第一章-计算机网络及互联网发展详述（超全面！！）

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 1. 计算机网络在信息时代中的作用

1.1 信息时代与计算机网络的核心地位

        信息时代的背景：在信息时代，信息的获取、传递和使用成为推动社会和经济进步的核心动力。计算机网络作为信息传播的基础设施，不仅加速了信息的传递，还推动了社会各领域的变革和创新。
        计算机网络的作用：计算机网络通过连接世界各地的设备，支持信息的共享和资源的利用。例如，在全球范围内，电子邮件、电子商务、远程教育等应用均依赖于计算机网络的存在和发展。

1.2 万物互联、人人用网

        万物互联：随着物联网 (IoT) 的发展，不仅计算机可以通过网络互联，智能手机、家用电器、工业设备、智能传感器等各种设备也能够相互通信，形成一个庞大的网络生态系统。
        人人用网：互联网已经成为人们日常生活的必需品，社交、学习、工作、娱乐等几乎所有日常活动都依赖于互联网的支持。从电子邮件到视频会议，再到社交网络，互联网在全球范围内已渗透到社会的各个角落。

1.3 三网融合

        有线电视网络：最早的网络之一，提供电视信号的传输和广播服务。
        电信网络：用于电话通信和传真服务，提供语音和数据传输能力。
        计算机网络：以数据传输为主要功能，广泛用于信息共享、资源管理和远程操作。
        三网融合：随着技术的发展，这三种网络技术逐渐融合，现代计算机网络技术使得同一网络平台可以同时提供语音、数据和视频服务，实现了信息的多样化传输。

1.4 互联网对生活和经济的影响

        互联网成为基础设施：互联网已经成为现代社会的基础设施，深度融入人们的生活、工作和学习。无论是家庭生活中的智能家居、企业中的信息化管理，还是政府的电子政务，都依赖于互联网提供的高效信息传递。
        “互联网+”的经济形态：通过将互联网技术与各个传统行业（如农业、制造业、服务业等）相结合，催生了新的经济形态。例如，“互联网+金融”推动了网络银行、网上支付的发展；“互联网+教育”推动了在线教育平台的普及。

1.5 互联网的负面影响

        信息安全威胁：互联网的开放性导致信息泄露、网络攻击、病毒传播等安全问题，用户的隐私和数据安全面临严重威胁。
        网络犯罪：包括网络诈骗、钓鱼攻击、勒索软件等网络犯罪行为增多，影响社会稳定。
        不良信息传播：谣言、不实信息通过网络快速传播，带来了社会的负面效应，特别是对青少年的成长和社会心理产生不良影响。
        网络成瘾：部分用户过度依赖网络，尤其是网络游戏和社交媒体，导致工作、学习效率下降，甚至引发心理问题。

 2. 互联网概述

2.1 网络的网络

        计算机网络：由若干节点（如计算机、路由器、交换机等网络设备）和连接这些节点的链路（如光纤、铜线、无线信号等）组成。节点可以通过网络共享资源和交换数据。
        互连网 (internetwork)：通过路由器和交换机将多个独立的计算机网络互连起来，形成更大的网络，称为“网络的网络”。互连网的一个典型例子就是全球互联网 (Internet)，它连接了全球范围内的数百万个网络。

2.2 互联网的发展阶段

        第一阶段：ARPANET（1969–1990）
           ARPANET 是由美国国防部高级研究计划署 (ARPA) 资助建立的第一个分组交换网络。ARPANET 的诞生标志着互联网的起步。
        1983年 TCP/IP 协议成为标准：所有使用 TCP/IP 协议的计算机都可以通过互联网相互通信，这是互联网发展的重要里程碑。ARPANET 成为全球第一个采用 TCP/IP 的网络，TCP/IP 协议的成功为今天互联网的广泛应用奠定了基础。
        1990年 ARPANET 正式关闭：随着 TCP/IP 的普及，ARPANET 的使命完成，全球范围的互联网开始扩展。

        第二阶段：三级结构的互联网（1985–1993）
          在这个阶段，互联网的结构逐渐分为三级：主干网、地区网和校园网（企业网）。这种结构极大地提升了网络的覆盖范围和效率。
        NSFNET：美国国家科学基金会 (NSF) 建立的 NSFNET 成为当时的主要互联网主干网，连接了美国的大学和研究机构。

        第三阶段：多层次 ISP 结构的互联网（1993–至今）
          互联网进入了商用和全球化的快速发展阶段，互联网服务提供商 (ISP) 开始为普通用户提供网络接入服务。
        多层次 ISP 结构：分为主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。主干 ISP 提供全球范围的骨干连接，地区 ISP 提供区域性服务，本地 ISP 为家庭和企业提供接入服务。

2.3 互联网标准化工作

        IETF (Internet Engineering Task Force)：主要负责互联网标准的制定，包括TCP/IP协议、HTTP协议等。IETF 通过技术社区的合作和交流，推动互联网技术的发展。
        IRTF (Internet Research Task Force)：主要专注于互联网未来技术的研究，关注长期的技术创新。
        ISOC (Internet Society)：负责推动互联网技术的普及和标准的实施，维护互联网的开放性和安全性。
        RFC (Request For Comments)：RFC 是 IETF 发布标准的方式，描述了互联网的技术和方法。每一个互联网标准都会以 RFC 文档的形式发布，开发者和工程师可以从互联网上免费下载这些文档并使用。

 3. 互联网的组成

3.1 互联网的边缘部分

        端系统 (End Systems)：互联网的边缘部分由连接在互联网上的所有主机组成，这些主机包括个人电脑、智能手机、服务器等设备。
        端系统的通信方式：
        客户/服务器 (C/S) 模式：在这种模式下，客户机 (Client) 发出服务请求，服务器 (Server) 响应并提供服务。例如，网页浏览时，浏览器作为客户端向服务器请求网页，服务器将网页内容发送给客户端。
        对等 (P2P) 模式：每个主机既是客户端也是服务器。P2P 模式允许两台主机直接互相通信，不需要通过中心化的服务器。P2P 模式常用于文件共享应用，如 BitTorrent。

3.2 互联网的核心部分

        路由器 (Router)：路由器是互联网核心部分的关键设备。它的主要任务是通过存储转发技术将数据分组从一个网络转发到另一个网络。
        分组交换 (Packet Switching)：
        分组交换技术：在互联网核心部分，数据的传输采用分组交换技术。发送方将数据拆分成多个小分组（packet），每个分组独立传输，接收方在收到所有分组后再将它们组装还原为完整的数据。
        路由选择：路由器根据分组的目的地址，将分组转发到正确的下一个路由器，直至分组最终到达目标主机。

4. 计算机网络在我国的发展

4.1 我国网络发展历程

        1980年：中国铁道部开始进行计算机联网实验，开启了我国计算机网络技术的探索。
        1989年：中国建成了第一个公用分组交换网 CNPAC，这是我国计算机网络建设的重要里程碑。
        1994年：中国通过64 kbit/s 专线连接到美国，正式接入全球互联网，从此中国成为国际互联网的一部分。
        2004年：中国启动了 CERNET2，这是中国教育和科研计算机网的下一代互联网项目，标志着中国在IPv6技术应用方面处于世界领先地位。

4.2 我国主要互联网服务提供商

        CHINANET：中国电信的公用计算机互联网，是中国最大的互联网服务网络之一。
        UNINET：中国联通的互联网服务网络，主要为联通用户提供宽带和移动互联网服务。
        CMNET：中国移动的互联网网络，主要用于为移动用户提供3G、4G、5G等无线互联网服务。
        CERNET：中国教育和科研计算机网，主要为中国的教育机构和科研单位提供互联网服务。
        CSTNET：中国科学技术网，专门服务于科学研究领域，支持科技创新和学术研究。

5. 计算机网络的类别

5.1 按作用范围分类

        广域网 (WAN)：
        定义：广域网是覆盖范围较大的网络，通常跨越多个城市、国家甚至大洲。
        特点：广域网依赖长距离的传输媒体，如光缆、卫星链路等，传输速率相对较低。广域网用于连接多个局域网和城域网，是互联网的核心组成部分。

        城域网 (MAN)：
        定义：城域网覆盖一个城市范围，通常用于连接城市中的各个企业、机构和政府部门。
        特点：城域网传输速率较高，常用于连接不同建筑物之间的网络，典型的传输技术包括光纤通信和高速无线技术。

        局域网 (LAN)：
        定义：局域网通常覆盖较小的范围，如一栋建筑或一个校园，常用于办公室、学校等内部网络连接。
        特点：局域网传输速率高，通常使用以太网技术，传输速率可达数百兆甚至数千兆位每秒 (Gbps)。

        个人区域网 (PAN)：
        定义：个人区域网的覆盖范围通常只有几米到几十米，常用于个人设备之间的无线通信，如蓝牙、红外等技术。
        特点：个人区域网的传输距离短、功耗低，适用于移动设备之间的数据传输和无线配对。

5.2 按使用者分类

        公用网 (Public Network)：面向公众提供服务，任何付费的用户都可以使用。例如，宽带服务、手机网络等。
        专用网 (Private Network)：专为某个企业、组织或政府机构设计，通常只允许内部用户使用。例如，企业内部的VPN网络。

5.3 接入网 (Access Network)

        定义：接入网是用户连接到互联网的第一跳网络，通常由本地ISP提供。
        特点：接入网的性能直接影响用户的网络体验，常见的接入技术包括ADSL、光纤接入、无线接入等。

6. 计算机网络的性能

6.1 网络性能指标

        速率 (Data Rate)：数据传输的速率，单位为比特每秒 (bit/s)。速率越高，意味着数据传输越快。速率的提升对于实时应用（如视频通话、在线游戏）尤为重要。
        带宽 (Bandwidth)：带宽表示某一条通信链路允许通过的最大数据速率。带宽越大，意味着链路可以承载更多的数据流。
        吞吐量 (Throughput)：实际传输的数据量，通常受到带宽和其他网络因素（如网络拥塞、时延）的限制。
          吞吐量的计算：

6.2 时延 (Delay)

        定义：时延是指数据从发送方到接收方所需的时间，包括以下几种：
        发送时延：发送数据帧的时间，与数据长度和传输速率相关。

        发送时延的计算：

        传播时延：信号在链路中传输所需的时间，与链路长度和信号传播速度相关。

        传播时延的计算：

        处理时延：路由器或交换机处理数据包所需的时间。
        排队时延：数据包在路由器队列中等待转发的时间，通常随网络流量增加而变长。

        总时延的计算：

6.3 时延带宽积 (Delay-Bandwidth Product)

        定义：时延带宽积表示网络中“未被确认的数据量”，即在发送端和接收端之间传输但尚未到达目的地的数据量。
        公式：时延带宽积 = 传播时延 × 带宽。
        意义：时延带宽积越大，表明链路可以容纳更多的数据。因此，带宽大的网络对于长距离通信有很大的优势。

        时延带宽积的计算：

6.4 往返时间 (RTT, Round-Trip Time)

        定义：RTT 表示从发送方发出数据，到接收到接收方的确认信息所需的时间。它是衡量网络响应速度的重要指标之一。
        影响因素：往返时间取决于链路的物理距离、时延带宽积以及中间路由器的处理能力。

        往返时间的计算：

6.5 利用率 (Utilization)

        信道利用率：指信道中有数据传输的时间占总时间的比例。

        信道利用率的计算：

        网络利用率：指整个网络中的利用率，是所有信道利用率的加权平均值。

        网络利用率的计算：