计算机网络的基本概念-2
1、数据交换技术：电路交换、报文交换与分组交换
网络核心部分的关键设备是路由器，其工作方式是分组交换。要理解分组交换，必须先了解其前两种技术。
1. 电路交换 (Circuit Switching)
核心思想：通信前必须预先建立一条专用的物理通路，在整个通信期间独占该通路，直至通信结束后释放。过程分为三步：建立连接 → 通信 → 释放连接。
- 典型例子：传统的电话网络。
- 特点：通信过程中，数据直通传输，无存储转发时延。
优点 | 缺点 |
1. 传输时延小：通路专用，数据直达。 | 1. 建立连接时间长。 |
2. 数据有序传输。 | 2. 线路利用率低：独占资源，即使空闲也不能被他人使用。 |
3. 无冲突。 | 3. 灵活性差：通路中任何一点故障都需要重新建立连接。 |
4. 实时性强。 | 4. 难以进行差错控制。 |
结论：不适合突发性很强的计算机数据通信。
2. 报文交换 (Message Switching)
核心思想：采用存储转发机制。以整个报文（Message）为传输单位。每个节点接收整个报文并存储下来，然后为其选择一条合适的空闲线路，转发到下一个节点。
- 特点：无需建立专用通路。
优点 | 缺点 |
1. 无建立连接时延：随时可发送。 | 1. 转发时延高：必须接收完整个报文后才能转发。 |
2. 线路利用率高：动态分配线路。 | 2. 对节点缓存要求高（报文大小不定）。 |
3. 支持差错控制。 | 3. 出错重传代价大（重传整个报文）。 |
3. 分组交换 (Packet Switching)
核心思想：报文交换的改进版。先将较长的报文划分为若干个等长的分组（Packet），每个分组加上包含目的地址、源地址等控制信息的首部。然后以分组为单位进行存储转发。
- 典型例子：现代互联网（Internet） 的核心技术。
- 特点：继承了报文交换的优点，并克服其缺点。
优点 | 缺点 |
1. 高效：分组较小，便于存储管理，转发时延低。 | 1. 存在存储转发时延（但比报文交换小）。 |
2. 灵活：每个分组可独立选择路由。 | 2. 需要传输额外开销（每个分组的首部）。 |
3. 可靠：出错重传代价小（只需重传出错的分组）。 | 3. 若管理不当，可能出现失序、丢失或重复分组。 |
4. 线路利用率高。 |
分组交换的两种服务方式：
- 数据报 (Datagram)：每个分组独立路由。可能失序。（如IP协议）
- 虚电路 (Virtual Circuit)：通信前先建立一条逻辑连接，所有分组沿此路径传送。保证有序。（如帧中继、ATM）
4、三种交换方式的对比总结
特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
传输单位 | 比特流 | 报文 | 分组 |
通信路径 | 专用物理通路 | 非专用 | 非专用 |
建立连接 | 需要 | 不需要 | 数据报不需要，虚电路需要 |
存储转发 | 不支持 | 支持 | 支持 |
传输时延 | 小（几乎无时延） | 大（存储转发时延长） | 中（存储转发时延较小） |
线路利用率 | 低 | 高 | 高 |
灵活性/可靠性 | 低 | 中 | 高 |
适用场景 | 语音、视频等实时通信 | 已被分组取代 | 突发式计算机数据通信 |
核心结论：分组交换在线路利用率和可靠性上取得了最佳平衡，因此成为计算机网络（尤其是Internet）核心部分的首选技术。
2、计算机网络的分类
计算机网络可以从不同维度进行分类，以下是常见的分类方式：
1. 按分布范围分类
类型 | 分布范围 | 典型例子 |
广域网 (WAN) | 几十到几千公里（国家、洲际） | Internet、公共电话网 |
城域网 (MAN) | 几到几十公里（城市） | 城市宽带网、有线电视网 |
局域网 (LAN) | 1公里左右（校园、办公楼） | 以太网(Ethernet)、Wi-Fi |
个域网 (PAN) | 10米以内（个人区域） | 蓝牙(Bluetooth)、ZigBee |
2. 按传输技术分类
- 广播式网络：所有主机共享一个通信信道。一台主机发送数据，网络中的所有其他主机都能收到。需要地址来标识目标主机（如早期的以太网）。
- 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制。一条物理线路只连接一对主机（如PPP协议）。Internet是最大的点对点网络。
3. 按拓扑结构分类
指网络中节点和链路的几何排列形状。
- 总线型：所有设备连接在一条总线上。优点：结构简单，易于扩展。缺点：重负载时通信效率不高、故障诊断难，总线故障则全网瘫痪。
- 星型：所有节点都连接到一个中央节点（如交换机）。优点：易于管理、维护，单点故障不影响其他节点。缺点：成本高、中央节点故障则全网瘫痪。
- 环型：节点通过接口连接成一个闭合环。优点：简化路径选择。缺点：任意节点故障可能导致全网瘫痪。
- 网状型：节点之间的连接是任意的，没有规律。优点：可靠性极高。缺点：结构复杂，成本高。Internet的核心部分常采用网状拓扑。
4. 按使用者分类
- 公用网：面向公共运营、为社会所有人服务的网络（如中国电信的网络）。
- 专用网：为满足特定单位或部门的需要而建造的网络，不向外部用户提供服务（如军队、铁路、银行系统的内部网络）。
5. 按交换技术分类
- 电路交换：建立一条专用的物理通路（如电话网络）。
- 报文交换：以整个报文为单元进行存储转发。
- 分组交换：将报文分割成更小的分组进行存储转发。是现代计算机网络的主流技术（如IP网络）。
3、计算机网络性能指标
1、核心性能指标解析
指标 | 定义 | 计算公式 | 关键特性 |
速率 | 节点在数字信道上传送数据的速率（数据传输速率） | - | 单位：b/s、kb/s（10³）、Mb/s（10⁶）、Gb/s（10⁹） |
带宽 | 通信线路的理论最高数据传输速率（单位时间最大传输能力） | - | 单位：b/s（注意：原指频率范围Hz，网络中特指最高数据传输速率） |
吞吐量 | 单位时间内通过网络的实际数据量（实测值） | - | 实际性能 ≤ 带宽（受协议开销、拥塞等影响） |
时延 | 数据从网络一端到另一端的总时间 | 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 | 四部分时延共同作用 |
2、时延深度分解
1、发送时延（传输时延）
- 本质：节点将数据推送到链路上的时间
- 公式：
发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (b/s) - 示例：发送10KB文件（81,920 bit），带宽1Gb/s（10⁹ b/s）→ 0.082 ms
2、传播时延
- 本质：电磁波在介质中传播的时间（光速限制）
- 公式：
传播时延 = 信道长度 (m) / 传播速率 (m/s) - 传播速率：
- 光纤/铜缆：≈2×10⁸ m/s（真空光速的2/3）
- 卫星通信：270 ms（地球同步轨道往返）
- 示例：北京到上海光纤（1,300 km）→ 6.5 ms
3、处理时延
- 组成：检错（CRC校验）、路由查找、协议解析等
- 典型值：路由器处理≈1~100 μs（与硬件性能相关）
4、排队时延
- 动态变化：取决于网络拥塞程度（遵循M/M/1排队模型）
- 拥塞时剧增：
- 轻载时≈0 ms
- 负载80%时急剧上升（指数增长）
考试注意：通常忽略处理时延和排队时延（除非题目特别说明）
3、衍生指标
指标 | 定义 | 公式 | 应用意义 |
时延带宽积 | 链路可容纳的最大比特数（比特为单位的链路“容量”） |
| 评估链路利用率（如卫星链路需大缓冲区） |
往返时延(RTT) | 发送端发出分组 → 收到接收端确认的总时间 |
| 关键影响TCP性能（超时重传、滑动窗口） |
信道利用率 | 信道处于数据传输状态的时间占比 |
| 过高引发拥塞（理想值：30%~60%） |
4、总结
- 核心概念：务必清晰区分网络、互连网和互联网（因特网）。
- 核心组成：记住硬件、软件、协议三要素，以及边缘部分/资源子网和核心部分/通信子网的功能划分。
- 分类方式：重点是分布范围（WAN/MAN/LAN/PAN）和拓扑结构（总线、星型、环型、网状）的分类及其优缺点。
- 技术本质：现代计算机网络（Internet）是基于分组交换技术的、点对点的、网状结构的广域网。
为了帮助大家更好地掌握本文关于‘计算机网络的基本概念-2’的核心，我特意准备了下面的思维导图。
