计算机网络知识点整理(1)：概述

这是SJTU-CS3611《计算机网络》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第1章：计算机网络和因特网”。

1.1 什么是因特网

1.1.1 具体构成描述

• ​端系统（主机）​
  • 位于网络边缘（如PC、手机、服务器）
• ​通信链路
  • 传输介质：光纤、双绞线、无线电频谱
  • 带宽：链路最大传输速率（bps）
• ​分组交换机
  • ​路由器​（网络核心）和链路层交换机​（接入网）
• ​协议（Protocol）​
  • 控制数据收发的规则集合（如TCP、IP、HTTP）

1.1.2 服务描述

• ​分布式应用
  • 端系统通过协议实现信息交换（如HTTP、SMTP）
• ​通信基础设施
  • 为应用提供套接字接口（Socket API）​
• ​网络服务模型
  • 数据交付方式（可靠传输、尽力而为等）

1.1.3 协议与服务模型

1. 协议三要素

1. ​语法：数据格式（如IP包头结构）
2. ​语义：控制信息含义（如HTTP状态码）
3. ​时序：事件执行顺序（如TCP三次握手）

2. 服务模型

• ​面向连接 vs 无连接：
  • TCP（可靠传输） vs UDP（尽力而为）
• ​服务与服务实现的分离：
  • 下层隐藏实现细节，仅通过接口提供服务

---

1.2 网络边缘

1.2.1 接入网络

接入技术对比

类型	典型技术	关键特点
​住宅接入	DSL	利用电话线，频分复用（语音+数据），上下行速率不对称
	HFC	混合光纤同轴电缆，共享带宽（多用户竞争）
	FTTH	光纤到户，独享带宽，抗干扰性强
​企业接入	以太网	专用局域网（LAN），双绞线/光纤连接
​无线接入	WiFi	802.11标准，短距离覆盖（CSMA/CA协议解决冲突）
	4G/5G	蜂窝网络，广域覆盖，移动性强

---

1.2.2 物理媒体

有线媒体

类型	核心特点	典型应用场景
双绞线	成本低，易部署	局域网（以太网）
同轴电缆	屏蔽性好，抗干扰	HFC网络、有线电视
光纤	高带宽、低衰减，传输距离远	主干网、数据中心

无线媒体

类型	核心特点	典型应用场景
WiFi	短距离，ISM频段	室内无线局域网
蜂窝网络	广覆盖，支持移动性	4G/5G移动通信
卫星	覆盖偏远地区，高延迟	农村/海洋通信

---

1.3 网络核心

1.3.1 分组交换

• ​存储转发机制
  • 路由器接收完整分组后再转发
• ​统计复用
  • 链路资源按需动态分配，利用率高

1.3.2 电路交换

• ​特点
  • 预留端到端带宽（传统电话网络）
  • 资源独占导致利用率低
• ​传输时间公式

  $$T = \text{电路建立时间} + \frac{\text{数据量}}{\text{链路速率}}$$

1.3.3 分组交换 vs 电路交换

对比项	分组交换	电路交换
资源分配	按需动态分配	预先固定分配
带宽利用率	高（共享链路）	低（独占链路）
适用场景	突发性数据（Web/邮件）	实时流（电话）
典型技术	IP网络	传统电话网络

• 为何互联网选择分组交换？ → ​高效利用带宽，适应数据突发性

1.3.4 网络的网络（ISP层次）

• ​Tier-1 ISP：全球骨干网络（如AT&T、中国电信）
• ​IXP（互联网交换点）​：多个ISP互联减少时延
• ​内容提供商网络：自建网络直连用户（如Google、Netflix）

---

1.4 分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

1.4.1 时延类型

时延类型	定义	计算公式
​传输时延	将分组推送到链路的时间	数据包大小 $L$ / 链路速率 $R$
​传播时延	比特在链路上的传播时间	物理距离 $d$ / 信号速度 $s$
​处理时延	路由器处理分组首部的时间	固定微秒级，可忽略
​排队时延	分组在队列中等待的时间	见下节

1.4.2 流量强度与排队时延

1. 流量强度

• ​定义公式：

  $$\text{流量强度} = \frac{La}{R}$$

  • $L$: 分组长度（bits）
  • $a$: 分组到达速率（packets/s）
  • $R$: 链路带宽（bps）
• ​临界值：
  • ​当流量强度 < 1：队列稳定，排队时延有限
  • ​当流量强度 ≥ 1：队列无限增长，导致持续丢包

2. 排队时延与流量强度的关系

• ​平均排队时延公式：

  $$\text{平均排队时延} = \frac{La/R}{R(1 - La/R)} \quad (\text{需 } La/R < 1)$$

• ​关键结论：
  • 流量强度越接近1，排队时延增长越快（指数级上升）
  • 流量强度超过1时，系统无法处理流量，需丢弃分组（丢包）

1.4.3 端到端时延计算

$$d_{\text{总}} = N \times \left( d_{\text{处理}} + \frac{L}{R} + \frac{d}{s} \right) + d_{\text{排队}}$$

• 经过的路由器数量为 $N - 1$
• $L$: 分组大小
• $R$: 链路速率
• $d$: 链路长度
• $s$: 传播速度（$\approx 2 \times 10^8 \mathrm{m}/\mathrm{s}$）
• $d_{\text{处理}}$: 处理时延（固定微秒级，通常可忽略）
• $d_{\text{排队}}$: 所有链路的排队时延总和

1.4.4 吞吐量

• ​瓶颈链路：端到端吞吐量 = $\min\{\text{路径中各链路速率}\}$
• ​示例：文件大小=100MB，链路速率=10Mbps → 传输时间= $\frac{100 \times 8}{10} = 80 \mathrm{s}$

---

1.5 协议层次及其服务模型

1.5.1 分层体系结构

ISO/OSI模型	功能描述	TCP/IP模型	典型协议/设备	数据单元
应用层	用户接口（HTTP/FTP）	应用层	HTTP, SMTP, DNS	报文
表示层	数据加密/压缩	(合并至应用层)	SSL/TLS	-
会话层	建立/维护会话	(合并至应用层)	SIP	-
传输层	端到端可靠传输	传输层	TCP, UDP	报文段
网络层	IP寻址与路由	网络层	IP, ICMP, 路由器	数据报
数据链路层	帧传输（MAC地址）	链路层	Ethernet, 交换机	帧
物理层	比特流传输	物理层	光纤, 双绞线, 集线器	比特

1.5.2 封装

• ​发送端封装
  应用数据 → 传输层（加TCP头） → 网络层（加IP头） → 链路层（加MAC头/尾） → 物理层比特流
• ​接收端解封装
  物理层 → 链路层（去MAC头） → 网络层（去IP头） → 传输层（去TCP头） → 应用数据

---

1.6 面对攻击的网络

攻击类型与防御

​攻击类型	​原理	​防御手段
拒绝服务（DoS）	洪水攻击耗尽目标资源	流量过滤、速率限制
中间人攻击	截获并篡改通信数据	加密（SSL/TLS）、认证
IP欺骗	伪造源IP地址发送恶意数据	入口过滤（检查源IP合法性）

---

1.7 计算机网络和因特网的历史（了解）

• ​1960s：ARPANET诞生，分组交换理论提出
• ​1980s：TCP/IP协议成为标准，NSFNET建立
• ​1990s：万维网（Web）发明，因特网商业化
• ​2000s至今：移动互联网、云计算、物联网