北京邮电大学《计算机网络》

计算机网络北京邮电大学·计算机科学与技术专业核心课程COURSEOVERVIEW课程基本信息《计算机网络》是北邮计算机学院面向大三本科生开设的专业核心课，共51学时、3学分，以TCP/IP与OSI参考模型为主线，要求学生具备计算机组成原理、通信原理和操作系统三门先修课程的基础，最终目标是掌握网络体系结构、协议原理及一般实现方法。开课信息课程编号313.04502，属选修/非学位课，秋季学期开课，由马跃、高占春、蒋砚军、张成文、曲昭伟五位教师联合授课313.04502核心内容覆盖差错控制、流量控制与路由选择三大原理，并以TCP/IP和OSI参考模型为线索串联各层协议TCP/IP·OSI指定教材指定教材为AndrewS.Tanenbaum经典著作《ComputerNetworks》，辅以人民邮电出版社等国内教材作为实践参考Tanenbaum先修要求先修课程为计算机组成原理、通信原理和操作系统，要求学生已具备硬件基础和软件系统认知3门先修Contents课程目录系统掌握计算机网络从基础概念到协议实现的完整知识框架01计算机网络基础概述02数据通信基本原理03网络协议体系结构04传输层协议与应用CHAPTER01计算机网络基础概述从定义、分类到体系结构，建立网络世界的全局认知NETWORKINGFUNDAMENTALS计算机网络的定义与组成计算机网络是将地理上分散的、具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路互连，在网络协议控制下实现数据通信与资源共享的系统。01定义三要素：自主性（每台计算机独立运行）、互连性（通过通信链路连接）、协议性（遵循共同规则通信）02端系统（Host）：包括服务器与客户端，是数据的产生者和消费者，承担应用层逻辑处理任务03中间交换设备：路由器、交换机负责数据包的路径选择与转发，构成网络的骨干传输路径04传输介质：分为有线（双绞线、光纤、同轴电缆）和无线（Wi-Fi、蜂窝、卫星）两大类，决定物理层带宽上限数据中心服务器机柜·网络基础设施核心场景EVOLUTION计算机网络的发展历程协议创新驱动每一次网络跃迁——从电路交换到TCP/IP统一，标准化始终是规模扩张的核心引擎。01第一代1960s面向终端的远程联机系统，以主机为中心通过调制解调器连接远程终端。SAGE02第二代1969—1983ARPANET开创分组交换先河，TCP/IP成为标准协议，标志现代互联网诞生。TCP/IP03第三代1990s万维网发明，HTTP协议与浏览器使互联网从学术工具走向大众应用。WWW04第四代2000s—至今移动互联网、云计算、物联网三浪叠加，5G与IPv6推动从人联迈向物联。IoTNetworkClassification计算机网络的分类计算机网络可从覆盖范围、拓扑结构和传输技术三个维度分类。覆盖范围决定了网络的物理尺度与技术选型，拓扑结构影响网络的可靠性与扩展性，传输技术则决定数据分发的基本模式——三个维度交叉构成了网络设计的完整决策空间。按覆盖范围划分LAN局域网覆盖10m-10km，典型如以太网，带宽高、延迟低MAN城域网覆盖一个城市，如FDDI，连接多个局域网WAN广域网跨越国家或洲际，Internet是最大的广域网按拓扑结构划分星型拓扑所有节点通过中心节点通信，易管理但中心为单点故障总线型拓扑共享主干线路，成本低但冲突域大，已被交换式取代环型与网状拓扑网状冗余度高、可靠性强，是互联网骨干主流形态按传输技术划分广播式网络共享信道，一个节点发送所有节点均能接收，如传统以太网点对点网络数据经中间节点逐跳转发，Internet路由即属此类NetworkArchitecture网络体系结构：为什么需要分层网络体系结构采用分层设计的核心目的是将复杂的通信问题分解为多个可独立处理的子问题。每一层只负责特定功能，并通过标准接口与相邻层交互，这种'分而治之'的策略使协议设计模块化、实现可替换、故障可隔离，是计算机网络工程化的基石。分层降低复杂度将端到端通信拆分为物理传输、链路控制、网络路由、传输保障和应用交互等多个独立子问题，每个层次专注单一职责，大幅降低系统整体复杂度，使协议设计与实现更加清晰可控。端到端层间接口标准化每层通过服务访问点（SAP）向上层提供标准化服务，上层仅需调用接口而无需关心下层实现细节。这种封装机制实现了层与层之间的解耦，确保协议栈的灵活性与可维护性。SAP模块化与可替换性某一层的技术升级或替换不会影响其他层的正常运行。例如从有线以太网升级到Wi-Fi，只需修改物理层与数据链路层的实现，网络层及以上协议无需任何改动，极大降低了技术演进的成本。Wi-Fi故障隔离与诊断分层结构使网络故障的定位与诊断更加高效精准。物理层故障不会掩盖传输层的拥塞问题，各层独立处理异常，通过分层日志和协议分析工具可快速定位问题根源，缩短故障恢复时间。隔离NetworkArchitectureOSI七层参考模型总览OSI参考模型将网络通信划分为七层，按功能归纳为"传输保障""网络互连""应用服务"三大层次，其分层思想是理解所有网络协议的通用语言。L1–L2底层：传输保障L1物理层—定义电气特性、机械接口和信号编码，负责比特流在物理介质上的透明传输L2数据链路层—将比特组装成帧，实现差错检测、流量控制和介质访问控制2层L3–L4中层：网络互连L3网络层—负责逻辑寻址（IP地址）和路由选择，实现跨网络端到端数据报传送L4传输层—提供端到端的可靠（TCP）或不可靠（UDP）传输，实现多路复用与流量控制2层L5–L7高层：应用服务L5会话层—管理通信会话的建立、维护和终止，提供对话控制与同步L6表示层—处理数据格式转换、加密解密与压缩解压，确保语义一致L7应用层—为用户应用程序提供网络服务接口，如HTTP、FTP、SMTP3层ProtocolArchitectureTCP/IP四层模型与OSI对比TCP/IP模型是互联网实际运行的协议栈，由网络接口层、网际层、传输层和应用层四层构成。与OSI七层模型相比，TCP/IP将高层合并为应用层、底层合并为网络接口层，结构更简洁；其核心优势在于协议族开放、实现成熟，且从一开始就面向异构网络互联设计。四层结构：网络接口层（L1–L2）、网际层（L3）、传输层（L4）、应用层（L5–L7）核心差异：OSI先有模型后有协议（理论驱动），TCP/IP先有协议后有模型（实践驱动），后者更贴合工程实际事实标准：TCP/IP的开放性与跨平台兼容性使其成为全球互联网事实标准，OSI因协议复杂逐渐退为教学参考五层混合：现代教学常采用物理+数据链路+网络+传输+应用五层模型，兼顾OSI清晰分层与TCP/IP实用性OSI与TCP/IP模型层次对照OSI七层TCP/IP四层典型协议应用层L5–L7应用层HTTP,FTP,SMTP,DNSSSL/TLS,JPEG,ASCIIRPC,NetBIOS传输层L4传输层TCP,UDP网络层L3网际层IP,ICMP,ARP数据链路层L2网络接口层Ethernet,PPP,Wi-FiRJ45,光纤,射频信号OSI七层与TCP/IP四层映射：高层三层合一为应用层，底层两层合一为网络接口层Architecture·Fundamentals协议、服务与服务访问点协议是同一层对等实体之间交换信息的规则集合，服务是下层通过接口向上层提供的功能能力——前者是横向约定，后者是纵向供给。协议三要素语法（数据格式与编码）、语义（控制信息与动作含义）、时序（事件顺序与速率匹配）Syntax·Semantics·Timing服务类型面向连接服务（如TCP三次握手建连）和无连接服务（如IP数据报尽力交付）ConnectedvsConnectionless服务访问点SAP层间交互标识符：数据链路层为LLC地址，网络层为协议号，传输层为端口号LLC·Protocol·Port协议数据单元PDU随层级变化：应用层Message、传输层Segment、网络层Packet、链路层FrameMessage→Segment→Packet→FrameCHAPTER02数据通信基本原理从信号编码到交换技术，理解数据在物理世界中的传输方式FUNDAMENTALS数据通信基本概念数据通信涉及三个递进层次：信息（语义内容）、数据（编码表示）和信号（物理传输形态）。一个完整的数据通信系统由源系统（产生数据）、传输系统（承载信号）和目的系统（还原信息）三部分构成，其性能由带宽、时延、吞吐量和误码率四大技术指标衡量。信息→数据→信号信息经编码变为数字数据，数字数据再经调制或编码变为可在介质上传输的信号，构成完整的转换链路。转换链数字信号与模拟信号数字信号取离散值（如0/1电平），适合计算机处理；模拟信号连续变化，适合语音和视频传输。离散vs连续带宽Bandwidth信道能通过的频率范围，决定理论最大传输速率；奈奎斯特定理给出无噪声信道的极限容量。频率范围时延构成时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延，是评估网络性能的关键指标之一。四段时延NETWORKINFRASTRUCTURE有线传输介质对比有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤三类，各自在带宽、距离和成本上形成差异化定位，共同构成从"最后一公里"到骨干传输的完整物理基础设施。Cat6以太网双绞线·RJ45接头实拍TWISTEDPAIR双绞线两根绝缘铜线绞合减少串扰；UTPCat6支持10Gbps/55m，成本低、安装便捷，传输距离限100m以内。COAXIALCABLE同轴电缆四层屏蔽结构抗干扰优于双绞线；用于CATV与DOCSIS宽带接入，带宽超1GHz，在HFC混合网中仍承担末端接入。OPTICALFIBER光纤光全反射传输，单模80km+超100Gbps；带宽极高、抗干扰、重量轻，连接与熔接成本较高。ENCODING&MODULATION数据编码与调制技术将数字数据转换为可传输信号有两种路径：基带传输直接编码为数字脉冲信号（如曼彻斯特编码），适用于短距离有线通信；频带传输则通过调制将数字信号搬移到模拟载波上（如QAM调制），适用于无线通信和长距离传输。调制方式的选择直接决定了频谱效率和抗噪性能。基带编码方式不归零码（NRZ）简单但有直流分量和同步问题；曼彻斯特编码自带时钟信号，是以太网标准编码方式，实现收发双方时钟同步。NRZ调制基本方式ASK（幅度键控）、FSK（频率键控）、PSK（相位键控），每种用载波的不同参数携带比特信息，适用于不同信道条件。PSK正交幅度调制QAM同时利用幅度和相位两个维度，QAM-256每个符号携带8bit，频谱效率高，广泛用于Wi-Fi和有线宽带接入。8bit香农定理给出有噪声信道的理论极限，信道容量与带宽和信噪比相关，实际系统通过逼近该极限来优化编码与调制方案。C=W·log₂(1+S/N)Comparison三种数据交换技术对比电路交换建专用通路、实时性好但利用率低；报文交换整条转发、延迟大；分组交换切分小包逐跳转发，兼顾效率与利用率。分组交换的胜利本质是统计复用思想的胜利。三种交换方式核心指标对比对比维度电路交换报文交换分组交换通路建立需要不需要不需要传输单元比特流完整报文分组(Packet)线路利用率低中高传输延迟低且稳定高中等适用场景语音通话电报/邮件互联网数据电路交换：通信前建立端到端专用通路（如传统电话），传输延迟低且稳定，但独占资源、线路利用率仅10–20%。报文交换：整条消息作为单元在每个节点存储转发（如早期电报系统），无需预建链路，但大消息延迟极高。分组交换：将报文拆分为固定长度分组（如IP数据报），各分组独立路由，统计复用使线路利用率可达80%以上。选择根因：突发性数据流量更适合统计复用，且分组粒度小利于差错控制和拥塞管理，奠定互联网架构基础。ComputerNetworking·PhysicalLayer多路复用技术多路复用技术允许多个信号共享同一物理信道，是提升信道利用率的核心手段。频分复用将信道总带宽划分为多个不重叠的子频带，各用户独占一个频带，典型应用如FM广播和ADSLFDM时分复用将时间划分为等长帧和时隙，各用户轮流占用时隙，如T1/E1数字电话干线TDM波分复用在单根光纤中同时传输多个不同波长的光信号，密集波分可在一根光纤上承载80+波长WDM码分复用所有用户同时使用全部频谱，通过正交码序列区分用户，是CDMA和GPS的核心技术CDM差错检测与控制比特错误不可避免，CRC以低开销检出突发错误；ARQ机制通过超时自动重发实现差错控制。奇偶校验附加1位校验位使1的总数为奇或偶数，仅能检出奇数位错误，检错能力有限1bitCRC循环冗余校验约定生成多项式G(x)，通过模2除法计算校验码，可检出所有≤r位突发错误G(x)停等ARQ每发一帧等待ACK确认后才发下一帧，实现简单但信道利用率低ACK滑动窗口ARQ连续发送多帧无需逐帧等待确认，窗口大小决定流水线深度，显著提升信道利用率WindowChapter03网络协议体系结构从IP寻址到路由选择，深入理解网络层与数据链路层的核心机制NetworkingFundamentalsIPv4地址结构与分类IPv4地址是32位的逻辑标识符，由网络号与主机号两部分组成，采用点分十进制表示法。按网络号长度分为A/B/C/D/E五类，分类编址虽已被CIDR取代，但其结构思想是理解子网划分的基础。A类–55前8位为网络号，支持126个网络、每网络1600万台主机，分配给大型机构B类–55前16位为网络号，支持16,384个网络、每网络6.5万台主机C类–55前24位为网络号，支持209万个网络、每网络254台主机，适合中小企业特殊ReservedAddresses/8回环地址；10/8、172.16/12、192.168/16为私有地址，不可在公网路由IPv4地址分类详情类别首字节范围网络号位数主机号位数可用网络数A1–126824126B128–191161616,384C192–2232482,097,152D224–239——组播地址E240–255——保留实验A/B/C三类地址构成IPv4主要寻址空间，D类用于组播，E类保留实验IPAddressing子网划分与子网掩码子网划分通过借用主机位将一个大网络拆分为多个逻辑子网，每个子网拥有独立的广播域，既提升地址利用率又增强网络管理能力。01子网掩码运算将IP地址与子网掩码逐位做AND运算即可得到网络地址，如30AND92=28AND→NetworkID02可变长子网掩码VLSM允许不同子网使用不同长度的掩码，按需分配地址空间，显著减少地址浪费VLSM03CIDR表示法用/n标记前缀长度，如/26表示前26位为网络号，剩余6位支持62台主机/nPrefix04超网聚合将多个连续小网络合并为一个大网络通告，大幅减少路由表条目，是BGP路由的基础SupernettingNETWORKPROTOCOLIPv6：下一代互联网协议IPv6将地址空间从32位扩展到128位，从根本上解决了IPv4地址枯竭问题，全球部署率已超40%。128位地址空间总量3.4×10³⁸个地址，采用冒号十六进制表示法，地址分配几乎不受限3.4×10³⁸报头简化固定40字节基本报头，取消首部校验和字段，提升路由器处理效率40字节安全与自动配置IPSec支持端到端加密认证；无状态地址自动配置简化网络管理IPSec+SLAAC组播与任播用组播替代广播减少噪声，任播实现就近服务，支撑CDN与DNSAnycastNETWORKLAYER·ROUTING路由选择算法与协议路由选择决定了数据包从源到目的的转发路径，是网络层的核心功能。静态路由适合小规模稳定网络，动态路由通过路由器间交换链路信息自动适应拓扑变化。距离向量路由RIP·ROUTINGINFORMATIONPROTOCOL以跳数作为度量值，最大15跳，超过视为不可达，适合小型网络。每个路由器仅知道到目的网络的"距离"和"方向"，定期向邻居广播完整路由表，收敛速度慢。≤15最大跳数链路状态路由OSPF·OPENSHORTESTPATHFIRST每台路由器掌握全网拓扑图，用Dijkstra算法计算最短路径树。收敛速度快、支持分层区域设计（Area），是大型企业网和运营商内部路由的首选协议。Dijkstra最短路径算法路径向量路由BGP·BORDERGATEWAYPROTOCOL用于自治系统（AS）间路由，路径向量记录完整AS序列，支持策略控制。全球互联网路由依赖BGP，当前全球BGP路由表超过100万条前缀，是互联网"glue"协议。100万+BGP路由前缀NETWORKADDRESSTRANSLATION网络地址转换（NAT）NAT通过在边界路由器上将私有IP地址映射为公有IP地址，使多台内网设备共享少量公网地址访问互联网，有效缓解了IPv4地址短缺问题。NAPT（端口地址转换）进一步利用传输层端口号区分不同内网主机的会话，实现"一个公网IP+不同端口"对"多个私网IP"的复用映射。静态NAT一对一固定映射，一个私网IP对应一个公网IP，常用于需要从外网访问的内网服务器。1:1动态NAT从公网地址池中按需分配，连接结束后释放，适合内网上网用户数少于公网地址数的场景。按需分配NAPT（PAT）多个私网IP共享一个公网IP，通过不同的源端口号区分各内网主机的会话，是家用路由器的主流方式。N:1NAT的副作用破坏了端到端原则，使P2P直连和端到端加密变得困难，需要STUN/TURN等穿透技术辅助。需穿透NETWORKING·IEEE802.3以太网技术与帧结构以太网（IEEE802.3）从10Mbps发展到400Gbps，速率提升四万倍。核心机制从CSMA/CD共享介质演进为交换式全双工，彻底消除了冲突域问题。以太网帧结构前导码(8B)+目的MAC(6B)+源MAC(6B)+类型/长度(2B)+数据(46-1500B)+FCS校验(4B)最小帧长64字节确保冲突检测有效64BMINMAC地址48位全球唯一标识符，前24位为厂商OUI（如00:1A:2B），后24位为设备序列号，烧录于网卡硬件单播/组播/广播三种地址类型区分48BITCSMA/CD机制早期共享式以太网核心机制，发送前监听信道、冲突时二进制指数退避，交换式以太网已完全弃用载波监听多路访问/冲突检测协议LEGACY演进路线10BASE-T→100BASE-TX→千兆→万兆→400GbE，传输介质从同轴电缆到双绞线再到光纤全双工交换取代半双工共享成为主流400GbpsNETWORKINGFUNDAMENTALS交换机与路由器的工作原理交换机工作在OSI第二层（数据链路层），通过MAC地址表实现帧的精确转发，每个端口构成独立冲突域；路由器工作在第三层（网络层），通过路由表实现IP数据报的跨网络转发，每个端口构成独立广播域。两者分工互补：交换机负责网络内部的高速互连，路由器负责网络间的路径选择与隔离。企业级网络交换机·机房部署实拍二层交换机自学习算法：收到帧后提取源MAC和入端口建立映射表，转发时查表匹配目的MAC，未命中则泛洪冲突域隔离：每个端口为独立冲突域，全双工模式下无冲突；VLAN技术在逻辑上隔离广播域三层交换机：在二层基础上集成路由功能，可实现"一次路由、多次交换"的高速跨VLAN转发三层路由器路由转发：收到数据报后提取目的IP地址，在路由表中做最长前缀匹配，选择最佳出接口转发高级功能：NAT、ACL（访问控制列表）、QoS等在网络层实现，使路由器具备安全管控与流量调度能力企业级能力：支持多WAN接入、BGP/OSPF动态路由和VPN隧道，是网络边界的核心设备CHAPTER04传输层协议与应用从TCP可靠传输到UDP轻量交付，理解端到端通信的核心机制TRANSPORTLAYERTCP连接管理：三次握手与四次挥手TCP通过三次握手建立可靠连接、四次挥手优雅断开连接。三次握手的核心目的是双方确认彼此的收发能力正常，第三次握手防止了历史连接请求的误触发。四次挥手则因为TCP的全双工特性——每个方向必须独立关闭，因此需要四次交互才能完全释放连接资源。三次握手EstablishSYN客户端发送SYN=1,seq=x，进入SYN_SENT状态，表示请求建立连接ACK服务器回复SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1，进入SYN_RCVD状态OK客户端发送ACK=1,seq=x+1,ack=y+1，进入ESTABLISHED状态，连接建立完成四次挥手Teardown客户端发送FIN=1，表示"我不再发送数据了"；服务器ACK确认，但可能仍有数据要发服务器发送FIN=1，表示"我也不再发送了"；客户端ACK确认，等待2MSL后关闭TIME_WAIT状态持续2MSL（最大报文生存时间），确保迟到的报文不会影响新连接ReliableTransportTCP可靠传输机制TCP通过序号/确认号、滑动窗口和超时重传三大机制实现字节流级别的可靠传输。序号为每个字节编号使接收方可精确反馈接收状态；滑动窗口动态调节发送速率，兼顾吞吐量与接收方处理能力；超时重传在丢包时自动恢复，三者协同确保数据按序、完整、无差错地交付给应用层。01序号与确认号TCP为每个字节编号，确认号ACK表示"期望收到的下一个字节序号"，隐含确认之前所有字节已收妥。02滑动窗口机制接收方在ACK中通告窗口大小（rwnd），发送方据此控制未确认数据的发送量，防止接收方缓冲区溢出。03超时重传（RTO）发送方为每个未确认报文段设置定时器，超时未收到ACK则重传；RTO根据RTT动态调整（Jacobson算法）。04快速重传接收方收到乱序报文时重复发送相同ACK（冗余ACK），发送方收到3个重复ACK立即重传，无需等待超时。TRANSPORTLAYERTCP流量控制与拥塞控制流量控制是接收方驱动的端到端速率调节，拥塞控制是发送方驱动的全局网络保护。实际发送窗口取rwnd与cwnd的最小值。流量控制接收方通过TCP首部窗口字段通告rwnd，发送方已发送未确认数据量不得超过rwnd零窗口探测：当rwnd=0时发送方定期发送探测报文，防止因窗口更新报文丢失而导致死锁拥塞控制四阶段慢开始：cwnd从1个MSS起步，每收到一个ACK翻倍（指数增长），避免初始突发流量拥塞避免：cwnd超过ssthresh后改为线性增长，每个RTT增加1个MSS快重传+快恢复：收到3个重复ACK时立即重传，ssthresh减半后直接进入拥塞避免TransportLayerUDP协议：轻量级传输方案UDP是无连接、不可靠、面向报文的传输层协议，首部仅8字节，无握手、无确认、无拥塞控制。其"简单即高效"的设计理念使其在实时音视频、在线游戏和DNS查询等延迟敏感场景不可替代。近年来QUIC协议基于UDP构建可靠传输与加密，正逐步取代TCP成为HTTP/3的底层传输标准。极简首部首部仅8字节（源端口+目的端口+长度+校验和），远小于TCP的20-60字节，传输开销极低8字节无连接无需握手建连，应用层数据直接封装为UDP报文发送，端到端延迟可低至1个RTT1RTT面向报文对应用层数据不做拆分或合并，整条报文原样交付IP层，保留应用层的消息边界MessageBoundary典型应用DNS（端口53）、DHCP（端口67/68）、视频流RTP、QUIC/HTTP3（端口443），覆盖延迟敏感型场景QUIC·HTTP/3APPLICATIONLAYER典型应用层协议应用层协议直接为用户程序提供网络服务，是TCP/IP协议栈中最"可见"的一层。HTTP驱动万维网、DNS实现域名解析、SMTP/IMAP承载电子邮件——三大协议族分别代表了"内容分发""名称解析""异步通信"三种核心互联网服务模式。HTTP与WebHTTP/1.1基于TCP，采用请求-响应模型，支持持久连接和管线化；HTTP/2引入多路复用和服务器推送。HTTP/3基于QUIC（UDP），解决TCP队头阻塞问题，0-RTT建连显著降低首屏加载延迟。TCP·UDPDNS域名解析将域名解析为IP地址，采用分布式层次数据库，根→顶级→权威逐级查询