Chapter 1

CH 1

一、计算机网络与 Internet（构成、通信基础设施）

1. 计算机网络【定义】

计算机网络：由若干能够独立工作的计算机通过通信链路互连起来，为了实现数据通信与资源共享而组成的系统。

2. Internet【定义】

Internet（因特网）：采用 TCP/IP 协议族 互连起来的、全球范围的”网络的网络”，是目前最大的计算机网络。

3. Internet 的构成【略详细】

• 边缘部分：各种主机（PC、手机、服务器）及其运行的应用（Web、邮件、微信等）。
• 核心部分：由大量路由器、交换机组成的通信子网，负责转发分组。
• 通信链路与交换设备：光纤、双绞线、无线信道 + 各种路由器/交换机，是 Internet 的”通信基础设施”。

二、网络边缘（Edge）

1. 网络边缘【定义】

网络边缘：指处在 Internet 边缘、直接与用户打交道的部分，包括各种 主机/终端系统及其接入方式。

2. 位置【详细解释】

• 在整个网络拓扑中，网络边缘 = 所有”端系统”所在的位置。
• 特点：
  • 是数据的产生和消费的地方（浏览网页、看视频、发邮件都在这里发生）。
  • 通过接入网连接到运营商/校园网，再进入网络核心。
• 常见端系统：PC、手机、笔记本、平板、服务器、物联网设备等。

3. 家庭接入【定义】

家庭用户接入 Internet 的方式。如：

• 光纤到户（FTTH）、ADSL、有线电视网接入、家庭 WiFi 等。

4. 企业接入【定义】

企业、学校等组织接入 Internet 的方式。

• 通常是专线接入 + 交换机/路由器 + 局域网，带宽较大，用户数多。

5. 广域无线接入【定义】

通过 蜂窝移动网络或其他广域无线技术 接入 Internet：

• 4G/5G 蜂窝网、卫星互联网、公共移动热点等。

三、网络核心（Core）

1. 网络核心【定义】

网络核心：位于网络中间，由大量高速路由器和交换机组成的部分，负责分组转发与路由选择。

2. 位置【详细解释】

• 核心网络位于不同子网之间，用于 连接各个地区、各个运营商、各个局域网。

• 典型路径：

  用户主机 → 接入网设备 → 边缘路由器 → 若干 核心路由器 → 对方边缘路由器 → 对方主机。

• 核心路由器之间连成”骨干网”，具有 高带宽、高可靠性 的特点。

3. 分组交换（存储转发）【详细解释】

概念

• 发送端把大数据流分成一个个分组（packet），每个分组带有 目的地址等控制信息。
• 分组在网络中逐跳传输：到达路由器 → 暂存 在缓存 → 查路由表 → 转发到下一跳，这个过程称为 存储-转发。

特点

• 链路资源按需共享：只有在有分组时才占用带宽。
• 容易实现统计复用，链路利用率高。
• 由于要排队、存储和查表，会带来 排队时延和处理时延，时延不确定。

4. 电路交换【详细解释】

概念

• 通信前，必须在两端之间建立一条专用的”电路”（路径 + 资源），建立成功后，再传送数据，结束后释放。
• 整个通信期间，用户独占所分配的链路和交换资源。

特点

• 一旦建立电路，传输时延小且稳定（几乎只有传播 + 传输时延）。
• 资源是提前分配的，即使用户空闲也一直占用，利用率较低。
• 成本：需建立连接（三次握手）、保持状态等，适合早期语音电话。

5. 电路交换和分组交换的比较【详细解释】

比较项目	电路交换	分组交换
资源分配	连接建立时一次性分配，用户独占	按分组动态统计复用，共享链路
连接建立	必须先建立电路，开销较大	无需预先建立电路（面向无连接 IP）
时延特性	建立后时延稳定、可预测	时延随排队长短变化，不确定
资源利用率	空闲也占资源，利用率低	按需占用资源，利用率高
实现复杂度	需要连接维护	需要缓存和排队管理
适用场景	传统电话语音	计算机数据通信（Internet 采用）

结论：Internet 选择分组交换，就是为了 高资源利用率 + 支持突发数据。

6. 多路复用（时分、频分）【详细解释】

多路复用：在一条物理信道上同时传输多路用户信号的技术。

6.1 时分复用（TDM）

• 把时间划分为一个个 时隙，多个用户轮流占用信道。
• 每个用户固定占用某个时隙，按顺序轮流发送。
• 优点：各用户互不干扰，无碰撞；实现简单。
• 缺点：某个用户在自己的时隙空闲时，该时隙仍被浪费。

6.2 频分复用（FDM）

• 把可用频带划分为若干 子频带，每个用户在不同频带内发送信号。
• 类比：电视或广播的不同频道。
• 优点：用户可以同时发送，互不干扰。
• 缺点：频带之间需要”保护带”，并且频谱难以灵活利用。

7. 网络结构（“网络的网络”）【详细解释】

• Internet 不是一个单一的大网，而是由 大量自治系统 / 子网互连 组成的：
  • 家庭局域网、校园网、企业网、运营商骨干网等。
• 这些网络通过路由器互连，形成层次结构：
  • 接入网 → 城域网 → 骨干网 → 远程网络……
• 因此称为：“网络的网络”（network of networks）。
• 好处：可扩展性好，任何一个小网络只要遵循共同的协议，就可以接入全球 Internet。

四、网络体系结构（Architecture）

1. 网络体系结构【定义】

网络体系结构：计算机网络各层及其协议的集合，是对网络功能和层次划分的整体描述（“有哪些层、每层干什么、用什么协议”）。

2. 协议的定义（3 要素）【详细解释】

协议（Protocol）：控制两个或多个对等实体进行通信的规则集合。

必须明确三方面内容：

1. 语法（Syntax）：数据格式与编码方式
   • 如报文结构、字段顺序、比特意义等。
2. 语义（Semantics）：控制信息的含义
   • 某个标志位为 1 代表什么？需要对方做什么反应？
3. 时序（Timing）：事件的顺序与时机
   • 谁先发、谁后发？超时多久重传？窗口如何滑动？

只有这三者都定义清楚，双方实体才能理解并正确处理对方数据。

3. 分层的优点与原则【详细解释】

优点：

1. 复杂问题简单化：每层只处理本层问题，降低设计难度。
2. 模块化与可替换：只要接口不变，可以更换某一层实现（如替换链路层技术）。
3. 标准化：便于制定国际标准，实现厂商间互联互通。
4. 提高灵活性与可维护性：一层出问题只需在本层修改。

分层原则：

1. 各层功能清晰、边界明确，不交叉。
2. 上层使用下层提供的服务，不关心下层实现细节。
3. 相邻两层之间通过接口通信，对等层之间通过协议通信。
4. 分层数量要适中：太多 → 过于复杂；太少 → 功能耦合度高。

4. 层间通信（相邻/对等）【详细解释】

• 对等实体：处在同一层的协议实体（如两端主机的运输层 TCP 协议）。
• 对等层通信：逻辑上好像同层直接对话，实际上数据要经过各层向下/向上传递。

关键区分：

1. 相邻层之间：通过”服务”通信
   • 下层向上层提供各种 服务原语（发送、接收、连接等）。
   • 上层只调用接口，不需要知道下层如何实现。
2. 对等层之间：通过”协议”通信
   • 数据在发送端通过协议加上首部，在接收端按协议解释首部，从而实现逻辑通信。
   • 例如：TCP 报文段头部字段被两端 TCP 实体共同理解。

5. 数据封装（Encapsulation）【详细解释】

• 发送数据时，从上到下，每一层都把上一层交下来的数据看成”数据部分”，在前面加上本层的首部（Header），形成本层的 PDU。
• 举例：
  • 应用层数据 → 运输层：加 TCP/UDP 首部 → 报文段
  • 报文段 → 网络层：加 IP 首部 → IP 数据报
  • 数据报 → 链路层：加 MAC 首部和尾部 → 帧
• 接收方则自下而上，逐层解封装，去掉对应首部，最终还原给应用程序。

封装的作用：

• 边界清晰：每层只看自己的首部。
• 支持分层协议：不同层的协议可以独立设计和演进。

6. OSI 体系结构模型【定义 + 简要】

OSI 七层模型（自下而上）：

1. 物理层
2. 数据链路层
3. 网络层
4. 运输层
5. 会话层
6. 表示层
7. 应用层

用于指导协议设计的理论模型，实际互联网并未完全按 OSI 实现。

7. TCP/IP 体系结构模型【定义 + 简要】

TCP/IP 四层模型（自下而上）：

1. 网络接口层
2. 网际层（IP 层）
3. 运输层（TCP/UDP）
4. 应用层

是 Internet 实际采用的协议体系结构。

8. OSI 与 TCP/IP 的比较【详细解释】

1. 分层数量与功能划分不同
   • OSI：7 层，功能划分细。
   • TCP/IP：4 层，把 OSI 的会话、表示、应用合并为一层；把物理 + 数据链路合并为网络接口层。
2. 产生过程不同
   • OSI：先提出模型，再设计协议 → 理论性强，实现推广较慢。
   • TCP/IP：先有成熟协议，再抽象出模型 → 实用性强，成为事实标准。
3. 适用范围
   • OSI：多作为教学与概念指导。
   • TCP/IP：互联网实际运行的协议栈。
4. 共同点
   • 均采用分层思想，都有网络层、运输层等核心层次。

9. Internet 五层模型【详细解释】

教学中常用的折中模型，把 TCP/IP 进行细化：

1. 物理层：比特传输；规定接口、电压、电缆、光纤等。
2. 数据链路层：在一条链路上可靠地传输帧；地址寻址（MAC 地址）、差错检测等。详见 Chapter 5：链路层。
3. 网络层：负责分组在多个网络之间的转发与路由（IP 协议），实现”点到点”传输。延伸阅读 Chapter 4：网络层。
4. 运输层：为应用提供端到端的进程间通信（TCP/UDP），实现复用、可靠性、流量控制等。详见 Chapter 3：运输层。
5. 应用层：为用户提供各种网络应用服务（HTTP、FTP、SMTP、DNS……）。相关内容在 Chapter 2：应用层与协议。

10. 传输数据单元(PDU)

• 应用层（Application）：数据 / 报文（Data / Message）

• 表示层（Presentation）：数据 / 报文（Data / Message）

• 会话层（Session）：数据 / 报文（Data / Message）

• 传输层（Transport）：段（Segment，TCP） / 数据报（Datagram，UDP）

• 网络层（Network）：分组/包（Packet）（也常叫 IP 数据报）

• 数据链路层（Data Link）：帧（Frame）

• 物理层（Physical）：比特（Bit）

五、网络性能（时延、丢包、吞吐量）

1. 网络性能【定义】

描述网络工作质量的一组定量指标，主要包括：时延、吞吐量、丢包率等。

2. 时延（处理、排队、传输、传播）【详细解释】

总时延 = 处理时延 + 排队时延 + 传输时延 + 传播时延

1. 处理时延（Processing Delay）

   • 路由器/主机 检查首部、差错检验、查路由表 等需要的时间。
   • 一般较小（微秒级），取决于设备处理能力。

2. 排队时延（Queueing Delay）

   • 分组在路由器 输入/输出队列中等待发送 的时间。
   • 与流量负载相关：流量大 → 队列长 → 排队时延变大。
   • 在网络拥塞时可能远大于其他时延，是时延不确定性的主要来源。
   • 令 $a$ 表示分组到达队列的平均速率，$R$是传输速率，则比特到达队列的平均速率为 $La$ ，比率 $\frac{L}{R}$ 被称为流量强度。

3. 传输时延（Transmission Delay）

   • 把分组的所有比特推上链路所需时间。

   • 公式：

$$T_{\text{tx}}=\frac{L}{R}$$

 - L：分组长度（bit）
 - R：链路带宽（bit/s）

• 例如：1 000 字节分组，在 10 Mb/s 链路上传输时延约为 $\frac{8000}{10^7}=0.8ms$。

4. 传播时延（Propagation Delay）

   • 信号在介质中传播一定距离所需时间。

   • 公式：

     $$T_{\text{prop}}=\frac{d}{v}$$
     • d：链路长度
     • v：信号传播速度（接近光速）。

   • 与链路距离有关，与带宽无关。

总时延是上述四者之和；其中排队时延最不可控，是设计网络和拥塞控制的关键考虑因素。

3. 吞吐量（Throughput）【详细解释】

• 定义：在某段时间内，通过网络某条链路或某个端点的有效数据量，通常以 bit/s 表示。
• 瞬时吞吐量：某一时刻的实际速率。
• 平均吞吐量：一段时间内的平均速率。
• 影响因素：
  • 链路带宽
  • 协议开销（首部、重传等）
  • 网络拥塞情况
• 吞吐量是反映网络”实际传得快不快”的关键指标。

4. 丢包（Loss）【详细解释】

• 定义：分组在传输过程中未能成功到达目的地的现象。
• 主要原因：
  1. 路由器缓存队列已满，新到分组被丢弃（最常见）。
  2. 物理层/链路层错误导致分组校验失败被丢弃。
  3. 协议主动丢弃（如拥塞控制、超时等）。
• 丢包率：丢失分组数 / 发送分组总数。
• 丢包会导致：
  • 端到端协议重传（增加时延、降低吞吐量）
  • 应用层质量下降（音视频卡顿、图片加载失败等）

六、物理层通信基础

1. 信道【定义】

信道：信号传输的通道，可以是物理介质（如光纤、双绞线），也可以是逻辑上的通信路径。

• 单工信道：只能单向传输（如广播）。
• 半双工信道：可双向传输，但不能同时（如对讲机）。
• 全双工信道：可同时双向传输（如电话）。

2. 信号【定义】

信号：数据在传输过程中的电磁表现形式。

• 模拟信号：连续变化的信号，如声音波形。
• 数字信号：离散的信号，用有限个离散值表示（如 0 和 1）。

3. 带宽【定义】

带宽：信道能够传输的 最高频率与最低频率之差（单位：Hz）。

• 在数据通信中，带宽常用来表示 信道的最大数据传输速率（单位：bit/s）。
• 带宽越大，单位时间内能传输的数据量越多。

4. 码元【详细解释】

码元（Symbol）：在数字通信中，用一个 固定时长的信号波形 来表示一个离散值，这个信号波形就称为 码元。

• 一个码元可以携带 1 bit 或多 bit 的信息：
  • 若信号只有 2 种状态（如高低电平），则 1 个码元 = 1 bit。
  • 若信号有 4 种状态，则 1 个码元 = 2 bit（因为 ${\log }_{2}4=2$）。
  • 若信号有 $V$ 种状态，则 1 个码元 = ${\log }_{2}V$ bit。
• 码元是 信号传输的基本单位，不同调制方式可以让一个码元携带不同数量的比特。

5. 波特率【详细解释】

波特率（Baud Rate）：单位时间内传输的 码元个数，单位为 波特（Baud）。

$$波特率=\frac{码元个数}{时间(s)}$$

波特率与比特率的区别：

• 波特率：每秒传输的码元数（符号数）。
• 比特率（数据传输速率）：每秒传输的比特数（bit/s）。

两者关系：

$$比特率=波特率\times {\log }_{2}V$$

其中 $V$ 是信号的状态数（电平级数）。

举例：

• 若波特率为 1000 Baud，信号有 4 种状态：
  • 比特率 = 1000 × log₂4 = 1000 × 2 = 2000 bit/s
• 若波特率为 1000 Baud，信号有 16 种状态：
  • 比特率 = 1000 × log₂16 = 1000 × 4 = 4000 bit/s

6. 速率（数据传输速率）【定义】

速率：单位时间内传输的 数据量，即 比特率，单位为 bit/s（或 bps）。

常用单位换算：

• 1 Kbit/s = 10³ bit/s
• 1 Mbit/s = 10⁶ bit/s
• 1 Gbit/s = 10⁹ bit/s

7. 信源与信宿【定义】

• 信源（Source）：产生和发送信息的一方（发送端）。
• 信宿（Destination）：接收信息的一方（接收端）。

通信模型：信源 → 发送器 → 信道 → 接收器 → 信宿

8. 编码与调制方法【详细解释】

8.1 数字数据 → 数字信号（编码）

常见编码方式：

• 非归零编码（NRZ）：高电平表示 1，低电平表示 0；无自同步能力。
• 曼彻斯特编码：每个码元中间有跳变，从高到低表示 1，从低到高表示 0；具有自同步能力。
• 差分曼彻斯特编码：码元开始处有跳变表示 0，无跳变表示 1；中间必有跳变用于同步。

8.2 数字数据 → 模拟信号（调制）

常见调制方式：

• 调幅（ASK）：用载波的 振幅 变化表示 0 和 1。
• 调频（FSK）：用载波的 频率 变化表示 0 和 1。
• 调相（PSK）：用载波的 相位 变化表示 0 和 1。
• 正交振幅调制（QAM）：结合调幅和调相，可传输更多比特/码元。

8.3 模拟数据 → 数字信号（采样）

• 通过 采样、量化、编码 将模拟信号转为数字信号（如 PCM 脉冲编码调制）。

9. 奈奎斯特定理【详细解释】

奈奎斯特定理（Nyquist Theorem）：在 理想低通信道（无噪声） 条件下，信道的最大数据传输速率为：

$$C=2W{\log }_{2}V(bit/s)$$

其中：

• $W$：信道带宽（Hz）
• $V$：信号的状态数（电平级数）
• $C$：最大数据传输速率（bit/s）

含义：

• 在无噪声信道中，带宽越大、信号状态数越多，能传输的数据速率越高。
• 奈奎斯特定理给出了 理想情况下的上限。
• 注意：增加 $V$ 可以提高速率，但 $V$ 过大会使接收端难以区分不同电平，需要考虑噪声影响。

奈奎斯特定理给的是在带宽限制下，波特率的最大值：$R_s^{\max }=2W$

再乘上每码元比特数 ${\log }_{2}V$（这里的 $V$ 跟 $M$ 是同一个意思：符号状态数）：$C_{\max }=2W{\log }_{2}V$

所以两者的关系可以这样串起来：

1. 比特率—波特率换算（定义/编码关系） $R_b=R_s{\log }_{2}M$ 这是“你用了几阶调制/每个符号装了几比特”。

2. 奈奎斯特（物理信道带宽约束给的波特率上限） $R_s\le 2W$ 这是“在带宽 W 下，符号率最多这么快，再快就码间串扰，分不清了”。

合并： $R_b=R_s{\log }_{2}M\le 2W{\log }_{2}M$

10. 香农定理【详细解释】

香农定理（Shannon Theorem）：在 有噪声信道 条件下，信道的最大数据传输速率（信道容量）为：

$$C=W{\log }_2(1+S/N)(bit/s)$$

其中：

• $W$：信道带宽（Hz）
• $S/N$：信噪比（信号功率与噪声功率之比）
• $C$：信道容量（bit/s）

信噪比的分贝表示：

$$信噪比(dB)=10{\log }_{10}(S/N)$$

含义：

• 香农定理给出了 有噪声信道的理论极限速率。
• 无论采用何种编码方式，实际传输速率 不可能超过 信道容量 $C$。
• 要提高信道容量，可以：增大带宽 $W$，或提高信噪比 $S/N$。

奈奎斯特定理与香农定理的比较：

比较项目	奈奎斯特定理	香农定理
适用条件	理想无噪声信道	有噪声信道
限制因素	带宽、信号状态数	带宽、信噪比
公式	$C=2W{\log }_{2}V$	$C=W{\log }_2(1+S/N)$
实际应用	理论参考，需结合噪声情况使用	给出信道容量的 绝对上限