文章目录
- 前言
- [一、 计算机网络的应用与形态](#一、 计算机网络的应用与形态)
-
- [1.1、 计算机网络的应用](#1.1、 计算机网络的应用)
- 1.2、计算机网络的形态
- 二、因特网简介
- 三、电路交换、报文交换与分组交换
- 四、计算机网络的定义与分类
- 五、计算机网络的性能指标
- 六、计算机网络体系结构
前言
本文旨在提供对计算机网络的初步介绍与基本认识。。
一、 计算机网络的应用与形态
1.1、 计算机网络的应用
计算机网络应用形态千变万化，底层逻辑永远围绕"连通性"与"资源共享"展开。本质上都可以归纳为以下六类：
①信息浏览和发布：万维网、搜索引擎（谷歌、百度）、博客/微博。
②通信和交流：电子邮件、网络电话、即时通信（QQ、微信、Meta、Twitter）。
③休闲和娱乐：网络电视、视频网站（Bilibili、YouTube）、互动网络游戏。
④资源共享：远程文件共享、P2P文件共享、云计算。
⑤电子商务：网上购物、网上购票、网上转账。
⑥远程协作：远程教育、远程医疗、网上办公（电子政务、校园系统）。
1.2、计算机网络的形态
基础定义：从网络到因特网
网络：若干节点和链路互连形成网络。
互连网（互联网）：若干网络通过路由器互连形成互连网。
因特网：当今世界上最大的互连网。
核心组成：网络的物理部件
网络本质上是一个由节点和链路构成的互联系统。
① 节点：各类硬件设备。不仅包含电脑、服务器、手机、家电、传感器等终端设备，还包含负责转发数据的路由器和交换机。
② 链路：连接相邻节点的物理线路（如网线、光纤、Wi-Fi 等）。
③ 中间网络：由大量中间节点（路由器、交换机）和链路交织而成的转发系统，负责将数据从源节点一站一站地送达目的节点。
核心辨析：internet 与 Internet
internet（小写，通用名词）：泛指互连网（互联网），指任何由多个网络互连而成的网络，可使用任意通信协议。
Internet（大写，专用名词）：特指因特网，即当今全球最大的特定网络，统一使用 TCP/IP 协议族。
注：日常用语中我们常不严格区分两者。
拓扑结构：边缘部分与核心部分
边缘部分：所有接入网络的设备（电脑、手机、家电、传感器等），是数据的来源和归宿。
核心部分：由大量路由器和链路交织构成的转发系统，负责为边缘提供连通性和数据交换。
演进形态：物联网（IoT，Internet of Things）
连入网络的设备不再局限于传统计算机，而是扩展到了各类物理终端。物联网的本质，就是让更多形态各异的设备成为因特网的"边缘部分"，接入这张大网。
二、因特网简介
发展的三个阶段
①1969年：从 ARPANET（高级研究计划局网络）起步
1969年：第一个分组交换网 ARPANET 诞生。
70年代中期：开始研究多种网络的互连技术。
1983年：TCP/IP 协议成为 ARPANET 的标准协议，这被视为因特网诞生时间。
②1985年：三级结构的因特网
1985年：NSFNET（国家科学基金会网络）建成，作为主干网，与地区网、校园网共同构成了因特网早期的三级结构（地区网由各州/地区建设，接入 NSFNET；校园网由各大学建设，接入地区网）。
1990年：ARPANET 任务完成，正式关闭。
1991年：因特网初步商业化，开始收费。
③1993年：多层次 ISP 结构的因特网
1993年：NSFNET 退役，因特网主干网改由各种 ISP（因特网服务提供者） 建设和运营。
1994年：WWW 技术推动因特网迅速发展；同年，中国正式接入因特网。
1995年：NSFNET 停止运作，因特网彻底商业化，演变为多层级 ISP 互连构成的全球网络。
注意：ARPANET 是因特网的雏形，NSFNET 是因特网在发展过程中形成的早期主干网。因特网并非从一开始就叫这个名字，而是从 ARPANET 起步，在 NSFNET 阶段逐步演变形成的。
核心角色：ISP（因特网服务提供者）
ISP（Internet Service Provider）：因特网服务提供者（如中国电信、中国移动、中国联通）。
用户通过 ISP 接入因特网，ISP 拥有从主干网到国际出口的通信线路。
因特网已发展成为基于 ISP 的多层次结构互连网络：分为第一层 ISP（国际级）、第二层 ISP（区域或国家级）、第三层 ISP（本地级），以及校园网、企业网等。
因特网的标准化工作
标准化即"制定统一的通信协议"，确保不同厂商的设备能够互相通信。因特网的标准化工作面向公众开放，任何人都可以参与讨论。
标准的形成流程：
① 因特网草案（尚未成为 RFC 文档） → ② 建议标准（正式成为 RFC 文档） → ③ 草案标准（可能被取消） → ④ 因特网标准。
注：RFC（Request For Comments）意为"请求评论"，是因特网标准草案的公开文档形式，任何人都可以免费下载并发表意见。
因特网的管理机构
ISOC（因特网协会）：全面管理。
IAB（因特网体系结构委员会）：管理相关协议的开发。
IETF（因特网工程部）：研究中短期工程问题，针对协议的开发和标准化。
IRTF（因特网研究部）：理论方面的研究，开发一些需要长期考虑的问题。
三、电路交换、报文交换与分组交换
网络的核心功能是数据交换，目前主要分为三种方式：
①电路交换（Circuit Switching）
典型代表：传统电话网。
核心流程：建立连接 → 通话 → 释放连接。
建立连接：在通信双方之间建立一条独占的物理通路（分配通信资源）；通话：通信过程中，双方一直占用这条物理通路；释放连接：通信结束后，归还通信资源。
优点：传输时延小，适合连续传送大量数据（如实时语音）。
缺点：线路利用率极低（计算机数据是"突发式"的，空闲时间远大于传输时间），且建立连接耗时。
②报文交换（Message Switching）
核心逻辑：存储转发。报文被整个发送，交换节点将整个报文接收完成后，才能查找转发表并转发到下一个节点。
优点：无需建立连接，线路利用率高。
缺点：对交换节点的缓存要求大，转发时延非常长。
③分组交换（Packet Switching）
核心逻辑：存储转发 + 分组。将整个报文拆分成若干个更小的分组（Packet），每个分组携带首部（包含地址等控制信息），独立选择路由进行转发。
核心工作流程：发送方：构造分组，发送分组；交换节点：缓存分组，转发分组；接收方：接收分组，还原报文。
优点：线路利用率高；网络生存性好（可独立选路）；时延较小；有利于差错控制。
缺点：分组首部带来额外开销；存储转发会造成时延；网络拥塞时可能失序或丢包。
三种交换方式对比
| 对比维度 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 连接建立 | 需要（独占资源） | 不需要 | 不需要 |
| 传输单位 | 连续比特流（直通） | 整个报文（存储转发） | 分组 Packet（存储转发） |
| 线路利用率 | 低 | 高 | 高 |
| 传输时延 | 小 | 大 | 较小 |
计算机数据是"突发式"的。电路交换（直通）资源浪费严重；报文交换（整包转发）时延太大；分组交换通过"化整为零"和"存储转发"，兼顾了高线路利用率和低时延，成为了因特网最核心的底层交换技术。
四、计算机网络的定义与分类
计算机网络的定义
早期最简单的定义：一些互连的、自治的计算机集合。
互连：计算机之间通过链路连接，可以交换信息。
自治：每台计算机拥有独立的处理能力，没有主从关系（互不控制）。
现阶段较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（如只传数据），而是能够传送多种不同类型的数据，并支持广泛且日益增长的应用。
关键点：硬件不限于传统计算机，也包括智能手机、智能传感器、智能家电等（具备 CPU 即可编程）。
计算机网络的分类
可以从以下五个维度对网络进行分类：
① 按交换方式：
电路交换（传统电话网）
报文交换（早期电报）
分组交换（因特网，当前主流）
② 按使用者：
公用网：如因特网，向公众开放。
专用网：如军队、铁路、电力、银行系统内部网络，不对外部开放。
③ 按传输介质：
有线网络：使用双绞线、光纤等物理线缆。
无线网络：使用 Wi-Fi、4G/5G 等无线信号。
④ 按覆盖范围（从小到大）：
个域网（PAN，Personal Area Network）：约 10 米（如蓝牙）
局域网（LAN，Local Area Network）：约 1 千米（如校园网、家庭网络）
城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：5 ~ 50 千米（覆盖一个城市）
广域网（WAN，Wide Area Network）：几十到几千千米（跨城市、跨国家，如因特网核心骨干
⑤ 按拓扑结构：
总线型：所有设备挂在一根总线上。
星型：所有设备连到一个中心节点（如路由器），是当前最常见的结构。
环型：设备首尾相连成一个闭合的环。
网状型：节点之间有多条路径互连，可靠性高（如因特网核心）。
五、计算机网络的性能指标
网络性能由八个核心指标度量：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间（RTT）、利用率、丢包率。
①速率（Rate / Data Rate / Bit Rate）
定义：数据的传送速率，即每秒传送多少个比特。
单位：b/s（bit per second），常用 kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。
数据量单位（B、KB、MB）以 2的幂次 换算：1B = 8bit，1KB = 2¹⁰ B，1MB = 2²⁰ B。
速率单位（b/s、kb/s、Mb/s）以 10的幂次 换算：1kb/s = 10³ b/s，1Mb/s = 10⁶ b/s。
②带宽（Bandwidth）
模拟信号系统中的意义：某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围（单位：Hz）。
计算机网络中的意义：网络的通信线路所能传送数据的最高数据率（单位：b/s）。
两者联系：频带宽度越宽，所能传输数据的最高数据率也越高。
③吞吐量（Throughput）
定义：单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。
实际意义：用于对实际网络的测量，了解到底有多少数据量通过了网络。
与带宽的关系：吞吐量受网络带宽的限制，即 吞吐量 ≤ 网络带宽。
网络带宽（整条路径的理论最高速度）的计算公式：网络带宽 = min 主机接口速率, 线路带宽, 交换机或路由器的接口速率。
④时延（Delay / Latency）
定义：数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间。
时延由四部分组成：
发送时延 = 分组长度 (b) / 发送速率 (b/s)，发送速率 = min 主机接口速率, 线路带宽, 路由器接口速率。
传播时延 = 信道长度 (m) / 信号传播速率 (m/s)，信号传播速率：自由空间 3.0×10⁸ m/s，铜线 2.3×10⁸ m/s，光纤 2.0×10⁸ m/s。
排队时延：分组在路由器缓存中等待转发的时间（不方便计算）。
处理时延：路由器处理分组首部、查找转发表的时间（不方便计算）。
⑤时延带宽积
定义：传播时延与带宽的乘积。
公式：时延带宽积 = 传播时延 × 带宽。
物理意义：若发送端连续发送数据，当第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了"时延带宽积"个比特。
别名：链路的时延带宽积又称"以比特为单位的链路长度"，即链路中能容纳多少个比特。
⑥往返时间（RTT，Round-Trip Time）
定义：从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
本质：通信双方双向交互一次所耗费的时间。
⑦利用率
信道利用率：某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的链路利用率为零。
网络利用率：网络中所有链路的信道利用率的加权平均。
利用率与时延的关系（核心公式）：D = D₀ / (1 - U)。D₀：网络空闲时的时延；D：网络当前的时延；U：网络利用率。
结论：利用率越高，时延越大。当 U → 1 时，时延急剧增大。大型 ISP 通常会控制信道利用率不超过 50%，超过则扩容。
⑧丢包率
定义：一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
分组丢失的两种情况：①分组在传输过程中出现误码，被节点交换机或目的主机检测出误码而丢弃；②节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组（如网络拥塞时）。
丢包率与拥塞程度：无拥塞：0%；轻度拥塞：1%~ 4%；严重拥塞：5%~ 15%。
意义：丢包率可以反映网络的拥塞情况。
六、计算机网络体系结构
6.1、常见的三种计算机网络体系结构
①OSI 参考模型（法律标准）
全称：开放系统互连参考模型（Open Systems Interconnection）。
制定者：ISO（国际标准化组织）。
分层结构（七层，从下到上）：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层。
地位：法律上的标准，但实际应用中已失败。
②TCP/IP 参考模型（事实标准）
制定者：IETF（因特网工程部）。
分层结构（四层，从下到上）：网络接口层 → 网际层 → 运输层 → 应用层。
地位：事实上的标准，目前全球互联网都在使用。
③原理参考模型（教学用，五层）
来源：综合 OSI 和 TCP/IP 的优点。
分层结构（五层，从下到上）：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 应用层。
地位：适用于教学，是后续章节讲解的模型。
三种模型的对应关系
| OSI 七层 | TCP/IP 四层 | 原理五层 |
|---|---|---|
| 会话层、表示层、应用层 | 应用层 | 应用层 |
| 运输层 | 运输层 | 运输层 |
| 网络层 | 网际层 | 网络层 |
| 物理层、数据链路层 | 网络接口层 | 物理层、数据链路层 |
TCP/IP 的核心思想
Everything over IP：IP 协议可以为各种网络应用提供服务。
IP over everything：使用 IP 协议互连不同的网络接口（以太网、Wi-Fi 等）。
6.2、计算机网络体系结构分层的必要性
计算机网络是一个非常复杂的系统。分层可将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题，其核心思想是"高内聚，低耦合"：每一层只负责解决某一类问题，层与层之间通过接口交互，彼此独立。
各层解决的核心问题（从下到上）如下：
物理层
解决使用何种信号来表示比特 0 和 1 的问题。具体包括：
①采用什么传输媒体（介质）
②采用什么物理接口
③采用什么信号表示比特 0 和 1
数据链路层
解决数据包在一个网络或一段链路上传输的问题。具体包括：
①标识同一网络/链路内的目标主机（主机编址，例如 MAC 地址）
②从比特流中区分出地址和数据（数据封装格式）
③协调各主机争用总线（媒体接入控制）
④以太网交换机的实现（自学习和转发帧）
⑤检测数据是否误码（差错检测）
⑥出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）
⑦接收方控制发送方注入网络的数据量（流量控制）
网络层
解决数据包在多个网络之间传输和路由的问题。具体包括：
①标识数据包所在的目标网络及目标主机（网络和主机共同编址，例如 IP 地址）
②路由器转发分组的实现
③路由选择
运输层
解决进程之间基于网络的通信问题。具体包括：
①进程之间基于网络的通信（进程的标识，例如端口号）
②出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）
应用层
解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题。具体包括：
①通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用
②进行会话管理和数据表示
6.3、计算机网络体系结构分层思想举例
场景设定
发送过程：逐层封装（从应用层到物理层）
以浏览器向服务器发送 HTTP 请求为例：
应用层：浏览器进程构造 HTTP 请求报文，请求 Web 服务器执行相应操作。
运输层：为 HTTP 报文添加 TCP 首部，形成 TCP 报文段。TCP 首部用于区分应用进程，并实现可靠传输。
网络层：为 TCP 报文段添加 IP 首部，形成 IP 数据报。IP 首部用于 IP 寻址和路由。
数据链路层：为 IP 数据报添加 帧首部和帧尾部，形成 以太网帧。帧首部包含 MAC 地址，用于在局域网内找到目标主机；帧尾部用于帧校验。
物理层：将帧转换为 比特流（如 011010110...01100100），并添加前导码，最终转换成电信号发送到传输介质上。
中间过程：路由器的处理
路由器收到数据后，只解封装到网络层（即拆到 IP 数据报这一层）。
路由器根据 IP 数据报首部中的目的 IP 地址查表转发该 IP 数据报。
路由器不处理运输层和应用层的内容。
接收过程：逐层解封装（从物理层到应用层）
物理层：接收比特流，还原成帧。
数据链路层：检查帧首部中的 MAC 地址，确认是发给自己的，去掉帧首部和帧尾部，取出 IP 数据报。
网络层：检查 IP 首部，确认是发给自己的，去掉 IP 首部，取出 TCP 报文段。
运输层：检查 TCP 首部，确认是发给哪个进程的，去掉 TCP 首部，取出 HTTP 请求报文。
应用层：Web 服务器进程收到 HTTP 请求报文，执行相应操作，并构造 HTTP 响应报文（包含浏览器所请求的内容）返回给浏览器。
关键概念：封装与解封装
封装：发送方每经过一层，就加上该层的首部（物理层除外，物理层加前导码）。
解封装：接收方每经过一层，就去掉该层的首部。
6.4、计算机网络体系结构中的专用术语
实体（Entity）
定义：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体：通信双方相同层次中的实体。
例如：主机 A 的应用层与服务器 B 的应用层，互为对等实体。
协议（Protocol）
定义：控制两个对等实体在水平方向进行逻辑通信的规则的集合。
协议的三要素：
语法：定义所交换信息的格式。
语义：定义通信双方所要完成的操作。
同步：定义通信双方的时序关系。
服务（Service）
定义：在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑通信，使得本层能够向上一层提供服务。
关系：要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
方向：协议是"水平"的，服务是"垂直"的。
透明性：实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是"透明"的。
服务访问点（SAP）
定义：同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
举例：帧的"类型"字段，IP 数据报的"协议"字段，TCP 报文段或 UDP 用户数据报的"端口号"字段都是SAP。
服务原语
定义：上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
协议数据单元（PDU）与服务数据单元（SDU）
PDU（Protocol Data Unit）：对等层次之间传送的数据包。
应用层：应用报文（message）
运输层：TCP 报文段（segment）或 UDP 用户数据报（datagram）
网络层：IP 数据报或分组（packet）
数据链路层：帧（frame）
物理层：比特流（bit stream）
SDU（Service Data Unit）：同一系统内层与层之间交换的数据包。
SDU 是上层交给下层的原始数据，是"服务"的内容。本层收到 SDU 后，加上本层的首部，就形成了本层的 PDU。