2023年11月27日发(作者：)

计算机⽹络第⼀章（概述）：

计算机通信与⽹络第⼀章

1.1、计算机⽹络在信息时代的作⽤

计算机⽹络已由⼀种通信基础设施通信基础设施发展成为⼀种重要的信息服务基础设施信息服务基础设施

计算机⽹络已经像⽔，电，煤⽓这些基础设施⼀样，成为我们⽣活中不可或缺⽣活中不可或缺的⼀部分

我国互联⽹发展状况

1.2、因特⽹概述

1、⽹络、互连⽹（互联⽹）和因特⽹

⽹络：⽹络（Network）由若⼲结点（Node）结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）链路（Link）组成。

因特⽹：因特⽹（Internet）是世界上最⼤的互连⽹络（⽤户数以亿计，互连的⽹络数以百万计）。

internet与Internet的区别

internet(互联⽹或互连⽹)是⼀个通⽤名词，它泛指多个计算机⽹络互连⽽成的⽹络internet(互联⽹或互连⽹)多个计算机⽹络互连⽽成的⽹络。在这些⽹络之间的通信协议可以是任意的。

Internet（因特⽹）则是⼀个专⽤名词，它指当前全球最⼤的、开放的、由众多⽹络互连⽽成的特定计算机⽹络Internet（因特⽹）则是⼀个专⽤名词当前全球最⼤的、开放的、由众多⽹络互连⽽成的特定计算机⽹络，它采⽤TCP/IP协议族

因特⽹服务提供者ISP(Internet Service Provider)

普通⽤户是如何接⼊到因特⽹的呢？

答：通过ISP接⼊因特⽹通过ISP接⼊因特⽹

ISP可以从因特⽹管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等联⽹设备。任何机构和个⼈只需缴纳费

⽤，就可从ISP的得到所需要的IP地址ISP的得到所需要的IP地址。

基于ISP的三层结构的因特⽹

⼀旦某个⽤户能够接⼊到因特⽹，那么他也可以成为⼀个ISP，所需要做的就是购买⼀些如调制解调器或路由器这样的设

备，让其他⽤户可以和他相连。

3、因特⽹的标准化⼯作

因特⽹的标准化⼯作对因特⽹的发展起到了⾮常重要的作⽤。

因特⽹在指定其标准上的⼀个很⼤的特点是⾯向公众。⾯向公众。

制订因特⽹的正式标准要经过⼀下4个阶段4个阶段：

1、因特⽹草案（在这个阶段还不是RFC⽂档）

2、建议标准（从这个阶段开始就成为RFC⽂档）

3、草案标准

4、因特⽹标准

4、因特⽹的组成

因特⽹可以分为边缘部分与核⼼部分

边缘部分

由所有连接在因特⽹上的主机主机组成（台式电脑，⼤型服务器，笔记本电脑，平板，智能⼿机等）。这部分是⽤户直接使⽤户直接使

⽤的，⽤来进⾏通信通信（传送数据、⾳频或视频）和资源共享资源共享。

核⼼部分

路由器是⼀种专⽤计算机，但我们不称它为主机，路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组，这是⽹

络核⼼最重要的部分。

处在互联⽹边缘的部分就是连接在互联⽹上的所有的主机。这些主机⼜称为端系统 (end system)端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很⼤的差别：

⼩的端系统可以是⼀台普通个⼈电脑，具有上⽹功能的智能⼿机，甚⾄是⼀个很⼩的⽹络摄像头。

⼤的端系统则可以是⼀台⾮常昂贵的⼤型计算机。

端系统的拥有者可以是个⼈，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等），当然也可以是某个ISP（互联⽹服务提供

者，即运营商）。

补充：

端系统（处在互联⽹边缘部分、连接在互联⽹上的所有主机）之间通信的含义

“主机 A 和主机 B 进⾏通信”实际上是指：“运⾏在主机 A 上的某个程序和运⾏在主机 B 上的另⼀个程序进⾏通

信”。即“主机即“主机AA的某个进程和主机B的某个进程和主机B上的另⼀个进程进⾏通信”。简称为“计算机之间通信”。

1.3 三种交换⽅式

⽹络核⼼部分是互联⽹中最复杂的部分。

⽹络中的核⼼部分要向⽹络边缘中的⼤量主机提供连通性，使边缘部分中的任何⼀个主机都能够向其他主机通信（即传送

或接收各种形式的数据）。

⽹络核⼼部分的作⽤是为了两个主机之间提供连通性

在⽹络核⼼部分起特殊作⽤的是路由器路由器(router)。

路由器是实现分组交换路由器分组交换(packet switching) 的关键构件，其任务是转发转发收到的分组，这是⽹络核⼼部分最重要的功能。

1、电路交换（Circuit Switching）

电话交换机接通电话线的⽅式称为电路交换；

从通信资源的分配⾓度来看，交换（Switching）就是按照某种⽅式动态地分配传输线路的资源；

电路交换的三个步骤：

通常我们把表⽰该消息的整块数据该消息的整块数据成为⼀个报⽂报⽂。

在发送报⽂之前，先把较长的报⽂划分成⼀个个更⼩的等长数据段等长数据段，在每⼀个数据段前⾯。加上⼀些由必要的控制信息要的控制信息

组成的⾸部后，就构成⼀个分组，也可简称为“包”，相应地，⾸部也可称为“包头”。组成的⾸部

⾸部包含了分组的⽬的地址分组的⽬的地址

分组从源主机到⽬的主机，可⾛不同的路径。

１、发送⽅：构造分组、发送分组

２、路由器：缓存分组、转发分组。简称为“分组转发”。在路由器中的输⼊和输出端⼝之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是：

１）、把收到的分组先放⼊缓存（暂时存储）；放⼊缓存（暂时存储）；

２）、查找转发表，找出到某个⽬的地址应从哪个端⼝转发；把分组送到适当的端⼝转发２）、查找转发表转发出去。

３、接收⽅：接收分组、还原报⽂

3、报⽂交换（Message Switching）

报⽂交换中的交换结点也采⽤存储转发⽅式，但报⽂交换对报⽂的⼤⼩没有限制，这就要求交换结点需要较⼤的缓存空这就要求交换结点需要较⼤的缓存空

间。报⽂交换主要⽤于早期的电报通信⽹，现在较少使⽤，通常被较先进的分组交换⽅式所取代通常被较先进的分组交换⽅式所取代。

三种交换⽅式的对⽐（电路交换、报⽂交换。分组交换）（电路交换、报⽂交换。分组交换）

归还之前建⽴连接所占⽤的通信线路资源。

⼀旦建⽴连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，⽐特流可以直达终点；

报⽂交换：

可以随时发送报⽂，⽽不需要事先建⽴连接；整个报⽂先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进⾏查表转发可以随时发送报⽂进⾏查表转发，转发

到下⼀个结点交换机。

整个报⽂需要在各结点交换机上进⾏存储转发，由于不限制报⽂⼤⼩，因此需要各结点交换机都具有较⼤的缓存空由于不限制报⽂⼤⼩，因此需要各结点交换机都具有较⼤的缓存空

间。

分组交换：

可以随时发送分组，⽽不需要事先建⽴连接。构成原始报⽂的⼀个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交可以随时发送分组，各结点交

换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组

构成原始报⽂的⼀个个分组，在各结点交换机上进⾏存储转发，相⽐报⽂交换，减少了转发时延，还可以避免过长的相⽐报⽂交换，减少了转发时延，还可以避免过长的

报⽂长时间占⽤链路，（限制了分组的⼤⼩）同时也有利于进⾏差错控制。

1.4 计算机⽹络的定义和分类

定义

计算机⽹络的精确定义并未统⼀

种不同类型的数据，并能⽀持⼴泛的和⽇益增长的应⽤种不同类型的数据⽀持⼴泛的和⽇益增长的应⽤。

计算机⽹络所连接的硬件，并不限于⼀般的计算机，⽽是包括了智能⼿机等智能硬件。

计算机⽹络并⾮专门⽤来传送数据，⽽是能够⽀持很多种的应⽤（包括今后可能出现的各种应⽤）。

计算机⽹络的分类

１、按交换技术分类：

总线型⽹络

注意：数据量与速率的转换单位不⼀致

带宽

带宽在计算机⽹络中的意思是最⾼数据率

带宽1 Gb/s的以太⽹，代表其额定速率是1 Gb/s，这个数值也是该以太⽹的吞吐量的绝对上限值吞吐量的绝对上限值。因此，对于带宽1

Gb/s的以太⽹，可能实际吞吐量只有 700 Mb/s，甚⾄更低。

注意：吞吐量还可以⽤每秒传送的字节数或帧数表⽰

时延

当处理时延忽略不计时，发送时延 和 传播时延谁占主导，要具体情况具体分析

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

cc

分组在传输过程中出现误码，被结点交换机结点交换机检测出误码（此原理将在后续课程中讲述），进⽽被丢弃。

假设路由器R5当前的输⼊缓冲区已满，此时主机分组到达该路由器，路由器没有存储空间暂存该分组，只能将其丢弃。

实际上，路由器会根据⾃⾝的拥塞控制⽅法，在输⼊缓存还未满的时候就主动丢弃分组。

因特⽹于1983年开始使⽤TCP/IP协议族

如今⽤的最多的是TCP/IP体系结构TCP/IP体系结构，现今规模最⼤的、覆盖全球的、基于TCP/IP的互联⽹并未使⽤OSI标准。TCP/IP

体系结构相当于将OSI体系结构的物理层物理层和数据链路层数据链路层合并为了⽹络接⼝层⽹络接⼝层，并去掉了会话层会话层和表⽰层表⽰层。TCP/IP在⽹

络层使⽤的协议是IP协议，IP协议的意思是⽹际协议，因此TCP/IP体系结构的⽹络层称为⽹际层.TCP/IP体系结构的⽹络层称为⽹际层.

TCP/IP是⼀种体系结构

⽤户的主机必须使⽤TCP/IP协议。

在⽤户主机的操作系统中，通常都带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族。⽽⽤于⽹络互连的路由器中，也带有

符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族。只不过路由器⼀般只包含⽹络接⼝层和⽹际层。

TCP/IP体系结构的⽹络接⼝层并没有规定什么具体的内容，这样的⽬的是可以互连全世界各种不同的⽹络接⼝。例如：

有线的以太⽹接⼝，⽆线局域⽹的WIFI接⼝，⽽不限定仅使⽤⼀种或⼏种⽹络接⼝。因此本质上TCP/IP体系结构只有上

⾯的三层。IP协议是TCP/IP体系结构⽹际层的核⼼协议。

IP协议可以将不同的⽹络接⼝进⾏互连，并向其上的TCP协议和UDP协议提供⽹络互连服务。TCP协议TCP协议在享受IP协议提

的基础上，可向应⽤层的相应协议提供不可靠传输不可靠传输的服务。

⽹络接⼝层：并没有规定具体内容，这样做的⽬的是可以互连全世界各种不同的⽹络接⼝，例如：有线的以太⽹接⼝，⽹络接⼝层

⽆线局域⽹的WIFI接⼝等。

⽹际层：它的核⼼协议是IP协议。⽹际层

运输层：TCP和UDP是这层的两个重要协议。运输层

应⽤层：这层包含了⼤量的应⽤层协议，如 HTTP , DNS 等。应⽤层

IP协议（⽹际层）可以将不同的⽹络接⼝（⽹络接⼝层）IP协议（⽹际层）⽹络接⼝（⽹络接⼝层）进⾏互连，并向其上的TCP协议和UDP协议（运输层）TCP协议和UDP协议（运输层）提

供⽹络互连服务

⽽TCP协议TCP协议在享受IP协议提供的⽹络互连服务的基础上，可向应⽤层的相应协议应⽤层的相应协议提供可靠可靠的传输服务。

UDP协议在享受IP协议提供的⽹络互连服务的基础上，可向应⽤层的相应协议UDP协议应⽤层的相应协议提供不可靠不可靠的传输服务。

TCP/IP体系结构中最重要的是IP协议IP协议和TCP协议TCP协议，因此⽤TCP和IP来表⽰整个协议⼤家族。

⽹络互连有两种体系结构：OSI体系结构、TCP/IP体系结构

如今⽤的最多的是TCP/IP体系结构，现今规模最⼤的、覆盖全球的、基于TCP/IP的互联⽹并未使⽤OSI标准。

TCP/IP体系结构相当于将OSI体系结构的物理层物理层和数据链路层数据链路层合并为了⽹络接⼝层⽹络接⼝层，并去掉了会话层会话层和表⽰层表⽰层。

TCP/IP在⽹络层使⽤的协议是IP协议，IP协议的意思是⽹际协议，因此TCP/IP体系结构的⽹络层称为⽹际层TCP/IP体系结构的⽹络层称为⽹际层

⽹络接⼝层：并没有规定具体内容，这样做的⽬的是可以互连全世界各种不同的⽹络接⼝，例如：有线的以太⽹接⼝，⽹络接⼝层

⽆线局域⽹的WIFI接⼝等。

⽹际层：它的核⼼协议是IP协议。⽹际层

运输层：TCP和UDP是这层的两个重要协议。运输层

应⽤层：这层包含了⼤量的应⽤层协议，如 HTTP , DNS 等。应⽤层

IP协议（⽹际层）可以将不同的⽹络接⼝（⽹络接⼝层）IP协议（⽹际层）⽹络接⼝（⽹络接⼝层）进⾏互连，并向其上的TCP协议和UDP协议（运输层）TCP协议和UDP协议（运输层）提

供⽹络互连服务

⽽TCP协议TCP协议在享受IP协议提供的⽹络互连服务的基础上，可向应⽤层的相应协议应⽤层的相应协议提供可靠可靠的传输服务。

UDP协议在享受IP协议提供的⽹络互连服务的基础上，可向应⽤层的相应协议UDP协议应⽤层的相应协议提供不可靠不可靠的传输服务。

TCP/IP体系结构中最重要的是IP协议IP协议和TCP协议TCP协议，因此⽤TCP和IP来表⽰整个协议⼤家族。

教学时把TCP/IP体系结构的⽹络接⼝层⽹络接⼝层分成了物理层物理层和数据链路层数据链路层

2、计算机⽹络体系结构分层的必要性

物理层问题

RJ45以太⽹接⼝

将上图的三个问题划归为物理层。

⽹卡上的MAC地址，这就是主机在⽹络中的地址，主机在发送数据时，应该给数据附加上⽬的地址，当其他主机收到地

址后，根据⽬的地址和⾃⾝地址，来决定是否接受数据。

这种总线型⽹络早已淘汰，现在常⽤的是使⽤以太⽹交换机将多台主机互连形成的交换式以太⽹（右下图），以太⽹交换

基础上，只需制定各种应⽤层协议，并按协议标准编写相应的应⽤程序，通过应⽤进程间的交互来完成特定的⽹络应⽤。

应⽤层问题

应⽤层该⽤什么⽅法（应⽤层协议）去解析数据

3、计算机⽹络体系结构分层思想举例

例⼦：主机的浏览器如何与Web服务器进⾏通信

解析：

主机属于⽹络N1，Ｗeb服务器属于⽹络N2.我们使⽤主机中的浏览器来访问Web服务器，当在主机在浏览器中输⼊⽹址

后，主机会向Web服务器发送请求。Web服务器收到请求后，会发回相应的响应。主机的浏览器收到响应后，将其解析

为具体的⽹页内容显⽰出来。

体系结构的各层在整个过程中起到怎样的作⽤？

1、发送⽅发送

第⼀步：

应⽤层按照HTTP协议的规定构建⼀个HTTP请求报⽂应⽤层HTTP请求报⽂

应⽤层将HTTP请求报⽂HTTP请求报⽂交付给运输层运输层处理

第⼆步：

运输层给HTTP请求报⽂运输层HTTP请求报⽂添加⼀个TCP⾸部TCP⾸部，使之成为TCP报⽂段TCP报⽂段

TCP报⽂段的⾸部格式作⽤是区分应⽤进程以及实现可靠传输TCP报⽂段的⾸部格式

运输层将TCP报⽂段运输层CP报⽂段交付给⽹络层⽹络层处理

第三步：

⽹络层给TCP报⽂段⽹络层TCP报⽂段添加⼀个IP⾸部IP⾸部，使之成为IP数据报IP数据报

IP数据报的⾸部格式作⽤是使IP数据报IP数据报的⾸部格式IP数据报可以在互联⽹传输，也就是被路由器转发

⽹络层将IP数据报⽹络层IP数据报交付给数据链路层数据链路层处理

第四步：

数据链路层给IP数据报数据链路层IP数据报添加⼀个⾸部⾸部和⼀个尾部尾部，使之成为帧帧（图⽰右边为⾸部，左边为尾部）

假设N1为以太⽹，这是以太⽹帧⾸部的格式

该⾸部⾸部的作⽤主要是为了让帧帧能够在⼀段链路上或⼀个⽹络上传输，能够被相应的⽬的主机接收

该尾部尾部的作⽤是让⽬的主机检查所接收到的帧帧是否有误码

数据链路层将帧数据链路层帧交付给物理层物理层

第五步：

物理层先将帧物理层帧看做是⽐特流⽐特流，这⾥的⽹络N1假设是以太⽹，所以物理层物理层还会给该⽐特流⽐特流前⾯添加前导码前导码

前导码的作⽤是为了让⽬的主机（Web服务器）做好接收帧的准备前导码

物理层将装有前导码物理层前导码的⽐特流⽐特流变换成相应的信号信号发送给传输媒体

第六步：

信号通过传输媒体信号传输媒体到达路由器，接下来看路由器的处理过程路由器，接下来看路由器的处理过程

2、路由器转发

在路由器中

物理层将信号物理层信号变为⽐特流⽐特流，然后去掉前导码前导码后，将其交付给数据链路层，数据链路层，这实际上交付的是帧

数据链路层将帧数据链路层帧的⾸部⾸部和尾部尾部去掉后，将其交付给⽹络层⽹络层，这实际交付的是IP数据报IP数据报

⽹络层解析IP数据报⽹络层IP数据报的⾸部⾸部，从中提取⽬的⽹络地址⽬的⽹络地址

在路由器中

提取⽬的⽹络地址⽬的⽹络地址后，查找⾃⾝路由表⾃⾝路由表。确定转发端⼝转发端⼝， 以便进⾏转发

⽹络层将IP数据报⽹络层IP数据报交付给（路由器）的数据链路层数据链路层

数据链路层给IP数据报数据链路层IP数据报添加⼀个⾸部⾸部和⼀个尾部尾部，使之成为帧帧

数据链路层将帧交付给物理层数据链路层物理层

物理层先将帧物理层帧看成⽐特流⽐特流，这⾥的⽹络N2假设是以太⽹，所以物理层物理层还会给该⽐特流⽐特流前⾯添加前导码前导码

物理层将装有前导码前导码的⽐特流⽐特流变换成相应的信号信号发送给传输媒体，信号通过传输媒体到达Web服务器Web服务器

3、接收⽅接收

和发送⽅（主机）发送过程的封装正好是反着来

在Web 服务器上

物理层将信号物理层信号变换为⽐特流⽐特流，然后去掉前导码前导码后成为帧帧，交付给数据链路层数据链路层

数据链路层将帧数据链路层帧的⾸部⾸部和尾部尾部去掉后成为IP数据报IP数据报，将其交付给⽹络层⽹络层

⽹络层将IP数据报⽹络层IP数据报的⾸部⾸部去掉后成为TCP报⽂段TCP报⽂段，将其交付给运输层运输层

运输层将TCP报⽂段运输层TCP报⽂段的⾸部⾸部去掉后成为HTTP请求报⽂HTTP请求报⽂，将其交付给应⽤层应⽤层

应⽤层对HTTP请求报⽂应⽤层HTTP请求报⽂进⾏解析解析，然后给主机发回HTTP响应报⽂响应报⽂

发回响应报⽂的步骤和之前过程类似

4、计算机⽹络体系结构中的专⽤术语

以下介绍的专⽤术语来源于OSI的七层协议体系结构，但也适⽤于TCP/IP的四层体系结构和五层协议原理体系结构。

专业术语中由三个典型代表：实体、协议、服务。

实体

协议

协议：控制两个对等实体进⾏逻辑通信的规则的集合

主机要访问远程Web服务器，会构建⼀个HTTP的GET请求报⽂，然后将其发送给Web服务器，Web服务器收到该报⽂

并进⾏解析，知道这是⼀个HTTP的GET请求报⽂，于是在⾃⾝内部查找所请求的内容，并将所找到的内容封装在⼀个

这是TCP采⽤“三报⽂握⼿”建⽴连接的过程。要想进⾏运输层TCP实体间的逻辑通信，⾸先必须建⽴连接，从

连接建⽴的过程可以看出，TCP客户端和TCP服务器之间的时序关系以及各⾃的状态转换。只有双⽅建⽴连接

后，才能进⾏TCP数据传输。

这个例⼦可以充分体现出计算机⽹络协议三要素中的同步。