【408计算机网络】第一章—— 计算机网络体系结构（上）-开发者社区

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一、计算机网络概述

1.1 什么是计算机网络：

定义（王道408）：计算机网络（Computer networking）是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

1.1.1 三种主要观点

广义观点：
- 只要是能实现远程信息处理的系统，或者能进一步达到资源共享的系统，都可称为计算机网络。
资源共享观点（现代网络的主流观点）：
用户透明性观点：
- 网络被视为一个能为用户自动管理资源的网络操作系统。
- 它能够调用用户所需要的资源，整个网络就像一个大的计算机系统一样，对用户是透明的。（注：“透明”在计算机领域通常指“存在但用户感知不到，无需关心细节”）。

1.1.2 计算机网络 vs 互连网 vs 互联网

概念	英文	关键区别	协议要求	范围
计算机网络	Network	节点 + 链路	任意	最小单位
互连网	internet (小写 i)	通用名词，泛指多个网络互连	任意	任意范围
互联网/因特网	Internet (大写 I)	专有名词，特指全球互联网	必须是 TCP/IP	全球最大

1.2 计算机网络的组成

1.2.1 组成部分角度 (Physical & Logical Components)

硬件 (Hardware)
- 内容：包括主机（端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机）以及通信处理机（如网卡等）。
- 解析：这是网络的物理基础，负责信号的物理传输和处理。没有这些实体设备，网络无法存在。
软件 (Software)
- 内容：包括实现资源共享的软件，以及方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）。
- 解析：软件运行在硬件之上，为用户提供具体的服务接口和应用体验。
协议 (Protocol)
- 内容：被称为“计算机网络的核心”，规定了网络传输数据遵循的规定。
- 解析：这是网络通信的“规则”或“语言”。只有遵守相同的协议，不同的硬件和软件才能互相“听懂”对方并在网络中进行有效通信。

1.2.2 工作角度 (Operational Perspective)

这个角度根据网络组件在网络中的位置和作用，将其划分为边缘部分和核心部分。

边缘部分 (Edge System)
核心部分 (Core System)

1.2.3 功能组成角度 (Functional Perspective)

这个角度从逻辑功能的层面，将网络划分为负责通信的和负责资源处理的两个子网。

通信子网 (Communication Subnet)
资源子网 (Resource Subnet)

1.3 计算机网路的功能

功能名称	核心定义	实际作用 / 通俗理解	地位 / 特点
数据通信	实现联网计算机之间的信息传输，将分散的计算机联系起来	就像“修路”和“送信”，让电脑不再是孤岛。	最基本、最重要的功能。
资源共享	实现软件、硬件、数据的共享	互通有无，分工协作。例如：共用打印机、访问共享文件。	提高资源利用率。
分布式处理	将某个计算机负载过重的任务分散到多台计算机上	“三个臭皮匠顶个诸葛亮”，多台电脑一起处理复杂任务。	提高整个系统的利用率和效率。
提高可靠性	各台计算机可以通过网络互为替代机	也就是“备胎”机制，一台坏了另一台顶上。	增强系统的容灾能力。
负载均衡	将工作任务均衡地分配给网络中的各台计算机	避免“忙的忙死，闲的闲死”，平均分配压力。	优化性能，防止单点过载。

1.4 三种数据交换技术

1.4.1 电路交换 (Circuit Switching) —— 电话网络的基石

这是最古老的方式，模拟了两个人打电话的场景。

工作流程：
优点：
- 一旦连接建立，数据直达，传输速率高，时延小。
- 数据按序到达，不会乱序。
缺点：

1.4.2 报文交换 (Message Switching) —— 电报网络的模式

为了解决电路交换“占着茅坑不拉屎”（资源独占）的问题，出现了报文交换。

工作机制：存储转发 (Store and Forward)。
- 发送方将整个数据作为一个“报文”（Message）发给中间节点（交换机/路由器）。
- 中间节点先收下整个报文，存起来，检查无误后，再转发给下一个节点。
优点：
- 无需建立连接：随时可以发送。
- 线路利用率高：通信线路不是独占的，分段复用。
缺点：

1.4.3 分组交换 (Packet Switching) —— 现代计算机网络/互联网

结合了前两者的优点，是目前互联网使用的主流技术。

工作机制：化整为零 + 存储转发。
- 将一个大报文切分成一个个小的、固定长度的“分组” (Packet)。
- 每个分组都加上头部信息（源地址、目的地址等），独立传输。
关键优势（流水线效应）：
- 因为分组很小，第一个分组在从节点 A 传到 B 的同时，第二个分组可以开始传输，形成了并行传输（流水线），大大减少了总的传输时间。
优点：
缺点：
- 每个分组都要加“头部”（Header），带来了一定的额外开销（控制信息占比增加）。

1.5 计算机网路分类

1.5.1 按分布范围分类（最常考）

这是最常见的分类方式，根据网络覆盖的地理范围大小来划分。

广域网 (WAN - Wide Area Network)
城域网 (MAN - Metropolitan Area Network)
- 范围：5~50km，覆盖一个城市或跨越几个街区。
- 关键技术：多采用以太网技术。
局域网 (LAN - Local Area Network)
个人区域网 (PAN - Personal Area Network)
- 范围：直径约 10m，个人工作区域（如连接蓝牙耳机、鼠标）。
- 别名：无线个人区域网 (WPAN)。

🎓 考研/考试重点：
WAN ≠ 互联网：WAN 是互联网的核心，但互联网是全球最大的 WAN。
技术对立：广域网 (WAN)核心靠点对点/交换技术；局域网 (LAN)核心靠广播技术。这是一个经典判断题考点。

1.5.2 按传输技术分类（底层逻辑）

这个分类关注的是“数据在信道里是怎么跑的”。

广播式网络 (Broadcast Network)
点对点网络 (Point-to-Point Network)
- 原理：每个物理线路连接一对计算机。数据通过中间结点进行存储转发，直到到达目的地。
- 应用场景：广域网 (WAN)的有线部分。

1.5.3 按拓扑结构分类（物理形状）

这个分类关注的是“网络连起来像什么形状”。

总线型 (Bus)
- 特点：所有设备挂在一根主干线上（广播式）。
- 优缺点：建网容易，增减节点方便，节省线路；但重负载时通信效率低，总线坏了全网瘫痪。
星型 (Star)
- 特点：有一个中心节点（如集线器/交换机）。
- 优缺点：便于管理；但中心节点是瓶颈，中心坏了全网瘫痪。
环型 (Ring)
- 特点：首尾相接，数据单向流动（令牌环网）。
- 优缺点：不仅包括物理上的环，逻辑上也是环。
网状型 (Mesh)

1.6 计算机网络性能指标

1.6.1 第一维度：速度相关指标 (Speed & Rate)

核心概念：描述网络传输数据的快慢。

单位名称	英文全称	符号	进率关系	换算为基本单位 (bit/s)
比特/秒	bits per second	bit/s(bps)	基础单位	1 11
千比特/秒	kilobits per second	kb/s	1 kb/s = 1000 bit/s 1 \text{ kb/s} = 1000 \text{ bit/s}1kb/s=1000bit/s	10 3 = 1 , 000 10^3 = 1,000103=1,000
兆比特/秒	megabits per second	Mb/s	1 Mb/s = 1000 kb/s 1 \text{ Mb/s} = 1000 \text{ kb/s}1Mb/s=1000kb/s	10 6 = 1 , 000 , 000 10^6 = 1,000,000106=1,000,000
吉比特/秒	gigabits per second	Gb/s	1 Gb/s = 1000 Mb/s 1 \text{ Gb/s} = 1000 \text{ Mb/s}1Gb/s=1000Mb/s	10 9 = 1 , 000 , 000 , 000 10^9 = 1,000,000,000109=1,000,000,000
太比特/秒	terabits per second	Tb/s	1 Tb/s = 1000 Gb/s 1 \text{ Tb/s} = 1000 \text{ Gb/s}1Tb/s=1000Gb/s	10 12 = 1 , 000 , 000 , 000 , 000 10^{12} = 1,000,000,000,0001012=1,000,000,000,000

例子：100Mbps 的网络传输 100MB 的文件，时间并不是 1秒，而是 100×$10^{20}×8/(100×106)≈8.38秒。

2. 带宽 (Bandwidth)

原意：信号具有的频带宽度，单位是赫兹 (Hz)。
网络中含义：表示网络的最高数据率（即单位时间内从网络某一点能通过的“最高数据量”）。
形象理解：带宽就是“水管的粗细”，决定了水（数据）流出的最大速度。

3. 吞吐量 (Throughput)

定义：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。
关系：吞吐量 ≤ 带宽。
影响因素：受限于网络中最慢的一段链路（短板效应）或当前的网络负载。

1.6.2 第二维度：时间相关指标 (Time & Delay)

核心概念：描述数据从一端传到另一端需要多久。这是计算题重灾区。

4. 时延 (Delay / Latency)

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延。

时延类型	定义与公式	发生位置	形象理解
发送时延 (Transmission Delay)	信道带宽(bit/s)数据长度(bit)	主机或路由器内部	推箱子：把货物推上车需要的时间。只与文件大小和网卡速度有关。
传播时延 (Propagation Delay)	电磁波速率(m/s)信道长度(m)	传输介质（光纤/铜线）	车在路上跑：车在高速公路上行驶的时间。只与距离和介质有关。
排队时延 (Queuing Delay)	取决于网络拥塞程度	路由器缓存	堵车：在收费站排队等待处理的时间。
处理时延 (Processing Delay)	检错、查找路由表	路由器CPU	过安检：保安检查证件的时间。

⚠️ 考研高频坑点：
- 高速链路（提高带宽）只能减小发送时延，无法减小传播时延（光速是物理极限）。
- 题目如果没给排队和处理时延，通常忽略不计。

5. 往返时间 (RTT - Round-Trip Time)

定义：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（ACK）总共经历的时间。
构成：RTT≈2×传播时延+末端处理时间。
注意：RTT 不包括数据本身的发送时延（因为只有第一个比特到了就可以开始回传，或者题目会有特殊说明），但包括中间路由器的处理和排队时间。

1.6.3 第三维度：容量与效率指标 (Capacity & Efficiency)

核心概念：描述信道里能装多少数据，以及信道有多忙。

6. 时延带宽积 (Delay-Bandwidth Product)

公式：时延带宽积 = 传播时延×带宽。
物理意义：

7. 利用率 (Utilization)

信道利用率：信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
网络利用率：全网络信道利用率的加权平均。
利用率与时延的关系 (关键图表)：
- 公式：D=1−UD0 （D是当前时延，D0是空闲时延，U是利用率）。
- 结论：利用率并不是越高越好。当利用率接近 1 (100%) 时，时延会急剧增加（趋近无穷大），造成网络极其拥堵。

总结

序号	指标名称(中 / 英)	核心定义 / 物理意义	常用单位	核心公式 & 考研/考试避坑指南
1	速率 (Speed / Data Rate)	数据传输的速率，也叫“比特率”	bit/s (bps) kb/s, Mb/s	⚠️ 单位换算陷阱： •速率中k = 10 3 k=10^3k=103(1000进制) •存储中K = 2 10 K=2^{10}K=210(1024进制)
2	带宽 (Bandwidth)	网络信道所能传送的“最高数据率”。 (形象理解：水管的粗细)	bit/s (网络) Hz (通信)	• 它是理想状态下的最大值。 • 仅仅代表“发送得更快”（单位时间注入更多比特），不代表比特在链路上传播得更快（光速不变）。
3	吞吐量 (Throughput)	单位时间内实际通过网络的数据量。	bit/s	•吞吐量 ≤ 带宽 \text{吞吐量} \le \text{带宽}吞吐量≤带宽 • 受限于短板效应（网络中最慢的一段链路）和网络负载。
4	时延 (Delay / Latency)	数据从一端传到另一端所需的时间。 (包含：发送+传播+排队+处理)	s, ms,μ s \mu sμs	•发送时延= 数据长度带宽 = \frac{\text{数据长度}}{\text{带宽}}=带宽数据长度(仅此处与带宽有关) •传播时延= 信道长度电磁波速率 = \frac{\text{信道长度}}{\text{电磁波速率}}=电磁波速率信道长度(仅此处与距离有关) (做题时务必区分是推数据的快慢，还是跑路的时间)
5	往返时间 (RTT)	从发送方发送数据开始，到收到确认总共经历的时间	s, ms	•R T T ≈ 2 × 传播时延 + 末端处理时间 RTT \approx 2 \times \text{传播时延} + \text{末端处理时间}RTT≈2×传播时延+末端处理时间 • RTT不包含数据本身的发送时延（除非题目特殊说明）。
6	时延带宽积 (Delay-Bandwidth Product)	链路中充满了多少比特的数据。 (被称为“以比特为单位的链路长度”)	bit (比特)	•公式：= 传播时延 × 带宽 = \text{传播时延} \times \text{带宽}=传播时延×带宽 • 物理意义：第一个比特到达终点时，发送端已经发出了多少个比特。
7	利用率 (Utilization)	信道有百分之几的时间是被利用的。 (反映信道的拥堵程度)	% (百分比)	•不是越高越好。利用率U UU趋近 1 时，时延会急剧增大。 •公式：D = D 0 1 − U D = \frac{D_0}{1 - U}D=1−UD0(D DD为当前时延，D 0 D_0D0为空闲时延)。