计算机网络在信息时代的作用
计算机网络已经成为信息社会的核心基础设施。它使得人们可以随时随地访问、处理和交换信息，极大地促进了数字化、网络化和智能化的发展。具体作用包括：
- 信息共享：用户可以通过网络访问分布在世界各地的信息资源（网页、数据库、文件等）。
- 通信协同：电子邮件、即时消息、视频会议等应用支持人与人、人与机器之间的高效协作。
- 远程访问：支持远程办公、在线教育、远程医疗等，打破了地理限制。
- 电子商务与金融：网络支付、网上银行、在线购物等改变了传统商业模式。
- 娱乐与媒体：流媒体、社交网络、在线游戏等丰富了人们的文化生活。
互联网概述
网络的网络
互联网是由众多计算机网络（局域网、城域网、广域网）通过路由器互联而成的“网络的网络”。其两大基本特点是：
- 连通性：任何接入互联网的用户（终端）之间都可以相互交换数据，仿佛彼此直接相连一样。这种连通性不受物理距离的限制。
- 共享性：指资源共享，包括信息（网页、文件）、软件（在线服务、云应用）和硬件（如远程打印机、算力资源）。共享使得资源利用率大幅提升，降低了成本。
互联网基础结构发展三个阶段
第一阶段（1969–1990）：ARPANET 到互联网雏形
- 1969 年美国国防部建立 ARPANET，最初只有 4 个节点。
- 20 世纪 70 年代提出 TCP/IP 协议体系。
- 1983 年 ARPANET 全面采用 TCP/IP，标志着现代互联网的诞生。
- 80 年代中期美国国家科学基金会建立 NSFNET，成为主干网。
第二阶段（1990–2000）：商业化与万维网兴起
- 1990 年 ARPANET 停止运行，NSFNET 成为骨干。
- 1991 年万维网（WWW）公开，浏览器出现，互联网向公众开放。
- 1995 年 NSFNET 退役，互联网完全由商业 ISP 运营，进入爆炸式增长。
第三阶段（2000 至今）：移动互联网、物联网与高速宽带
- 光纤到户、4G/5G 移动通信普及。
- 智能终端、云计算、社交网络、流媒体成为主流。
- 物联网（IoT）将数十亿设备接入互联网，进入“万物互联”时代。
互联网的标准化工作
互联网的标准化由 IETF（互联网工程任务组） 等组织负责，遵循“ rough consensus and running code” 原则。主要成果以 RFC（Request For Comments） 文档形式发布。
- Internet Standard：经过充分验证的正式标准（如 RFC 791 – IP、RFC 793 – TCP）。
- Proposed Standard / Draft Standard：处于不同成熟度的草案。
- 此外还有 BCP（Best Current Practice）、Informational 等类型。
- 标准化过程公开透明，任何人均可提交提案，保证了互联网的开放性和快速演进。
互联网的组成
互联网从物理结构上由以下四类元素构成：
- 主机（hosts）：包括个人电脑、服务器、智能手机、物联网设备等，位于互联网边缘，运行各种网络应用。
- 交换设备：如交换机（链路层）和路由器（网络层），负责转发数据包，决定数据的传输路径。
- 通信链路：光纤、双绞线、同轴电缆、无线电波、卫星链路等，提供比特流传输的物理介质。
- 协议软件：TCP/IP 等协议栈，定义了数据如何封装、寻址、传输和解析。
边缘部分
由所有连接在互联网上的主机组成，用户直接使用这些主机进行通信和资源共享。这些主机又称为端系统（end system）。
- 端系统可以是客户端（如 PC、手机）或服务器（如 Web 服务器、邮件服务器）。
- 边缘部分的主要通信方式有两种（见下文）。
通信方式
客户-服务器方式（C/S 方式）
即 Client/Server 方式。服务器长期运行，被动等待请求；客户主动发起通信，获得服务后结束。特例是浏览器/服务器方式（B/S 方式），浏览器作为通用客户端访问 Web 服务器。
特点：服务器需要高带宽和强处理能力；客户之间不直接通信。对等方式（P2P 方式）
即 Peer-to-Peer 方式。每个节点既是客户也是服务器，直接共享资源（文件、带宽、算力）。
特点：可扩展性好，无需中心服务器；常用于文件共享（BitTorrent）、区块链、视频会议（WebRTC）等。
核心部分
由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。
- 路由器：核心设备，负责分组存储转发，依据路由表选择最佳路径。
- 核心网络：通常采用高带宽光纤链路，运行复杂的路由协议（如 OSPF、BGP），保证全球范围的数据传输。
计算机网络在我国的发展
- 起步（1980s–1994）：1987 年发出第一封国际电子邮件；1994 年全功能接入 Internet。
- 加速（1995–2000）：中国公用计算机互联网（CHINANET）建成，互联网服务开始民用。
- 普及（2001–2010）：宽带接入普及，网民数量激增，电子商务、社交网络兴起。
- 领先（2011 至今）：4G/5G 网络大规模覆盖，光纤宽带用户数世界第一，IPv6 部署迅速，移动支付和物联网应用全球领先。
计算机网络的类别
定义
计算机网络是由通信链路连接的、具有独立功能的计算机系统集合，遵循协议实现资源共享和信息交换。
几种类别
按覆盖范围分类：
- 个人区域网（PAN）：范围约 10 米，如蓝牙、USB 连接个人设备。
- 局域网（LAN）：覆盖一栋楼或一个园区，典型技术为以太网、Wi-Fi。
- 城域网（MAN）：覆盖一个城市，常用技术如以太网汇聚、有线电视网。
- 广域网（WAN）：跨越国家或大陆，如 Internet 骨干网、运营商核心网。
按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型等。
按交换方式分类：电路交换、报文交换、分组交换。
按使用范围分类：公用网（Internet）、专用网（企业内部网、金融专网）。
计算机网络的性能
性能指标
- 速率：数据率（data rate）或比特率（bit rate），单位 b/s（bps），常用 kb/s, Mb/s, Gb/s 等。文献中的网络速率一般指额定/标称速率，即设备能够达到的最高速率，而非实际运行的速率。
- 额定/标称速率：由于在每一帧被传送的数据量中还包括同步码、纠错码等辅助成分，实际有效数据传输速率会低于标称速率。
- 有效速率：在标称速率中扣除辅助成分后，为理想信号条件下传送数据的理论最高速率。
- 包转发率（Packet Per Second, PPS）：网络设备（如交换机、路由器）以包为单位的转发速率。线速转发指交换机端口在满负载下能够达到的最高速度（即端口带宽除以最小包长对应的包转发率）。
其他重要性能指标：
- 带宽：模拟信号中指频率范围（Hz）；数字通信中指最大数据速率（b/s）。
- 吞吐量：实际网络中端到端的传输速率，受拥塞、丢包等影响。
- 时延：包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
- 时延带宽积：传播时延 × 带宽，表示链路中正在传输的比特数量。
- 丢包率：分组在传输过程中丢失的比例。
- 往返时间（RTT）：从发送端发出数据到收到确认的时间间隔。
非性能特征
- 可靠性：系统连续无故障运行的能力，常用平均故障间隔时间（MTBF）衡量。
- 可扩展性：网络规模扩大时，性能和服务质量能否保持。
- 可管理性：网络监控、配置、故障排除的难易程度。
- 标准化程度：是否符合国际标准（IEEE、IETF、ITU-T）。
- 成本：包括建设、运营、维护费用。
计算机网络体系结构
形成
为了降低网络设计的复杂性，采用分层体系结构。每层完成特定功能，下层为上层提供服务，层间通过接口交互。国际标准化组织（ISO）于 1984 年提出了 OSI 七层参考模型（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），但因实现复杂未被广泛采用。实际使用中，TCP/IP 四层模型成为事实标准。
协议与划分层次
- 协议：控制两个对等实体通信的规则集合，包括语法（格式）、语义（含义）、同步（时序）。
- 分层原则：每一层独立完成特定功能；层间变化不影响其它层；提供标准化的服务接口。
具有五层协议的体系结构
综合 OSI 和 TCP/IP，教学中常采用五层模型：
- 物理层：传输比特流，定义电压、接口、介质等。
- 数据链路层：在相邻节点间可靠传输帧，处理差错控制和流量控制。
- 网络层：负责分组从源到目的地的路由选择和转发（IP 协议）。
- 传输层：提供端到端的可靠（TCP）或不可靠（UDP）数据传输。
- 应用层：为用户应用提供协议支持（HTTP、SMTP、FTP 等）。
实体、协议、服务和服务访问点
- 实体：每一层中的活动元素（如进程、硬件模块），可以发送或接收信息。
- 协议：同一层不同系统上的实体之间通信的规则。
- 服务：下层为上层提供的一组操作，上层通过 服务访问点（SAP） 访问下层服务。例如传输层的 SAP 就是端口号。
TCP/IP 的体系结构
TCP/IP 协议栈包括四层（应用层、传输层、互联网层、网络接口层），并不严格区分物理层和数据链路层。其核心协议：
- IP（互联网协议）：提供无连接、不可靠的分组交付。
- TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠、有序的字节流传输。
- UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效的数据报传输。
TCP/IP 体系结构采用沙漏模型：IP 位于中央，支持多种上层协议和多种底层网络技术。