计算机网络基础笔记：从概念、交换方式到体系结构
1. 计算机网络的基本概念
1.1 三大类网络
按照网络的发展与业务形态，可以粗略地划分为三大类网络：
- 电信网络：以电话业务起家，提供语音与数据通信服务。
- 有线电视网络：以广播电视业务为主，单向广播特征明显。
- 计算机网络：以计算机之间的数据交换为核心，是本文讨论的重点。
1.2 因特网与 Internet
因特网：与网络相连的计算机称为主机（Host）。主机是用户直接使用的终端设备，也是网络边缘部分的主体。
Internet（互联网/因特网）：一个多层次的 ISP 结构的互联网，ISP 即互联网服务提供商（Internet Service Provider）。各层 ISP 之间通过骨干网互联，用户通过本地 ISP 接入。
WWW（万维网，World Wide Web）：只是 Internet 上提供的一项服务，并不等同于 Internet 本身。
1.3 三网融合
目前电信网、广播电视网、互联网都在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进，技术上趋向一致，业务上互相渗透，这就是所谓的「三网融合」。
1.4 计算机网络的定义
计算机网络：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
其中「自治」指计算机之间没有主从关系，每台计算机都能独立工作。
1.5 互联网的两个基本特点
- 连通性：用户之间可以交换信息。
- 共享性：资源共享，包括硬件、软件和数据。
1.6 WWW 与 Internet 的关系
WWW 只是 Internet 提供的一项最核心的服务（基于HTTP 协议），Internet 还包含 FTP、Email 等多种服务。换句话说，Internet 是基础设施，WWW 是跑在它上面的一种应用。
2. 互联网的标准化与组织
2.1 相关组织
- 互联网体系结构委员会 IAB（Internet Architecture Board）
- 互联网工程部 IETF（Internet Engineering Task Force）
- 研究部 IRTF（Internet Research Task Force）
2.2 正式标准的三阶段
传统教材中，互联网正式标准的制定分为三个阶段：
草案 → 建议标准 → 互联网标准
2.3 RFC 文档与标准化流程
互联网的所有标准都以RFC（Request for Comments）文档的形式发布。
现在的 RFC 标准化过程更为严谨，大致包含：
- 因特网草案（Internet Draft）：此时还不是 RFC 文档；
- 建议标准（Proposed Standard）；
- 因特网标准（Internet Standard）。
有时还会有「草案标准（Draft Standard）」阶段，但现已淡化。
3. 互联网的组成与核心：交换方式
3.1 边缘部分与核心部分
- 边缘部分：由客户（C）、服务器（S）、对等连接（P2P）等构成，是用户直接使用的部分。
- 核心部分：由路由器组成，采用分组交换，其特点是存储转发。
3.2 边缘部分的两种通信方式
- C/S 模式（客户-服务器）：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
- P2P 模式（对等连接）：不区分谁是请求方和服务方，每个节点既是客户端也是服务器（如 BT 下载）。
3.3 三种交换方式对比（重点）
电路交换：建立连接（占用通信资源）→ 通话（一直占用）→ 释放连接。
- 优点：传输实时性强，时延小；
- 缺点：线路利用率低（独占资源），建立连接时间长。
报文交换：将整个报文（数据整块）发送到相邻节点，节点全部接收后再查找转发表，转发给下一个节点。
- 优点：无需预先建立连接；
- 缺点：报文大小无限制，对节点缓存要求高，时延大。
分组交换：将报文划分成等长的小块（分组/包），并为每个分组加上首部（包含目的地址等控制信息），各分组独立选择路径、存储转发。
- 优点：高效、灵活、线路利用率高；
- 缺点：可能产生乱序、丢失，需要额外控制信息（首部开销）。
| 交换方式 | 是否需建立连接 | 资源占用 | 时延 | 典型问题 |
|---|---|---|---|---|
| 电路交换 | 需要 | 独占线路 | 小且稳定 | 利用率低 |
| 报文交换 | 不需要 | 整报文缓存 | 大 | 缓存要求高 |
| 分组交换 | 不需要 | 按分组转发 | 较小 | 乱序、丢失、首部开销 |
4. 计算机网络在中国的发展
4.1 六大骨干网
- CHINANET（中国电信互联网）
- UNINET（中国联通互联网）
- CMNET（中国移动互联网）
- CERNET（中国教育和科研计算机网）
- CSTNET（中国科学技术网）
这六大骨干网构成了中国的互联网基础。
4.2 补充说明
- CERNET对大学生最重要，它是中国第一个全国性学术计算机网，也是高校校园网接入的主干。
- 这六大网络中，CHINANET是面向社会公众的公用互联网。
5. 计算机网络的分类
5.1 按区域范围分类
- 广域网 WAN（Wide Area Network）
- 城域网 MAN（Metropolitan Area Network）
- 局域网 LAN（Local Area Network）
- 个人区域网 PAN（Personal Area Network）
5.2 按使用者分类
- 公用网
- 专用网（如军队、企业内网）
5.3 按拓扑结构分类
总线型、星型、环型、树型、网状型。其中广域网多用网状型，局域网多用星型。
5.4 按传输技术分类
- 广播式网络：共享通信信道，如早期以太网、无线局域网；
- 点对点网络：一对一通信，如路由器之间。
6. 计算机网络的性能指标
6.1 性能特征与非性能特征
性能特征：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、利用率。
非性能特征：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理与维护。
6.2 速率与带宽
速率（数据率/比特率）：单位是b/s（比特每秒），注意不是字节（Byte）。1 Byte = 8 bit。
带宽：原本指信号频带宽度（Hz），在计算机网络中指数字信道所能传送的最高数据率（b/s）。
吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际数据量。带宽是理想极限，吞吐量是实际值。
6.3 时延的四大组成
- 发送时延= 数据长度 / 发送速率（网卡将数据推向链路的时间）；
- 传播时延= 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率（光速，约 2×10⁸ m/s）；
- 处理时延：路由器查表、处理数据的时间；
- 排队时延：在路由器缓存中等待处理的时间。
6.4 时延带宽积与利用率
时延带宽积 = 传播时延 × 带宽，代表「链路中容纳的比特数」，也称「以比特为单位的链路长度」。
利用率：信道利用率并非越高越好，趋近于 1 时，排队时延会呈指数级增长。
7. 计算机网络体系结构（重中之重）
7.1 OSI 七层模型与 TCP/IP 五层模型
OSI 七层模型：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
TCP/IP 五层模型：应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
7.2 为什么实际不采用 7 层
OSI 模型过于理想化：层次划分过多，会话层和表示层的功能在很多应用中重复；同时标准制定周期太长，错失市场先机。
7.3 各层核心功能一句话总结
- 物理层：在物理媒体上透明地传输比特流（0 和 1）。
- 数据链路层：将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，提供差错检测（CRC），解决相邻节点间的传输。
- 网络层：负责路由选择和逻辑寻址（IP 地址），实现数据包在不同网络之间的转发。
- 运输层：提供端到端（进程到进程）的通信。核心协议：TCP（可靠、面向连接）、UDP（不可靠、无连接）。
- 应用层：直接为用户的应用进程提供服务，协议如 HTTP、DNS、FTP 等。
7.4 数据在各层的封装与解封装
发送时：应用层数据 → 加上 TCP 头（段）→ 加上 IP 头（包）→ 加上 MAC 头（帧）→ 转为电信号（比特流）。
接收时：层层剥开头部（解封装），最终还原为应用层数据。
