層實體識別上層服務用户的標識。
• 實例：
  • 傳輸層的 SAP 是 “端口”（如 Web 服務用 80 端口，FTP 用 21 端口），確保 TCP 實體將數據正確交付給對應的應用（Web/FTP）；
  • 順豐快遞的 “收件人手機號 / 地址”：區分不同用户的快遞，避免混淆。

②原語（Primitive）

• 定義（課件原文）：上層使用下層服務、下層向上層提供服務的 “形式”，是層間交互的 “操作規範”。
• 實例：
  • socket API 中的函數（socket()創建連接、send()發送數據、close()關閉連接）：應用層通過這些 “原語” 使用傳輸層服務；
  • 順豐快遞的 “寄件 / 收件 / 查件” 操作：用户通過這些 “原語” 使用快遞服務。

（5）數據單元（DU）：SDU、IDU、PDU

①核心定義（課件原文）

②SDU 與 PDU 的關係（老師舉例）

• 一對一：SDU 大小適中，直接加本層頭部形成 1 個 PDU（如短 HTTP 報文→1 個 TCP 段）；
• 一對多：SDU 過大，拆分後每部分加本層頭部形成多個 PDU（如長文件→多個 TCP 段）；
• 多對一：SDU 過小，合併後加本層頭部形成 1 個 PDU（如多個短 UDP 數據報→1 個 IP 分組）。

1.7.4分層的優缺點（課件 + 老師補充）

（1）優點

• 分而治之：將複雜問題分解為多個簡單子問題，每層獨立設計實現（如物理層僅關注比特傳輸，應用層僅關注應用邏輯）；
• 便於技術升級：某層技術優化（如秘書層從馬車改為電報）不影響其他層，只要層間接口不變（“透明性”）；
• 便於交流與標準化：明確的層次劃分和術語（如 PDU、SAP），降低行業協作成本；
• 便於維護：故障定位更精準（如端到端丟包，優先排查網絡層路由）。

（2）缺點

• 效率損耗：數據需逐層封裝 / 解封裝，比 “整體實現” 多一層處理開銷；
• 層次冗餘風險：若層次劃分過細（如 OSI 七層），可能導致層間交互複雜度上升。

1.7.5主流協議棧：TCP/IP 五層模型與 OSI 七層模型

（1）TCP/IP 五層模型（互聯網核心協議棧，課件重點）

（2）OSI 七層模型（ISO 標準化模型，課件對比）

• 層次劃分：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層（比 TCP/IP 多 2 層）；
• 額外層次功能：
  • 會話層：管理通信會話（如建立 / 中斷會話、斷點續傳）；
  • 表示層：數據表示轉換（如加密 / 解密、壓縮 / 解壓縮、字符編碼轉換）；
• 與 TCP/IP 的差異：OSI 的會話層、表示層功能在 TCP/IP 中由應用層自行實現（如 HTTPS 的加密在應用層完成，而非獨立表示層），因此 TCP/IP 更簡潔、更貼合互聯網實際需求。

1.7.6封裝與解封裝（數據傳輸的核心流程，老師詳細演示）

（1）原端（發送方）：封裝過程

1. 應用層：生成應用報文（Message），通過 socket API 交給傳輸層；
2. 傳輸層：將報文加上 TCP/UDP 頭部（如 TCP 的端口、序號），形成報文段（Segment），交給網絡層；
3. 網絡層：將報文段加上 IP 頭部（如源 IP、目標 IP），形成分組（Packet），交給鏈路層；
4. 鏈路層：將分組加上幀頭 / 幀尾（如 MAC 地址、CRC 校驗），形成幀（Frame），交給物理層；
5. 物理層：將幀的比特流轉換為物理信號（如電信號），通過物理介質傳輸。

（2）中間節點：部分解封裝與重新封裝

• 交換機（鏈路層設備）：

  1. 物理層：接收物理信號，還原為幀；

  2. 鏈路層：解析幀頭（獲取目標 MAC 地址），丟棄幀尾，提取分組；

  3. 重新封裝：將分組加上新的幀頭（適配輸出鏈路的 MAC 地址），形成新幀，交給物理層傳輸；

     （僅處理鏈路層及以下，不碰網絡層及以上）

• 路由器（網絡層設備）：

  1. 物理層→鏈路層：解封裝獲取分組；

  2. 網絡層：解析 IP 頭部（獲取目標 IP 地址），查路由表確定輸出端口，提取報文段；

  3. 重新封裝：將報文段加上新的 IP 頭部（若需）、新的幀頭，形成新幀，交給物理層傳輸；

     （處理網絡層及以下，不碰傳輸層及以上）

（3）目標端（接收方）：解封裝過程

1. 物理層：接收物理信號，還原為幀，交給鏈路層；
2. 鏈路層：解析幀頭 / 幀尾，提取分組，交給網絡層；
3. 網絡層：解析 IP 頭部，提取報文段，交給傳輸層；
4. 傳輸層：解析 TCP/UDP 頭部（確定目標端口），提取應用報文，交給應用層；
5. 應用層：處理應用報文（如 Web 瀏覽器渲染 HTML），完成通信。

1.7.7總結（核心要點）

1. 分層是解決網絡複雜性的核心思路：通過 “相鄰層交互、對等層協議、層間服務” 實現複雜功能；
2. 核心概念關係：服務（垂直）是協議（水平）的支撐，協議實現依賴下層服務，目的是向上層提供更優服務；
3. TCP/IP 模型是互聯網基石：五層功能明確，每層 PDU 與協議對應，封裝 / 解封裝是數據傳輸的核心流程；
4. 實例是理解關鍵：異地哲學家、順豐快遞、socket API 等類比，幫助掌握服務、SAP、原語等抽象概念。

1.8歷史

1.8.1 1960 年之前：線路交換的侷限與分組交換的理論萌芽

（1）線路交換網絡的核心問題（不適合計算機通信）

• 線路建立時間過長：相對於計算機通信的突發性，線路建立的時間成本極高。
• 資源獨享浪費：主機間建立的線路資源為專用，無法共享，不匹配計算機通信 “突發式數據傳輸” 的特點（無數據傳輸時資源閒置）。
• 可靠性低：核心交換節點一旦損毀，會導致大量通信中斷，尤其不滿足軍事通信需求。

（2）分組交換的理論研究（三個獨立小組）

• 背景：因當時信息交換不暢，三個小組分別從理論上證明分組交換對計算機通信的適用性。
  • 1961 年：MIT 的Kleinrock通過排隊論，論證分組交換在突發通信場景下的有效性。
  • 1964 年：美國蘭德公司的Baran：聚焦軍用網絡，提出分組交換可提升網絡可靠性（節點損毀時，分組可繞道傳輸）。
  • 1964 年：英國的Donald（NPL 團隊）：獨立開展分組交換理論研究。

1.8.2 1961-1972 年：分組交換實驗網（ARPAnet）的誕生與早期發展

（1）ARPAnet 的起源（美國國防部 DOD 資助）

• 立項核心訴求：驗證分組交換在軍用網絡中的可靠性 —— 解決線路交換 “核心節點損毀影響全局” 的問題，確保軍用計算機、武器設備、觀測設備的通信穩定。
• 關鍵節點進展：
  • 1969 年：第一個ARPAnet 節點在 UCLA（加州大學洛杉磯分校）建立，設備為IMP（接口報文處理器）（兼具 “主機” 和 “網絡交換設備” 功能：既是數據的源 / 目標，也能中轉分組）。
  • 1969 年底：建成 4 個節點的 ARPAnet（互聯網前身），實現 “分組存儲 - 轉發” 傳輸（數據分成分組，逐跳轉發至目標節點）。
  • 1972 年：ARPAnet 節點數增至 15 個。

（2）早期協議與應用

• NCP 協議（網絡控制協議）：ARPAnet 早期的核心協議，功能相當於後來的 “TCP+IP”，既負責路由（類似 IP），也為應用進程提供遠程通信服務（類似 TCP）。
• 1972 年公開展示：嘗試遠程 Telnet 到 UCLA 主機，但因技術不成熟直接宕機。
• 第一個 Email 應用：1972 年發佈，實現 ARPAnet 節點間的郵件收發。

1.8.4 1972-1980 年：專用網絡爆發與網絡互聯的迫切需求

（1）專用網絡的 “雨後春筍”（存儲轉發架構，但標準混亂）

• 典型網絡：
  • 1970 年：ALOHAnet（夏威夷微波網絡）。
  • 1973 年：以太網（Metcalfe 博士論文提出）、ATM 網絡。
  • 法國 Cyclades、Telenet 等國家 / 區域性網絡。
• 混亂根源：各廠商 / 網絡的協議不統一 —— 僅 IBM 一家在數據鏈路層相關標準就有 40 餘種，即使同一廠商不同部門的設備也難以互通（如 IBM 不同部門的網卡無法互聯）。

（2）網絡互聯的早期嘗試

• 階段 1：企業內部專用體系結構（解決 “同廠商互通”）

  • DEC 公司：DECnet。
  • IBM 公司：SNA。
  • 施樂公司：XNA（施樂當時為信息領域龍頭，圖形用户界面、鼠標等均源自其研究中心，後逐漸沒落為辦公設備廠商）。

• 階段 2：全球統一標準的探索 ——

  OSI 參考模型（ISO/OSI）

  • 提出者：國際標準化組織（ISO），即 “開放系統互聯參考模型”（7 層架構：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層）。
  • 核心問題（老師補充）：
    1. 成本極高：需淘汰原有設備，重新採購符合 OSI 標準的新設備，用户投資無法保護。
    2. 效率低下：電信背景人員設計，“技術官僚味重”，每層均需維護連接狀態，協議臃腫。
    3. 時機滯後：標準制定週期長，難以適配當時快速發展的網絡需求。

1.8.4 1980-1990 年：TCP/IP 體系結構確立與關鍵協議落地

（1）TCP/IP 的誕生（Cerf 與 Kahn 的網絡互聯原則）

• 核心思路：“覆蓋式互聯”（IP over Everything）—— 不替換原有物理網絡，通過 “IP 層” 實現跨網絡互通。
• 四大核心原則（指導互聯網數十年發展）：
  • 極簡設計：僅提供 “盡力而為” 的基礎服務（不保證可靠傳輸、順序，僅負責分組轉發）。
  • 自治性：各物理網絡保持獨立，IP 不干預底層網絡的運行。
  • 無狀態路由器：路由器不維護主機間的通信狀態，僅根據分組的目標 IP 地址匹配路由錶轉發。
  • 分佈式控制：無中心節點，路由控制分散在各路由器中。
• 可靠性補充：IP 層的 “不可靠服務” 由端系統的TCP 協議解決（TCP 負責可靠傳輸、流量控制、擁塞控制）；同時定義UDP 協議（僅區分進程，不提供可靠性，適配實時應用如流媒體）。

（2）關鍵里程碑：1983 年 “標記日（Flag Day）”

• 背景：1979 年 ARPAnet 節點數達 200+，NCP 協議已無法滿足互聯需求，需升級為 TCP/IP。
• 行動：ARPAnet 所有節點在當日統一宕機，完成從 NCP 到 TCP/IP 的軟件升級（因當時節點少，“革命式升級” 可行；如今百億節點規模，僅能漸進式升級）。
• 設備分離：升級後，主機設備（含應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層、物理層）與網絡交換設備（路由器）（僅含網絡層、鏈路層、物理層）正式分離，形成互聯網的基本設備架構。

（3）關鍵協議與應用落地

（4）其他網絡發展

• 國家級網絡：美國NSFnet（國家科學基金會資助，原 ARPAnet 的訪問網，後與 ARPAnet 形成 “雙骨幹”）、法國 Minitel（全國覆蓋，提供廣告、論壇等服務，後被互聯網取代）。
• 主機規模：1980 年代後期，聯網主機數達 10 萬台。

1.8.5 1990-2000 年：互聯網商業化與 Web 的爆發

（1）商業化推動因素

• NSFnet 放寬限制：1991 年 NSF 允許 NSFnet 用於商業目的（原僅支持學術交流），刺激企業部署商業應用。
• UNIX 免費捆綁 TCP/IP：降低用户使用 TCP/IP 的成本，推動協議普及。

（2）Web 的起源與發展（互聯網普及的核心驅動力）

• 超文本前身：
  • 1945 年：Bush 提出 “超文本” 概念（非線性文本，通過鏈接跳轉知識點）。
  • 1960 年代：Nelson（數學家、AI 領域大牛）完善超文本定義。
• Web 的誕生（CERN 物理學家需求）：
  • 背景：歐洲核子研究中心（CERN）需便捷發佈實驗數據，原 Email/FTP 方式低效。
  • 1989 年：Berners-Lee（蒂姆・伯納斯 - 李）定義：
    1. HTML：超文本標記語言（超文本的子集，用於描述網頁內容）。
    2. HTTP：超文本傳輸協議（用於瀏覽器與 Web 服務器的通信）。
    3. 首個 Web 服務器與字符界面瀏覽器：實現實驗數據的 “網狀鏈接訪問”。
• 瀏覽器競爭（推動 Web 普及）：
  • 1994 年：網景（Netscape） 發佈圖形界面瀏覽器（Netscape Navigator），引發企業建站熱潮（企業通過網頁展示黃頁、產品）。
  • 微軟跟進：免費捆綁IE 瀏覽器（與 Windows 系統綁定），憑藉操作系統壟斷地位擠壓網景（網景瀏覽器需付費）。
  • 結果：網景發起 “世紀訴訟”（訴微軟濫用市場地位），最終網景被收購，IE 成為主流瀏覽器。

（3）互聯網泡沫（2001 年）

• 背景：互聯網應用快速發展，資本市場狂熱（如 “會 Java 的家庭主婦編網站即可上市”），但多數公司無實際盈利，僅靠資本輸血。
• 結果：泡沫破裂，大量劣質公司倒閉，優質企業沉澱（如谷歌、微軟、蘋果、雅虎、思科）。
• 技術進展：互聯網主幹速率提升至Gbps 級。

1.8.6 2000 年之後：移動互聯、新型應用與架構挑戰

（1）終端與接入技術演進

• 終端規模：2005 年至今，聯網設備達 50 億 +（含智能手機、平板，移動終端數量遠超固定終端）。
• 接入技術：
  • 寬帶接入：從撥號 modem（56Kbps）→ DSL（專用線路，下行≤24Mbps）→ 光纖到户（高帶寬、低延遲）。
  • 無線接入：WiFi（建築物內覆蓋，速率 11-540Mbps）→ 3G（數 Mbps）→ 4G（10Mbps，支持移動業務）→ 5G（數 Gbps，帶寬足但缺乏適配的高需求業務）。

（2）新型應用與生態

• 殺手級應用：即時通訊（QQ、微信）、P2P 文件共享、社交網絡（Facebook、微信）、電子商務、雲服務。
• 超級應用：微信（用户超數十億，整合通訊、支付、社交、服務，成為 “一站式入口”）。
• 內容提供商自建網絡：谷歌、微軟等搭建私有網絡，將數據中心接入各級 ISP，降低運營成本，提升用户訪問速度。
• 雲服務普及：企業、大學將業務部署於雲端（如 Amazon EC2），終端無需強算力，依賴雲端處理與存儲。

（3）挑戰與架構變化

• 現存問題：安全漏洞、地址資源不足（IPv4）、網絡複雜性高（TCP/IP 架構需大量 “補丁” 適配新需求）。
• 未來趨勢：物聯網（IoT，聯網設備進一步增加）、互聯網架構漸進式升級（無法再 “革命式” 重構）。

1.8.7核心總結：互聯網發展的關鍵邏輯

1. 技術路徑：從 “線路交換” 到 “分組交換”，從 “專用網絡” 到 “TCP/IP 覆蓋式互聯”，核心是TCP/IP 的包容性（適配所有物理網絡、支持靈活擴展）。
2. 發展動力：
   • 應用部署便捷性：僅需修改端系統（主機），無需改動核心網絡設備，吸引大量開發者與企業。
   • 商業化與用户需求：從學術 / 軍用轉向民用，商業應用（Web、電商、社交）驅動網絡擴容與技術迭代。
3. 關鍵特質：贏者通吃（如搜索引擎領域谷歌 / 百度、瀏覽器領域 IE/Chrome）、複製性強（應用快速全球部署），推動行業快速迭代但也加劇競爭。

參考資料來源：中科大鄭烇、楊堅全套《計算機網絡（自頂向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》課程