一、计算机网络基本概念

1. 计算机网络定义

计算机网络是通过 通信链路 和 网络设备，将分散在不同地理位置的 独立计算机互联起来，遵循统一通信协议，实现 数据交换、资源共享与协同工作 的复杂系统。

2. 计算机网络组成：硬件、协议、软件

1. 硬件

• 主机（端系统）：台式电脑、笔记本、平板、手机、服务器等；

• 链路：有线链路、无线链路；

• 网络设备：交换机、路由器；

主机与网络设备统称为 节点。

硬件视角：计算机网络由若干节点、连接节点的链路构成。

1. 协议：控制网络通信的规则集合。

2. 软件：网络操作系统、网络应用软件。网络操作系统负责网络管理，普通用户一般极少直接操作。

3. 因特网

因特网是全球规模最大、应用最广泛的互联网，采用 TCP/IP 参考模型，整套协议称为 TCP/IP 协议族（TCP/IP 协议栈）；因特网上的主机必须使用 TCP/IP 协议簇才能互相通信。

        1. 因特网结构划分：边缘部分 & 核心部分

边缘部分 各类用户主机（PC、手机、服务器、摄像头、智能设备、网络打印机等）由用户直接使用，承载各类网络应用。

核心部分 由大量异构网络与路由器组成；作用是为边缘部分提供连通性、数据交换服务。

        2. 功能划分：通信子网 & 资源子网

通信子网：负责分组转发、路由选择、链路管理，不参与上层数据处理；因特网核心部分等价于通信子网。

资源子网：面向用户，提供计算、存储、应用服务，负责数据处理与资源管理；因特网边缘部分等价于资源子网。

4. 计算机网络三大核心功能

        数据传输、资源共享、分布式处理。

分布式处理：依托数据传输与资源共享，网络内多台计算机协同工作，提升系统效率、可靠性与任务并行性。

二、计算机网络分类

1. 按覆盖范围：广域网 WAN、城域网 MAN、局域网 LAN、个域网 PAN

2. 按使用者：公用网、专用网

3. 按传输技术：广播式网络、点对点网络

4. 按交换方式：电路交换、报文交换、分组交换

5. 按拓扑结构：总线型、星型、环形、网状型

6. 按传输介质：有线网络、无线网络

三、三大交换方式：电路交换、分组交换、报文交换

1. 电路交换

        最初面向传统电话通信。通信分为三个阶段：建立连接 → 通信 → 释放连接

• 建立连接：建立双方独占的专用物理通路，分配通信资源；

• 通信阶段：全程占用通路，资源不共享；

• 释放连接：任意一方断开，通路释放，通信资源回收。

优点

1. 通路建立完成后数据直通，传输时延小；

2. 适合长时间持续通信，长通信场景资源利用率较高。

缺点

1. 建立连接耗时较长；

2. 资源独占，链路空闲时其他用户无法占用；

3. 故障敏感，通路任意一处故障，整条连接直接中断；

4. 交换节点不具备数据存储、误码检测能力。

2. 分组交换

核心机制：存储 - 转发 源主机将大数据切分为多个较短数据段，每个数据段添加首部（源地址、目的地址等控制信息），构成 分组。

分组到达交换节点后先缓存，提取目的地址查询转发表，选择对应接口转发；经过多轮存储转发抵达目的主机。目的主机收集全部分组，依据首部信息重组，还原原始报文。

优点

1. 无需预先建立、释放连接；

2. 链路逐段占用，空闲链路可分配给其他用户，线路利用率高；

3. 网络生存性强；节点故障、网络拥塞时可动态更换路由，不会全网瘫痪；

4. 差错控制更优：分组长度短，出错概率低；仅需重传出错分组，无需重传整个报文；

5. 支持流水线传输：节点可一边转发前序分组，一边缓存后续分组，降低总传输时延；

6. 分组长度较小，降低交换节点缓存容量压力。

缺点

1. 每个分组携带首部信息，产生额外传输开销；

2. 存在分组失序、分组丢失问题：分组独立选路，到达目的主机顺序可能打乱；拥塞、误码会造成分组丢弃。

3. 报文交换

分组交换的前身。传输单位为 完整报文，报文自带首部，不对数据进行拆分。交换节点必须完整接收整个报文，才能查表转发。

相比于分组交换：总传输时延更大；对节点缓存容量要求极高；报文出错时，需要重传全部数据，重传代价大。

4. 三种交换方式对比总结

1. 连续传输大量数据，传输时长远大于建立连接开销 → 电路交换 效率更高；

2. 报文交换、分组交换无需建链，适合计算机突发数据传输，线路利用率优于电路交换；

3. 分组交换优于报文交换：时延更低、不会长期独占链路，差错重传开销更小。

四、计算机网络性能指标

1. 数据传输速率（比特率 / 数据率） 单位：bit/s。

2. 带宽 信道能够传输数据的 最高数据率，单位 bit/s；香农公式表明：信道频带越宽，数据传输上限越高。

实际传输速率遵循 木桶效应：主机接口速率、信道带宽、交换机 / 路由器接口速率，实际速率取其中最小值。

1. 吞吐量 单位时间内，通过网络、信道或接口的 实际数据量。

2. 四大时延

• 发送时延（传输时延）：节点将分组推送至链路所需时间

  

  （速率受木桶效应约束）

• 传播时延：电磁波在介质链路上行进消耗的时间 

  

• 排队时延：分组在路由器输入 / 输出队列等待缓存的时间

• 处理时延：路由器校验分组差错、提取目的地址、查询转发表、修改首部等操作耗时；无通用计算公式。

连续发送 M 个分组，途经 N 台路由器转发：总时延 = 单个分组发送时延 × M + 传播时延 × (N+1) 若题目给出链路总段数 K，则路由器数量 N=K-1，公式同步调整。

1. 时延带宽积 时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

   1. 含义：链路 "管道容积"，代表链路最多容纳比特数量；

   2. 当第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出【时延带宽积】个比特，等价于以比特衡量的链路长度。

      

2. 往返时间 RTT 从发送端发送数据开始，到收到接收端返回确认报文为止的总耗时；大部分网络应用为双向交互。

3. 利用率

• 信道利用率：

  • 信道存在数据传输的时长占总交互时长比例；

  • 信道完全空闲，利用率 = 0。

  • 信道利用率=信道有数据传输时长总交互时长

• 网络利用率：全网所有信道利用率的加权平均值。规律：利用率升高，网络时延快速上涨；利用率达到 50% 时时延翻倍；利用率趋近 100%，时延趋于无穷。

  

网络利用率并非越高越好，利用率过高会引发严重拥塞、时延暴涨。

五、计算机网络体系结构

核心思想：分层设计

将庞大复杂的通信问题，拆解为多层小规模局部问题。

1. OSI 七层模型 与TCP/IP四层模型

2. 常见网络设备工作最高层级

• 集线器：最高层为 物理层；接收信号，向所有接口广播；

• 二层交换机：最高层为 数据链路层；基于帧进行转发 / 丢弃；

• 路由器：最高层为 网络层；实现网络互联、路由选择，转发 IP 分组。

物理层只完成比特流与电信号的转换，不参与分组封装与解封。

3. 数据传输实例

本地主机 浏览器（应用层）访问远端Web服务器，数据发送（逐层封装）、数据接收（逐层解封）全过程。

 发送端：数据包逐层封装全过程（主机出网）

        封装规则：上层数据作为下层的数据载荷，下层自动添加本层首部，层层嵌套。

 1. 应用层

        浏览器生成 HTTP应用报文（纯数据内容，无首部），交给下层传输层。

2. 传输层

        给HTTP报文添加 TCP首部（源端口、目的端口、SYN/ACK标志、序号、确认号等），封装成 TCP报文段。

        作用：实现端到端的进程通信，区分主机内不同应用。

3. 网络层

        给TCP报文段添加 IP首部（固定源IP、目的IP、TTL、首部检验和等），封装成 IP分组（IP数据报）。

        此时确定的端到端地址，全程传输不再更改。

4. 网络接口层（数据链路层+物理层）

        数据链路层：IP分组作为载荷，添加 以太网帧首部（当前链路源MAC、下一跳目的MAC）+ 尾部FCS校验，封装成 帧。

        物理层：将帧的二进制数据转为 比特流（电信号/光信号），通过链路发送出去。

转发过程：路由器中间转发

        数据包经过路由器（网络层设备）转发，仅修改二层帧，三层IP分组完全不变。

1. 路由器物理层接收比特流，转为帧；数据链路层解封，去掉帧首部，取出内部IP分组；

2. 网络层解析IP分组目的地址，查询转发表，确定下一跳；

3. 核心变化：重新封装新的以太网帧，更新源MAC、目的MAC，源IP、目的IP保持不变；

4. 额外修改：IP首部TTL减1，重新计算首部检验和（唯一会改动的三层字段）；

5. 重新转为比特流，转发至下一段链路。

接收端：数据包逐层解封全过程（服务器收网）

        解封规则：从下到上，逐层剥离本层首部，将剩余数据上交上层，最终还原原始应用数据。

1. 物理层

        接收比特流，转换为二进制帧数据，上交数据链路层。

2. 数据链路层

        校验帧完整性（FCS），剥离帧首部、尾部，解封出完整的IP分组，上交网络层。

3. 网络层

        解析IP首部，确认目的IP为本机地址，剥离IP首部，解封出TCP报文段，上交传输层。

4. 传输层

        解析TCP首部，根据端口号确定目标Web服务进程，剥离TCP首部，解封出原始HTTP应用报文，上交应用层。

5. 应用层

        Web服务器读取HTTP报文数据，处理请求并生成响应报文，完成通信。

4. 核心术语：实体 & 对等实体

• 实体：能够发送、接收信息的硬件或软件进程；

• 对等实体：通信双方同一层次上的实体。例：通信双方网卡（物理层、数据链路层硬件）互为对等实体；浏览器进程与 Web 服务器进程（应用层软件）互为对等实体。

• 协议

  协议是控制 对等实体（水平方向） 进行逻辑通信的规则集合。对等实体之间的通信属于逻辑通信，并非物理上直接传输。协议三要素

  • 语法：规定交换信息的格式；

  • 语义：规定通信双方需要完成的操作；

  • 同步：规定通信时序关系（SYN、ACK、FIN 等均属于同步范畴）。

• 协议数据单元 PDU

  对等实体水平逻辑通信交互的数据单元

  • 应用层：应用报文

  • 传输层：TCP 报文段 / UDP 报文段

  • 网络层：IP 分组（IP 数据包）

  • 数据链路层：帧

  • 物理层：比特流

5. 协议 与 服务

• 协议是水平的：约束对等实体；

• 服务是垂直的：

  • 下层向上一层提供通信服务。

  • 上层使用下层提供的服务，但屏蔽下层内部实现细节，仅调用对外接口即SAP。

• 服务访问点 SAP：同一主机相邻两层实体交换信息的逻辑接口；

• 服务原语：上层调用下层服务时，两层之间交互的命令。