计网期末复习指南：万字总结计算机网络体系结构 | 计算机网络的组成、类别、性能

第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程，1969年美国国防部创建了第一个分组交换网ARPANET，它最初只是一个单个的分组交换网，并不是一个互联的网络。所有要连接在APRAENT上的主机都直接与就近的节点交换机相连。后来到了1983年TCP/IP协议成为APRANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网通信，因而人们就把1983年作为互联网诞生的时间。

第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。从1985年开始，美国国家科学基金会NSF就围绕六个大型计算机中心建设计算机网络，也就是国家科学基金网NSFNET，它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或者企业网）。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为了互联网中的主要组成部分。

第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个互联网主干网替代，而政府不再负责互联网的运营。从而诞生了互联网服务提供者ISP(Internet Service Provider)，也被称为互联网服务提供商。比如中国电信、中国移动和中国联通就是我国最出名的ISP。

二.计算机网络的类别

计算机网络按照作用范围可以分为以下几种主要分类：

局域网（LAN，Local Area Network）：局域网是指覆盖在较小范围内的网络，通常局限于单个建筑物、办公室或校园等小范围内。局域网通常采用高速以太网技术，并且由单个组织或个人管理和控制。
城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：城域网是介于局域网和广域网之间的网络，覆盖范围在几十公里到几百公里之间。城域网通常连接多个局域网，用于连接城市内的不同地点。
广域网（WAN，Wide Area Network）：广域网是覆盖范围最广的网络，可以覆盖整个国家甚至全球。广域网通常通过电信运营商提供的网络基础设施进行连接，用于连接不同地区和国家的网络。
互联网（Internet）：互联网是全球范围内最大的网络，由成千上万个网络组成，通过标准化的协议进行通信。互联网连接了世界各地的计算机和网络，为人们提供了全球范围内的信息和服务。
无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Network）：无线局域网是一种使用无线通信技术连接设备的局域网，常用的无线局域网技术包括Wi-Fi。
无线广域网（WWAN，Wireless Wide Area Network）：无线广域网是一种使用无线通信技术连接设备的广域网，常用的无线广域网技术包括4G LTE、5G等。

按照网络的使用者，可以将网络分为以下几种主要分类：

个人网络：个人网络是由个人用户建立和使用的网络，通常用于连接个人设备（如电脑、手机、平板电脑等）以便分享文件、打印机等资源，或者访问互联网。个人网络可以是有线网络（如家庭局域网）或无线网络（如个人Wi-Fi网络）。
企业网络：企业网络是由企业或组织建立和使用的网络，用于连接企业内部的计算机和设备，实现内部通信、资源共享和业务应用。企业网络通常包括局域网（LAN）、广域网（WAN）和虚拟专用网络（VPN）等。
教育网络：教育网络是为教育机构（如学校、大学）建立的网络，用于支持教育和学术研究活动。教育网络通常提供高速互联网接入、学术资源共享和在线学习等服务。
政府网络：政府网络是为政府机构建立的网络，用于支持政府内部通信、信息管理和公共服务。政府网络通常具有安全性要求较高的特点，需要保护政府信息和数据的安全。
商业网络：商业网络是由商业组织或公司建立和使用的网络，用于支持商业活动和业务应用。商业网络通常包括企业内部网络、电子商务网站和供应链管理网络等。
公共网络：公共网络是由政府或其他组织建立和管理的网络，为公众提供互联网接入和通信服务。公共网络包括互联网和电信运营商提供的电话网络、移动网络等。

三.互联网的组成

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，并且在地理上覆盖了全球，但从工作方式上来看可以划分为俩部分。

边缘部分：由所有的连接在互联网上的主机组成。这部分也是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

对于互联网的边缘部分之间的通信方式，通常可以划分为俩个大类：客户/服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）

▐ 网络边缘部分

客户/服务器方式（C/S方式）

客户服务器模式是一种计算机网络架构模式，用于描述客户端和服务器之间的通信模式。在这种模式中，服务器是一个提供服务的主机，客户端是向服务器请求服务的主机。客户端发送请求到服务器，服务器处理这些请求并将结果返回给客户端。

客户服务器模式有许多应用场景，例如网站访问、文件传输、电子邮件等。在这些应用中，服务器通常具有更高的计算和存储能力，客户端则具有更轻量级的功能，只需要向服务器发送请求和接收响应。

客户服务器模式的优势包括可扩展性、可靠性和安全性。由于服务器负责处理请求，可以根据需要增加或减少服务器的数量来满足不同的需求。同时，服务器可以实施安全机制来保护数据和提供身份验证。

客户和服务器都是指通信中所涉及到的俩个应用进程，他们通常有以下的一些特性：

客户程序：

被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此客户程序必须要知道服务器程序的地址。
不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。

服务器程序：

是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
系统启动后就一直不断的运行，被动的等待并接受来自各地客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

对等方式（P2P方式）

对等连接（peer-to-peer）一般简称为P2P。

对等交换方式（Peer-to-Peer，P2P）是一种网络通信模型，其中每个参与者都可以作为客户端和服务器，相互之间可以直接通信，而无需通过中心化的服务器。P2P网络中的每个节点（peer）既可以提供资源（如带宽、计算能力、文件等），也可以请求资源。P2P网络通常具有以下特点：

去中心化：P2P网络没有中心化的控制节点，每个节点都可以直接与其他节点通信，因此更具弹性和鲁棒性。
资源共享：P2P网络中的节点可以共享自己的资源，如文件、带宽等。这种共享可以帮助提高整个网络的效率和性能。
分布式搜索：P2P网络通常具有分布式搜索功能，使节点能够搜索到网络中其他节点共享的资源。
自组织性：P2P网络中的节点可以自行加入和离开网络，网络能够自组织和自我修复。

P2P网络广泛应用于文件共享、视频流媒体、在线游戏等领域，它可以带来更高的可靠性和效率，同时降低了对中心化服务器的依赖。

▐ 网络核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘部分中的大量主机提供连通性，使得边缘部分中的任何一台主机都能够与其他主机通信。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router)，它是一种专用的计算机。路由器是实现分组交换的关键构建，起任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。为了方便理解，在这需要对一些交换方式做出解释。

电路交换

电路交换是一种通信方式，用于在通信双方之间建立一条独占的、固定带宽的通信路径（电路），在通信过程中始终保持该通路的方式。在通信开始之前，必须建立通信路径并保持其连通状态，通信结束后释放该通信路径。传统电话网络就是一个电路交换网络的例子。

电路交换的主要特点包括：

独占性：通信双方在通信过程中独占一条通信路径，不与其他通信双方共享带宽，因此通信质量稳定。
固定带宽：建立通信路径时确定了带宽大小，通信过程中带宽保持不变，无论通信双方是否传输数据。
建立和拆除时延：由于需要建立和拆除通信路径，因此会引入一定的时延，特别是在通信量较大时可能影响通信效率。
不适用于数据通信：电路交换主要用于传统电话通信，对于数据通信来说效率不高，因为数据通信的数据量和通信时间往往是不确定的，难以预先分配固定带宽。

随着通信技术的发展，电路交换逐渐被分组交换所取代，因为分组交换更适合于不确定通信量和动态带宽需求的情况，如Internet就是基于分组交换技术构建的。

报文交换

报文交换是一种通信方式，其中通信双方通过交换独立的数据包（报文）来进行通信。每个报文都包含了完整的数据以及必要的控制信息，用于确保报文的正确传输和接收。报文交换与电路交换不同，它不需要预先建立独占的通信路径，而是根据需要将数据分成报文发送，接收方根据报文中的信息进行处理。

报文交换的主要特点包括：

灵活性：报文交换不需要预先建立通信路径，通信双方可以根据需要发送报文，因此更加灵活适用于不同需求的通信场景。
分组传输：报文被分成多个数据包进行传输，这些数据可以通过不同的路径传输，因此即使其中一部分分组丢失或延迟，整个报文仍然可以被正确接收和重组。
异步传输：通信双方可以独立发送和接收报文，不需要同步操作，因此可以实现异步通信。
动态带宽分配：由于报文交换不需要预先分配固定带宽，因此可以根据实际通信需求动态分配带宽，提高带宽利用率。
复杂性：与电路交换相比，报文交换在数据处理和控制方面可能更加复杂，因为需要处理分组的路由、传输顺序等问题。

分组交换

分组交换是一种通信方式，其中数据被分成小的数据包（分组）进行传输，每个数据包包含了目标地址、控制信息和数据部分。在传输过程中，这些数据包通过网络中的路由器和交换机转发，最终到达目标地址，然后在目标地址处被重新组装成完整的数据。

分组交换的主要特点包括：

灵活性：分组交换不需要预先建立通信路径，数据可以被分成小的数据包进行传输，因此更加灵活适用于不同需求的通信场景。
分组传输：数据被分成多个数据包进行传输，这些数据包可以通过不同的路径传输，因此即使其中一部分数据包丢失或延迟，整个数据仍然可以被正确接收和重组。
异步传输：通信双方可以独立发送和接收数据包，不需要同步操作，因此可以实现异步通信。
动态带宽分配：由于分组交换不需要预先分配固定带宽，因此可以根据实际通信需求动态分配带宽，提高带宽利用率。
复杂性：与电路交换相比，分组交换在数据处理和控制方面可能更加复杂，因为需要处理分组的路由、传输顺序等问题。
适用性：分组交换适用于各种通信需求，特别是对于数据通信来说效率更高，因为可以动态分配带宽，并且可以通过路由选择最佳路径进行传输。

总结的来说：

电路交换：整个报文的比特流连续的从源点到直达终点，就像是在一个管道中传输一样。
报文交换：整个报文先传送到相邻节点。全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
分组交换：单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

四.计算机网络的性能

▐ 速率

计算机发送的信号都是数字信号，也就是由0和1组成的比特（bit）流，网络技术中的速率一般指的是数据的传送速率，也被称为数据率或比特率，速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，速率的单位是 bit/s（比特每秒）有时也称为bps也就是bit per second。

▐ 带宽

带宽（Bandwidth）在计算机网络中指的是网络传输介质（如电缆、光纤）能够传输的最大数据量。带宽通常以每秒传输的位或字节数来衡量，单位为bps（比特每秒）或者是其倍数如Kbps（千比特每秒）或Mbps（百万比特每秒）。

带宽决定了网络传输数据的速率上限，即网络能够在单位时间内传输的最大数据量。例如，如果一个网络的带宽为1Mbps，那么该网络理论上可以在每秒传输1兆比特（1,000,000比特）的数据。

带宽是计算机网络性能中一个重要的指标，它直接影响着网络的传输速率和性能。较高的带宽通常意味着网络能够更快地传输数据，提高数据传输的效率和速度。然而，实际传输速率可能会受到其他因素的影响，如网络拥塞、路由器性能、数据包丢失等。

▐ 吞吐量

在计算机网络性能中，吞吐量（Throughput）指的是在单位时间内通过网络传输的数据量，即网络的实际传输速率。吞吐量通常以每秒传输的位或字节数来衡量，单位为bps（比特每秒）或者是其倍数如Kbps（千比特每秒）或Mbps（百万比特每秒）。

吞吐量反映了网络的传输能力和效率，它直接反映了网络的实际数据传输速率。较高的吞吐量意味着网络能够在单位时间内传输更多的数据，提高了网络的效率和性能。

吞吐量受到多种因素的影响，其中包括网络带宽、网络拥塞、路由器性能、数据包丢失率等。实际的吞吐量可能会受到这些因素的限制或影响。

吞吐量是评估和衡量网络性能的重要指标之一，特别是在需要大量数据传输的应用场景中，如视频流媒体、大文件下载等。通过监测和优化吞吐量，可以提高网络的传输效率和性能，满足用户对高速、高效数据传输的需求。

▐时延

在计算机网络中，时延（Delay）指的是数据从发送端到接收端所经历的时间。时延可以分为多个部分，包括传播时延（Propagation Delay）、传输时延（Transmission Delay）、排队时延（Queueing Delay）和处理时延（Processing Delay）等。

传播时延（Propagation Delay）：传播时延是指数据在传输介质中传播所需的时间，取决于传输介质的物理特性，如电信号在电缆或光纤中传播的速度。传播时延与传输距离成正比，即传输距离越长，传播时延越大。
传输时延（Transmission Delay） ：传输时延（也成为发送时延）是指数据从发送端到接收端的时间，主要取决于数据包的长度和网络的带宽。传输时延可以通过以下公式计算：传输时延 = 数据包长度 / 带宽。传输时延与数据包长度成正比，与带宽成反比。
排队时延（Queueing Delay）：排队时延是指数据包在路由器或交换机的队列中等待处理所需的时间。排队时延受到网络拥塞程度的影响，当网络负载较重时，排队时延会增加。
处理时延（Processing Delay）：处理时延是指路由器或交换机对数据包进行处理所需的时间，包括检查数据包头部、转发数据包等操作。处理时延取决于设备的处理能力和负载情况。

时延是计算机网络性能的重要指标之一，它影响着网络的响应速度和传输效率。较低的时延可以提高网络的实时性和用户体验，因此在设计和管理网络时需要考虑和优化时延。

▐时延带宽积

时延带宽积（Delay-Bandwidth Product）是计算机网络中的一个重要概念，用于衡量网络的性能和传输能力。时延带宽积是指在网络中传输一个最大大小的数据包所需的时间与网络的带宽的乘积。

具体地说，时延带宽积可以用以下公式表示：

时延带宽积 = 传输时延 × 带宽时延带宽积 = 传输时延 × 带宽

其中，传输时延是指数据包从发送端到接收端的传输时间，带宽是指网络的传输速率。时延带宽积反映了在网络中传输数据所需的时间和网络传输能力之间的关系。

时延带宽积的大小对网络的性能有着重要影响。当时延带宽积较大时，表示网络的带宽较高，可以支持更大的数据传输量；而当时延带宽积较小时，表示网络的带宽较低，可能会导致数据传输速度较慢。

时延带宽积在设计和优化网络时非常重要，可以帮助确定网络的最佳传输参数，以提高网络的传输效率和性能。

▐往返时间RTT

往返时间（Round-Trip Time，RTT）是计算机网络中的一个重要指标，用于衡量数据从发送端到接收端再返回发送端所经历的时间。RTT包括数据传输的延迟和数据处理的时间，是评估网络延迟和性能的重要指标之一。

具体地说，往返时间可以描述为以下几个步骤：

发送端发送数据包到接收端。
接收端接收到数据包并进行处理。
接收端发送响应数据包到发送端。
发送端接收到响应数据包。

往返时间是指上述步骤中第一步到第四步所经历的总时间。RTT通常以毫秒（ms）为单位，是衡量网络延迟和响应速度的重要指标。

往返时间受到多种因素的影响，包括传播时延、传输时延、排队时延、处理时延等。网络的拥塞程度、带宽、路由器性能等因素也会影响往返时间的大小。

往返时间对于网络性能具有重要意义。较低的往返时间意味着网络的响应速度较快，用户体验较好；而较高的往返时间可能会导致网络延迟较大，影响数据传输的效率和实时性。

▐利用率

在计算机网络中，利用率（Utilization）是指网络资源（如带宽、路由器、交换机等）在单位时间内实际被使用的程度。利用率通常以百分比表示，表示网络资源的实际使用量与其总容量之比。

例如，如果一个网络的带宽为100Mbps，而实际传输数据的速率为50Mbps，则带宽的利用率为50%。利用率可以帮助衡量网络资源的使用效率和负载程度，从而评估网络的性能和健康状况。

在计算机网络中，不同的资源有不同的利用率概念，例如：

带宽利用率：带宽利用率指的是网络传输介质（如电缆、光纤）的实际使用率，即网络中实际传输的数据量与带宽容量之比。
路由器利用率：路由器利用率指的是路由器在单位时间内处理数据包的能力和实际接收到的数据包数量之比。较高的路由器利用率可能表示网络拥塞或路由器性能不足。
交换机利用率：交换机利用率指的是交换机在单位时间内处理数据包的能力和实际接收到的数据包数量之比。交换机利用率也可以反映网络的负载情况和性能状况。

但是利用率并不是越高越好，当网络利用率达到其容量的 1/2 时，时延就要加倍，当网络利用率接近最大值 1 的时候，网络产生的时延就会趋于无穷大。也就是说，信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

五.计算机网络体系结构

▐OSI七层体系结构

OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互联）七层体系结构是国际标准化组织（ISO）制定的用于描述计算机网络通信协议的体系结构。它将计算机网络通信划分为七个层次，每个层次负责不同的功能，并且每个层次的功能都建立在低一层的基础上。以下是OSI七层体系结构的各个层次及其功能：

物理层（Physical Layer）：物理层负责传输数据的物理介质，如电缆、光纤等，以及数据的编码和调制解调。物理层的主要功能是将数据从一个节点传输到另一个节点，而不考虑数据的含义。
数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层负责在直接相连的两个节点之间传输数据，通过物理地址（MAC地址）来识别设备。数据链路层的主要功能包括数据的帧同步、错误检测和纠正、流量控制等。
网络层（Network Layer）：网络层负责将数据从源节点传输到目的节点，通过逻辑地址（IP地址）来识别设备。网络层的主要功能是路由选择、数据包转发和拥塞控制等。
传输层（Transport Layer）：传输层负责端到端的数据传输，确保数据的可靠传输。传输层的主要功能包括分段和重组数据、数据的流量控制和错误恢复等。
会话层（Session Layer）：会话层负责建立、管理和终止通信会话，提供数据传输的顺序控制和同步功能。
表示层（Presentation Layer）：表示层负责数据的格式化、加密和解密，以确保数据在不同系统之间的互操作性。
应用层（Application Layer）：应用层是最靠近用户的一层，负责处理特定的应用程序和网络服务，例如电子邮件、文件传输和远程登录等。

OSI七层体系结构将网络通信划分为不同的层次，使得不同的厂商可以根据这个标准开发出兼容的网络设备和协议。虽然现实中的网络通信往往不完全符合七层模型，但OSI七层体系结构仍然是理解和设计计算机网络的重要框架。

▐TCP/IP四层体系结构

TCP/IP协议族是实际互联网使用最广泛的协议族，它的体系结构通常被描述为四层体系结构，与OSI的七层结构有所不同。TCP/IP的四层体系结构包括以下层次：

应用层（Application Layer）：应用层包含了OSI模型中的应用层、表示层和会话层的功能，负责为用户提供各种应用程序，如HTTP、FTP、SMTP等。
传输层（Transport Layer）：传输层与OSI模型中的传输层相对应，负责提供端到端的数据传输服务，包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
网络层（Internet Layer）：网络层与OSI模型中的网络层相对应，主要负责数据包的路由和转发，使用IP协议（Internet Protocol）。
网络接口层（Network Interface Layer）：网络接口层包含了OSI模型中的数据链路层和物理层的功能，负责处理物理介质上的数据传输，如以太网、Wi-Fi等。

相较于OSI的七层结构，TCP/IP的四层体系结构具有以下优点：

简洁性：TCP/IP的四层结构相对较简单，减少了层级的复杂性，易于理解和实现。
实用性：TCP/IP是互联网的基础协议，广泛应用于实际网络中，与实际网络环境更为贴合。
灵活性：TCP/IP协议族灵活适应不同网络环境和需求，可以根据实际情况进行调整和扩展。
适应性：TCP/IP协议族适用于各种规模的网络，从局域网到广域网，甚至到互联网，都能够提供稳定和可靠的通信服务。

总的来说，TCP/IP的四层体系结构更符合实际网络环境的需求，具有更好的适用性和实用性，因此被广泛应用于互联网和企业网络中。

▐TCP/IP的五层体系结构

计算机网络的五层系统结构通常指的是TCP/IP协议族的五层体系结构，它是在TCP/IP协议族基础上进行的一种简化和调整。这种五层系统结构包括以下层次：

应用层（Application Layer）：应用层负责提供各种网络应用程序和服务，如HTTP、FTP、SMTP等，与OSI模型的应用层功能类似。
传输层（Transport Layer）：传输层负责端到端的数据传输，包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），与OSI模型的传输层功能类似。
网络层（Internet Layer）：网络层负责数据包的路由和转发，使用IP协议（Internet Protocol），与OSI模型的网络层功能类似。
数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层负责在直接相连的两个节点之间传输数据，通过物理地址（MAC地址）来识别设备，与OSI模型的数据链路层功能类似。
物理层（Physical Layer）：物理层负责传输数据的物理介质，如电缆、光纤等，以及数据的编码和调制解调，与OSI模型的物理层功能类似。

这种五层系统结构相对于TCP/IP的四层体系结构，将网络接口层（Network Interface Layer）拆分为数据链路层和物理层，使得体系结构更为清晰和直观。这种结构在教学和实际应用中较为常见，更符合实际网络的实际情况和需求。

对于一些基础的概念，这里需要做出补充：

在计算机网络中，实体、协议、服务和服务访问点是一些基本概念，它们描述了网络中的不同组成部分和交互方式：

实体（Entity）：实体是指网络中能够发送或接收信息的独立个体或设备，如计算机、服务器、路由器等。实体可以是硬件设备，也可以是软件程序，它们通过网络进行通信和交互。
协议（Protocol）：协议是指网络中实体之间通信和交互的规则和约定。协议规定了数据的格式、传输方式、错误处理等细节，确保不同实体之间可以正确地进行通信。
服务（Service）：服务是指网络为用户或应用程序提供的功能或特性。服务可以是数据传输、文件共享、远程登录等功能，不同的服务提供不同的功能和服务质量。
服务访问点（Service Access Point，SAP）：服务访问点是指实体与服务之间的接口或端点。在网络中，实体通过服务访问点来访问网络提供的服务，实现数据传输和通信功能。

综上所述，实体是网络中的设备或程序，协议是规定实体之间通信规则的约定，服务是网络提供的功能或特性，服务访问点是实体与服务之间的接口。这些概念在设计和管理计算机网络时非常重要，有助于理解和实现网络通信的基本原理和机制。

另外，在计算机网络中，通常将协议描述为水平的，而将服务描述为垂直的，这是因为它们在网络中的角色和层次不同。

协议是水平的：协议是指实体之间通信和交互的规则和约定。在网络中，不同层次的协议负责处理不同的功能和任务，例如物理层协议负责传输比特流，数据链路层协议负责帧的传输和接收，网络层协议负责数据包的路由和转发，传输层协议负责端到端的数据传输等。这些协议在同一层次上工作，共同构成了网络通信的基础。
服务是垂直的：服务是指网络为用户或应用程序提供的功能或特性。服务通常涉及多个协议和多个层次，它们从底层的物理层和数据链路层到高层的应用层都可能涉及。服务的提供是为了满足用户或应用程序的需求，服务通常是面向用户的，而不是面向协议的。因此，服务被描述为垂直的，因为它跨越了不同层次和协议，为用户提供了全面的功能。

总的来说，协议和服务在网络中扮演着不同的角色和层次，协议是实现通信的规则和约定，而服务是为用户或应用程序提供功能和特性。理解这种区别有助于更好地设计和管理计算机网络，确保网络能够提供高效、可靠和安全的通信服务。

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