1.1 计算机网络概述

对应王道教材 1.1 节（教材 P1–P9）· 本节属于 408 考纲范围

1.1.1 计算机网络的概念 考点

一般认为，计算机网络是将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，并由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络（简称网络）由若干节点（Node，或译为结点）和连接这些节点的链路（Link）组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。多个网络还可以通过路由器互联，构成覆盖范围更广的网络，称为互连网（internet）。由此可理解：网络把多台计算机连接在一起，而互连网把多个网络通过路由器连接在一起。

网络的最终用户通过互联网服务提供商（ISP）接入互联网，例如中国电信、中国移动等。所谓上网，是指通过某 ISP 分配的 IP 地址接入互联网。ISP 从互联网管理机构申请大量 IP 地址，并拥有通信线路及路由器等连网设备；任何机构或个人只要向 ISP 缴纳费用，就可获得所需 IP 地址的使用权，并通过该 ISP 接入互联网。

1.1.2 计算机网络的组成

从不同角度看，计算机网络的组成可分为以下几类：

1）从组成部分看

计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成：

• 硬件：主机（台式机、笔记本、平板、智能手机等）、通信链路（双绞线、光纤等）以及交换设备（路由器、交换机等）；
• 软件：实现资源共享的系统软件和便于用户使用的应用工具（如 E-mail 程序、FTP 程序、聊天程序等）；
• 协议：计算机网络的核心，如同交通规则规范车辆行驶一样，规定了数据在网络中传输时必须遵循的规则。

2）从工作方式看

以互联网为例，可分为边缘部分和核心部分：边缘部分由所有连接到互联网、供用户直接使用的主机组成，用于通信（数据传输）和资源共享；核心部分由大量网络及互连这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性与交换服务。

3）从功能组成看

计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由传输介质、通信设备及相关网络协议组成，负责数据的传输、交换、控制与存储，实现联网计算机之间的通信；资源子网是实现资源共享功能的设备及软件的集合，向用户提供共享其他计算机上的硬件、软件和数据资源的服务。

1.1.3 计算机网络的功能

计算机网络主要有以下五大功能：

1. 数据通信：最基本且最重要的功能，实现联网计算机之间各种信息的传输，如文件传输、电子邮件等。
2. 资源共享：可以是软件、数据或硬件的共享，使网络中的资源互通有无、分工协作，提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。
3. 分布式处理：当网络中某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的复杂任务分配给网络中其他计算机系统，利用空闲资源提高整个系统的利用率。
4. 提高可靠性：网络中的各台计算机可以通过网络互为备份。
5. 负载均衡：将工作任务均衡地分配给网络中的各台计算机，避免某些计算机过载而其他计算机闲置。

此外，计算机网络还支持电子办公与服务、远程教育、娱乐等功能。

1.1.4 电路交换、报文交换与分组交换 考点

在网络核心部分起关键作用的是路由器（Router），其通过对接收到的分组进行存储转发来实现分组交换。

1．电路交换

最典型的电路交换网络是传统电话网。从通信资源分配的角度看，交换是按照某种方式动态分配传输线路资源。电路交换分为三个阶段：建立连接（占用通信资源）、传输数据（持续占用通信资源）和释放连接（归还通信资源）。在数据传输前，通信双方必须先建立一条专用的端到端物理通路，该通路由沿途的交换设备和链路段连接而成；通信过程中这条通路始终被双方独占，直至通信结束才释放。

电路建立后，除源节点和目的节点外，中间节点仅提供端到端物理通路，比特流连续地从源端直达目的端，如同通过管道传输。因此电路交换适用于低频次、连续且大量的数据传输。

计算机之间的通信通常是突发式（高频、少量）的，若采用电路交换，已占用的通信线路在大部分时间内处于空闲状态，其利用率往往不足 10%，甚至低于 1%。

2．报文交换

用户数据附加源地址、目的地址等控制信息后，被封装成报文（Message）。报文交换采用存储转发技术：整个报文先传送到相邻节点，被完整接收并存储后，节点根据转发表将其转发至下一跳，如此逐跳转发，直到到达目的端。每个报文可独立选择通往目的端的路径。

3．分组交换

分组交换同样采用存储转发技术，但有效解决了报文交换中因报文过长带来的问题。源主机在发送前，先将较长的报文划分为若干较小的等长数据段，并在每个数据段前面添加由必要控制信息（如源地址、目的地址、分组编号等）组成的首部，构成分组（Packet）。

源主机将分组发送到分组交换网，网络中的分组交换机（如路由器）收到一个分组后，先将其缓存，然后从首部提取目的地址，据此查找转发表，并将分组转发给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发，分组最终到达目的主机。

三种交换方式的比较

当需连续传输大量数据、且传输时间远大于连接建立时间时，采用电路交换更为合适。但从提升网络整体信道利用率角度看，报文交换和分组交换优于电路交换。其中，分组交换时延更小、更灵活，尤其适合突发式数据通信。

1.1.5 计算机网络的分类

1．按分布范围分类

• 广域网（WAN）：用于长距离通信，覆盖范围通常为几十至几千千米，常用于构建互联网的骨干部分，其节点交换机间通过高速链路互联，通信容量大。
• 城域网（MAN）：覆盖范围可跨越几个街区乃至整个城市，直径约 5～50km。目前城域网大多采用以太网技术，因此有时也被归入局域网的讨论范畴。
• 局域网（LAN）：通常将主机通过高速线路互联，覆盖范围较小，一般为几十米到几千米。传统上，局域网采用广播技术，而广域网采用交换技术。
• 个人区域网（PAN）：在个人工作或活动区域内，利用无线技术将消费电子设备（如平板电脑、智能手机等）互联而成的网络，也称无线个人区域网（WPAN）。

2．按传输技术分类

• 广播式网络：所有联网计算机共享一个公共通信信道。一台计算机通过该信道发送报文分组时，所有其他计算机都能"收听"到该分组，并通过检查目的地址决定是否接收。局域网普遍采用广播式通信；广域网中的无线和卫星通信网络也属于广播式网络。
• 点对点网络：每条物理线路连接一对计算机。若两台主机之间无直接连接，则分组需通过中间节点进行存储转发，直至到达目的主机。

3．按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指网络中节点（如路由器、主机等）与通信线路之间的几何排列关系，主要描述通信子网的结构。总线形、星形和环形多用于局域网，网状结构则多用于广域网。

• 总线形网络：使用单根传输线连接所有计算机。优点是建网容易、增减节点方便、节省线路；缺点是重负载下通信效率低，且总线任意一处故障都会影响全网。
• 星形网络：各终端或计算机通过独立线路连接到中央设备（通常为交换机或路由器）。优点是便于集中控制与管理；缺点是成本较高，且中央设备对故障敏感。
• 环形网络：所有计算机接口设备连接成一个闭合环路，信号沿环路单向传输。典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环或双环，以提高可靠性。
• 网状网络：一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，广泛应用于广域网。优点是可靠性高、容错能力强；缺点是控制复杂、线路成本高。

上述四种基本拓扑结构可相互组合，构成更复杂的混合网络。

4．按使用者分类

• 公用网（Public Network）：由电信运营商出资建设，面向公众开放，任何愿意遵守规定并缴纳费用的用户均可接入使用。
• 专用网（Private Network）：由特定单位为满足自身业务需求而建设，仅限内部使用，不对外提供服务，例如铁路、电力、军队等部门的专用网络。

5．按传输介质分类

传输介质分为有线和无线两大类，相应地网络可分为有线网络和无线网络。有线网络包括双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络等；无线网络包括蓝牙、Wi-Fi、微波、无线电等类型。

1.1.6 计算机网络的性能指标 考点

1）速率（Speed）

连接到网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 bit/s（比特/秒）或 b/s（有时也写作 bps）。数据率较高时，常用 kb/s（\(k=10^3\)）、Mb/s（\(M=10^6\)）或 Gb/s（\(G=10^9\)）表示。

2）带宽（Bandwidth）

在通信领域，带宽指通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹（Hz）。但在计算机网络中，带宽表示网络通信线路所能传送数据的能力，指数字信道所能支持的最高数据传输速率，单位为 b/s。注意，节点间的实际可用带宽由双方网卡的性能、各段链路的带宽以及交换设备速率中的最小值决定。

3）吞吐量（Throughput）

指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。吞吐量常用于对实际网络进行测量，以评估真实可达到的数据传输能力。

4）时延（Delay） 考点

时延指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间，由四部分构成：

• 发送时延（也称传输时延）：节点将分组的所有比特推入链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特开始，到最后一个比特发送完毕为止的时间。

• 传播时延：电磁波在信道（传输介质）中传播一定距离所需的时间，即一个比特从链路一端传播到另一端所需的时间。

• 处理时延：分组在交换节点中为存储转发而进行必要处理所花费的时间，例如解析分组的首部、进行差错检验或查找路由等。
• 排队时延：分组在路由器的输入队列或输出队列中等待处理或转发所花费的时间。

以图 1.6 所示的分组交换网为例，该网络包含两段链路，假设主机 A 向主机 B 发送一个长度为 1000B 的分组，总时延在三种典型场景下的分析如下：

5）时延带宽积

指发送端发送的第一个比特即将到达接收端时，发送端已发出的比特总数，即已发出但尚未到达接收端的最大比特数，也称以比特为单位的链路长度。

可将链路想象成一条圆柱形管道：其长度表示传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可容纳的比特数量。

6）往返时延（Round-Trip Time，RTT）

指从发送端发出一个短分组，到收到接收端返回的确认信号所经历的总时间。往返时延包括：发送端与接收端之间的往返传播时延、接收端的处理时延；在互联网环境中，还包括各中间节点的处理时延和排队时延。注意，往返时延不包括数据分组本身的发送时延。

7）信道利用率

指信道有数据通过的时间占总时间的百分比。

8）丢包率 考点

丢包率指在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率，是网络运维中常用的指标，用于反映网络的拥塞程度。分组丢失主要发生在分组交换机的输入队列和输出队列：当链路的传输速率低于分组进入交换机的速率，或网络拥塞导致缓存溢出时，交换机会不得不丢弃部分分组。需要说明的是，丢包率并非衡量网络性能的唯一标准，高丢包率通常意味着网络拥塞或链路故障，但正常运行的网络的丢包率也未必为零。

（来源：高军《深入浅出计算机网络》1.5 节、湖科大教书匠笔记 1.1 节——王道教材未单列此指标）