【TCP/IP】2. 计算机网络与因特网体系结构

2. 计算机网络与因特网体系结构

[2. 计算机网络与因特网体系结构](#2. 计算机网络与因特网体系结构)
- [2.1 计算机网络概念](#2.1 计算机网络概念)
- - [2.1.1 计算机网络的产生和发展](#2.1.1 计算机网络的产生和发展)
  - [2.1.2 计算机网络的分类](#2.1.2 计算机网络的分类)
  - [2.1.3 网络协议与体系结构](#2.1.3 网络协议与体系结构)
  - [2.1.4 局域网技术](#2.1.4 局域网技术)
  - [2.1.5 广域网技术](#2.1.5 广域网技术)
  - [2.1.6 无线网络](#2.1.6 无线网络)
  - [2.1.7 因特网接入方式](#2.1.7 因特网接入方式)
- [2.2 因特网体系结构](#2.2 因特网体系结构)
- - [2.2.1 因特网的概念](#2.2.1 因特网的概念)
  - [2.2.2 因特网的特点](#2.2.2 因特网的特点)
  - [2.2.3 因特网协议分层（TCP/IP 协议）](#2.2.3 因特网协议分层（TCP/IP 协议）)
- [2.3 OSI-RM 与 TCP/IP 的关系](#2.3 OSI-RM 与 TCP/IP 的关系)
- [2.4 TCP/IP 协议簇](#2.4 TCP/IP 协议簇)
- 本章核心要点

2. 计算机网络与因特网体系结构

2.1 计算机网络概念

2.1.1 计算机网络的产生和发展

定义：计算机网络是利用通信线路连接起来的，通过通信协议实现资源共享的独立计算机的集合，由计算机技术与通信技术结合形成。
发展历程：
- 20 世纪 50 年代：面向终端的网络（终端通过通信线路连接远地计算机，共享计算资源）。
- 20 世纪 60 年代末：ARPANET 出现，标志着计算机网络正式形成。
- 20 世纪 70 年代：国际标准化组织（ISO）推出开放系统互连 7 层参考模型（OSI-RM），规范网络体系结构。
- 20 世纪 80 年代：微型计算机普及推动局域网崛起，形成网络互联格局。
- 20 世纪 90 年代：WWW 出现、因特网商业化，以太网成为局域网主流，TCP/IP 成为网络互联必选协议。
- 21 世纪：无线网络快速发展，下一代网络技术研究加速。

2.1.2 计算机网络的分类

网络拓扑图：抽象化表示，主机和联网设备为 "结点"，通信线路为 "链路"。
- 结点：分交换结点（信息转发的联网设备）和访问结点（使用 / 提供服务的主机）。
- 链路：拓扑图中的通信线路。
按覆盖范围分类：
- 广域网（WAN）：覆盖大范围（如国家、全球）。
- 城域网（MAN）：覆盖城市范围。
- 局域网（LAN）：覆盖局部区域（如办公室、校园）。
- 个域网（PAN）：覆盖个人周边（如手机与耳机的连接）。
按拓扑结构分类：总线型网、环型网、星型网、网状网。

2.1.3 网络协议与体系结构

网络协议及相关概念
- 网络协议三要素：
  - 语法：规定信息的结构和格式。
  - 语义：表明信息要表达的内容。
  - 同步规则：定义双方交互关系和事件顺序。
- 协议分层的好处：
  - 将复杂问题分解为简单问题，分而治之。
  - 利于网络互联，协议转换仅涉及部分层次。
  - 屏蔽下层技术变化，不影响上层应用协议。
- 核心术语：
  - 实体：实现特定协议功能的硬件 / 软件模块。
  - 对等实体：通信双方对等层中完成相同协议功能的实体（遵循同一协议通信）。
  - 服务：下层实体为上层实体提供的功能（下层是服务提供者，上层是服务使用者）。
  - 数据封装与解封装：发送方对等实体将 "服务数据单元（SDU）" 加上 "协议控制信息（PCI）"，形成 "协议数据单元（PDU，PDU=PCI+SDU）"；接收方逐层解封装。
  - 接口：相邻层次实体的交互点，称为 "服务访问点（SAP）"。
  - 信源：通信系统的发送方；信宿：通信系统的接收方。
OSI 体系结构
- 网络划分：资源子网（主机及末端系统，提供服务）和通信子网（通信设备及线路，负责数据传输）。交换结点属于通信子网，访问结点属于资源子网（主机中底层通信部分也属通信子网）。
- OSI 七层参考模型
  
  （ISO 制定）及功能：
  - 物理层：涉及网络接口和传输介质的机械、电气、功能及规程特性（如二进制位编码、传输速率、位同步），数据单位为 "比特（Bit）"；传输模式分单工、半双工、全双工；线路连接分点到点（专用链路）和多点（多设备共享链路）。
  - 数据链路层：将不可靠物理层转为无差错链路，功能包括数据成帧、介质访问控制（MAC）、物理寻址、差错控制、流量控制，数据单位为 "帧（Frame）"；分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）子层。
  - 网络层：负责报文分组（Packet）从源主机到目的主机的端到端传输，功能包括逻辑寻址、路由选择、流量控制、差错控制、拥塞控制；属通信子网范畴。
  - 传输层：负责整个报文从源到目的的传输，功能包括连接控制、流量控制、差错控制、报文分段与组装、主机进程寻址，数据单位为 "报文段"；实现高层与通信子网的隔离。
  - 会话层：控制网络会话（建立、维护、同步交互过程）。
  - 表示层：处理信息表示与转换（如加密 / 解密、压缩 / 解压、格式转换）。
  - 应用层：为用户提供访问网络资源的界面（如电子邮件、文件传输、WWW 服务）。

2.1.4 局域网技术

核心特点：覆盖范围小、传输速率高、误码率低、多为单一单位所有。
以太网（主流局域网技术）：
- 起源：20 世纪 70 年代由 Xerox 公司发明，1978 年 Xerox、Intel、DEC 标准化，IEEE 802.3 兼容该标准。
- 发展：传输介质从粗同轴电缆→细同轴电缆→双绞线；速率从 10Mbps→快速以太网（100Base-T）→千兆以太网（IEEE 802.3z）→10G 以太网（IEEE 802.3ae），数据帧格式统一。
- MAC 地址：48 位全球唯一（前 24 位由 IEEE 分配，后 24 位由厂商分配），分单播、广播、组播地址；帧大小 64-1518 字节。
- 介质访问控制：采用 CSMA/CD（载波监听多点接入 / 冲突检测）技术 ------ 发送时检测冲突，冲突后放弃传输，通过二进制指数退让策略随机重试。
- 扩展设备：中继器（放大信号）、网桥（连接网段）。
其他局域网技术：光纤分布式数据接口（FDDI）、IEEE 802.4 令牌总线、IEEE 802.5 令牌环。

2.1.5 广域网技术

ARPANET（首个广域网）：分组交换实验床，早期用 1822 协议，后采用 X.25 标准；寻址为层次化结构（部分位表示目的分组交换结点 PSN，部分位表示 PSN 相连的主机端口）。
X.25：
- 定义：CCITT 1976 年提出，是网络与外部数据终端设备（DTE）的接口标准。
- 层次结构：自底向上为物理层（采用 X.21 标准）、数据链路层（用 HDLC 子集 LAPB）、分组层（建立 DTE 与 DCE 的逻辑信道，支持呼叫虚电路和永久虚电路）。
帧中继（FR）：
- 基于 X.25 发展，简化中间结点处理（省略分组层，数据链路层仅检测差错不纠错，错误由两端高层恢复），实现快速转发（识别目的地址后立即转发）。
异步传输模式（ATM）：
- 性质：信元中继协议，面向连接，结合电路交换（实时性）和分组交换（灵活性）。
- 传输介质：双绞线、光纤、无线信道（交换机间多用电光纤）。
- 信元结构：固定 53 字节（5 字节首部 + 48 字节数据），短小定长利于高速交换。
- 复用技术：统计时分复用（时隙分配不固定，按通信量和排队规则动态分配）。
- 接口：UNI（用户 - 网络接口）、NNI（网络 - 网络接口）。

2.1.6 无线网络

无线广域网（WWAN） ：
- 蜂窝技术：将地理区域划分为 "蜂窝"，主流系统包括 GSM（窄带 TDMA）、CDMA（扩频技术，频谱利用率高）、3G、4G。
  - 3G 标准：WCDMA（欧洲，演进路径：GSM→GPRS→EDGE→WCDMA）、CDMA2000（美国 / 韩国，演进路径：CDMA IS95→CDMA2000 1x→CDMA2000 3x）、TD-SCDMA（中国，直接从 2G 过渡到 3G）、WiMAX（802.16，2007 年成为第 4 个 3G 标准）。
  - 4G 标准：2012 年确立 LTE-Advanced（含中国 TD-LTE-Advanced、欧洲 FDD-LTE-Advanced）和 WirelessMAN-Advanced（802.16m）。
- 卫星通信：通过地球同步轨道卫星转发信号，覆盖广（适合边远地区），但延迟高、部署成本大（需低轨道卫星）。
无线城域网（WMAN） ：
- 核心技术：WiMAX（与 IEEE 802.16 标准相关），解决 "最后一英里" 宽带接入问题。
- 特点：部署灵活、传输速率高、覆盖范围广（最远 50km）、支持非视距传输、集成 WLAN 移动性与有线宽带高带宽、支持 QoS、加密保护数据安全。
无线局域网（WLAN） ：
- 起源：20 世纪 80 年代中期，基于 ISM 频段（无需授权）发展。
- IEEE 802.11 系列标准：
  - 802.11（1997）：速率最高 2Mbps，物理层支持红外线、FHSS（跳频扩频）、DSSS（直接序列扩频）；MAC 层用 CSMA/CA（载波监听多点接入 / 冲突避免），支持 CRC 校验和包分片。
  - 802.11b（1999）：2.4GHz 频段，速率 11Mbps（支持动态调节为 5.5/2/1Mbps），兼容 802.11。
  - 802.11a：5GHz 频段，速率 54Mbps，用正交频分复用技术，与 802.11b 不兼容。
  - 802.11g（2003）：速率是 802.11b 的 5 倍，兼容 802.11b。
  - 802.11n（2009）：2.4GHz 和 5GHz 频段，多输入输出天线，速率 54Mbps-600Mbps（实际 75-150Mbps）。
- 设备：无线站（计算机 + 无线网卡）、无线接入点（AP，桥接无线与有线网络，符合 802.1d 桥接协议）。
- 优势：安装灵活、速率高、覆盖广、经济、支持移动。
无线个域网（WPAN） ：
- 蓝牙：短距离通信（10-100 米），2.4GHz 频段，跳频扩频技术，速率 1Mbps（1.1 标准）、2Mbps（2.0 标准）、24Mbps（3.0 标准）；支持语音 / 数据，分底层硬件、中间协议、高层应用框架。
- ZigBee（IEEE 802.15.4）：低成本、低功耗（5 号电池用半年以上）、低速率（10-250kbps）、短时延，支持 65000 节点组网，加密用 AES 128。
- IrDA（红外）：视距传输，速率 16Mbps，接收角度 120 度，成熟但耐用性差。
- UWB（超宽带）：宽频段（几 Hz 到几 GHz），速率几十到几百 Mbps，功耗低但可能干扰其他通信。

2.1.7 因特网接入方式

文档未详细展开，主要指连接因特网的技术手段（如有线、无线接入等）。

2.2 因特网体系结构

2.2.1 因特网的概念

定义：通过网络互联技术将异构网络互联而成的统一网络。
网络互联核心问题：
- 协议转换：解决异构网络协议差异（层次结构、功能、实施细节）。
- 寻址：统一地址分配机制，保证全局唯一性。
- 路径选择：从源到目的网络选择最佳路径。
协议转换方式：
- 网关：实现不同协议转换，要求转换层次及以上协议相同；若顶层协议不同，需加虚拟层。
- 互联层次：
  - 应用级互联：早期方法，适应性差（增减功能 / 硬件需大量编程）。
  - 网络级互联：底层通信与上层应用分离，仅需调整网络层适应硬件变化，上层应用面向标准通信网络（因特网采用）。

2.2.2 因特网的特点

对用户隐藏底层网络技术和结构，呈现为统一网络（逻辑上虚拟，物理上由多网络互联）。
不限制网络拓扑结构。
平等对待所有能传输数据分组的通信系统。
任何两个非相邻网络的计算机可通过中间网络通信。

2.2.3 因特网协议分层（TCP/IP 协议）

4 层结构：
- 网络接口层：对应 OSI 物理层和数据链路层，支持现有底层网络技术（无统一定义）。
- 网络层（互联网层 / IP 层）：处理 IP 数据报传输、差错控制、路由选择、拥塞控制。
- 传输层：为两台主机的应用程序提供端到端通信，包含 TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、SCTP（流控制传输协议）。
- 应用层：提供常用应用程序协议规范（如 HTTP、FTP）。

2.3 OSI-RM 与 TCP/IP 的关系

层次对应：OSI 为 7 层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），TCP/IP 为 4 层（网络接口层、网络层、传输层、应用层），其中 TCP/IP 的 "网络接口层" 对应 OSI 物理层 + 数据链路层，"应用层" 对应 OSI 会话层 + 表示层 + 应用层。
差异：OSI 是通用参考模型，TCP/IP 是实际应用的协议簇；OSI 层次更细，TCP/IP 更简洁；OSI 先有模型后有协议，TCP/IP 先有协议后有模型。

2.4 TCP/IP 协议簇

构成：以 IP 为核心，包含网络接口层、网络层、传输层、应用层的一系列协议。
协议关系：应用进程可直接与网络层交互；下层模块需与多个上层模块交互。

本章核心要点

按拓扑结构，网络分总线型、环型、星型、网状网；按覆盖范围分 WAN、MAN、LAN、PAN。
网络分资源子网（主机等）和通信子网（通信设备等）。
网络协议三要素：语法、语义、同步规则；对等实体按协议通信。
网络互联核心问题：协议转换、寻址、路径选择；网关实现协议转换。
TCP/IP 协议分 4 层：网络接口层、网络层、传输层、应用层；IP 是网络层及协议簇的核心协议。