【计算机网络】计算机网络基础知识——万字详解！！！-USB迷|专注于互联网分享

计算机网络基础知识

一、计算机网络的基本概念
- 1.1 计算机网络的诞生
- 1.2 计算机网络的定义
- 1.3 因特网的引入
二、计算机网络的功能
- 2.1 数据通信
- 2.2 资源共享
- 2.3 分布式处理
- 2.4 提高可靠性
- 2.5 负载均衡
三、计算机网络的组成
- 3.1 组成部分
- 3.2 工作方式
四、计算机网络的分类
- 4.1 按覆盖范围分类
- 4.2 按使用者分类
- 4.3 按交换技术分类
- 4.4 按拓扑结构分类
- 4.5 按传输技术分类
五、计算机网络的性能指标
- 5.1 速率
- 5.2 带宽
- 5.3 吞吐量
- 5.4 时延
- 5.5 时延带宽积
- 5.6 往返时间（RTT）
- 5.7 利用率
- 5.8 丢包率
六、分层结构与协议
- 6.1 分层的意义
- 6.2 OSI参考模型（7层模型）
- 6.3 TCP/IP模型（4层模型）
- 6.4 OSI模型与TCP/IP模型对比
七、计算机网络结构
- 7.1 网络边缘
- 7.2 接入网络
- 7.3 网络核心
八、数据交换技术
- 8.1 电路交换
- 8.2 报文交换
- 8.3 分组交换
- 8.4 技术对比总结

一、计算机网络的基本概念

1.1 计算机网络的诞生

计算机网络的发展历程大致可以分为以下几个阶段：

起步阶段（20世纪50-60年代）
- 背景：最初，计算机的主要目的是处理和存储数据，网络的概念尚未成型。早期计算机是独立的、封闭的系统，依靠磁带等物理介质传递数据。
- 关键事件：
  - 1950年代，香农的《信息论》奠定了数据通信的理论基础。
  - 1960年代，美国国防部为了在冷战期间构建可靠的通信网络，资助ARPAnet的研发。这是现代计算机网络的雏形。
- ARPAnet的突破：
  - ARPAnet的核心技术是分组交换，解决了传统电路交换无法应对突发数据流量的问题。
  - 1969年，ARPAnet成功连接了4个节点，标志着第一代计算机网络的诞生。
发展阶段（20世纪70-80年代）
- 协议标准化：TCP/IP协议的开发和普及解决了异构网络互联的问题。
- 局域网的出现：以太网（Ethernet）成为局域网的核心技术，支持多台计算机在同一网络中通信。
- 互联网的萌芽：1983年，ARPAnet正式采用TCP/IP协议，并逐渐发展成今天的互联网。
普及阶段（20世纪90年代至今）
- 万维网的诞生：1991年，Tim Berners-Lee开发了万维网（WWW），使得普通用户能够通过浏览器访问信息。
- 互联网服务的爆发：电子邮件、搜索引擎、社交媒体和流媒体服务迅速崛起，极大地推动了互联网的普及。
未来趋势：
- 5G和6G技术：提供更快的速度和更低的延迟。
- 物联网（IoT）：将各种设备和传感器通过网络互联，形成“万物互联”的生态。
- 量子通信和人工智能：探索更安全、更高效的通信技术。

1.2 计算机网络的定义

现代计算机网络不仅限于传统的计算机之间的连接，还包括智能手机、服务器、物联网设备等多种终端。具体定义可以从以下几个维度进行理解：

互联性：
- 计算机网络是通过物理或无线通信链路将分布式计算机系统连接起来。
- 常见的连接方式包括以太网（有线）、WiFi（无线）和移动网络（4G/5G）。
自治性：
- 每个节点（如计算机、服务器、路由器）都是独立的，能够自主运行和控制。
- 自治性使得网络系统具备更高的灵活性和容错能力。
核心功能：
- 资源共享：硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如数据库系统）、数据资源（如文件、文档）。
- 信息传递：支持远程通信，如电子邮件、即时消息和视频通话。
- 负载均衡：通过动态调整资源分配优化性能。

1.3 因特网的引入

因特网是计算机网络最重要的应用，也是全球最大的计算机网络。它通过TCP/IP协议将各类网络互联，形成了一个跨越全球的信息网络体系。

因特网的结构：
- 因特网由多个网络组成，这些网络可以分为：
  - 主干网：高速通信网络，连接各大洲和国家的骨干节点。
  - 区域网：国家或地区范围内的网络。
  - 本地网：如企业内网或家庭网络。
- 各级网络通过路由器互联，形成层次化结构。
因特网服务提供商（ISP）：
- ISP是因特网接入服务的提供者，用户通过ISP连接到因特网。
- ISP分为不同层级：
  - 一级ISP：直接管理主干网，如AT&T、Level 3。
  - 二级ISP：通过一级ISP获取接入服务，面向区域用户。
  - 三级ISP：通过二级ISP为本地用户提供接入服务，如小型宽带公司。
因特网的特点：
- 开放性：任何设备只要符合协议，都可以接入因特网。
- 扩展性：随着设备数量增加，可以不断扩展地址空间（如IPv6）。
- 多样性：支持不同类型的服务和设备，包括PC、手机、智能家居设备。
因特网的典型服务：
- Web服务：通过HTTP协议实现信息访问。
- 电子邮件：基于SMTP协议传递邮件。
- 流媒体：通过RTP/RTSP协议传输音视频数据。
- 社交网络：利用实时通信协议提供互动功能。

二、计算机网络的功能

计算机网络通过技术和协议的协作，提供了以下核心功能，为现代信息社会的运转提供了支柱支持：

2.1 数据通信

概念：数据通信是计算机网络最基础的功能，通过网络将文本、图像、音频、视频等多种数据从一个节点传输到另一个节点。数据通信的快速和可靠性是网络得以普及的重要原因。

主要应用场景：

电子邮件（E-mail）：
- 通过SMTP、POP3、IMAP等协议，发送和接收文本、附件、图片等。
- 典型工具：Outlook、Gmail。
即时通信（IM, Instant Messaging）：
- 实现用户间的实时文本、语音和视频通信。
- 常见软件：微信、QQ、WhatsApp。
文件传输（File Transfer）：
- 基于FTP协议，支持文件的上传、下载和管理。
- 应用场景：团队协作文件共享、跨区域数据同步。
视频会议和流媒体：
- 通过实时传输协议（RTP/RTSP）和内容分发网络（CDN）技术，支持高清视频会议和流媒体播放。
- 应用场景：Zoom、Teams、Netflix、YouTube等。
远程控制：
- 利用网络实现对远程设备的操作，例如通过SSH、RDP连接远程服务器或PC。

2.2 资源共享

资源共享是计算机网络的核心优势之一，它显著提高了硬件、软件和数据资源的利用率，降低了成本。

2.2.1 硬件资源共享：

外设共享：
- 通过局域网多用户共享打印机、扫描仪等外设。
- 示例：公司内的网络打印机。
存储资源共享：
- 使用NAS（网络附加存储）或SAN（存储区域网络）技术，为多个用户提供集中存储和访问。
- 示例：云存储服务如Google Drive、OneDrive。

2.2.2 软件资源共享：

共享大型软件系统：
- 使用SaaS（Software as a Service）模式，通过浏览器访问软件资源。
- 示例：在线办公（如Google Docs）、企业ERP系统（如SAP）。
分布式应用：
- 用户分布在不同地点，共同使用和操作同一应用程序。
- 示例：企业级数据库共享（如MySQL集群）。

2.2.3 信息资源共享：

信息检索：
- 通过网络访问全球的信息资源，例如使用搜索引擎（如Google、Bing）查找内容。
文档协作：
- 基于网络进行团队文档的编辑、评论和版本管理。
- 示例：Notion、Confluence。

2.3 分布式处理

概念：分布式处理是一种通过计算机网络将任务分配到多个节点并行处理的技术。通过协调和资源共享，分布式处理能够显著提高效率和可靠性。

主要特点：

任务分解：将大任务分解为多个小任务，由不同节点并行处理。
结果整合：各节点将计算结果传回服务器，由服务器统一整合。

应用场景：

大数据分析：
- 使用Hadoop、Spark等工具，在集群环境中并行处理PB级数据。
云计算：
- 利用云平台的弹性资源完成复杂计算任务，如机器学习模型训练。
- 示例：AWS Lambda、Google Cloud。
分布式数据库：
- 将数据分布存储在多个节点，以实现高性能和高可用性。
- 示例：Cassandra、MongoDB。

2.4 提高可靠性

概念：网络通过冗余设计和故障转移机制，提高系统的可靠性，使其能够在硬件、软件或链路出现故障时维持正常运行。

主要技术手段：

冗余设计：
- 链路冗余：提供多条通信路径，某路径故障时自动切换到备用路径。
- 硬件冗余：部署备用服务器、存储设备。
- 数据冗余：利用RAID技术，存储多副本。
故障转移：
- 主节点出现故障时，从节点自动接管任务。
- 示例：高可用集群（HA，High Availability Cluster）。
分布式存储：
- 将数据分散存储在多个节点中，当某个节点不可用时，可以从其他节点获取数据。
- 示例：分布式文件系统（HDFS）。

应用场景：

金融系统：保证交易数据的高可靠性和实时性。
电信网络：支持电话、短信、数据业务的高可用。
云服务：Amazon S3等服务提供99.999999999%的数据持久性。

2.5 负载均衡

概念：负载均衡是指通过分配计算或网络资源的方式，动态调整多个服务器或链路的工作负荷，从而提升整体性能和资源利用率。

主要技术手段：

DNS负载均衡：
- 通过域名系统（DNS）将用户请求分配到不同服务器。
- 示例：CDN技术通过DNS引导用户访问最接近的服务器节点。
硬件负载均衡器：
- 使用专用设备（如F5 BIG-IP）分发网络流量。
软件负载均衡器：
- 基于开源工具（如Nginx、HAProxy）实现流量分发。
动态资源调度：
- 根据实时监控动态调整节点负载，例如增加或减少服务器实例。

应用场景：

网站访问分发：
- 高流量网站（如淘宝、亚马逊）利用负载均衡分发用户请求。
CDN内容分发：
- 靠近用户的CDN节点缓存资源以减少访问延迟。
企业数据中心：
- 动态调整服务器资源以满足需求高峰。

三、计算机网络的组成

计算机网络由硬件、软件、和协议三部分组成，它们共同构成网络系统的基础设施，支持数据传输、资源共享和通信功能。

3.1 组成部分

1. 硬件

硬件是计算机网络的物理基础，用于实现设备之间的连接和数据传输。主要包括以下几个关键组件：

终端设备：
- 终端设备是网络的入口和出口设备，直接与用户交互。
- 例如：个人计算机（PC）、服务器、智能手机、平板电脑、打印机等。
- 功能：提供计算能力、存储能力，以及运行应用程序。
网络设备：
- 路由器：
  - 负责数据包的路由选择和转发，确保数据能够从源端到达目的端。
  - 功能：支持多种网络协议（如IP），实现不同网络之间的互联。
- 交换机：
  - 连接局域网（LAN）中的设备，基于MAC地址转发数据。
  - 功能：在网络中实现高效的数据交换。
- 集线器（Hub）：
  - 将多台设备通过一个共享介质连接在一起，但不具备智能转发功能。
  - 功能：广播数据包到所有端口，效率较低。
- 网卡（NIC，Network Interface Card）：
  - 每个设备与网络连接的接口。
  - 功能：在设备与物理网络之间完成数据的发送和接收。
通信链路：
- 有线通信链路：
  - 铜线（如双绞线、同轴电缆）：用于传统局域网连接。
  - 光纤：提供高速、大带宽的长距离传输。
- 无线通信链路：
  - WiFi：适用于短距离的高速无线连接。
  - 移动网络（如4G、5G）：适用于广域范围的无线接入。

2. 软件

软件在计算机网络中提供管理、控制和通信的功能，确保硬件可以有效协同工作。

网络操作系统（NOS，Network Operating System）：
- 功能：管理网络设备和资源，支持用户间的通信。
- 示例：Windows Server、Linux（CentOS、Ubuntu）、Cisco IOS。
- 特点：支持多用户、多任务、高可靠性。
应用软件：
- 网络浏览器：如Chrome、Firefox，用于访问网页。
- 文件共享软件：如Dropbox、百度网盘，用于文件存储和共享。
- 通信软件：如Slack、微信，用于即时消息传递。
协议栈实现：
- 网络协议栈是软件实现网络通信协议的核心组件。
- 示例：Linux中的TCP/IP协议栈，负责数据封装、传输和解封装。

3. 协议

协议是网络中通信双方必须遵循的规则和标准，定义了数据交换的方式和步骤。

协议的三要素：
- 语法：定义数据的格式和结构。
  - 例如：IP地址采用点分十进制表示。
- 语义：定义通信双方如何解释数据。
  - 例如：HTTP协议的GET请求表示获取资源。
- 时序：定义通信的顺序和时间控制。
  - 例如：TCP的三次握手过程。
常用协议：
- 传输层协议：
  - TCP：提供可靠、面向连接的数据传输。
  - UDP：提供快速、不可靠的数据传输，适合实时应用。
- 网络层协议：
  - IP：负责数据包的路由选择和转发。
  - ICMP：用于网络诊断（如ping命令）。
- 应用层协议：
  - HTTP/HTTPS：支持网页访问。
  - SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件传输。

3.2 工作方式

计算机网络的工作方式可以分为边缘部分和核心部分，两者共同协作实现网络功能。

1. 边缘部分

边缘部分是网络的用户交互区域，主要由主机或端系统组成，提供直接面向用户的服务。

组成：
- 包括各种终端设备，如个人计算机、智能手机、物联网设备。
- 通过接入网络连接到核心部分。
工作模式：
- C/S模式（Client/Server）：
  - 客户端请求服务（C），服务器提供服务（S）。
  - 优点：集中管理，便于维护。
  - 应用：网页浏览（HTTP）、文件共享（FTP）。
- P2P模式（Peer-to-Peer）：
  - 所有节点平等，既是客户端又是服务器。
  - 优点：去中心化，分布式资源管理。
  - 应用：文件共享（BitTorrent）、区块链（如比特币）。
功能：
- 数据生成与消费：用户通过设备产生和消费数据。
- 应用交互：运行Web浏览器、聊天工具等与网络交互的应用程序。

2. 核心部分

核心部分是整个网络的骨干区域，主要负责数据的路由、转发和传输。

组成：
- 核心网络设备：路由器、交换机、光纤通信链路。
- 高速骨干网络：连接多个区域网络的核心节点。
功能：
- 数据路由：
  - 根据目标地址选择最佳路径。
  - 使用路由协议（如OSPF、BGP）实现路由更新。
- 数据转发：
  - 接收到数据包后，通过查找路由表将其发送到下一跳。
- 流量优化：
  - 使用负载均衡器分配流量。
  - 使用QoS技术提高重要数据的传输优先级。
特点：
- 高速性：核心部分采用高速传输技术（如光纤通信）。
- 可靠性：通过冗余设计和动态路由协议确保网络稳定性。
- 跨区域性：核心部分连接多个局域网和广域网，实现全球范围内的数据交换。

四、计算机网络的分类

4.1 按覆盖范围分类

注意，现实生活中实际上是按照网络架设技术来区分网络类别的。

按网络的物理覆盖范围进行划分，可以分为以下几类：

1. 个人区域网（PAN, Personal Area Network）

特点：
- 覆盖范围：一般小于10米，通常用于个人设备之间的通信。
- 通信方式：多采用无线通信技术，如蓝牙、Zigbee、NFC。
- 典型应用：无线耳机与手机连接、智能手表与手机配对。
优点：
- 设备成本低，组网方便。
- 能耗低，适合移动设备。
缺点：
- 覆盖范围小，传输速度有限。
- 通信距离受障碍物影响较大。

2. 局域网（LAN, Local Area Network）

特点：
- 覆盖范围：数十米到几百米，如公司、学校、家庭内部网络。
- 通信方式：以太网（有线）、WiFi（无线）。
- 典型应用：企业内部网、家庭宽带。
优点：
- 数据传输速度快（目前千兆以太网、WiFi 6+）。
- 安全性高，易于管理。
- 可支持多种设备同时连接。
缺点：
- 受限于物理范围，无法覆盖更大的地理区域。
- 需要硬件设备如路由器和交换机。

3. 城域网（MAN, Metropolitan Area Network）

特点：
- 覆盖范围：数公里到几十公里，通常覆盖城市范围。
- 通信方式：光纤、无线微波。
- 典型应用：高校校园网、大型企业集团网络。
优点：
- 支持更大的地理覆盖范围，适合区域性网络需求。
- 数据传输速率高，稳定性强。
缺点：
- 网络建设成本较高。
- 管理复杂度增加。

4. 广域网（WAN, Wide Area Network）

特点：
- 覆盖范围：可跨越国家、甚至全球范围。
- 通信方式：卫星通信、光纤、海底电缆。
- 典型应用：因特网（Internet）、银行跨国网络。
优点：
- 无地理限制，覆盖范围极广。
- 适用于跨国企业和全球化服务。
缺点：
- 时延较高，尤其是跨洋通信。
- 依赖于复杂的路由技术和协议。

4.2 按使用者分类

按网络服务对象划分，可以分为以下两类：

1. 公用网

特点：
- 向公众开放，由电信服务商提供。
- 主要功能：电话通信、互联网接入。
- 示例：电信宽带、5G网络。
优点：
- 可供大量用户共享资源。
- 由专业团队维护，服务稳定性高。
缺点：
- 用户隐私保护面临挑战。
- 带宽共享可能导致高峰期性能下降。

2. 专用网

特点：
- 专为某个组织（如企业、政府、军队）设计和维护。
- 主要功能：企业内部数据传输、专线通信。
- 示例：企业VPN、军事专用网络。
优点：
- 高度安全，能满足特定用户需求。
- 性能可控，不受外部流量影响。
缺点：
- 组网和维护成本高。
- 灵活性差，无法像公用网一样动态扩展。

4.3 按交换技术分类

1. 电路交换

特点：
- 为通信双方建立专用物理连接（电路）。
- 数据传输过程中，整个链路专属于双方。
应用场景：
- 传统电话通信。
- 早期的点对点通信网络。
优点：
- 实时性强，传输延迟小。
- 适用于语音和视频通信。
缺点：
- 信道利用率低。
- 建立和释放电路耗时。

2. 报文交换

特点：
- 数据以完整报文形式传输，每个报文携带目标地址。
- 报文存储在交换节点后，逐跳转发。
应用场景：
- 早期的电报和文本传输。
- 文件传输中的离线模式。
优点：
- 信道利用率高。
- 无需实时建立连接。
缺点：
- 时延较大，尤其是在网络拥堵时。
- 需要较大的存储空间缓存报文。

3. 分组交换

特点：
- 数据被分割为多个小分组（包），每个分组独立传输。
- 分组到达目的地后重新组装为完整数据。
应用场景：
- 现代计算机网络的基础。
- 互联网、移动通信网络。
优点：
- 交换效率高，适应突发流量。
- 可靠性强，丢失的分组可以重传。
缺点：
- 需要额外的开销用于标记分组头部信息。
- 数据重组需要额外的计算。

4.4 按拓扑结构分类

总线型拓扑：
- 所有节点共享一条公共传输介质。
- 优点：简单、成本低。
- 缺点：冲突多，故障定位困难。
星型拓扑：
- 所有设备连接到一个中心节点（如交换机）。
- 优点：易于管理和扩展。
- 缺点：中心节点故障会导致全网瘫痪。
环型拓扑：
- 节点通过点对点链路连接成环。
- 优点：无冲突，易于避免数据包碰撞。
- 缺点：节点故障可能导致网络中断。
网状拓扑：
- 节点通过多条链路互联。
- 优点：高可靠性。
- 缺点：建设成本高，管理复杂。
树型拓扑：
- 多级分层结构，适合大型网络。
- 优点：易于扩展。
- 缺点：根节点故障会影响下级设备。
混合拓扑：
- 多种拓扑结构的组合。
- 优点：灵活，可适应不同规模和需求。
- 缺点：设计和维护复杂。

4.5 按传输技术分类

1. 广播式网络

特点：
- 所有节点共享同一通信信道，数据广播到网络中的所有节点。
- 示例：WiFi、以太网。
优点：
- 通信机制简单。
- 易于组网。
缺点：
- 数据冲突和干扰问题严重。
- 隐私和安全性较弱。

2. 点对点网络

特点：
- 节点之间通过专用链路直接连接。
- 示例：因特网、卫星通信。
优点：
- 数据传输效率高。
- 隐私和安全性较强。
缺点：
- 需要大量的链路和复杂的路由机制。
- 成本高。

五、计算机网络的性能指标

计算机网络的性能指标用来衡量网络的传输能力和效率，常用指标包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率和丢包率。这些指标从不同角度反映了网络性能的关键属性。

5.1 速率

定义：速率（Rate），又称比特率或数据率，是指主机在数字信道上传输比特的速率。它表示数据在单位时间内的传输量。

注：比特是计算机中的数据量单位，一个比特是一个1或一个0
1Byte（字节）=8bit（比特）字节的简写为B，比特简写为b

单位：

bit/s（b/s 或 bps）：表示每秒传输的比特数量。
常用单位转换：
- 1 Kbps = 10³ bps
- 1 Mbps = 10⁶ bps
- 1 Gbps = 10⁹ bps
- 注意：1 Byte（B） = 8 bits（b）

实际解释：

如果家用宽带标注为100 Mbps，这表示网络理论上每秒最多传输100百万比特。换算成字节为：100 Mbps ÷ 8 = 12.5 MB/s。

注：某某化工大学的校园网套餐为40M，实际上指的是40Mbps，网速测算的时候最高才5MB/s，所以是正常的，并不是商家虚假宣传。（狗头保命.jpg）

影响因素：

信号质量：如噪声、干扰。
设备能力：如路由器和网卡支持的最大速率。
网络协议开销：部分速率被用于协议数据的控制信息。

5.2 带宽

定义：带宽（Bandwidth）指网络信道传输数据的最大能力，是速率的理论上限。它表示信道在单位时间内所能通过的最大数据量，换句话说是在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

单位：

bps（与速率一致）

实际意义：

带宽决定了网络的潜在性能。例如，一个100 Mbps的以太网带宽在理想情况下可以支持100 Mbps的速率，网络传输速度其实要在带宽的基础上除以8即，100Mbps/8=12.5MB/s（当然这是完全理想状况，真实情况要以吞吐量计算）

注意点：

家庭宽带中提到的“带宽”常指下载速率。例如“100M光纤宽带”是指100 Mbps，而实际文件下载速率需除以8，即约12.5 MB/s。

理想与现实的区别：

带宽是理想情况下的理论值，而实际速率通常会低于带宽，受到网络负载、设备性能等影响。

5.3 吞吐量

定义：吞吐量（Throughput）是指单位时间内通过网络的实际数据量。它是对实际网络性能的一个真实反映。

单位：

与带宽相同，为 bps。

与带宽的关系：

吞吐量通常小于或等于带宽。
例如：一个支持100 Mbps带宽的网络，在实际使用中可能因拥塞、协议开销导致吞吐量仅为80 Mbps。

影响因素：

网络带宽：带宽决定了吞吐量的理论上限。
网络协议：如TCP/IP的流量控制、拥塞控制。
网络环境：网络拥塞、丢包会影响实际吞吐量。

5.4 时延

定义：

时延（Delay）是指数据从源端传输到目的端所需的时间。网络时延由多个部分组成：

发送时延（Transmission Delay）：
- 定义：主机将数据从自身传送到信道所需时间。
- 公式：发送时延 = 数据长度 ÷ 信道带宽
- 示例：传输10 MB的数据，带宽为100 Mbps，则发送时延为（10 × 8） ÷ 100 = 0.8 秒。
传播时延（Propagation Delay）：
- 定义：数据在信道上传播所需的时间，与物理距离和信号传播速度有关。
- 公式：传播时延 = 信道长度 ÷ 信号传播速度
- 示例：光纤中信号传播速度为2 × 10⁸ m/s，传输1000公里的距离，则传播时延为1000 ÷ （2 × 10⁸） = 0.005 秒。
排队时延（Queuing Delay）：
- 定义：数据在路由器或交换机队列中等待转发的时间。
- 影响因素：网络负载、队列长度。
- 示例：高峰期网络拥塞时，排队时延显著增加。
处理时延（Processing Delay）：
- 定义：路由器或交换机解析数据包并决定转发路径所需的时间。
- 通常为微秒级，影响较小。

网络总时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延

5.5 时延带宽积

定义：时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）是传播时延与带宽的乘积，表示在传播时延内链路上能容纳的比特总数。

公式：

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

意义：

时延带宽积可看作以比特为单位的链路长度。
若发送端连续发送数据，在第一个比特到达接收端时，发送端已发送了时延带宽积个比特。

举例：

假设带宽为10 Mbps，传播时延为0.1秒，则时延带宽积为10 × 10⁶ × 0.1 = 1,000,000比特，即125 KB。

5.6 往返时间（RTT）

定义：往返时间（Round Trip Time, RTT）是指从源主机发送数据到目标主机，再从目标主机返回确认的总时间。

公式：

RTT = 发送数据的时延 + 返回确认的时延

应用：

RTT是网络性能的重要指标，通常用于评价网络的响应速度。
示例：ping命令可以测量两台主机之间的RTT。

可以看出每次请求的时间（RTT），以及RTT时间的最短，最长以及平均值。

5.7 利用率

定义：利用率（Utilization）是网络资源的使用效率。

注意事项：

利用率并非越高越好，过高的信道利用率会导致网络拥塞和时延增加。
实际使用中，保持利用率在50%左右较为合理。

5.8 丢包率

定义：丢包率是指传输过程中丢失的数据包数量与总数据包数量的比率。

影响因素：

网络拥塞。
信号干扰。
设备故障。

实际上，路由器会根据自身拥塞控制方法，在输入缓存还未满的时候就主动丢弃分组，因此，丢包率反映了网络的拥塞情况。当网络的丢包率较高时，通常无法使网络应用正常工作。

影响：

丢包率高会导致数据重传，增加时延。
在线游戏、视频通话对低丢包率要求较高。

六、分层结构与协议

6.1 分层的意义

分层将网络功能划分为多个相对独立的部分，每一层专注于解决特定的问题，通过模块化设计，使得协议开发、测试和维护更简单。

2. 协议的独立性

每层协议的实现是独立的，上层协议只需调用下层提供的服务，而不关心其具体实现，这种设计提高了协议的灵活性和扩展性。

3. 标准化接口

层与层之间通过标准接口通信，使不同厂商设备可以互通。例如，网络层的IP协议与传输层的TCP协议可以无缝协作。

4. 易于维护和升级

分层结构允许单独升级某一层的协议而不影响其他层。例如，可以在不修改应用层协议的情况下，升级传输层的TCP协议。

5. 异构网络的互联

分层设计使不同类型的网络（如以太网、WiFi）通过标准协议实现互联。

6.2 OSI参考模型（7层模型）

OSI（Open Systems Interconnection）模型是ISO（国际标准化组织）提出的网络通信参考模型，将网络通信划分为7层，每层完成特定功能。

应表会传网数物

1. 物理层

功能：
- 定义硬件接口和物理介质。
- 负责比特流的透明传输，即将数据以电信号或光信号的形式在通信链路上传输。

常见技术：
- 光纤、双绞线、同轴电缆。
- 传输标准：RS-232、USB、IEEE 802.3（以太网）。
关键参数：
- 比特率、信号电压、电缆长度。

2. 数据链路层

功能：
- 提供可靠的数据传输，解决物理层的比特错误。
- 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路成/链路层的传输单位是帧，并添加差错检测信息（如CRC校验）。
常见协议：
- Ethernet（以太网）、PPP（点对点协议）、HDLC。
子层划分：
- MAC（介质访问控制）子层：控制对物理介质的访问。
- LLC（逻辑链路控制）子层：负责帧的组装与解组。

3. 网络层

功能：
- 负责路由选择和数据包的转发。
- 提供跨网络的逻辑地址（IP地址）。
常见协议：
- IPv4、IPv6。
- 路由协议：OSPF、BGP、RIP。
关键任务：
- 路由：选择最优路径将数据传输到目标。
- 分组转发：将数据包传递到下一跳路由器。

4. 传输层

功能：
- 提供端到端的可靠通信服务。
- 负责数据的分段、重组和传输控制。
常见协议：
- TCP（传输控制协议）：可靠、有序传输。
- UDP（用户数据报协议）：快速、不可靠传输。
核心功能：
- 流量控制：通过窗口大小调节数据传输速率。
- 错误控制：通过重传机制保证数据完整性。

5. 会话层

功能：
- 管理通信会话，负责会话的建立、维持和终止。
- 提供同步和恢复机制。
应用场景：
- 视频会议、(大)文件传输。
- 例如：NetBIOS协议。

6. 表示层

功能：
- 处理数据的表示形式，保证不同系统之间的数据兼容性。
- 包括数据压缩、加密和解密。
应用场景：
- 数据加密：SSL/TLS。
- 数据格式转换：XML、JSON。

7. 应用层

功能：
- 提供直接面向用户的网络服务（所有能和用户交互产生流量的程序）。
- 用户通过应用层协议与网络交互。
常见协议：
- HTTP/HTTPS：访问网页。
- FTP：文件传输。
- SMTP：发送电子邮件。

应用程序的用户界面，如上图。

6.3 TCP/IP模型（4层模型）

TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）模型是现实中广泛应用的网络协议参考模型，比OSI模型更加简洁。

TCP/IP四层模型和TCP/IP五层模型密切相关，它们描述的本质是相同的网络协议栈，但在表示方式上有所不同。五层模型是四层模型的扩展，目的是更方便地理解和解释网络通信过程。TCP/IP五层模型是在四层模型的基础上加入了更详细的划分，主要是将网络接口层拆分为物理层和数据链路层，以便更清晰地描述硬件传输和链路控制的分工。

功能/层次	TCP/IP四层模型	TCP/IP五层模型
硬件传输与链路控制	网络接口层	物理层 + 数据链路层
逻辑寻址与路由	网络层	网络层
端到端通信	传输层	传输层
用户交互服务	应用层	应用层

五层模型更适合教学和理解网络协议，强调了物理介质和链路控制的重要性，而四层模型更接近于实际TCP/IP协议的设计，所以在此只介绍TCP/IP四层模型。

1. 网络接口层（Link Layer）

功能：
- 定义硬件设备和通信介质之间的交互方式。
- 负责数据链路层和物理层的功能。
常见协议：
- Ethernet（以太网）、WiFi（无线网络）。

2. 网络层（Internet Layer）

功能：
- 提供数据包的跨网络传输服务。
- 实现IP地址管理和路由选择。
常见协议：
- IP（IPv4、IPv6）：数据包的逻辑寻址。
- ICMP：网络诊断和错误报告（如ping）。
- ARP：IP地址与MAC地址的转换。

3. 传输层（Transport Layer）

功能：
- 提供端到端的数据传输服务。
- 定义端口号，确保数据传输到正确的应用。
常见协议：
- TCP：提供可靠传输服务（如文件传输）。
- UDP：提供快速、不可靠的传输（如视频流）。

4. 应用层（Application Layer）

功能：
- 提供用户直接使用的服务。
- 整合了OSI模型的应用层、表示层和会话层功能。
常见协议：
- HTTP/HTTPS：网页服务。
- DNS：域名解析。
- SMTP、IMAP、POP3：电子邮件服务。

6.4 OSI模型与TCP/IP模型对比

OSI模型提供了全面的理论参考，但实际中使用更灵活的TCP/IP模型。通过分层结构，计算机网络能够适应复杂的网络环境，并确保通信的高效和稳定。理解分层的意义和各层的功能，是深入学习网络协议和实现网络优化的基础。

相同点：

都采用分层设计，具有模块化结构。
支持异构网络互联，通过协议标准实现互操作性。

不同点：

方面	OSI模型	TCP/IP模型
层数	7层	4层
设计目的	理论模型，先有标准后有实现	实用模型，先有实现后有标准
网络层协议	支持面向连接和无连接	仅支持无连接（IP协议）
传输层协议	面向连接（如TP4）	面向连接（TCP）和无连接（UDP）

七、计算机网络结构

计算机网络的结构可以划分为网络边缘、接入网络和网络核心三个部分。它们共同构成了完整的网络体系，各自承担不同的功能和角色。

网络边缘是用户直接接入网络的入口，终端设备负责数据的产生和消费。
接入网络提供用户接入核心网络的途径，根据用户需求提供多样化接入方式。
网络核心是网络的中枢，负责数据的高速转发、路由和流量管理。这种分层结构使得计算机网络能够高效、灵活地服务于全球范围内的用户需求。

7.1 网络边缘

定义：

网络边缘指连接到网络的所有终端设备（又称端系统）。这些设备是用户直接与网络交互的入口和出口，负责数据的产生、消费和传输。

主要组成：终端设备 、用户应用
工作模式：客户端/服务器（C/S）模式、 对等（P2P）模式

7.2 接入网络

接入网络负责将网络边缘的设备连接到核心网络中，为终端用户提供接入服务。接入网络的技术方案多种多样，根据接入方式分为以下五类。

1. 电话拨号接入

工作原理：
- 通过电话线将用户的计算机连接到ISP（因特网服务提供商）。
- 调制解调器（Modem）将计算机的数字信号转换为模拟信号传输，再在ISP端还原为数字信号。
特点：
- 速率较低，通常不超过56 Kbps。
- 链路不稳定，存在拨号连接和掉线问题。
现状：
- 已逐渐被更高速的接入方式取代，仍在部分偏远地区使用。

2. ADSL（非对称数字用户线）

工作原理：
- 利用电话线传输数据，但使用了更高频段，同时支持语音通信。
- 非对称：下载速率高于上传速率，适合下载为主的应用场景。
特点：
- 下载速率可达数十Mbps，上传速率较低。
- 专属链路，干扰较少。
现状：
- 在一些区域仍广泛使用，但正在被光纤和5G接入逐步取代。

3. 光纤接入

工作原理：
- 使用光纤作为传输介质，利用光信号高速传输数据。
- 接入方式：FTTH（光纤到户）、FTTB（光纤到楼）。
特点：
- 速率高：支持千兆甚至更高速率。
- 稳定性强：抗干扰能力强，适合高密度用户区域。
应用：
- 家庭宽带、企业接入、高清视频传输。

4. 局域网（LAN）接入

工作原理：
- 使用以太网或WiFi技术连接用户设备到局域网，再通过路由器接入核心网络。
特点：
- 有线局域网：采用以太网技术，速率可达1 Gbps以上。
- 无线局域网：采用WiFi技术，速率依赖于标准（如WiFi 6支持更高速率）。
应用：
- 家庭网络、办公室网络、校园网。

5. 移动网络接入（3G/4G/5G）

工作原理：
- 用户设备通过基站接入移动网络，由移动网络核心网连接到互联网。
- 技术演进：
  - 3G：实现多媒体服务，速率数百Kbps。
  - 4G：速率可达100 Mbps，支持高清视频。
  - 5G：速率超1 Gbps，延迟低至毫秒级，适用于工业物联网、自动驾驶等场景。
特点：
- 移动性强：用户可以随时随地接入网络。
- 部署灵活：无需物理线路，适合覆盖广域区域。
应用：
- 移动终端接入：智能手机、平板电脑。
- 物联网应用：智能交通、智慧城市。

7.3 网络核心

定义：网络核心是网络结构的中枢，由高速路由器、交换机和分组交换设备组成，负责数据的高效转发和路由选择。

功能：

分组交换
路由选择
流量管理
故障恢复

组成设备：

路由器：
- 高速转发数据分组，负责跨网络的路径选择。
- 核心路由器支持数百Gbps甚至Tbps的转发速率。
交换机：
- 提供局域网或数据中心内部的高速数据交换。
- 核心交换机支持多层转发，适合大规模流量的处理。
光纤链路：
- 核心网络多采用光纤连接，以实现高带宽、低延迟的传输。
- 技术：DWDM（密集波分复用），支持多个光信号同时传输。

八、数据交换技术

数据交换技术是计算机网络的核心基础，决定了数据在网络中如何从源节点传输到目标节点。主要的交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。每种技术有其独特的特点和适用场景。

8.1 电路交换

定义：

电路交换是一种传统的交换技术（传统的有线电话），在通信双方开始数据传输前，必须先通过中间交换设备建立一条专用通信线路（电路）。这条线路在通信过程中独占链路资源，直到通信结束才释放。

工作原理：

建立连接（分配通信资源）：
- 通过多个交换节点为通信双方建立一条物理线路。
- 使用频分多路复用（FDM）或时分多路复用（TDM）技术共享通信介质。
数据传输（一直占用通信资源）：
- 在专用线路上连续传输数据。
- 数据以稳定的速率传输，延迟较低。
释放连接（归还通信资源）：
- 通信结束后，双方释放电路，将资源还给网络。

特点：

实时性强：
- 数据在建立的电路上直接传输，时延低、稳定性好。
- 适合语音、视频等实时性要求高的业务。
信道利用率低：
- 即使通信双方没有数据传输，电路也会保持占用状态，导致资源浪费。
适用范围有限：
- 电路交换适用于电话网络等需要实时语音传输的场景。

优缺点：

优点	缺点
实时性强，延迟小	信道利用率低，资源浪费严重
传输过程中数据无丢失	灵活性差，不适合突发性数据流量

应用场景：

传统电话通信网络（有线电话）。
视频会议等实时通信场景。

8.2 报文交换

定义：报文交换是一种“存储-转发”方式的交换技术。发送方将要传输的完整数据附加目标地址和控制信息后发送到网络中，各交换节点逐步存储、检查并转发报文，直到到达目标节点。

工作原理：

报文组装：
- 发送方将数据打包为报文，并附加目标地址。
存储-转发：
- 报文到达交换节点后，节点先将其存储在缓冲区中，检查无误后再转发至下一个节点。
逐跳转发：
- 报文逐跳传输至目标节点。
目标节点接收：
- 接收方收到完整报文后进行处理。

特点：

灵活性高：
- 不需要建立专用线路，支持动态路由。
信道利用率高：
- 网络链路可以共享，适合突发性数据流量。
时延较长：
- 报文在每个节点存储后再转发，时延会随着路径增加而累积。

优缺点：

优点	缺点
信道利用率高，适合突发性流量	时延较长，尤其是网络拥塞时
无需专用线路，网络灵活性高	报文较大时，需较大的节点存储空间

应用场景：

早期的电报网络。
文件传输等非实时通信场景。

8.3 分组交换

定义：分组交换是将数据分割为较小的独立数据块（称为分组或数据包），每个分组附加目标地址和序号后独立传输到目的地，到达后重新组装成完整数据的交换技术。

工作原理：

数据分割：
- 将待传输的完整数据（如文件）切割成多个小分组，每个分组附加控制信息（目标地址、序号等）。

独立传输：
- 每个分组独立选择路由传输到目标节点。
- 分组可能经过不同路径到达目的地。
重组报文：
- 目标节点根据分组序号重新组装完整数据。
差错控制：
- 如果某个分组丢失或出错，仅需重传该分组。

特点：

灵活性高：
- 分组可以选择不同路径，适应网络动态变化。
信道利用率高：
- 网络链路可以同时传输多个分组，提高资源利用率。
可靠性强：
- 数据出错时，只需重传特定分组，减少重传开销。

优缺点：

优点	缺点
信道利用率高，资源分配灵活	分组头部信息增加了传输开销
网络故障时可选择其他路径绕过故障	可能出现分组乱序，需要重排序
适合突发性和多种类型的业务流量	重组过程可能增加目标节点负担

应用场景：

互联网和计算机网络（如TCP/IP）。
流媒体、文件传输、电子邮件等。

与报文交换的对比：

分组交换以小数据块为单位传输，更灵活；而报文交换以完整报文为单位，传输效率较低。
分组交换对节点存储空间要求较低；而报文交换需要足够大的存储空间。

8.4 技术对比总结

技术	特点	应用场景	优缺点
电路交换	实时性强，需建立专用线路	电话网络、视频会议	优点：实时性高，延迟小；缺点：信道利用率低，不适合突发性流量。
报文交换	存储-转发，信道利用率高，但时延较长	电报网络、文件传输	优点：灵活性高，适合非实时通信；缺点：需要较大的存储空间，时延较长。
分组交换	数据分割为分组独立传输，动态选择路径	互联网、流媒体、文件传输	优点：灵活性强，信道利用率高，可靠性强；缺点：分组头部增加传输开销，可能出现乱序分组，需要重组。

电路交换适合语音和视频等实时性要求高的场景，但资源利用率低。
报文交换适合非实时、完整性要求高的应用，但时延较长。
分组交换是当前计算机网络中最广泛使用的技术，支持多种类型的流量和突发性需求，成为现代网络通信的基础。

计算机网络基础知识

一、计算机网络的基本概念
- 1.1 计算机网络的诞生
- 1.2 计算机网络的定义
- 1.3 因特网的引入
二、计算机网络的功能
- 2.1 数据通信
- 2.2 资源共享
- 2.3 分布式处理
- 2.4 提高可靠性
- 2.5 负载均衡
三、计算机网络的组成
- 3.1 组成部分
- 3.2 工作方式
四、计算机网络的分类
- 4.1 按覆盖范围分类
- 4.2 按使用者分类
- 4.3 按交换技术分类
- 4.4 按拓扑结构分类
- 4.5 按传输技术分类
五、计算机网络的性能指标
- 5.1 速率
- 5.2 带宽
- 5.3 吞吐量
- 5.4 时延
- 5.5 时延带宽积
- 5.6 往返时间（RTT）
- 5.7 利用率
- 5.8 丢包率
六、分层结构与协议
- 6.1 分层的意义
- 6.2 OSI参考模型（7层模型）
- 6.3 TCP/IP模型（4层模型）
- 6.4 OSI模型与TCP/IP模型对比
七、计算机网络结构
- 7.1 网络边缘
- 7.2 接入网络
- 7.3 网络核心
八、数据交换技术
- 8.1 电路交换
- 8.2 报文交换
- 8.3 分组交换
- 8.4 技术对比总结

一、计算机网络的基本概念

1.1 计算机网络的诞生

计算机网络的发展历程大致可以分为以下几个阶段：

起步阶段（20世纪50-60年代）
- 背景：最初，计算机的主要目的是处理和存储数据，网络的概念尚未成型。早期计算机是独立的、封闭的系统，依靠磁带等物理介质传递数据。
- 关键事件：
  - 1950年代，香农的《信息论》奠定了数据通信的理论基础。
  - 1960年代，美国国防部为了在冷战期间构建可靠的通信网络，资助ARPAnet的研发。这是现代计算机网络的雏形。
- ARPAnet的突破：
  - ARPAnet的核心技术是分组交换，解决了传统电路交换无法应对突发数据流量的问题。
  - 1969年，ARPAnet成功连接了4个节点，标志着第一代计算机网络的诞生。
发展阶段（20世纪70-80年代）
- 协议标准化：TCP/IP协议的开发和普及解决了异构网络互联的问题。
- 局域网的出现：以太网（Ethernet）成为局域网的核心技术，支持多台计算机在同一网络中通信。
- 互联网的萌芽：1983年，ARPAnet正式采用TCP/IP协议，并逐渐发展成今天的互联网。
普及阶段（20世纪90年代至今）
- 万维网的诞生：1991年，Tim Berners-Lee开发了万维网（WWW），使得普通用户能够通过浏览器访问信息。
- 互联网服务的爆发：电子邮件、搜索引擎、社交媒体和流媒体服务迅速崛起，极大地推动了互联网的普及。
未来趋势：
- 5G和6G技术：提供更快的速度和更低的延迟。
- 物联网（IoT）：将各种设备和传感器通过网络互联，形成“万物互联”的生态。
- 量子通信和人工智能：探索更安全、更高效的通信技术。

1.2 计算机网络的定义

现代计算机网络不仅限于传统的计算机之间的连接，还包括智能手机、服务器、物联网设备等多种终端。具体定义可以从以下几个维度进行理解：

互联性：
- 计算机网络是通过物理或无线通信链路将分布式计算机系统连接起来。
- 常见的连接方式包括以太网（有线）、WiFi（无线）和移动网络（4G/5G）。
自治性：
- 每个节点（如计算机、服务器、路由器）都是独立的，能够自主运行和控制。
- 自治性使得网络系统具备更高的灵活性和容错能力。
核心功能：
- 资源共享：硬件资源（如打印机、存储设备）、软件资源（如数据库系统）、数据资源（如文件、文档）。
- 信息传递：支持远程通信，如电子邮件、即时消息和视频通话。
- 负载均衡：通过动态调整资源分配优化性能。

1.3 因特网的引入

因特网是计算机网络最重要的应用，也是全球最大的计算机网络。它通过TCP/IP协议将各类网络互联，形成了一个跨越全球的信息网络体系。

因特网的结构：
- 因特网由多个网络组成，这些网络可以分为：
  - 主干网：高速通信网络，连接各大洲和国家的骨干节点。
  - 区域网：国家或地区范围内的网络。
  - 本地网：如企业内网或家庭网络。
- 各级网络通过路由器互联，形成层次化结构。
因特网服务提供商（ISP）：
- ISP是因特网接入服务的提供者，用户通过ISP连接到因特网。
- ISP分为不同层级：
  - 一级ISP：直接管理主干网，如AT&T、Level 3。
  - 二级ISP：通过一级ISP获取接入服务，面向区域用户。
  - 三级ISP：通过二级ISP为本地用户提供接入服务，如小型宽带公司。
因特网的特点：
- 开放性：任何设备只要符合协议，都可以接入因特网。
- 扩展性：随着设备数量增加，可以不断扩展地址空间（如IPv6）。
- 多样性：支持不同类型的服务和设备，包括PC、手机、智能家居设备。
因特网的典型服务：
- Web服务：通过HTTP协议实现信息访问。
- 电子邮件：基于SMTP协议传递邮件。
- 流媒体：通过RTP/RTSP协议传输音视频数据。
- 社交网络：利用实时通信协议提供互动功能。

二、计算机网络的功能

计算机网络通过技术和协议的协作，提供了以下核心功能，为现代信息社会的运转提供了支柱支持：

2.1 数据通信

概念：数据通信是计算机网络最基础的功能，通过网络将文本、图像、音频、视频等多种数据从一个节点传输到另一个节点。数据通信的快速和可靠性是网络得以普及的重要原因。

主要应用场景：

电子邮件（E-mail）：
- 通过SMTP、POP3、IMAP等协议，发送和接收文本、附件、图片等。
- 典型工具：Outlook、Gmail。
即时通信（IM, Instant Messaging）：
- 实现用户间的实时文本、语音和视频通信。
- 常见软件：微信、QQ、WhatsApp。
文件传输（File Transfer）：
- 基于FTP协议，支持文件的上传、下载和管理。
- 应用场景：团队协作文件共享、跨区域数据同步。
视频会议和流媒体：
- 通过实时传输协议（RTP/RTSP）和内容分发网络（CDN）技术，支持高清视频会议和流媒体播放。
- 应用场景：Zoom、Teams、Netflix、YouTube等。
远程控制：
- 利用网络实现对远程设备的操作，例如通过SSH、RDP连接远程服务器或PC。

2.2 资源共享

资源共享是计算机网络的核心优势之一，它显著提高了硬件、软件和数据资源的利用率，降低了成本。

2.2.1 硬件资源共享：

外设共享：
- 通过局域网多用户共享打印机、扫描仪等外设。
- 示例：公司内的网络打印机。
存储资源共享：
- 使用NAS（网络附加存储）或SAN（存储区域网络）技术，为多个用户提供集中存储和访问。
- 示例：云存储服务如Google Drive、OneDrive。

2.2.2 软件资源共享：

共享大型软件系统：
- 使用SaaS（Software as a Service）模式，通过浏览器访问软件资源。
- 示例：在线办公（如Google Docs）、企业ERP系统（如SAP）。
分布式应用：
- 用户分布在不同地点，共同使用和操作同一应用程序。
- 示例：企业级数据库共享（如MySQL集群）。

2.2.3 信息资源共享：

信息检索：
- 通过网络访问全球的信息资源，例如使用搜索引擎（如Google、Bing）查找内容。
文档协作：
- 基于网络进行团队文档的编辑、评论和版本管理。
- 示例：Notion、Confluence。

2.3 分布式处理

概念：分布式处理是一种通过计算机网络将任务分配到多个节点并行处理的技术。通过协调和资源共享，分布式处理能够显著提高效率和可靠性。

主要特点：

任务分解：将大任务分解为多个小任务，由不同节点并行处理。
结果整合：各节点将计算结果传回服务器，由服务器统一整合。

应用场景：

大数据分析：
- 使用Hadoop、Spark等工具，在集群环境中并行处理PB级数据。
云计算：
- 利用云平台的弹性资源完成复杂计算任务，如机器学习模型训练。
- 示例：AWS Lambda、Google Cloud。
分布式数据库：
- 将数据分布存储在多个节点，以实现高性能和高可用性。
- 示例：Cassandra、MongoDB。

2.4 提高可靠性

概念：网络通过冗余设计和故障转移机制，提高系统的可靠性，使其能够在硬件、软件或链路出现故障时维持正常运行。

主要技术手段：

冗余设计：
- 链路冗余：提供多条通信路径，某路径故障时自动切换到备用路径。
- 硬件冗余：部署备用服务器、存储设备。
- 数据冗余：利用RAID技术，存储多副本。
故障转移：
- 主节点出现故障时，从节点自动接管任务。
- 示例：高可用集群（HA，High Availability Cluster）。
分布式存储：
- 将数据分散存储在多个节点中，当某个节点不可用时，可以从其他节点获取数据。
- 示例：分布式文件系统（HDFS）。

应用场景：

金融系统：保证交易数据的高可靠性和实时性。
电信网络：支持电话、短信、数据业务的高可用。
云服务：Amazon S3等服务提供99.999999999%的数据持久性。

2.5 负载均衡

概念：负载均衡是指通过分配计算或网络资源的方式，动态调整多个服务器或链路的工作负荷，从而提升整体性能和资源利用率。

主要技术手段：

DNS负载均衡：
- 通过域名系统（DNS）将用户请求分配到不同服务器。
- 示例：CDN技术通过DNS引导用户访问最接近的服务器节点。
硬件负载均衡器：
- 使用专用设备（如F5 BIG-IP）分发网络流量。
软件负载均衡器：
- 基于开源工具（如Nginx、HAProxy）实现流量分发。
动态资源调度：
- 根据实时监控动态调整节点负载，例如增加或减少服务器实例。

应用场景：

网站访问分发：
- 高流量网站（如淘宝、亚马逊）利用负载均衡分发用户请求。
CDN内容分发：
- 靠近用户的CDN节点缓存资源以减少访问延迟。
企业数据中心：
- 动态调整服务器资源以满足需求高峰。

三、计算机网络的组成

计算机网络由硬件、软件、和协议三部分组成，它们共同构成网络系统的基础设施，支持数据传输、资源共享和通信功能。

3.1 组成部分

1. 硬件

硬件是计算机网络的物理基础，用于实现设备之间的连接和数据传输。主要包括以下几个关键组件：

终端设备：
- 终端设备是网络的入口和出口设备，直接与用户交互。
- 例如：个人计算机（PC）、服务器、智能手机、平板电脑、打印机等。
- 功能：提供计算能力、存储能力，以及运行应用程序。
网络设备：
- 路由器：
  - 负责数据包的路由选择和转发，确保数据能够从源端到达目的端。
  - 功能：支持多种网络协议（如IP），实现不同网络之间的互联。
- 交换机：
  - 连接局域网（LAN）中的设备，基于MAC地址转发数据。
  - 功能：在网络中实现高效的数据交换。
- 集线器（Hub）：
  - 将多台设备通过一个共享介质连接在一起，但不具备智能转发功能。
  - 功能：广播数据包到所有端口，效率较低。
- 网卡（NIC，Network Interface Card）：
  - 每个设备与网络连接的接口。
  - 功能：在设备与物理网络之间完成数据的发送和接收。
通信链路：
- 有线通信链路：
  - 铜线（如双绞线、同轴电缆）：用于传统局域网连接。
  - 光纤：提供高速、大带宽的长距离传输。
- 无线通信链路：
  - WiFi：适用于短距离的高速无线连接。
  - 移动网络（如4G、5G）：适用于广域范围的无线接入。

2. 软件

软件在计算机网络中提供管理、控制和通信的功能，确保硬件可以有效协同工作。

网络操作系统（NOS，Network Operating System）：
- 功能：管理网络设备和资源，支持用户间的通信。
- 示例：Windows Server、Linux（CentOS、Ubuntu）、Cisco IOS。
- 特点：支持多用户、多任务、高可靠性。
应用软件：
- 网络浏览器：如Chrome、Firefox，用于访问网页。
- 文件共享软件：如Dropbox、百度网盘，用于文件存储和共享。
- 通信软件：如Slack、微信，用于即时消息传递。
协议栈实现：
- 网络协议栈是软件实现网络通信协议的核心组件。
- 示例：Linux中的TCP/IP协议栈，负责数据封装、传输和解封装。

3. 协议

协议是网络中通信双方必须遵循的规则和标准，定义了数据交换的方式和步骤。

协议的三要素：
- 语法：定义数据的格式和结构。
  - 例如：IP地址采用点分十进制表示。
- 语义：定义通信双方如何解释数据。
  - 例如：HTTP协议的GET请求表示获取资源。
- 时序：定义通信的顺序和时间控制。
  - 例如：TCP的三次握手过程。
常用协议：
- 传输层协议：
  - TCP：提供可靠、面向连接的数据传输。
  - UDP：提供快速、不可靠的数据传输，适合实时应用。
- 网络层协议：
  - IP：负责数据包的路由选择和转发。
  - ICMP：用于网络诊断（如ping命令）。
- 应用层协议：
  - HTTP/HTTPS：支持网页访问。
  - SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件传输。

3.2 工作方式

计算机网络的工作方式可以分为边缘部分和核心部分，两者共同协作实现网络功能。

1. 边缘部分

边缘部分是网络的用户交互区域，主要由主机或端系统组成，提供直接面向用户的服务。

组成：
- 包括各种终端设备，如个人计算机、智能手机、物联网设备。
- 通过接入网络连接到核心部分。
工作模式：
- C/S模式（Client/Server）：
  - 客户端请求服务（C），服务器提供服务（S）。
  - 优点：集中管理，便于维护。
  - 应用：网页浏览（HTTP）、文件共享（FTP）。
- P2P模式（Peer-to-Peer）：
  - 所有节点平等，既是客户端又是服务器。
  - 优点：去中心化，分布式资源管理。
  - 应用：文件共享（BitTorrent）、区块链（如比特币）。
功能：
- 数据生成与消费：用户通过设备产生和消费数据。
- 应用交互：运行Web浏览器、聊天工具等与网络交互的应用程序。

2. 核心部分

核心部分是整个网络的骨干区域，主要负责数据的路由、转发和传输。

组成：
- 核心网络设备：路由器、交换机、光纤通信链路。
- 高速骨干网络：连接多个区域网络的核心节点。
功能：
- 数据路由：
  - 根据目标地址选择最佳路径。
  - 使用路由协议（如OSPF、BGP）实现路由更新。
- 数据转发：
  - 接收到数据包后，通过查找路由表将其发送到下一跳。
- 流量优化：
  - 使用负载均衡器分配流量。
  - 使用QoS技术提高重要数据的传输优先级。
特点：
- 高速性：核心部分采用高速传输技术（如光纤通信）。
- 可靠性：通过冗余设计和动态路由协议确保网络稳定性。
- 跨区域性：核心部分连接多个局域网和广域网，实现全球范围内的数据交换。

四、计算机网络的分类

4.1 按覆盖范围分类

注意，现实生活中实际上是按照网络架设技术来区分网络类别的。

按网络的物理覆盖范围进行划分，可以分为以下几类：

1. 个人区域网（PAN, Personal Area Network）

特点：
- 覆盖范围：一般小于10米，通常用于个人设备之间的通信。
- 通信方式：多采用无线通信技术，如蓝牙、Zigbee、NFC。
- 典型应用：无线耳机与手机连接、智能手表与手机配对。
优点：
- 设备成本低，组网方便。
- 能耗低，适合移动设备。
缺点：
- 覆盖范围小，传输速度有限。
- 通信距离受障碍物影响较大。

2. 局域网（LAN, Local Area Network）

特点：
- 覆盖范围：数十米到几百米，如公司、学校、家庭内部网络。
- 通信方式：以太网（有线）、WiFi（无线）。
- 典型应用：企业内部网、家庭宽带。
优点：
- 数据传输速度快（目前千兆以太网、WiFi 6+）。
- 安全性高，易于管理。
- 可支持多种设备同时连接。
缺点：
- 受限于物理范围，无法覆盖更大的地理区域。
- 需要硬件设备如路由器和交换机。

3. 城域网（MAN, Metropolitan Area Network）

特点：
- 覆盖范围：数公里到几十公里，通常覆盖城市范围。
- 通信方式：光纤、无线微波。
- 典型应用：高校校园网、大型企业集团网络。
优点：
- 支持更大的地理覆盖范围，适合区域性网络需求。
- 数据传输速率高，稳定性强。
缺点：
- 网络建设成本较高。
- 管理复杂度增加。

4. 广域网（WAN, Wide Area Network）

特点：
- 覆盖范围：可跨越国家、甚至全球范围。
- 通信方式：卫星通信、光纤、海底电缆。
- 典型应用：因特网（Internet）、银行跨国网络。
优点：
- 无地理限制，覆盖范围极广。
- 适用于跨国企业和全球化服务。
缺点：
- 时延较高，尤其是跨洋通信。
- 依赖于复杂的路由技术和协议。

4.2 按使用者分类

按网络服务对象划分，可以分为以下两类：

1. 公用网

特点：
- 向公众开放，由电信服务商提供。
- 主要功能：电话通信、互联网接入。
- 示例：电信宽带、5G网络。
优点：
- 可供大量用户共享资源。
- 由专业团队维护，服务稳定性高。
缺点：
- 用户隐私保护面临挑战。
- 带宽共享可能导致高峰期性能下降。

2. 专用网

特点：
- 专为某个组织（如企业、政府、军队）设计和维护。
- 主要功能：企业内部数据传输、专线通信。
- 示例：企业VPN、军事专用网络。
优点：
- 高度安全，能满足特定用户需求。
- 性能可控，不受外部流量影响。
缺点：
- 组网和维护成本高。
- 灵活性差，无法像公用网一样动态扩展。

4.3 按交换技术分类

1. 电路交换

特点：
- 为通信双方建立专用物理连接（电路）。
- 数据传输过程中，整个链路专属于双方。
应用场景：
- 传统电话通信。
- 早期的点对点通信网络。
优点：
- 实时性强，传输延迟小。
- 适用于语音和视频通信。
缺点：
- 信道利用率低。
- 建立和释放电路耗时。

2. 报文交换

特点：
- 数据以完整报文形式传输，每个报文携带目标地址。
- 报文存储在交换节点后，逐跳转发。
应用场景：
- 早期的电报和文本传输。
- 文件传输中的离线模式。
优点：
- 信道利用率高。
- 无需实时建立连接。
缺点：
- 时延较大，尤其是在网络拥堵时。
- 需要较大的存储空间缓存报文。

3. 分组交换

特点：
- 数据被分割为多个小分组（包），每个分组独立传输。
- 分组到达目的地后重新组装为完整数据。
应用场景：
- 现代计算机网络的基础。
- 互联网、移动通信网络。
优点：
- 交换效率高，适应突发流量。
- 可靠性强，丢失的分组可以重传。
缺点：
- 需要额外的开销用于标记分组头部信息。
- 数据重组需要额外的计算。

4.4 按拓扑结构分类

总线型拓扑：
- 所有节点共享一条公共传输介质。
- 优点：简单、成本低。
- 缺点：冲突多，故障定位困难。
星型拓扑：
- 所有设备连接到一个中心节点（如交换机）。
- 优点：易于管理和扩展。
- 缺点：中心节点故障会导致全网瘫痪。
环型拓扑：
- 节点通过点对点链路连接成环。
- 优点：无冲突，易于避免数据包碰撞。
- 缺点：节点故障可能导致网络中断。
网状拓扑：
- 节点通过多条链路互联。
- 优点：高可靠性。
- 缺点：建设成本高，管理复杂。
树型拓扑：
- 多级分层结构，适合大型网络。
- 优点：易于扩展。
- 缺点：根节点故障会影响下级设备。
混合拓扑：
- 多种拓扑结构的组合。
- 优点：灵活，可适应不同规模和需求。
- 缺点：设计和维护复杂。

4.5 按传输技术分类

1. 广播式网络

特点：
- 所有节点共享同一通信信道，数据广播到网络中的所有节点。
- 示例：WiFi、以太网。
优点：
- 通信机制简单。
- 易于组网。
缺点：
- 数据冲突和干扰问题严重。
- 隐私和安全性较弱。

2. 点对点网络

特点：
- 节点之间通过专用链路直接连接。
- 示例：因特网、卫星通信。
优点：
- 数据传输效率高。
- 隐私和安全性较强。
缺点：
- 需要大量的链路和复杂的路由机制。
- 成本高。

五、计算机网络的性能指标

计算机网络的性能指标用来衡量网络的传输能力和效率，常用指标包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率和丢包率。这些指标从不同角度反映了网络性能的关键属性。

5.1 速率

定义：速率（Rate），又称比特率或数据率，是指主机在数字信道上传输比特的速率。它表示数据在单位时间内的传输量。

注：比特是计算机中的数据量单位，一个比特是一个1或一个0
1Byte（字节）=8bit（比特）字节的简写为B，比特简写为b

单位：

bit/s（b/s 或 bps）：表示每秒传输的比特数量。
常用单位转换：
- 1 Kbps = 10³ bps
- 1 Mbps = 10⁶ bps
- 1 Gbps = 10⁹ bps
- 注意：1 Byte（B） = 8 bits（b）

实际解释：

如果家用宽带标注为100 Mbps，这表示网络理论上每秒最多传输100百万比特。换算成字节为：100 Mbps ÷ 8 = 12.5 MB/s。

注：某某化工大学的校园网套餐为40M，实际上指的是40Mbps，网速测算的时候最高才5MB/s，所以是正常的，并不是商家虚假宣传。（狗头保命.jpg）

影响因素：

信号质量：如噪声、干扰。
设备能力：如路由器和网卡支持的最大速率。
网络协议开销：部分速率被用于协议数据的控制信息。

5.2 带宽

定义：带宽（Bandwidth）指网络信道传输数据的最大能力，是速率的理论上限。它表示信道在单位时间内所能通过的最大数据量，换句话说是在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

单位：

bps（与速率一致）

实际意义：

带宽决定了网络的潜在性能。例如，一个100 Mbps的以太网带宽在理想情况下可以支持100 Mbps的速率，网络传输速度其实要在带宽的基础上除以8即，100Mbps/8=12.5MB/s（当然这是完全理想状况，真实情况要以吞吐量计算）

注意点：

家庭宽带中提到的“带宽”常指下载速率。例如“100M光纤宽带”是指100 Mbps，而实际文件下载速率需除以8，即约12.5 MB/s。

理想与现实的区别：

带宽是理想情况下的理论值，而实际速率通常会低于带宽，受到网络负载、设备性能等影响。

5.3 吞吐量

定义：吞吐量（Throughput）是指单位时间内通过网络的实际数据量。它是对实际网络性能的一个真实反映。

单位：

与带宽相同，为 bps。

与带宽的关系：

吞吐量通常小于或等于带宽。
例如：一个支持100 Mbps带宽的网络，在实际使用中可能因拥塞、协议开销导致吞吐量仅为80 Mbps。

影响因素：

网络带宽：带宽决定了吞吐量的理论上限。
网络协议：如TCP/IP的流量控制、拥塞控制。
网络环境：网络拥塞、丢包会影响实际吞吐量。

5.4 时延

定义：

时延（Delay）是指数据从源端传输到目的端所需的时间。网络时延由多个部分组成：

发送时延（Transmission Delay）：
- 定义：主机将数据从自身传送到信道所需时间。
- 公式：发送时延 = 数据长度 ÷ 信道带宽
- 示例：传输10 MB的数据，带宽为100 Mbps，则发送时延为（10 × 8） ÷ 100 = 0.8 秒。
传播时延（Propagation Delay）：
- 定义：数据在信道上传播所需的时间，与物理距离和信号传播速度有关。
- 公式：传播时延 = 信道长度 ÷ 信号传播速度
- 示例：光纤中信号传播速度为2 × 10⁸ m/s，传输1000公里的距离，则传播时延为1000 ÷ （2 × 10⁸） = 0.005 秒。
排队时延（Queuing Delay）：
- 定义：数据在路由器或交换机队列中等待转发的时间。
- 影响因素：网络负载、队列长度。
- 示例：高峰期网络拥塞时，排队时延显著增加。
处理时延（Processing Delay）：
- 定义：路由器或交换机解析数据包并决定转发路径所需的时间。
- 通常为微秒级，影响较小。

网络总时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延

5.5 时延带宽积

定义：时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）是传播时延与带宽的乘积，表示在传播时延内链路上能容纳的比特总数。

公式：

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

意义：

时延带宽积可看作以比特为单位的链路长度。
若发送端连续发送数据，在第一个比特到达接收端时，发送端已发送了时延带宽积个比特。

举例：

假设带宽为10 Mbps，传播时延为0.1秒，则时延带宽积为10 × 10⁶ × 0.1 = 1,000,000比特，即125 KB。

5.6 往返时间（RTT）

定义：往返时间（Round Trip Time, RTT）是指从源主机发送数据到目标主机，再从目标主机返回确认的总时间。

公式：

RTT = 发送数据的时延 + 返回确认的时延

应用：

RTT是网络性能的重要指标，通常用于评价网络的响应速度。
示例：ping命令可以测量两台主机之间的RTT。

可以看出每次请求的时间（RTT），以及RTT时间的最短，最长以及平均值。

5.7 利用率

定义：利用率（Utilization）是网络资源的使用效率。

注意事项：

利用率并非越高越好，过高的信道利用率会导致网络拥塞和时延增加。
实际使用中，保持利用率在50%左右较为合理。

5.8 丢包率

定义：丢包率是指传输过程中丢失的数据包数量与总数据包数量的比率。

影响因素：

网络拥塞。
信号干扰。
设备故障。

实际上，路由器会根据自身拥塞控制方法，在输入缓存还未满的时候就主动丢弃分组，因此，丢包率反映了网络的拥塞情况。当网络的丢包率较高时，通常无法使网络应用正常工作。

影响：

丢包率高会导致数据重传，增加时延。
在线游戏、视频通话对低丢包率要求较高。

六、分层结构与协议

6.1 分层的意义

分层将网络功能划分为多个相对独立的部分，每一层专注于解决特定的问题，通过模块化设计，使得协议开发、测试和维护更简单。

2. 协议的独立性

每层协议的实现是独立的，上层协议只需调用下层提供的服务，而不关心其具体实现，这种设计提高了协议的灵活性和扩展性。

3. 标准化接口

层与层之间通过标准接口通信，使不同厂商设备可以互通。例如，网络层的IP协议与传输层的TCP协议可以无缝协作。

4. 易于维护和升级

分层结构允许单独升级某一层的协议而不影响其他层。例如，可以在不修改应用层协议的情况下，升级传输层的TCP协议。

5. 异构网络的互联

分层设计使不同类型的网络（如以太网、WiFi）通过标准协议实现互联。

6.2 OSI参考模型（7层模型）

OSI（Open Systems Interconnection）模型是ISO（国际标准化组织）提出的网络通信参考模型，将网络通信划分为7层，每层完成特定功能。

应表会传网数物

1. 物理层

功能：
- 定义硬件接口和物理介质。
- 负责比特流的透明传输，即将数据以电信号或光信号的形式在通信链路上传输。

常见技术：
- 光纤、双绞线、同轴电缆。
- 传输标准：RS-232、USB、IEEE 802.3（以太网）。
关键参数：
- 比特率、信号电压、电缆长度。

2. 数据链路层

功能：
- 提供可靠的数据传输，解决物理层的比特错误。
- 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路成/链路层的传输单位是帧，并添加差错检测信息（如CRC校验）。
常见协议：
- Ethernet（以太网）、PPP（点对点协议）、HDLC。
子层划分：
- MAC（介质访问控制）子层：控制对物理介质的访问。
- LLC（逻辑链路控制）子层：负责帧的组装与解组。

3. 网络层

功能：
- 负责路由选择和数据包的转发。
- 提供跨网络的逻辑地址（IP地址）。
常见协议：
- IPv4、IPv6。
- 路由协议：OSPF、BGP、RIP。
关键任务：
- 路由：选择最优路径将数据传输到目标。
- 分组转发：将数据包传递到下一跳路由器。

4. 传输层

功能：
- 提供端到端的可靠通信服务。
- 负责数据的分段、重组和传输控制。
常见协议：
- TCP（传输控制协议）：可靠、有序传输。
- UDP（用户数据报协议）：快速、不可靠传输。
核心功能：
- 流量控制：通过窗口大小调节数据传输速率。
- 错误控制：通过重传机制保证数据完整性。

5. 会话层

功能：
- 管理通信会话，负责会话的建立、维持和终止。
- 提供同步和恢复机制。
应用场景：
- 视频会议、(大)文件传输。
- 例如：NetBIOS协议。

6. 表示层

功能：
- 处理数据的表示形式，保证不同系统之间的数据兼容性。
- 包括数据压缩、加密和解密。
应用场景：
- 数据加密：SSL/TLS。
- 数据格式转换：XML、JSON。

7. 应用层

功能：
- 提供直接面向用户的网络服务（所有能和用户交互产生流量的程序）。
- 用户通过应用层协议与网络交互。
常见协议：
- HTTP/HTTPS：访问网页。
- FTP：文件传输。
- SMTP：发送电子邮件。

应用程序的用户界面，如上图。

6.3 TCP/IP模型（4层模型）

TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）模型是现实中广泛应用的网络协议参考模型，比OSI模型更加简洁。

功能/层次	TCP/IP四层模型	TCP/IP五层模型
硬件传输与链路控制	网络接口层	物理层 + 数据链路层
逻辑寻址与路由	网络层	网络层
端到端通信	传输层	传输层
用户交互服务	应用层	应用层

1. 网络接口层（Link Layer）

功能：
- 定义硬件设备和通信介质之间的交互方式。
- 负责数据链路层和物理层的功能。
常见协议：
- Ethernet（以太网）、WiFi（无线网络）。

2. 网络层（Internet Layer）

功能：
- 提供数据包的跨网络传输服务。
- 实现IP地址管理和路由选择。
常见协议：
- IP（IPv4、IPv6）：数据包的逻辑寻址。
- ICMP：网络诊断和错误报告（如ping）。
- ARP：IP地址与MAC地址的转换。

3. 传输层（Transport Layer）

功能：
- 提供端到端的数据传输服务。
- 定义端口号，确保数据传输到正确的应用。
常见协议：
- TCP：提供可靠传输服务（如文件传输）。
- UDP：提供快速、不可靠的传输（如视频流）。

4. 应用层（Application Layer）

功能：
- 提供用户直接使用的服务。
- 整合了OSI模型的应用层、表示层和会话层功能。
常见协议：
- HTTP/HTTPS：网页服务。
- DNS：域名解析。
- SMTP、IMAP、POP3：电子邮件服务。

6.4 OSI模型与TCP/IP模型对比

OSI模型提供了全面的理论参考，但实际中使用更灵活的TCP/IP模型。通过分层结构，计算机网络能够适应复杂的网络环境，并确保通信的高效和稳定。理解分层的意义和各层的功能，是深入学习网络协议和实现网络优化的基础。

相同点：

都采用分层设计，具有模块化结构。
支持异构网络互联，通过协议标准实现互操作性。

不同点：

方面	OSI模型	TCP/IP模型
层数	7层	4层
设计目的	理论模型，先有标准后有实现	实用模型，先有实现后有标准
网络层协议	支持面向连接和无连接	仅支持无连接（IP协议）
传输层协议	面向连接（如TP4）	面向连接（TCP）和无连接（UDP）

七、计算机网络结构

计算机网络的结构可以划分为网络边缘、接入网络和网络核心三个部分。它们共同构成了完整的网络体系，各自承担不同的功能和角色。

网络边缘是用户直接接入网络的入口，终端设备负责数据的产生和消费。
接入网络提供用户接入核心网络的途径，根据用户需求提供多样化接入方式。
网络核心是网络的中枢，负责数据的高速转发、路由和流量管理。这种分层结构使得计算机网络能够高效、灵活地服务于全球范围内的用户需求。

7.1 网络边缘

定义：

网络边缘指连接到网络的所有终端设备（又称端系统）。这些设备是用户直接与网络交互的入口和出口，负责数据的产生、消费和传输。

主要组成：终端设备 、用户应用
工作模式：客户端/服务器（C/S）模式、 对等（P2P）模式

7.2 接入网络

接入网络负责将网络边缘的设备连接到核心网络中，为终端用户提供接入服务。接入网络的技术方案多种多样，根据接入方式分为以下五类。

1. 电话拨号接入

工作原理：
- 通过电话线将用户的计算机连接到ISP（因特网服务提供商）。
- 调制解调器（Modem）将计算机的数字信号转换为模拟信号传输，再在ISP端还原为数字信号。
特点：
- 速率较低，通常不超过56 Kbps。
- 链路不稳定，存在拨号连接和掉线问题。
现状：
- 已逐渐被更高速的接入方式取代，仍在部分偏远地区使用。

2. ADSL（非对称数字用户线）

工作原理：
- 利用电话线传输数据，但使用了更高频段，同时支持语音通信。
- 非对称：下载速率高于上传速率，适合下载为主的应用场景。
特点：
- 下载速率可达数十Mbps，上传速率较低。
- 专属链路，干扰较少。
现状：
- 在一些区域仍广泛使用，但正在被光纤和5G接入逐步取代。

3. 光纤接入

工作原理：
- 使用光纤作为传输介质，利用光信号高速传输数据。
- 接入方式：FTTH（光纤到户）、FTTB（光纤到楼）。
特点：
- 速率高：支持千兆甚至更高速率。
- 稳定性强：抗干扰能力强，适合高密度用户区域。
应用：
- 家庭宽带、企业接入、高清视频传输。

4. 局域网（LAN）接入

工作原理：
- 使用以太网或WiFi技术连接用户设备到局域网，再通过路由器接入核心网络。
特点：
- 有线局域网：采用以太网技术，速率可达1 Gbps以上。
- 无线局域网：采用WiFi技术，速率依赖于标准（如WiFi 6支持更高速率）。
应用：
- 家庭网络、办公室网络、校园网。

5. 移动网络接入（3G/4G/5G）

工作原理：
- 用户设备通过基站接入移动网络，由移动网络核心网连接到互联网。
- 技术演进：
  - 3G：实现多媒体服务，速率数百Kbps。
  - 4G：速率可达100 Mbps，支持高清视频。
  - 5G：速率超1 Gbps，延迟低至毫秒级，适用于工业物联网、自动驾驶等场景。
特点：
- 移动性强：用户可以随时随地接入网络。
- 部署灵活：无需物理线路，适合覆盖广域区域。
应用：
- 移动终端接入：智能手机、平板电脑。
- 物联网应用：智能交通、智慧城市。

7.3 网络核心

定义：网络核心是网络结构的中枢，由高速路由器、交换机和分组交换设备组成，负责数据的高效转发和路由选择。

功能：

分组交换
路由选择
流量管理
故障恢复

组成设备：

路由器：
- 高速转发数据分组，负责跨网络的路径选择。
- 核心路由器支持数百Gbps甚至Tbps的转发速率。
交换机：
- 提供局域网或数据中心内部的高速数据交换。
- 核心交换机支持多层转发，适合大规模流量的处理。
光纤链路：
- 核心网络多采用光纤连接，以实现高带宽、低延迟的传输。
- 技术：DWDM（密集波分复用），支持多个光信号同时传输。

八、数据交换技术

数据交换技术是计算机网络的核心基础，决定了数据在网络中如何从源节点传输到目标节点。主要的交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。每种技术有其独特的特点和适用场景。

8.1 电路交换

定义：

工作原理：

建立连接（分配通信资源）：
- 通过多个交换节点为通信双方建立一条物理线路。
- 使用频分多路复用（FDM）或时分多路复用（TDM）技术共享通信介质。
数据传输（一直占用通信资源）：
- 在专用线路上连续传输数据。
- 数据以稳定的速率传输，延迟较低。
释放连接（归还通信资源）：
- 通信结束后，双方释放电路，将资源还给网络。

特点：

实时性强：
- 数据在建立的电路上直接传输，时延低、稳定性好。
- 适合语音、视频等实时性要求高的业务。
信道利用率低：
- 即使通信双方没有数据传输，电路也会保持占用状态，导致资源浪费。
适用范围有限：
- 电路交换适用于电话网络等需要实时语音传输的场景。

优缺点：

优点	缺点
实时性强，延迟小	信道利用率低，资源浪费严重
传输过程中数据无丢失	灵活性差，不适合突发性数据流量

应用场景：

传统电话通信网络（有线电话）。
视频会议等实时通信场景。

8.2 报文交换

定义：报文交换是一种“存储-转发”方式的交换技术。发送方将要传输的完整数据附加目标地址和控制信息后发送到网络中，各交换节点逐步存储、检查并转发报文，直到到达目标节点。

工作原理：

报文组装：
- 发送方将数据打包为报文，并附加目标地址。
存储-转发：
- 报文到达交换节点后，节点先将其存储在缓冲区中，检查无误后再转发至下一个节点。
逐跳转发：
- 报文逐跳传输至目标节点。
目标节点接收：
- 接收方收到完整报文后进行处理。

特点：

灵活性高：
- 不需要建立专用线路，支持动态路由。
信道利用率高：
- 网络链路可以共享，适合突发性数据流量。
时延较长：
- 报文在每个节点存储后再转发，时延会随着路径增加而累积。

优缺点：

优点	缺点
信道利用率高，适合突发性流量	时延较长，尤其是网络拥塞时
无需专用线路，网络灵活性高	报文较大时，需较大的节点存储空间

应用场景：

早期的电报网络。
文件传输等非实时通信场景。

8.3 分组交换

定义：分组交换是将数据分割为较小的独立数据块（称为分组或数据包），每个分组附加目标地址和序号后独立传输到目的地，到达后重新组装成完整数据的交换技术。

工作原理：

数据分割：
- 将待传输的完整数据（如文件）切割成多个小分组，每个分组附加控制信息（目标地址、序号等）。

独立传输：
- 每个分组独立选择路由传输到目标节点。
- 分组可能经过不同路径到达目的地。
重组报文：
- 目标节点根据分组序号重新组装完整数据。
差错控制：
- 如果某个分组丢失或出错，仅需重传该分组。

特点：

灵活性高：
- 分组可以选择不同路径，适应网络动态变化。
信道利用率高：
- 网络链路可以同时传输多个分组，提高资源利用率。
可靠性强：
- 数据出错时，只需重传特定分组，减少重传开销。

优缺点：

优点	缺点
信道利用率高，资源分配灵活	分组头部信息增加了传输开销
网络故障时可选择其他路径绕过故障	可能出现分组乱序，需要重排序
适合突发性和多种类型的业务流量	重组过程可能增加目标节点负担

应用场景：

互联网和计算机网络（如TCP/IP）。
流媒体、文件传输、电子邮件等。

与报文交换的对比：

分组交换以小数据块为单位传输，更灵活；而报文交换以完整报文为单位，传输效率较低。
分组交换对节点存储空间要求较低；而报文交换需要足够大的存储空间。

8.4 技术对比总结

技术	特点	应用场景	优缺点
电路交换	实时性强，需建立专用线路	电话网络、视频会议	优点：实时性高，延迟小；缺点：信道利用率低，不适合突发性流量。
报文交换	存储-转发，信道利用率高，但时延较长	电报网络、文件传输	优点：灵活性高，适合非实时通信；缺点：需要较大的存储空间，时延较长。
分组交换	数据分割为分组独立传输，动态选择路径	互联网、流媒体、文件传输	优点：灵活性强，信道利用率高，可靠性强；缺点：分组头部增加传输开销，可能出现乱序分组，需要重组。

电路交换适合语音和视频等实时性要求高的场景，但资源利用率低。
报文交换适合非实时、完整性要求高的应用，但时延较长。
分组交换是当前计算机网络中最广泛使用的技术，支持多种类型的流量和突发性需求，成为现代网络通信的基础。

USB迷 | 专注于互联网分享

计算机网络基础知识

一、计算机网络的基本概念

1.1 计算机网络的诞生

1.2 计算机网络的定义

1.3 因特网的引入

二、计算机网络的功能

2.1 数据通信

主要应用场景：

2.2 资源共享

2.2.1 硬件资源共享：

2.2.2 软件资源共享：

2.2.3 信息资源共享：

2.3 分布式处理

主要特点：

应用场景：

2.4 提高可靠性

主要技术手段：

应用场景：

2.5 负载均衡

主要技术手段：

应用场景：

三、计算机网络的组成

3.1 组成部分

1. 硬件

2. 软件

3. 协议

3.2 工作方式

1. 边缘部分

2. 核心部分

四、计算机网络的分类

4.1 按覆盖范围分类

1. 个人区域网（PAN, Personal Area Network）

2. 局域网（LAN, Local Area Network）

3. 城域网（MAN, Metropolitan Area Network）

4. 广域网（WAN, Wide Area Network）

4.2 按使用者分类

1. 公用网

2. 专用网

4.3 按交换技术分类

1. 电路交换

2. 报文交换

3. 分组交换

4.4 按拓扑结构分类

4.5 按传输技术分类

1. 广播式网络

2. 点对点网络

五、计算机网络的性能指标

5.1 速率

单位：

实际解释：

影响因素：

5.2 带宽

单位：

实际意义：

注意点：

理想与现实的区别：

5.3 吞吐量

单位：

与带宽的关系：

影响因素：

5.4 时延

定义：

5.5 时延带宽积

公式：

意义：

举例：

5.6 往返时间（RTT）

公式：

应用：

5.7 利用率

分类：

注意事项：

5.8 丢包率

分类：

影响因素：

影响：

六、分层结构与协议

6.1 分层的意义

2. 协议的独立性