26考研 | 王道 | 计算机网络 | 第一章 计算机网络的体系结构

26考研 | 王道 | 第一章 计算机网络的体系结构

1.1 计算机网络概述

1.计算机网络的概念

**计算机网络（Computer networking）**是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

• 自治的：如果一台设备坏掉，不会影响另外一台设备的运行。
• 通信设备：家用路由器、5G基站。
• 线路：WiFi——无线线路；网线——有线线路。
• 软件：百度网盘——资源共享；微信——信息传递。

计算机网络、互连网、互联网的区别

• 计算机网络（简称 网络）：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

两个或者两个以上的计算机相互连接起来就是互连网。把全球的计算机都连接起来组成的更大的互连网就是互联网

结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等；

链路可以是有线链路、无线链路。

• 集线器：可以组建一个简单的计算机网络，但是效率不高，所以用的很少

• 交换机

计算机网络我们通常用云朵形状表示。

• 路由器

例：某银行的内部网络（互连网）

例：家庭内部网络

家用路由器=路由器+交换机+其他功能

• 互联网（或因特网，Internet）

如何理解“TCP/IP协议”？

覆盖全世界范围的互联网，为了确保各个结点之间可以畅通无阻的通信，必须规定所有结点都必须遵守的一种通信协议，也就是TCP/IP协议。

2.计算机网络的组成

• 从组成部分看

硬件就是看得见摸得着的

软件就是电脑手机路由器里面安装的，只是用途不同。路由器里面的软件是用来通信的

拓展：网络适配器，就是网卡

在适配器出厂的时候，厂家通常会在这个适配器里面安装一些固件，固件即一种特殊的软件，可以理解为厂家把这个软件安装在网络适配器的一个ROM芯片里面，这个软件结合网络适配器这个硬件的功能，就可以实现某一类的网络功能（如TCP/IP协议）。

• 从工作方式看

连通性：边缘部分的这些主机，他们之间是相互连通的。例：A点可以给B点发送数据。

交换服务：当一个数据包想要从网络中的A点传送到B点的时候，计算机网络的核心部分会为这个数据包自动地选择一条合适的路径进行传送，即动态地去选择数据在网络当中传送的路径，以保证网络当中的各条线路都不会负载太重，本质上是对网络内部资源的动态配置、动态调整。

• 从逻辑功能看

3.计算机网络的功能

1.数据通信（最基本、最重要的功能）

2.资源共享

3.分布式处理

4.提高可靠性

5.负载均衡

某网络游戏有几百万的玩家，如果所有的玩家都连在同一台服务器上，那么这台服务器的负载就会特别高，光用一台服务器无法响应、处理这么多玩家发来的请求，因此，我们可以多开几台游戏服务器。例如，A这台服务器专门负责玩家的对战匹配。在斗地主的情景下，当有3位玩家已经完成对战等待进入游戏时，如果B服务器比较忙碌，C服务器比较空闲，负载不高，那么我们可以让这三个玩家去连接服务器C。这样我们就通过计算机网络实现了这些服务器的负载均衡。

6.分布式、集群式、负载均衡的区别和联系

1. 分布式：一个系统拆成多个子系统，部署在不同服务器。每个服务器只做一小块。功能拆分。
2. 集群式：每个服务器提供的服务一样，靠数量多取胜。
3. 负载均衡：把过来的请求，分发给不同的服务器去处理。类似导流器。

例如，一个购物网站，现在有10台服务器：

• 部署到10台服务器上，每台部署一份相同代码。集群式。
• 商品展示功能部署在一台服务器，购物车在一台服务器，支付在一台服务器……分布式。
• 上面这10台服务器，万一每次只访问1台咋办？负载均衡。把过来的请求均匀的（或加权的）分发到其他9台上（1台做分发），负载均衡。

现在，通常三者结合起来用：服务拆成子服务，用分布式的方式部署后，每个子服务再用集群式+负载均衡“扩容”，提高可用性。

4.电路交换、报文交换、分组交换

对于任何通信方式，不同规格的终端都很难相互通信，而不是说针对某个方式的缺点

1. 电路交换

电路交换（Circuit Switching）：通过物理线路的，动态地分配传输线路资源

早年间的长途电话更贵也是因为路途越长占用的通信资源越多

2. 报文交换

报文由控制信息和用户数据组成，但是由于用户数据大小并不确定所以报文是不定长的

3. “分组交换”技术

和报文交换的区别就是 把用户数据进行了分组，给等分了，每一组的大小都相等，也就是说报文是定长的

路由器就是一种电信你给的分组交换机

电路交换不存在存储转发时延问题，因为只需要让数据直接通过节点就行，不需要存储再转发

控制信息占比是三种方式中最大的

4. 虚电路交换技术

其实就是在网络层多加了很多功能，这样会让网络核心部分有很多的负载，不太好

但现代计算机网络仍使用的是分组交换技术

原因是因为它把失序这类问题让网络的核心部分比如路由器啥的去解决了，而网络核心部分要尽量的简单。并且对于终端来说，其实功能会强大很多，有更好的CPU和硬件，对于失序这类问题就是小菜一碟。

5.电路交换、报文交换、分组交换的性能对比

11毫秒

31毫秒

17.5毫秒

规律总结：如果A和B中间的路径经过了N台路由器，那当A把M个分组发送完毕之后，D还剩下N个分组没有接收

也就是如果只算发送时延，其他的时延都不管的话，那么发送M个分组的总时间就是A发送完毕的时间+D接收N个分组的时间

例题：P9页第14题

传输时延来说，分组交换比报文交换的时间短

5.计算机网络的分类

1. 按分布范围分类

2. 按传输技术分类

• 按拓扑结构分类

集线器连接设备物理上看起来好像是星型拓扑结构，实际上是总线形结构

没有拿到令牌的不可以往总线发送数据

补充：令牌环网的工作原理和作用

• 令牌环网主要的工作原理在于控制“令牌”的传递。令牌在网络中的每个节点之间按照逻辑顺序传递，任何一个节点在得到令牌后才能发送数据。如果网络上的一个节点需要发送数据，它必须等待直到拿到令牌这一特定的信号。一旦获取令牌，节点就可以传输数据。传输结束后，它会释放令牌，并将其传递给下一个节点。这种机制确保了在任何给定的时间里，只有一个节点可以发送数据，有效预防了数据碰撞，并提高了网络的可靠性。

• 令牌环网的作用在于支持高质量的、无冲突的网络通信。由于网络中的数据传输是有序的，并且在网络中的任意一点都不会发生数据包碰撞，这使得令牌环网在某种程度上优于以太网技术，特别是在网络负载较大时。令牌环协议还支持优先级和预留，可以为重要的网络流量提供优先服务。

3. 按使用者分类

4. 按传输介质分类

6.计算机网络的性能指标

1.速率

速率(speed)：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输率。

速率单位：bit/s、或b/s、或bps（bit per second)。bps和b/s是一个意思

bps和数据传输率是真题中最常用的

2. 带宽

带宽（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率。

选B

带宽的另一种含义

这两种带宽概念不同但是本质一样，信道带宽越大，传输数据的能力越强

3.吞吐量

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。吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。

4. 时延

时延（Delay）：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

每经过一条信道，就会产生一次发送时延和传播时延

每经过一次中间节点，就会产生一次发送处理时延和排队时延

注意：处理时延和排队时延如果题目不提及可以忽略不计。

5. 时延带宽积

6. 往返时延

7. 信道利用率

7.计算机网络的分层结构

1.“分层”的设计思想

分层的目标：

提供标准语言，定义标准界面，增加功能之间的独立性

定义功能执行的方法分层的目的

2. 三种常见的计算机网络体系结构

3. 网络体系结构的概念

4. 各层之间的关系

N层的SAP是N+1层访问N层服务的地方。在五层的体系中，数据链路层的服务访问点是为帧的雷凌字段，网络层的服务访问点是为IP数据报的协议字段，传输层的服务访问点是端口号字段，应用层的服务访问点是用户接口

5. 数据的传输过程

• 水平视角

水平视角中，每一层和它对等的每一层之间要实现通信，那么对应的每一层就必须有协议，然后让对方也按照这个来

• 垂直视角

在垂直视角，由于水平视角中，每一层都是其对应的协议，而每个协议的实现都需要控制信息，那么就说明我们在每一层都加上属于这一层的控制信息才行

PS：物理层不会对这些数据进行任何处理，他只负责把这些二进制数据原原本本的传输至物理传输媒体上。

信息传递到位以后呢，那么每一层都去拿属于自己的控制信息，来实现对应的协议，从下到上每一层都拿走自己的控制信息。

6. PDU、SDU、PCI的概念

PDU其实就是每一层的报文。每一层的报文分为控制信息和用户数据，分别对应PCI和SUD

而本层的PDU就是下一层的SUD，因为下一层的报文就是下一层控制信息加本层的报文

7. 协议三要素

语法例子：

TCP报文段的首部格式

同步例子：

释放TCP连接的四次挥手报文的先后关系

8.OSI参考模型

1. 关于个别术语的说明

2. 常见网络设备的功能层次

PC机实现了1-7的全部功能，集线器只能实现物理层，交换器实现的是数据链路层和物理层，路由器实现的是网络层、数据链路层和物理层

3.OSI 参考模型

• 1.物理层

• 2.链路层

  流量控制的一个描述：避免快速发送方淹没慢速发送方

  本层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输，作用包括物理寻址，组帧，流量控制，差错检验，数据重发

• 3.网络层

• 4.传输层

  设置进程对应的端口号

  复用：在发送方，多个进程可以通过端口号去请求传输层的功能

  分用：在接收方，传输层通过端口把数据分派给不同的进程

  为什么这些其他功能比如差错控制之类的已经在网络层实现了，为什么还要在传输层实现呢？

  传输层的一个报文段可能会被分成多个分组，网络层只能保障每个分组是对的，而传输层是保证这些分组全是正确的。比如一共传5个分组，传着传着一个分组丢了，传输层可以发现，因为少了一个分组。但是网络层觉得4个没啥问题，因为这4个单独看每个都没出错，但它却不知道有一个丢了

• 5~7层

• 总结：各层数据传输单位

  网络层的分组也可以叫做数据报

数据链路，网络，传输层都有流量控制功能，但是数据链路层是相邻节点之间的流量控制，网络层是整个网络中的流量控制，传输层是端到端的流量控制

9.TCP/IP 模型

总结内容：

OSI和TCP/IP的网络层和传输层的对比是常考内容，多加注意

导入内容:

TCP/IP 模型

• 应用层

• 网络接口层

ISO模型把网络硬件限制的太死了

• OSI 参考模型 VS TCP/IP 模型

• 网络层

• OSI 参考模型 VSTCP/IP 模型

网络核心部分功能简单，负载低是非常重要的。如果路由器要实现的功能太多，不仅造价成本更高，而且也会让传输速度更慢

删掉的蓝色字体是OSI中有的但是TCP/IP没有的