1.1 计算机网络在信息时代中的作用
21世纪是数字化、网络化、信息化的时代，是一个以网络为核心的信息时代。计算机网络作为现代信息技术的基础设施，在信息传播、资源共享、远程协作等方面发挥着不可或缺的作用。
计算机网络的主要作用：
- 信息共享：通过网络，用户可以访问全球范围内的信息资源，如电子邮件、新闻、视频、文件等。
- 通信交流：社交媒体、电子邮件、即时通讯软件等促进了人与人之间的交流。
- 资源共享：计算机网络支持远程访问和共享数据、软件、硬件设备（如打印机、服务器）。
- 远程控制与协作：支持远程办公、远程医疗、在线教育等应用，提高工作和学习效率。
- 电子商务与金融交易：互联网为在线购物、电子支付、金融交易提供了基础支持。
三网合一：
随着技术的发展，电信网络、有线电视网络、计算机网络逐渐融合，形成了"三网合一"的趋势。这种融合促进了多媒体信息的广泛传播，提高了网络服务的质量和覆盖范围。
1.2 互联网概述
1.2.1 网络的网络
互联网（Internet）是一个由众多计算机网络相互连接而成的全球性网络，它连接了世界各地的设备，使数据可以跨越地域进行传输和共享。互联网的基本特征如下：
- 分布式结构：由多个网络相互连接而成，没有中心节点。
- 全球互联：任何接入互联网的设备都可以与其他设备通信。
- 标准协议：采用 TCP/IP 协议，实现不同设备间的互联互通。
1.2.2 互联网网络结构发展的三个阶段
互联网的网络结构经历了以下三个主要阶段：
- 单一网络阶段 ：
- 1969年，ARPANET（阿帕网）建立，实现计算机之间的远程通信。
- 采用分组交换技术，突破了传统电路交换的局限。
- 多个网络互联阶段 ：
- 20世纪70-80年代，出现局域网（LAN）和广域网（WAN），不同网络之间逐步实现互联。
- 1983年，TCP/IP协议成为互联网的标准协议。
- 全球互联网阶段 ：
- 1990年代，万维网（WWW）技术的出现，使互联网普及到个人用户。
- 进入 21 世纪后，移动互联网、物联网（IoT）、云计算等技术推动互联网进一步发展。
1.2.3 互联网的标准化工作
互联网的顺利发展离不开标准化组织的推动，主要的互联网标准化机构包括：
- IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）：负责互联网协议（TCP/IP等）的标准化。
- W3C（World Wide Web Consortium，万维网联盟）：负责网页技术（HTML、CSS等）的标准化。
- ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）：制定网络通信的国际标准。
1.3 互联网的组成
互联网的整体架构可以分为两个主要部分：边缘部分和核心部分。
1.3.1 互联网的边缘部分
边缘部分主要指用户终端设备和访问网络的方式，包括：
- 主机（Host）：计算机、手机、智能设备等。
- 用户应用（Applications）：网页浏览、电子邮件、社交媒体、云存储等。
- 接入网络（Access Networks） ：
- 传统有线接入（光纤、DSL等）。
- 无线接入（Wi-Fi、4G/5G移动网络）。
- 卫星互联网接入。
1.3.2 互联网的核心部分
互联网的核心部分负责数据的高速传输和路由，主要包括：
- 骨干网络（Backbone Networks）：由高性能路由器和光纤网络构成，负责数据的远距离传输。
- 交换机（Switches） 和 路由器（Routers） ：
- 交换机用于局域网内部的数据转发。
- 路由器用于不同网络之间的数据转发。
- 数据中心（Data Centers）：存储和处理海量互联网数据，如云计算服务器。
互联网的核心部分采用分层结构，以确保高效、可靠的数据传输，同时支持网络的扩展性和冗余设计，以保证网络的稳定性和安全性。
1.3.3 三种交换方式
电路交换（Circuit Switching）
工作原理：
在通信前，必须建立一条端到端的物理通信线路（即"电路"）。
该电路在整个通信过程中一直被占用，直到通信结束后才释放。
适用于持续、大量数据的传输，保证通信的实时性和稳定性。
优点：
传输延迟小，数据按顺序传输，无需额外的控制信息。
适用于实时性要求高的应用，如传统电话通信。
缺点：
资源利用率低，即使没有数据传输，通道仍然被占用。
建立连接需要一定的时间，不适合短时、突发性的数据传输。
应用：
传统的电话网络（PSTN）
早期的传真和专线通信
报文交换（Message Switching）
工作原理：
数据被整体打包成一个报文，然后在网络中以"存储-转发"的方式逐跳传输。
每个中间节点接收到完整报文后，暂存下来，再决定如何转发到下一个节点。
优点：
无需建立专门的通信线路，提高了网络资源利用率。
适用于大容量、不要求实时传输的数据通信。
缺点：
由于每个节点都需要存储和处理整个报文，可能会导致较长的延迟。
若报文过大，可能会占用大量的存储空间。
应用：
早期的电报系统
电子邮件（Email）
分组交换（Packet Switching）
工作原理：
报文被分割成多个较小的数据包（分组），每个分组独立传输，并可能通过不同的路径到达目标。
目的端收到所有分组后，按照序号重新组装数据。
优点：
高效利用网络资源，不同数据流可以共享相同的传输通道。
具有较强的抗故障能力，分组可以绕过损坏的节点。
适用于突发性数据传输，提高了数据传输的灵活性。
缺点：
由于数据包可能不按顺序到达，需要额外的重组和处理。
可能会引入一定的延迟，不适合严格的实时通信。
应用：
互联网（IP 网络）
局域网（LAN）
现代数据通信（如VoIP、视频流）
对比总结
| 交换方式 | 建立连接 | 传输方式 | 适用场景 | 优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 电路交换 | 需要 | 端到端持续占用 | 语音通话 | 低延迟，但资源浪费 |
| 报文交换 | 不需要 | 存储-转发 | 电子邮件 | 高效但延迟较大 |
| 分组交换 | 不需要 | 分组传输 | 互联网 | 资源高效利用，但可能有延迟 |
在现代计算机网络中，分组交换已成为主流，广泛应用于互联网通信，而传统的电路交换主要用于电话系统，报文交换因其高延迟在现代网络中使用较少。
1.4 计算机网络在我国的发展
-
20世纪50-70年代：初步探索阶段
- 主要依赖于国外技术，我国自行研制的计算机尚处于起步阶段。
- 1978年，中国科学院计算机技术研究所研制出我国第一台微型计算机DJS-050。
-
20世纪80年代：局域网发展阶段
- 1980年代初，我国开始建立计算机网络，如中国科学院计算机网络、清华大学校园网等。
- 1987年，中国与国际互联网的首次邮件通信成功，标志着我国计算机网络对外交流的开始。
-
20世纪90年代：广域网和互联网的发展
- 1994年，中国正式接入国际互联网，标志着我国计算机网络进入互联网时代。
- 教育网（CERNET）、公用网（CHINANET）等相继建成并投入使用。
-
21世纪：高速宽带和移动互联网时代
- 2000年后，宽带互联网迅速普及，移动互联网发展迅猛。
- 2010年后，我国进入5G网络时代，并在全球网络技术发展中占据重要地位。
- 近年来，IPv6、云计算、大数据、人工智能等新技术广泛应用，推动网络技术的持续发展。
1.5 计算机网络的类别
1.5.1 计算机网络的定义
计算机网络是由若干节点（如计算机、路由器、交换机等）和连接这些节点的链路组成的系统，其主要目的是实现信息的传输和资源的共享。
1.5.2 几种不同类别的计算机网络
按网络的作用范围分类
- 广域网（WAN，Wide Area Network）：覆盖范围广泛，通常跨越城市、国家甚至洲际，连接距离从几十到上千公里不等。
- 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：覆盖一个城市或大都市区域，通常连接距离在5到50公里之间。
- 局域网（LAN，Local Area Network）：覆盖有限的地理范围，如一个建筑物、校园或公司内部，连接距离约为1公里左右。
- 个人区域网（PAN，Personal Area Network）：覆盖个人工作空间，通常在10米左右的范围内，用于连接个人设备。
按网络的使用者分类
- 公用网：由电信部门或服务提供商运营，面向公众开放使用。
- 专用网：由特定组织或企业建立，仅供内部使用，具有较高的安全性和专用性。
用来把用户接入互联网的网络
- 接入网：用于将用户终端连接到互联网服务提供商（ISP）的网络，包括DSL、光纤接入、无线接入等方式。
1.6 计算机网络的性能
1.6.1 计算机网络的性能指标
- 速率：数据传输的速率，通常以比特每秒（bps）为单位。
- 带宽：信道所能传输的最高数据率，表示为频率范围（频域）或最大传输速率（时域）。
- 吞吐量：单位时间内通过网络的实际数据量，受网络条件和设备性能影响。
- 时延：数据从源节点传输到目的节点所需的时间，包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
- 时延带宽积：链路的时延与带宽的乘积，表示链路上可以容纳的最大数据量。
- 往返时间（RTT）：从发送方发送数据到接收到接收方的确认所经历的时间。
- 利用率：网络资源的使用效率，分为信道利用率和网络利用率。
1.6.2 计算机网络的非性能特征
- 费用：建设和维护网络所需的成本，包括设备、线路和运营费用。
- 质量：网络服务的可靠性、稳定性和用户体验等方面的综合评价。
- 标准化：采用统一的技术标准，确保不同设备和系统之间的互联互通。
- 可靠性：网络在一定时间内无故障运行的能力。
- 可拓展性和可升级性：网络在增加新设备或功能时，能够平滑扩展和升级的能力。
- 易于管理和维护：网络结构和设备设计合理，便于监控、配置和故障排除。
1.7 计算机网络体系结构
1.7.1 计算机网络体系结构的形成
计算机网络体系结构是为实现网络中各设备和系统之间的通信而制定的分层结构模型。通过将复杂的网络功能划分为多个层次，每一层次完成特定的功能，简化了网络的设计、实现和维护。
1.7.2 协议与划分层次
- 协议：控制对等层之间通信的规则集合，包括语法、语义和同步三个要素。
- 划分层次：将网络功能划分为若干层次，每一层次独立完成特定功能，并通过接口与相邻层次交互。
1.7.3 具有五层协议的体系结构
计算机网络的五层协议体系结构包括：
- 应用层：为用户提供应用服务，如HTTP、FTP、SMTP等。
- 运输层：负责端到端的数据传输和控制，如TCP、UDP协议。
- 网络层：负责数据包的路由选择和转发，如IP协议。
- 数据链路层：负责在相邻节点之间传输帧，提供可靠的数据链路。
- 物理层：负责比特流的传输，定义物理设备的接口和传输介质。
1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点
- 实体：网络中可发送或接收信息的硬件设备或软件进程。
- 协议：控制对等实体之间通信的规则和约定。
- 服务：由下层向上层提供的功能集合。
- 服务访问点（SAP）：上层实体访问下层服务的接口。
1.7.5 TCP/IP的体系结构
TCP/IP体系结构是互联网采用的协议模型，分为四个层次：
- 应用层：提供特定的网络应用服务。
- 运输层：提供端到端的通信和数据传输控制。
- 网际层：处理数据包的路由和转发。
- 网络接口层：负责数据在物理网络上的传输。