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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
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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。
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资源共享观点（现代网络的主流观点）：
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定义 ：以能够相互共享资源 的方式互联起来的自治计算机系统的集合。
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目的：资源共享。
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组成单元 ：分布在不同地理位置的多台独立的"自治计算机 "。（注："自治"意味着计算机之间没有主从关系，一台计算机不能强制控制另一台）。
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网络协议 ：网络中计算机必须遵循的统一规则。
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用户透明性观点：
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网络被视为一个能为用户自动管理资源的网络操作系统。
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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"）。
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1.1.2 计算机网络 vs 互连网 vs 互联网
1. 计算机网络 (Computer Network)
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定义： 由若干节点 （Node，如计算机、集线器）和连接这些节点的链路（Link）组成。
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核心： 强调的是物理和逻辑上的连接。只要几台电脑连在一起，能通信，就是计算机网络。
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例子： 你家里的路由器连着你的手机和电脑，这就构成了一个最简单的局域网（计算机网络）。
2. 互连网 (internet) ------ 注意是小写 i
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定义： "网络的网络"（Network of Networks）。
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核心： 泛指多个计算机网络互连而成的网络。
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特点：
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通用名词 ：它是指将不同的网络连接起来这一动作或状态。
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协议不限 ：它不一定非要使用 TCP/IP 协议，只要把两个网络连通了，就可以叫互连网。
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3. 互联网 / 因特网 (Internet) ------ 注意是大写 I
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定义： 全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络。
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核心： 专有名词，特指我们现在每天都在用的那个全球互联网。
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特点：
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必须使用 TCP/IP 协议族作为通信规则。
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其前身是美国的 ARPANET。
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地位： 它是"互连网"这种概念中，规模最大、最成功的一个实例 。
| 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)
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硬件 (Hardware)
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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）。
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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。
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软件 (Software)
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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）。
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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。
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协议 (Protocol)
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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。
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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。
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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。
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边缘部分 (Edge System)
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定义 ：由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成。
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功能：用来进行通信（传输数据、音频或视频）和资源共享。
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通信方式：图中标注了两种主要的主机通信方式：
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C/S方式 (Client/Server)：客户机/服务器模式，即请求方和服务方。
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P2P方式 (Peer-to-Peer)：对等连接模式，主机之间地位平等，既是服务请求者也是提供者。
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核心部分 (Core System)
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定义 ：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。
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功能：为边缘部分提供连通性和交换服务。
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解析 ：核心部分相当于交通枢纽和高速公路网，负责将边缘部分的数据包快速、准确地转发到目的地。
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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。
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通信子网 (Communication Subnet)
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构成：传输介质、通信设备、相应的网络协议。
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功能：使得网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。
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解析：它的主要任务是"搬运数据"，对应OSI模型中的下三层（物理层、数据链路层、网络层）。
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资源子网 (Resource Subnet)
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构成：实现资源共享功能以及软件的集合。
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功能：向网络用户提供共享其他计算机硬件、软件和数据的服务。
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解析 ：它的主要任务是"处理数据"和提供应用，对应OSI模型中的高层（处理业务逻辑）。
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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。
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工作流程：
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建立连接 ：在通话前，必须建立一条专用的物理通路（拨号过程）。
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通话（通信） ：通信期间，双方独占这条线路，无论是否在说话，资源都一直被占用，其他人无法插入。
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释放连接：挂断电话，释放资源。
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优点：
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一旦连接建立，数据直达，传输速率高，时延小。
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数据按序到达，不会乱序。
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缺点：
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效率低：如果两个人打电话时长时间沉默，线路依然被占用，浪费资源（计算机数据往往是突发式的，不适合这种独占模式）。
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建立连接慢：需要额外的建立/释放连接时间。
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灵活性差 ：如果中间线路坏了，通话直接中断。
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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。
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工作机制 ：存储转发 (Store and Forward)。
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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）。
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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。
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优点：
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无需建立连接：随时可以发送。
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线路利用率高：通信线路不是独占的，分段复用。
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缺点：
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对中间设备要求高：报文长短不一，中间节点需要很大的缓存空间（内存/硬盘）来存整个报文。
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转发时延大：必须等整个报文全部收齐了才能往下发。
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容错率低 ：如果报文在传输中出现 1 个比特的错误，整个大报文都要重传。
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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。
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工作机制 ：化整为零 + 存储转发。
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将一个大报文切分成一个个小的、固定长度的"分组" (Packet)。
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每个分组都加上头部信息（源地址、目的地址等），独立传输。
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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。
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优点：
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高效：利用流水线技术，传输速度快。
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灵活：每个分组可以走不同的路径到达终点。
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可靠：如果某个小分组出错了，只需要重传那个小分组，不需要重传整个文件。
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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）。
- 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。
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广域网 (WAN - Wide Area Network)
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范围：几十到几千公里，跨国、跨洲。
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地位：因特网的核心部分。
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关键技术 ：交换技术 (Switching)。
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特点：连接广域网的各节点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。
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城域网 (MAN - Metropolitan Area Network)
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范围：5~50km，覆盖一个城市或跨越几个街区。
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关键技术 ：多采用以太网技术。
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局域网 (LAN - Local Area Network)
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范围：几十米到几千米，覆盖范围小（如一个校园、一栋楼）。
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关键技术 ：广播技术 (Broadcasting)。
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特点：微机或工作站通过高速线路相连，对计算机配置数量没有太多限制。
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个人区域网 (PAN - Personal Area Network)
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范围：直径约 10m，个人工作区域（如连接蓝牙耳机、鼠标）。
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别名：无线个人区域网 (WPAN)。
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🎓 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"。
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广播式网络 (Broadcast Network)
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原理 ：所有联网计算机共享一个公共通信信道。一台计算机发送报文分组，所有其他计算机都能"听"到，但只有目的地址匹配的计算机才接收。
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应用场景 ：局域网 (LAN)、广域网中的无线/卫星通信网络。
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注意：因为是共享信道，容易"撞车"，所以需要解决冲突（如 CSMA/CD 协议）。
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点对点网络 (Point-to-Point Network)
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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。
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应用场景 ：广域网 (WAN) 的有线部分。
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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"。
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总线型 (Bus)
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特点：所有设备挂在一根主干线上（广播式）。
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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。
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星型 (Star)
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特点：有一个中心节点（如集线器/交换机）。
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优缺点 ：便于管理；但中心节点是瓶颈，中心坏了全网瘫痪。
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环型 (Ring)
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特点：首尾相接，数据单向流动（令牌环网）。
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优缺点：不仅包括物理上的环，逻辑上也是环。
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网状型 (Mesh)
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特点：节点之间有多条路径相连。
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优缺点 ：可靠性高（一条路断了走另一条）；但结构复杂，成本高。
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应用 ：广域网 (WAN) 常采用这种结构，保证核心网络的稳定性。
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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。
1. 速率 (Speed / Data Rate)
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定义：数据传输的速率，也叫"比特率"。
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单位：bit/s (bps), kb/s, Mb/s, Gb/s。
-
⚠️ 考研高频坑点 (单位换算)：
| 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 1 1 |
| 千比特/秒 | kilobits per second | kb/s | 1 kb/s = 1000 bit/s 1 \text{ kb/s} = 1000 \text{ bit/s} 1 kb/s=1000 bit/s | 10 3 = 1 , 000 10^3 = 1,000 103=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} 1 Mb/s=1000 kb/s | 10 6 = 1 , 000 , 000 10^6 = 1,000,000 106=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} 1 Gb/s=1000 Mb/s | 10 9 = 1 , 000 , 000 , 000 10^9 = 1,000,000,000 109=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} 1 Tb/s=1000 Gb/s | 10 12 = 1 , 000 , 000 , 000 , 000 10^{12} = 1,000,000,000,000 1012=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)
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原意：信号具有的频带宽度，单位是赫兹 (Hz)。
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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"）。
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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。
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关系：吞吐量 ≤ 带宽。
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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。 |
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⚠️ 考研高频坑点：
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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）。
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题目如果没给排队和处理时延，通常忽略不计。
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5. 往返时间 (RTT - Round-Trip Time)
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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。
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构成：RTT≈2×传播时延+末端处理时间。
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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)
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公式：时延带宽积 = 传播时延×带宽。
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物理意义：
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表示链路中充满了多少比特的数据。
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被称为"以比特为单位的链路长度"。
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例子：这就好比水管里正在流动的水的总量（管长 × 截面积）。
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7. 利用率 (Utilization)
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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）。
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网络利用率：全网络信道利用率的加权平均。
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利用率与时延的关系 (关键图表)：
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公式：D=1−UD0 （D是当前时延，D0是空闲时延，U是利用率）。
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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。
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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=10^3 k=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 s μs | • 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 U U 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 D D为当前时延， D 0 D_0 D0为空闲时延)。 |