计算机网络在信息时代的重要作用

当前社会已进入信息时代，其核心特征是数字化、网络化与信息化。在这一背景下，三大类网络支撑着现代通信体系：电信网络、有线电视网络以及计算机网络。

电信网络主要用于提供电话、电报和传真等传统通信服务；有线电视网络则专注于向用户传输各类电视节目内容；而计算机网络的核心功能在于实现计算机之间的数据文件传输。

其中，发展最为迅速并发挥关键作用的是计算机网络。作为全球规模最大且最具影响力的计算机网络，Internet 已成为现代社会不可或缺的基础设施之一。

“因特网”是全国科学技术名词审定委员会推荐的标准译名，但长期以来并未广泛使用；目前普遍采用的是“互联网”，已成为事实上的标准称谓。“互连网”则是指局部范围内通过路由器连接而成的多个网络集合，因此需注意：“互联网”不等于“互连网”。

互联网具备两大基本特性：连通性与资源共享。

• 连通性（connectivity）：使得上网用户之间能够便捷、低成本地交换各种信息，仿佛彼此终端直接相连。
• 资源共享（sharing）：支持信息、软件及硬件资源的共享，使这些资源如同位于用户身边一样易于访问和使用。

互联网基础结构与发展阶段

从构成上看，计算机网络由若干节点（node）及其相互连接的链路（link）组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等设备。

当多个独立网络通过路由器进行互联时，便形成了一个覆盖范围更广的计算机网络——即“互连网”（internetwork 或 internet），也被称为“网络的网络”（network of networks）。

在网络图示中，“云”常被用来抽象表示复杂的网络结构。

需要明确几个概念：

• 网络：指将多台计算机连接在一起形成的系统。
• 互连网：指将多个网络通过路由器连接起来的整体结构。与网络相连的计算机通常称为主机。

特别强调：internet（通用术语）≠ Internet（专有名词），前者泛指任意互连网络，后者特指全球性的互联网。

互联网发展的三个主要阶段

互联网的基础架构经历了三个关键发展阶段：

1. 第一阶段（1969–1990年）：从单一网络 ARPANET 向互联网演进。ARPANET 最初是一个独立的分组交换网络，并非互连网。1983年，TCP/IP 协议正式成为 ARPANET 的标准协议，自此所有遵循该协议的设备均可实现互联互通，因此这一年被视为互联网诞生之年。至1990年，ARPANET 宣布关闭。
2. 第二阶段（1985–1993年）：建成三级结构的互联网体系，以美国国家科学基金网（NSFNET）为核心。该结构分为三层：主干网、地区网和校园网（或企业网），覆盖全美主要高校与科研机构，成为当时互联网的主体部分。
3. 第三阶段（1993年至今）：进入全球范围的多层次 ISP 结构时代。随着互联网服务提供者（ISP, Internet Service Provider）的兴起，普通用户得以接入互联网，ISP 提供接入服务并收取相应费用。ISP 层级包括主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP，三者在覆盖范围和拥有的 IP 地址数量上存在差异。

注：若题目要求划分为四个阶段，则可将起点前移至1950年代作为第一阶段准备期，后续阶段依次顺延。

互联网的组成结构

从工作方式角度分析，互联网可分为两个主要部分：

• 边缘部分：由所有连接到互联网的主机构成，直接面向用户，用于通信（如传输数据、音频、视频）及资源共享。
• 核心部分：由大量网络及连接它们的路由器组成，为边缘部分提供连通性和数据交换服务。

端系统的定义与分类

位于互联网边缘的所有主机统称为端系统（end system）。这些系统在功能上差异显著：

• 小型端系统：如个人电脑、智能手机、网络摄像头等。
• 大型端系统：如高性能服务器或昂贵的大型计算机。

端系统的拥有者可能是个人、组织单位，或是某个 ISP。

端系统间的两种通信模式

端系统之间主要有两种通信方式：

1. 客户/服务器方式（C/S 方式）
2. 对等方式（P2P 方式）

客户/服务器方式（Client/Server）

此模式描述的是进程间的服务请求与响应关系。

• 客户（Client）：主动发起服务请求的一方，必须知道服务器程序的地址，一般无需特殊硬件或复杂操作系统支持。
• 服务器（Server）：持续运行，被动等待来自各地客户的请求，能同时处理多个客户连接。通常依赖强大的硬件资源和高级操作系统支撑。

P2P 对等方式（Peer to Peer）

在此模式下，两台主机通信时不区分客户端与服务端角色。只要双方都安装并运行了 P2P 软件，即可建立平等、双向的通信连接，实现资源共享与协同操作。

计算机通信的本质含义

所谓计算机之间的通信，实质上是指主机 A 上的某个进程与主机 B 上的另一个进程之间进行的数据交互过程。

互联网核心部分的功能

互联网的核心部分负责为边缘部分提供高效的数据转发与网络连通能力，确保信息能够在不同主机之间可靠、快速地传递。

交换技术主要包括电路交换、分组交换和报文交换三种形式。其中，互联网的核心部分广泛采用的是分组交换技术。

交换的含义

“交换”本质上是指将一条通信线路转接到另一条线路上，从而实现两者之间的连通。从通信资源分配的角度来看，这种操作是通过某种机制动态地调配传输线路资源的过程。

电路交换

电路交换的主要特点是：在通话过程中，两个用户会独占端到端的通信资源，直到连接释放为止。

早期电话系统中，所需电线对的数量与电话机数量的平方（N）成正比，导致资源消耗巨大。

电路交换的三个阶段：

• 建立连接：在通信开始前，需建立一条专用的物理通路，并占用相应的通信资源。
• 通话阶段：主叫与被叫双方进行实时通话，期间持续占用已建立的物理链路。
• 释放连接：通信结束后，断开专用通路并将所占资源归还给系统。

分组交换

分组交换基于存储转发技术，数据被分割为多个较小的数据单元——即“分组”，然后逐个进行转发。

分组交换的特点：

• 排队延迟：每个分组在路由器处需要暂存并排队等待处理，造成一定的时延。
• 带宽不保证：由于采用动态资源分配方式，无法确保固定的带宽供应。
• 额外开销增加：每个分组必须携带控制信息（如首部），同时路由器需维护转发表并临时存储分组，带来一定系统负担。

报文交换

早在20世纪40年代，电报通信就应用了基于存储转发原理的报文交换（message switching）技术。

然而，该技术存在明显的缺点：传输时延较长，通常从几分钟到几小时不等，难以满足实时性要求。

目前，报文交换已基本被淘汰，极少被实际使用。

计算机网络的分类

尽管计算机网络尚无统一的精确定义，但较为合理的描述如下：

计算机网络主要由一些通用且可编程的硬件互连构成，这些硬件并非专用于某一特定功能（如传输音频或视频信号）。它们能够传送多种类型的数据，并支持日益多样化的应用需求。

常见的计算机网络类别划分方式包括：

1. 按网络作用范围分类；
2. 按使用者类型分类；
3. 用于将用户接入互联网的接入网。

计算机网络的性能指标

衡量计算机网络性能可以从多个维度进行评估，以下是几个关键性能参数：

速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率

速率

速率是衡量网络性能最重要的指标之一，表示单位时间内传送的数据量，也称为数据率或比特率。

常用单位有：bit/s、kbit/s、Mbit/s、Gbit/s 等。例如，4 × 10 bit/s 可表示为 40 Gbit/s。

注意：这里提到的速率通常指额定或标称速率，并非实际运行中一定能达到的速度。

换算关系：

• 千（K）= 2 = 1024
• 兆（M）= 2 = 1024 K
• 吉（G）= 2 = 1024 M
• 1 字节（Byte）= 8 比特（bit）

带宽

带宽具有两种常见含义：

• 频域角度：指某个信号所占据的频率范围，单位为赫兹（Hz）、kHz、MHz、GHz 等。信道允许通过的信号频率范围即为其带宽（又称通频带）。
• 时域角度：表示某通道在单位时间内能传输的最高速率，单位为 bit/s，与数据率单位一致。

本质上，这两个概念是相通的：通信链路的带宽越宽，其支持的最高数据率也就越高。

吞吐量

指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

受制于网络带宽或额定速率，吞吐量的最大值不会超过额定速率，但在高负载情况下可能远低于理论值，甚至趋近于零。

有时也可用每秒传输的字节数或帧数来表示。

时延

时延是指数据（可以是一个报文、分组或单个比特）从网络一端传送到另一端所需的时间，也称延迟或迟延。

它由以下四个部分组成：

发送时延（传输时延）

指主机或路由器发送一个数据帧所需的时间，即从第一个比特开始发送起，到最后一个比特发送完成为止的持续时间。

传播时延

指电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间。

不同介质中的传播速率如下：

• 自由空间（如无线通信）：约 3.0 × 10 km/s（光速）
• 铜线电缆：约 2.3 × 10 km/s
• 光纤：约 2.0 × 10 km/s

处理时延

当主机或路由器接收到分组后，对其进行处理所需的时间，包括分析首部、提取有效载荷、差错校验、路由查找等操作。

排队时延

分组在路由器输入或输出队列中等待处理和转发所经历的时间。

该时延的长短高度依赖于当前网络的通信负荷。当流量过大时，可能出现队列溢出，导致分组丢失，此时相当于排队时延趋于无穷大。

计算机网络体系结构

1. 体系结构的形成背景

为了应对复杂庞大的网络设计问题，早期ARPANET采用了分层的设计思想，即将整体问题分解为若干局部、相对简单的问题分别解决。

主要体系结构发展历程：

• IBM于1974年推出系统网络体系结构SNA；
• 国际标准化组织（ISO）于1983年发布ISO 7498标准，提出开放系统互连参考模型（OSI/RM），即著名的七层协议结构；
• TCP/IP体系结构虽然层数较少，但由于其实用性强、部署广泛，已成为事实上的国际标准。

2. 协议与层次划分

网络协议是分层架构的基础，每一层都定义了特定的功能和通信规则，各层之间通过接口协作，共同完成数据传输任务。

网络协议是为实现网络中数据交换而制定的规则、标准或约定，主要由语法、语义以及同步三个基本要素构成。这些协议确保了通信双方能够正确理解并处理传输的信息。

为了有效管理复杂的网络通信过程，现代计算机网络普遍采用层次化的协议结构。这种结构将整个通信系统划分为多个层级，每一层都有明确的功能划分，并且各层之间相互独立，仅通过定义良好的接口进行交互。

五层协议体系结构

一种常见的网络体系结构包含五个层次：应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。每一层承担特定任务，并使用相应的协议来完成数据传输功能。

应用层：该层负责通过不同主机上应用进程之间的交互，实现具体的网络应用。常见的协议包括 DNS、HTTP 和 SMTP 等。其传输的基本数据单位称为报文（message）。

运输层：主要任务是在两台主机的进程之间提供通用的数据传输服务。它有两种核心协议：TCP 提供面向连接且可靠的服务，其数据单元为报文段（segment）；UDP 则为无连接、尽最大努力交付的服务，对应的数据单元是用户数据报。

网络层：在网络中为不同主机间的通信提供支持，核心功能包括分组的路由选择与转发。主要协议有 IP 协议（无连接的网际协议）以及多种动态路由协议。该层的数据传输单位为 IP 数据报，也可简称为数据报。

数据链路层：负责在两个相邻节点之间实现可靠的帧传输。通过采用差错检测和纠正机制的可靠传输协议来保障通信质量，尽管这会增加协议复杂性。该层处理的基本单位是帧（frame）。

物理层：关注比特流（0 或 1）的物理传输问题。其主要内容涉及接口的机械和电气特性，例如电缆插头的引脚数量与连接方式等，但不涉及具体使用的物理媒体类型（如双绞线、同轴电缆或光纤）。

实体、协议、服务与服务访问点

实体：指任何可以发送或接收信息的硬件模块或软件进程，位于协议的某一层次中。

协议：是一组控制两个对等实体之间通信的规则集合，确保信息按照预定格式和时序进行交换。

服务：表示某一层向其上一层所提供的通信能力，通常通过一组服务原语来实现操作调用。

服务访问点（SAP）：是相邻两层实体之间进行交互的逻辑接口，即下层为上层提供服务的位置。

服务数据单元（SDU）：指的是在相邻层之间传递的数据单位，可能与当前层封装后的协议数据单元（PDU）不同。

TCP/IP 体系结构

TCP/IP 模型采用四层结构，分别为：应用层、运输层、网际层和网络接口层。这一模型广泛应用于互联网通信中。

路由器在转发数据包时，最高只处理到网际层，不对上层内容做解析。此外，某些应用程序可绕过标准运输层，直接调用 IP 层或网络接口层进行通信，以满足特殊性能需求。

其设计理念强调“网络核心越简单越好”，即底层网络应尽可能保持简洁，实现“IP over Everything”——各种网络技术都能承载 IP 协议。

TCP/IP 协议族呈现出沙漏形状，突出“Everything over IP”的思想：上层多种应用和服务均可基于统一的 IP 层运行，体现了高度的兼容性和扩展性。

数据在各层之间的传递过程

在发送端，数据从高层逐层向下传递。每一层都会在原始数据前添加首部（有时还包括尾部），形成该层的协议数据单元（PDU）。

在接收端，数据则从底层向上传递。每经过一层，相应层会剥离自身的首部（和尾部），还原出上层所需的数据内容，最终恢复原始报文。

在整个通信过程中，虽然数据垂直穿过各层，但对等层之间被视为通过水平方向的虚线直接交换 PDU，体现协议的对等性与分层抽象的思想。