大学计算机网络《计算机网络概述》教学课件

计算机网络概述概念·体系·协议·性能2026年课程导览01认识计算机网络定义、分类与组成02网络体系结构OSI与TCP/IP分层模型03网络性能度量速率、带宽与时延指标01认识计算机网络网络是计算机技术与通信技术结合的产物定义与四要素奠定认知基础四要素判断法判定标准独立计算机至少两台独立自治的计算机或设备互联通信链路通信设备与线路介质构成连接基础网络软件网络协议与操作系统为通信提供保障自治性联网计算机保持独立自治，区别于主机加终端的分时系统四大核心目标回答网络价值资源共享首要目标硬件、软件、数据三类资源均可跨节点共用。信息传递沟通桥梁提供电子邮件、即时通讯、文件传输等沟通手段。分布式处理协同并行把复杂任务拆成子任务，交不同计算机协同完成，提升整体效率。可靠性与负载均衡稳定保障单点故障时其他节点接管，任务合理分配到各节点分担压力。覆盖范围划分网络三层次个人区域网PAN约

10米内连接个人设备，如手机与蓝牙耳机、智能手表。局域网LAN覆盖

十千米以内，如实验室、大楼、校园；单一单位拥有，传输速度较高，核心设备是交换机。城域网MAN覆盖

几十千米，满足一个城市内众多局域网的互联需求，支持数据、语音、视频等多种信息传输。广域网WAN覆盖最广，可达

数千千米甚至跨越国界，采用点对点连接和分组交换技术。传输技术区分广播与点对点网络拓扑结构决定通信方式，也决定了网络层是否存在广播式网络是局域网的基础，点对点网络是广域网的基石广播式网络共享公共信道，任一节点发送的数据可被其他所有节点接收局域网多采用此方式，不需要网络层，不存在路由选择问题点对点网络每条物理线路只连接一对计算机，无直接连接时需中间节点存储转发广域网大多采用点对点传输，由路由器在各节点间为数据选择转发路径VS逻辑组成划分资源与通信子网资源子网数据处理主机负责数据处理，面向用户交付服务终端与主机协作，提供用户交互入口职责面向用户交付服务通信子网数据交换与加工网络节点承担数据交换与转发通信链路提供数据传输通道职责负责数据交换、加工与变换分开设计的收益结构清晰·各司其职降低实现复杂度——两层职责分离，各层只需专注自身功能便于维护与扩展——升级通信设备或增删主机互不影响故障定位更清晰——问题出在资源侧还是通信侧一目了然硬件介质支撑数据传输三类有线介质，能力逐级跃升双绞线3项抗干扰机制导线相互绞合抵御电磁干扰速率10Mbps–1000Mbps直传距离≤100米同轴电缆3项结构特点内外导体同轴绝缘抗干扰性能抗干扰更强传输能力无中继距离更长光纤4项材质纯石英拉成细丝直径10–100微米多路传输波分复用并行多路信号定位容量极大，为高速网络首选发展历程从ARPANET起步从军事试验到全球互联，互联网的演进是一条清晰的时间轨迹从军用到民用，从局域网到万维网，互联网的每一次跃迁都重塑了人类连接的方式。20世纪中叶·起点雏形初现1946年首台电子计算机诞生20世纪50年代美国半自动地面防空系统，可视为网络雏形为互联网的诞生埋下伏笔1969年·里程碑分组交换网络诞生ARPANET

建成由美国国防部高级研究计划局建立，采用分组交换技术，是世界上第一个分组交换网络，现代互联网的前身。现代互联网的前身20世纪80–90年代·走向公众迈向全球互联1983年TCP/IP成为ARPANET标准协议，现代互联网正式诞生1984年

域名系统

DNS

问世，将易记域名映射到IP地址1991年

万维网诞生，互联网由此走向公众移动互联网开启应用新阶段从宽带普及到万物互联，每一代网络都重新定义生活。第一阶段宽带与无线普及高速接入走进千家万户ADSL与光纤大幅提升接入速度，Wi-Fi让无线连接成为日常，为流媒体、在线游戏铺平道路。第二阶段移动互联网成熟随时随地的连接成为现实4G使智能手机随时随地联网，云计算让数据与服务远程存取。第三阶段5G与万物互联人与物、物与物的全连接5G以更高带宽、更低时延、更高连接密度，推动自动驾驶、物联网与增强现实落地；家电、汽车、医疗设备接入互联网，构成智能家居与智慧城市的基础。未来网络仍在前行——量子网络等前沿方向正在研究之中。02网络体系结构分层是理解复杂网络的金钥匙分层思想是理解网络的钥匙现状

糅合实现的困境网络通信涉及信号传输、寻址、路由、可靠传输、会话管理、数据表示等多个环节，全部糅合实现会导致系统庞大难维护。→对策

分层设计把复杂问题拆成若干层次，每层只负责特定功能，通过标准接口与相邻层交互，屏蔽底层实现细节。好处

①模块化各层独立开发与测试好处

②标准化不同厂商设备互联互通好处

③易排错故障快速定位到具体层次好处

④易演进单层技术升级不影响其他层物理层与数据链路层传递比特与帧物理层：传比特3项传输原始比特流即0和1对应的电信号或光信号定义传输规范定义接口形状、电压高低、信号时序与传输速率典型设备网线、光纤、集线器、中继器数据链路层：装帧3项把比特流组装成帧添加

MAC地址

做物理寻址差错检测与流量控制用帧校验序列检测差错，协调流量控制防止高速发淹没低速收典型协议与设备以太网、PPP；交换机网络层完成寻址与路由核心任务跨网络把数据包从源主机送达目的主机。与数据链路层的区别MAC地址局部寻址IP地址全局寻址网络层三大任务逻辑寻址为每台主机赋予全局唯一的逻辑地址路由选择根据目的地址选择最佳转发路径分片与重组数据报过大时按需处理典型协议IP无连接尽力而为传输ICMP控制消息与差错报告ARP解析IP为MAC地址核心设备路由器承担不同网络间的互联互通传输层用端口实现进程通信端口是进程的门牌号16位整数，范围

0–65535；0–1023为知名端口，如HTTP的

80、HTTPS的

443可靠与快速不可兼得，按场景选路。TCP面向连接可靠、较慢；三次握手建连滑动窗口与拥塞控制保可靠头部最小

20字节适用

文件传输、网页浏览、邮件UDP无连接不可靠、更快头部仅

8字节，无流量与拥塞控制适用

视频直播、语音通话、DNS查询VS会话层管理通信双方的对话核心职责SESSIONMANAGEMENT在通信双方之间建立、管理和终止会话。电话通话类比LIFEANALOGY拨号→建立连接轮流说话→管理对话方向中间暂停→插入同步点挂断→正常或异常终止对话方向管理TRANSMISSIONMODE单工单向传输半双工交替双向全双工同时双向典型协议RPC远程过程调用NetBIOS局域网通信数据库部分会话管理功能表示层负责格式转换与安全表示层是数据的翻译官，确保一端发出的数据另一端能读懂。转格式转换机器可读将字符、数字转成机器可读格式，或在不同编码间转换。加密与解密发送端加密、接收端解密，保障传输过程安全。压缩与解压减少表示数据所需比特数，缩短传输时间，对实时音视频尤为重要。典型代表SSL/TLSJPEGASCII应用层直接面向用户服务协议用途HTTP网页浏览FTP文件传输SMTP邮件发送DNS域名解析为IP地址SSH加密远程登录关键辨析：应用层协议支撑应用正确运行，但协议≠应用程序——协议是规则体系，应用软件是具体实现。TCP/IP四层模型贴近工程实现网络接口层物理传输与数据帧处理网络层IP寻址与路由选择传输层端到端通信应用层直接面向用户程序与OSI追求理论完备不同，TCP/IP更贴近工程实现，层次更精简，是理解现代互联网工作原理的核心框架。与OSI模型对应关系网络接口层对应OSI物理层+数据链路层网络层对应OSI网络层传输层对应OSI传输层应用层合并OSI应用层+表示层+会话层两模型层级映射逐层对应TCP/IP层OSI层典型协议应用层三层合一应用层

＋

表示层

＋

会话层HTTP、FTP、SMTP传输层一一对应传输层

↔TCP、UDP网络层一一对应网络层

↔IP、ICMP、ARP网络接口层两层合一数据链路层

＋

物理层以太网帧、Wi-Fi记忆口诀：物数网传会表应（OSI七层自下而上）设计理念差异塑造两条路线OSI适合理论教学，TCP/IP是互联网实际运行的标准。OSI参考模型理论先行：先提出七层模型，再考虑协议如何落地。网络层职责：路由、差错控制、流量控制、可靠传输。设计后果：网络层功能完整，可靠性由各层分散承担。TCP/IP协议栈实践驱动：先有协议，后有模型。网络层职责：只保留路由选择与分组转发。设计后果：可靠性交给传输层，降低路由器等核心设备负载，让网络边缘性能强劲的主机承担更多责任。OSI适合理论教学，TCP/IP

是互联网实际运行的标准。03网络性能度量性能指标是评价网络的标尺速率与带宽衡量传输能力频带越宽，最高数据率越高，是对同一传输能力的不同表述。速率与带宽的定义速率主机在数字信道上传送数据的速率，又称数据率或比特率。带宽通信领域指信号频带宽度（Hz）；计算机网络中指信道传送数据的最高数据率（b/s）。三个关键要点速率单位：b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s，依次相差

10³。带宽两种含义：频带宽度（Hz）｜最高数据率（b/s）。两者关系：频带越宽，最高数据率越高，是对同一传输能力的不同表述。吞吐量反映真实传输效果带宽给出传输能力的上限；吞吐量反映现实环境中的真实效果。理论vs实际额定带宽

1Gb/s

的以太网，实际吞吐量可能只有

700Mb/s

甚至更低带宽描述理论最高数据率，吞吐量则描述实际通道中真实通过的数据量。差距的来源差距来自协议开销、拥塞、设备能力吞吐量常用于实际网络的测量与评估。总时延由四部分组成时延是数据从网络一端到另一端的总耗时，由四个环节叠加而成。发送时延TRANSMISSION主机或路由器把数据帧从第一个比特发出到最后一个比特发完的时间。传播时延PROPAGATION电磁波在信道中传播一定距离所花的时间。处理时延PROCESSING节点收到分组后分析首部、差错检验、查找路由等处理所需的时间。排队时延QUEUEING分组在路由器输入输出队列中排队等待的时间。发送与传播时延公式与算例提高链路带宽减小的是发送时延，而非比特在链路上的传播速率算例一：发送时延占主导传输距离1000千米数据长度10⁷比特发送速率100Kbit/s发送时延100秒传播时延0.005秒结论：发送时延占主导算例二：传播时延占主导传播速率2×10⁸米每秒数据长度10³比特发送速率1Gbit/s发送时延1微秒传播时延0.005秒结论：传播时延占主导时延带宽积与往返时间RTT时延带宽积定义：以比特为单位的链路长度，即已发出但尚未到达接收端的比特数管道类比：传播时延是管长，带宽是横截面积，时延带宽积是管道容积关键判断：管道被比特充满时，链路才算充分利用往返时间RTT定义：发送端发完数据，到收到接收方确认信息所经历的时间意义：反映双方完成一次双向交互的效率典型场景：