1. 计算机网络的功能
1.1 计算机网络的定义
计算机网络是指将地理位置不同、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
定义中的三个关键词：独立功能 、通信线路与设备 、协议。
1.2 计算机网络的功能
| 功能 | 要点 |
|---|---|
| 数据通信 | 最基本的功能，实现主机与终端、主机与主机之间的数据传输 |
| 资源共享 | 硬件资源、软件资源、数据资源 |
| 分布式处理 | 任务分解后由多台计算机协同处理 |
| 提高可靠性 | 计算机互为备份，单点故障可由其他主机替代 |
| 负载均衡 | 任务均衡分配到各主机，避免单点过载 |
2. 三种交换方式
2.1 为什么需要交换
n 台计算机两两直连需要 n×(n-1)/2 条链路，规模增大后不可行。引入交换设备，主机接入交换节点，由交换节点转发数据。
按数据转发方式分为电路交换 、报文交换 、分组交换三种。
2.2 电路交换
三个阶段：建立连接 → 数据传输 → 释放连接。
- 通信前必须建立连接，通信过程中独占端到端资源；
- 传输时延小、时延抖动小，数据不乱序；
- 信道利用率低，建立连接耗时较长；
- 典型应用：传统电话网。
2.3 报文交换
以整个报文 为单位，采用存储转发：节点先完整接收报文并暂存，再按目的地址选择下一跳转发。
- 无需建立连接；
- 报文需完整接收后才能转发，时延较大；
- 对节点缓存容量要求高；
- 链路可被多个报文分时共享，信道利用率较高。
2.4 分组交换
同样采用存储转发，但把长报文划分为若干带首部的分组，各分组独立选路、独立转发。
- 无需建立连接，采用存储转发；
- 分组较短，流水线式转发，时延明显小于报文交换；
- 每个分组附加首部，带来额外开销；
- 分组可能乱序到达，需端系统重新排序；
- 典型应用：Internet。
2.5 三种交换方式对比
| 对比项 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 建立连接 | 需要 | 不需要 | 不需要 |
| 数据单位 | 比特流 | 整个报文 | 分组 |
| 存储转发 | 否 | 是 | 是 |
| 传输时延 | 小 | 大 | 较小 |
| 信道利用率 | 低 | 较高 | 高 |
| 灵活性 | 差 | 好 | 好 |
| 首部开销 | 无 | 有（报文头） | 有（每分组首部） |
3. 性能分析
3.1三种交换方式性能对比
| 对比项 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 总时延 | 建立时延 + 传输时延 | k 倍单跳发送时延 | 流水线，接近单跳发送时延 |
| 时延抖动 | 小 | 大 | 中等 |
| 信道利用率 | 低 | 较高 | 高 |
| 缓存要求 | 无 | 高（整报文） | 较低（单分组） |
| 适用场景 | 实时语音、长时大批量数据 | 短报文、突发性数据 | 突发性数据、Internet |
3.2结论
- 连续、实时、大流量且通信时间远大于建立时间 → 电路交换；
- 突发性强、可靠性要求高 → 分组交换；
- 报文交换介于两者之间，实际网络中较少单独使用。
4. 计算机网络的分类
计算机网络可按不同角度分类，考研主要掌握以下常见分类：
（1）按覆盖范围分类
这是考研最常考的角度，按网络覆盖的地理范围从小到大可分为：
- 个域网 PAN：覆盖范围约几米内，用于个人设备之间互连，例如手机与耳机之间的蓝牙连接；
- 局域网 LAN：覆盖范围约几十米到几公里，常用于校园、公司等内部网络，速率高、时延低；
- 城域网 MAN：覆盖一个城市范围，可将多个局域网连接起来；
- 广域网 WAN：覆盖范围最广，跨越城市、国家甚至全球，如 Internet。
（2）按传输技术分类
- 广播式网络：所有主机共享同一条信道，任一台主机发出的数据可被同一网络中的其他主机接收，如传统以太网、无线局域网；
- 点对点式网络：每两台主机之间使用独立链路转发，数据沿中间节点逐跳传输，如广域网中的点对点链接方式。
（3）按拓扑结构分类
- 星型：所有主机都连接到同一个中心节点，中心节点故障会影响全网，如以太网；
- 总线型：所有主机共享一条总线，结构简单，但总线故障会导致全网瘫痪；
- 环型：主机首尾相接成环，数据沿环逐站传递，如令牌环网络；
- 树型：星型结构的分层扩展，呈树状层次，便于扩展和管理；
- 网状：节点之间有多条连接，可靠性高、容错性强，常用于广域网核心部分。
（4）按使用范围分类
- 公用网：面向社会公众开放，由电信运营商等建设、运营，如公共电话网、移动互联网；
- 专用网：仅供特定组织内部使用，如军用网络、企业内部网。
5. 分层模型
计算机网络涉及硬件、信号、协议、应用等多个层面，采用分层思想，每层只解决某一类问题。
5.1 OSI 七层模型
自下而上：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
5.2 TCP/IP 四层模型
网络接口层、网际层、传输层、应用层。
5.3 五层模型（教学常用）
物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
5.4 三种模型对照
| 五层模型 | OSI 七层模型 | TCP/IP 四层模型 |
|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 / 表示层 / 会话层 | 应用层 |
| 传输层 | 传输层 | 传输层 |
| 网络层 | 网络层 | 网际层 |
| 数据链路层 | 数据链路层 | 网络接口层 |
| 物理层 | 物理层 | 网络接口层 |
6. 性能指标
计算机网络性能指标用于量化网络运行质量，考研主要掌握以下概念：
| 性能指标 | 含义 | 单位/要点 |
|---|---|---|
| 速率 | 单位时间内传输的比特数 | bit/s，常见单位有 Kbps、Mbps、Gbps |
| 带宽 | 通信信道允许通过的最高数据传输率 | bit/s，表示信道本身的最大传输能力 |
| 吞吐量 | 单位时间内实际通过网络的比特数 | bit/s，反映网络实际传输能力，通常小于等于带宽 |
| 发送时延 | 主机或节点将分组所有比特发送到链路上的时间 | 发送时延 = 分组长度 / 发送速率 |
| 传播时延 | 电磁波在信道中传播一定距离所需时间 | 传播时延 = 信道长度 / 传播速率 |
| 处理时延 | 节点对分组首部进行分析、查表、差错检验等所需时间 | 一般较小，取决于节点处理能力 |
| 排队时延 | 分组在路由器缓存队列中等待转发的时间 | 网络拥塞时明显增大 |
| 总时延 | 数据从发送到接收所经历的总时间 | 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 |
| 往返时延 RTT | 分组从发送端发出到接收端再到发送端确认返回的总时间 | RTT = 单程时延 × 2，常用于 TCP |
| 信道利用率 | 信道实际传输比特的时间占总时间的比例 | 利用率越高，时延越大；通常追求"较高但不是 100%" |
| 丢包率 | 传输过程中丢失分组占发送分组总数的比例 | 网络拥塞时丢包率上升 |
重点区分：
- 速率与带宽：速率强调实际传输快慢，带宽强调信道的最大容量。
- 发送时延与传播时延：发送时延由数据长度和发送速率决定，与距离无关；传播时延由距离和传播速率决定，与数据长度无关。
- 信道利用率与时延：信道利用率越高，分组排队等待时间通常越长，因此网络设计通常不会让利用率长期接近 100%。