Introduction

What Is a Computer Network?#

计算机网络（Computer Network） 是相互连接、能够交换信息的自主计算设备的集合。

设备能够独立工作、设备之间互联、互联后能够交换信息

设备可以是计算机，也可以是手机、传感器和其他带有计算能力的终端。

按照网络用途分为五类：

Client–Server and Peer-to-Peer Communication#

客户端—服务器模型（Client–Server，C/S） ：客户端主动请求信息或服务，服务器接收请求、处理后返回结果。

1
客户端进程 ── 请求 ──→ 服务器进程
2
客户端进程 ←─ 应答 ─── 服务器进程
3
                         ↑
4
                       处理请求

对等通信（Peer-to-Peer，P2P） ：没有固定的客户端与服务器划分。参与者可以向别人请求资源，也可以把自己的资源提供给别人。

Network Roles#

一次访问可能依次经过“接入网络 → 中转网络 → 内容提供商网络”，也可能通过直接互联省去部分中转环节。

Broadband Access and Network Value#

梅特卡夫定律（Metcalfe’s law） 用网络规模解释网络价值：用户越多，潜在的交流与资源连接越多。教材将它明确表述为一种假说，即网络价值大致与用户数的平方成正比：

一个直观解释是，$n$ 个用户之间可能形成 $n(n-1)/2$ 对联系。

Wireless and Mobile Networks#

无线描述通信链路使用的介质；移动描述设备或用户的使用方式。

台式机可以装无线网卡，酒店也可以提供 Wi-Fi；携带笔记本到其他地方使用，不要求它在移动过程中一直联网。

移动设备还支持定位和移动业务：GPS 用于定位；地理标记把拍摄位置附在照片、视频上；移动商务通过手机完成交易；近场通信（NFC） 让设备与附近读卡器交互，课上用手机靠近读卡设备完成支付来说明。

Example#

停车服务 ：

车位状态采集 ：车位上的传感器感知车辆进入或离开。地磁感知与微波雷达配合判断，再通过低功耗无线通信，把“有车／无车”状态送往网关和云端。

车辆身份关联 ：仅有占用状态，还不知道停的是哪辆车。系统需要结合入口处的车牌识别等信息，把车辆身份与车位状态关联起来。

云端业务处理 ：云端记录到达和离开时刻，根据

及计费规则计算费用，再与支付、账单等功能衔接。

1
车辆进入／离开 → 传感器采集占用状态 → 无线网关 → 云端
2
                                                ↓
3
车牌识别与车辆信息 ───────────────────────→ 关联、计时、计费

传感器负责取得物理状态，网络负责送达信息，应用系统负责解释信息并执行业务。

Data Centers and Content Delivery Networks#

数据中心网络连接大量服务器，既要承载服务器之间的数据交换，也要承载数据中心与外部互联网之间的流量。

面临挑战是吞吐能力、规模扩大后的能耗，以及截面带宽；

内容分发网络（Content Delivery Network，CDN） 通过地理上分布的服务器，把内容放到更靠近用户的位置。

Transit and Enterprise Networks#

当内容提供商与用户所在的接入网络没有直接连接时，中转网络（Transit Network） 可以代为承载流量，并按商业安排提供服务。

内容逐渐集中到大型内容提供商，接入运营商的网络覆盖也在扩大。

企业或校园网络支持共享设备和信息、网络语音（VoIP）、远程桌面及电子业务。跨地区的组织可使用虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN），把分散地点连接成一个逻辑网络。 能够跨越实际地理距离，保持组织内部的逻辑连通性。

Broadcast and Point-to-Point Links#

网络硬件的两个重要分类维度是传输技术与规模。

在共享信道上，接收方需要检查地址。即使听到了某个发送信号，也不意味着消息就是发给自己的。

按接收对象分类：

前面的 P2P 描述应用参与者的角色；这里的“点到点链路”描述链路连接两个端点。

Networks by Scale#

Transmission Media, Bit Rate, and Bit Duration#

常见通信介质有：双绞线，用于电话线等连接；同轴电缆，用于有线电视；光纤，用于高速骨干等连接；无线电频谱，用于移动通信等无线链路。

链路传输速率 $R$ 的单位是 bit/s，表示每秒传输多少比特。若按均匀的比特间隔计算，一个比特的持续时间为：

$1\,\text{Mbps}=10^6\,\text{bit/s}$，$1\,\text{Gbps}=10^9\,\text{bit/s}$，$1\,\text{ms}=10^{-3}\,\text{s}$。速率与时间互为倒数。

Personal Area Networks#

蓝牙外设 ：

计算机连接鼠标、键盘、打印机都算个人区域网。在其采用的蓝牙简化模型中，计算机作为主设备协调外设，决定地址、发送时机、发送持续时间和使用频率等。

多个外设可以共享无线通信能力，但仍需要协调规则。

2.4 GHz 无线鼠标与蓝牙鼠标的工作原理有什么差异？

NOTE

核心差异在通信协议。 两者通常都工作在 2.4 GHz ISM 频段，但“2.4G 无线鼠标”一般使用厂商自定义的无线协议，需要专用 USB 接收器；蓝牙鼠标使用标准化的 Bluetooth 协议栈，可以直接和电脑自带的蓝牙模块通信。

Local Area Networks#

按信道分配方式区分静态设计与动态设计。

Metropolitan and Wide Area Networks#

城域网覆盖城市。

广域网的典型通信子网由两类部分构成：传输线路负责在节点间传递数据，交换设备负责把数据从一条线路转向另一条线路。

Site-to-Site Connectivity#

专用资源与共享互联网 ：

三张图都以澳大利亚 Perth、Brisbane、Melbourne 三处分支为例，从左到右说明跨站点通信的不同实现方式：

1. 左图：用传输线路与路由器组成广域网。 线路负责在节点之间传递数据，路由器负责交换和转发，二者构成连接各处分支的通信子网。企业可以通过建设或租用连接来实现这一结构，但图中的实线本身并不能证明整条物理线路都由企业独占。
2. 中图：通过互联网建立 VPN。 虚线表示站点之间的逻辑连接，实际数据仍经由底层互联网的线路和路由器传送。这样可以复用已有通信资源，减少自建跨地区网络的投入，但企业对底层路径、可用带宽和拥塞情况的控制较弱。
3. 右图：通过 ISP 网络连接。 各分支的客户网络接入运营商提供的通信子网，由运营商维护内部线路与路由器。企业购买连接服务，具体带宽、服务质量及资源保障取决于所购买的服务；这不等于运营商的整个骨干网只服务这一家企业。

逻辑上的专用网络与底层物理资源是否独占，是两个需要分别检查的问题。 VPN 描述逻辑连接方式，ISP 描述网络服务的提供者，二者并不互斥；运营商也可以提供 VPN 服务。

Internetworks, Gateways, and the Internet#

互联网络（Internetwork） ：由多个相互连接的网络构成。这些网络可能分别管理，也可能采用不同技术，例如把局域网连接到广域网，或连接两个局域网。 网关（Gateway） ：连接不同网络、完成必要适配的设备。 路由器（Router） ：网络层交换分组的网关。

互联网（Internet）是网络的网络，并向分布式应用提供通信服务。

The Internet#

从早期研究网络到多网络互联

互联网仍由多个网络共同构成。

互联网与万维网 ：互联网提供基础连通能力；万维网是利用这种能力组织和访问网页的一类应用。

Distributed Topology#

分布式拓扑更能抵抗局部故障

在层次式网络与具有较多冗余连接的分布式网络之中，分布式结构具有更强的容错能力。

在层次式结构中，很多通信依赖少数关键交换节点，关键节点故障可能切断大片区域的联系。在分布式结构中，同一对端点之间可能存在多条路径，部分线路或设备故障后，可以尝试其他路径。冗余连接提供替代路径，路由负责找到仍可用的路径。

ARPANET Hosts and Communication Subnet#

原始系统分为主机部分和通信子网部分。图中的 IMP 是承担分组交换的中间设备，主机经 IMP 接入子网。

图中有几种不同范围的协议关系：

1. 主机与相邻 IMP 之间；
2. 相邻 IMP 之间；
3. 源 IMP 与目的 IMP 之间；
4. 最终的主机与主机之间。

源 IMP 到目的 IMP 的协议用于提高传输可靠性。同一次通信需要不同范围的规则协作。

Home Internet Access#

一次跨网络访问可按下列示意路径理解：

1
用户设备 → 接入链路 → 本地 ISP 的接入点 → ISP 骨干
2
       → 与其他网络交换流量 → 目的网络 → 服务器／数据中心

互联网服务提供商（Internet Service Provider，ISP） 向用户提供网络连接。用户设备如何进入 ISP，可以采用不同的接入技术：

接入方式	用户侧及运营商侧	关键特点
拨号接入	电话线两端的调制解调器	通过一次电话连接传数据，上网会占用电话
数字用户线（DSL）	DSL modem ↔ DSLAM	复用入户铜线；DSLAM 汇聚多条用户线
光纤到户（FTTH）	光纤延伸到用户侧	使用光纤作为入户接入介质
有线电视网络接入	Cable modem ↔ CMTS	复用有线电视基础设施
移动网络接入	手机、基站与运营商核心网	无线连接首先解决终端接入问题

调制解调器（Modem） 在数字信息与适合线路传输的信号之间转换。 HFC ：光纤同轴混合网络。 分组数据传输使用 DOCSIS； 用户家中使用 cable modem，前端使用 CMTS。一套接入基础设施可以承载电视、数据与语音等不同业务。

From Hierarchical to Flat Networks#

传统结构画成“用户 → 本地 ISP → 区域 ISP → 骨干运营商”。

增加了更多直接互联，以及大型内容提供商与其他网络的直接连接。

扁平化 ：通信不必总是逐级上升到最高层再逐级下降。网络间互联更加密集，内容部署也更靠近用户。

Mobile Networks#

无线接入、核心网与蜂窝设计

Cellular Frequency Reuse#

移动通信需要使用无线电频谱，而可使用的频谱有限。

蜂窝设计把服务区域划成多个小区，每个小区由基站覆盖，再通过空间分隔复用频率资源。

在经典的频率复用模型中，相邻小区采用不同频率组，减少强干扰；距离较远、相互干扰已衰减的小区，可以使用相同频率组。同一份频谱在不同空间位置再次使用，从而提高整个系统的容量。

同色表示使用相同的一组频率，重点是这些小区之间的空间关系。

为什么画成六边形？

正六边形可以铺满平面，六个相邻小区中心与本小区中心的距离相同；方格中边邻居与对角邻居的距离不同。这便于建立覆盖与干扰分析模型。实际无线覆盖会受环境影响，不会严格长成正六边形。

在 3G 系统中，各小区可以使用全部频率，同时把相邻小区的干扰控制到可接受水平。

Wireless LANs: 802.11#

Standards, Shared Spectrum, and Access Points#

早期无线局域网产品互不兼容，促使业界制定共同标准。IEEE 802.11（Wi-Fi）

802.11 系统使用免单独许可的频段，例如 ISM 频段。

这不表示可以无限制发送：设备仍须控制发射功率，允许不同设备共存。无线局域网可能受到其他共用频谱的设备影响。

第 66 页给出两种组织形式：

形式	通信方式
有基础设施的网络	终端通过接入点通信，接入点连接有线网络
自组织网络（Ad hoc）	在无线覆盖范围内的终端直接通信，无需该图中的接入点

接入点（Access Point，AP） 负责无线接入；网关负责跨网络连接。 Wi-Fi 到 AP 的一段是无线链路，后续路径可以由有线网络继续承载。

Multipath Fading#

多径衰落（Multipath Fading） ：无线信号可经直接路径和反射路径到达接收机。不同路径的距离与到达时间不同，收到的信号叠加时，可能相互增强，也可能相互抵消，导致接收强度明显波动。

Channel Sensing, Backoff, and Collisions#

**载波侦听多路访问（CSMA）**的基本思想是发送前先听信道：发现别人正在发送，就推迟自己的发送；设备使用随机等待，冲突后再随机延迟并重传。

A 和 C 可能互相听不到，但它们的信号都能到达 B。 于是，两者各自在本地听到“空闲”，仍可能在 B 处造成相互干扰。仅凭发送者自己没有听见别人，不能保证接收端没有冲突。

Four Protocol Design Goals#

差错检测与差错纠正。 ：检测负责发现收到的信息有误；发现错误后可以通过重传等办法处理。纠正则利用额外信息，从有错的数据恢复原消息。

统计复用（Statistical Multiplexing）。 ：多个使用者根据需求共享资源，利用它们并非始终同时需要全部资源的特点。

Protocols, Peers, Interfaces, and Protocol Stacks#

协议（Protocol） ：规定通信实体之间交换消息的格式、顺序，以及发送、接收消息或其他事件发生时应采取的动作。

Logical Communication and Actual Data Flow#

两种不同方向的联系：

横向：对等层之间按协议交流。 例如，主机 A 的第 4 层与主机 B 的第 4 层使用共同的规则，可以把它们抽象为正在直接“对话”。图中用虚线表示这种逻辑关系。

纵向：本机相邻层通过接口协作。 发送端的数据逐层向下交付，到达物理介质；接收端再逐层向上交付。

1
发送端                              接收端
2
第 n 层  ····· 对等层逻辑通信 ·····  第 n 层
3
   ↓ 使用下层服务                      ↑ 向上层交付
4
  ……                                  ……
5
第 1 层 ────── 经物理介质传输 ──────→ 第 1 层

因此，对等层的逻辑通信依赖下层服务实现。第 4 层不会绕过第 3、2、1 层，直接把数据“跳送”到另一台机器的第 4 层。

Encapsulation, Fragmentation, and Reassembly#

记 $M$ 为上层消息，$H_i$ 为第 $i$ 层添加的头部，$T_2$ 为第 2 层的尾部。

1
第 5 层：                      [ M ]
2

3
第 4 层：                   [ H4 | M ]
4

5
第 3 层：       [ H3 | H4 | M1 ]       [ H3 | M2 ]
6

7
第 2 层：  [ H2 | H3 | H4 | M1 | T2 ]  [ H2 | H3 | M2 | T2 ]
8

9
第 1 层：                通过物理介质传输比特

Connection-Oriented and Connectionless Services#

分层体系中，一层可以向上层提供不同形式的服务。

面向连接：发送端放入数据，接收端取出数据。 无连接传递：不同消息可能经历不同等待或路径，先发出的消息也可能后到。

面向连接不自动保证可靠，无连接也可以增加确认机制。

可靠传递需要付出代价，例如确认、检测和重传带来的开销与等待。文件传输通常要求内容完整正确；实时语音则可能更难容忍等待过久。

Store-and-Forward and Cut-Through Switching#

中间节点收到多少数据以后，开始向下一跳发送？

Service Primitives#

服务原语（Service Primitive） ：是用户进程访问某项服务时可调用的基本操作。

若协议栈位于操作系统中，原语通常通过系统调用提供。调用原语是在本机要求服务执行动作；实际发什么消息、怎样与对端配合，由协议实现。

Request–Reply Sequence Diagram#

服务器先执行 LISTEN 等待连接，客户端再执行 CONNECT。

次序	消息方向与内容	原语及进程状态的变化
1	客户端 → 服务器：连接请求	客户端执行 CONNECT 后等待；服务器收到请求，等待连接的进程被唤醒
2	服务器 → 客户端：接受连接	服务器执行 ACCEPT；客户端收到响应后继续运行
3	客户端 → 服务器：业务请求	服务器先 RECEIVE 等待；客户端 SEND 后再 RECEIVE 等待应答；请求到达后服务器继续处理
4	服务器 → 客户端：业务应答	服务器处理请求后 SEND；应答到达使客户端继续运行
5	客户端 → 服务器：断开请求	客户端执行 DISCONNECT，在该示例中等待对方确认
6	服务器 → 客户端：断开响应	服务器也执行 DISCONNECT 并释放连接；响应到达后客户端结束等待

某层呈现的服务形式，不必与其下层使用的传递方式相同。

Services and Protocols#

例如，上层通过“发送”操作要求交付数据；本层究竟怎样编号、确认、处理错误，需要通过它与对端之间的协议来实现。上层可以使用服务，而无需直接构造这套协议的全部控制信息。

保持对上层可见的服务不变，就可以更换内部协议或实现。 前提是参与通信的对等实体仍能遵守一致、兼容的规则，不能只改一端的报文解释就期望另一端自动理解。

OSI Seven-Layer Model#

开放系统互连参考模型（OSI） 规定了七层的职责划分，是理解网络功能与协议组织的参考框架。自下而上的顺序为：

物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 会话层 → 表征层 → 应用层。

物理层传比特，数据链路层组织帧，网络层处理分组。 OSI 模型本身没有规定各层必须采用的具体服务和协议，因此不是一套完整的网络体系结构。

End-to-End and Hop-by-Hop Processing#

关注最小单位：Physical layer 是 bit， Data link layer 是 frame，Network layer 是 packet，Transport layer 是 segment。

端到端传输的最底层是transport layer

图中有源主机、中间路由器和目的主机。两台主机可能相隔很远，数据需经过多个中间节点。

1
源主机 A → 路由器 R1 → 路由器 R2 → 目的主机 B

第 1–3 层沿途参与逐跳处理。 在图中，中间路由器从物理层接收，经数据链路层取得内部的分组，再在网络层根据地址决定转发方向，最后通过下一条链路继续发送。

第 4–7 层体现端到端的逻辑关系。 这些层在图中连接两端主机，中间路由器不作为对应上层会话的一端。端到端也不要求两端之间存在直接物理链路，它可以依靠多跳网络实现。

访问百度：本机先到默认网关，再经学校出口、运营商网络等节点，逐跳到达目的地。

Physical Layer#

物理层（Physical Layer） 负责在通信信道上传输原始比特，是上层网络功能的基础。它需要约定：用什么信号表示 0 和 1、每个比特持续多长时间、通信能否同时双向进行，以及连接器和线路如何连接等。

物理层中的基本数据单位是 bit。

Physical media 分为三类：

1. Guided media：有线传输介质，例如双绞线、同轴电缆、光纤。
2. Unguided media：无线传输介质，例如电磁波、红外线。
3. Satellite：卫星通信，通常使用微波频段。

Data Link Layer#

数据链路层（Data Link Layer） 负责在相邻节点之间可靠传输帧，处理物理层可能出现的误码、丢帧等问题。

基本数据单位是 帧（Frame）。

三大功能

分帧(Framing) ：发送方把数据组织成一帧一帧，再依次发送 差错控制(Error Control) ：检测错误，并按协议采用重传或纠错等处理方式 （Important）流量控制(Flow Control) ：协调发送速度，避免接收方被数据淹没

Network Layer#

网络层（Network Layer） 负责让分组从源端到达目的端。它要把多条链路连接成完整路径，并处理不同网络之间的互联问题。

基本数据单位是 分组（Packet）。

路由选择 是核心：网络分布在许多设备上，各节点需要协作，让分组沿适当的路径前进。

两类路由算法：链路状态（Link-state） 与 距离向量（Distance-vector）。

路由协议 : IPv4、IPv6、ICMP，以及 RIP、OSPF、BGP 等。

网络层还需要面对拥塞控制、服务质量（QoS）与异构网络互联：即使找到一条可达路径，也要考虑这条路径能否承载流量，以及不同网络的地址、分组大小等条件是否兼容。

Transportation Layer#

传输层（Transport Layer，亦称运输层）是本章分层模型中最低的端到端层。 源主机与目的主机中的对等实体通过协议进行通信，下方的网络层负责让分组经过沿途节点。

根据具体协议，传输层接收上层数据，进行必要的分段，把数据交给网络层，并在接收端完成相应处理。

传输层的数据单位是 segment（报文段）。

Connection-oriented transport protocols（面向连接的运输协议）如 TCP 提供可靠的字节流服务

Connectionless transport protocols（无连接的运输协议）如 UDP 提供不可靠的数据报服务.

Session Layer and Presentation Layer#

会话层（Session Layer） 为不同机器上的用户建立会话，并提供以下服务：

表征层（Presentation Layer，亦称表示层） 关注所传信息的语法与语义。不同计算机内部的数据表示可能不同，通信时需要约定抽象的数据结构及传输编码，使双方能够一致地解释信息。

会话层协调一次交互如何进行，表征层处理信息如何表示和解释。

Application Layer#

应用层（Application Layer） 包含用户应用所需的网络协议。浏览器、电子邮件、文件传输等业务利用下层的通信能力，按照各自的应用协议交换信息。

The TCP/IP Reference Model#

模型自下而上分为四层：

链路层 → 互联网层 → 传输层 → 应用层。

1
发送端应用字节流 → TCP 分段 → IP 分组传递
2
                                  ↓
3
接收端应用字节流 ← TCP 重组 ← 接收端 IP

The Application Layer#

应用可以包含自己需要的会话与表示功能

The Model Used in This Book#

五层混合模型，保留物理层与数据链路层的区分，同时把上层应用相关功能集中到应用层：

物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 应用层。

The OSI vs. TCP/IP#

OSI 七层，TCP/IP 四层，教材五层。

Bits, Bytes, and Prefixes#

小写 b 表示 bit，大写 B 表示 byte。 速率单位带 /s，表示单位时间内传送的数据量；时间单位不带 /s。

The Textbook’s Unit Convention#

通信速率的 kbps、Mbps、Gbps、Tbps 采用 $10^3$、$10^6$、$10^9$、$10^{12}$ bit/s。

Four Types of Delay#

在“节点处理 → 排队 → 输出链路发送 → 沿链路传播”的记账方式下，可把一次节点及后续链路的时延写为：

这里后两个量为：

$L$ 用 bit，$R$ 用 bit/s；$d$ 用 m，$v$ 用 m/s。

End-to-End Delay#

在单个分组、逐跳存储转发、各段分组长度不变的简化模型中，端到端时延可写为：

1
主机 A → 路由器 R1 → 路由器 R2 → 主机 B
2
          三条链路、两个中间路由器

Packet Loss#

链路前的队列容量有限。 当新分组到达时，如果相关缓冲区已经满了，就没有空间继续存放它，可能发生丢包。

两种丢弃情形：检查发现数据受损，以及缓冲区已满。前者与差错有关，后者与队列容量及负载有关。

1
到达负载较大 → 队列积压 → 缓冲区用满 → 新到达的分组被丢弃

Throughput and the Bottleneck Link#

吞吐量描述单位时间内实际传送的数据量，常用 bit/s。它受路径上的**瓶颈链路（Bottleneck link）**限制。

若一条固定路径依次经过速率为 $R_1,R_2,\ldots,R_n$ 的链路，在没有其他流量竞争、节点处理不构成更低限制的简化模型中：