计算机网络-体系结构与基础

目录

1 基本概念

1.1 计算机网络定义、功能与组成

1.2 网络拓扑结构（星型、总线型、环型、树型、网状）

1.3 网络分类（LAN, MAN, WAN, PAN）

2 网络标准化

2.1 什么是网络标准化？

2.2 标准组织（ISO, ITU, IEEE）

1. ISO (International Organization for Standardization) - 国际标准化组织

2. ITU (International Telecommunication Union) - 国际电信联盟

3. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - 电气与电子工程师协会

2.3 RFC (Request for Comments)

3 网络模型

3.1 OSI 七层参考模型

3.2 TCP/IP 四层参考模型

3.3 OSI 与 TCP/IP 模型对比

4 网络性能指标

4.1 速率（比特率）

4.2 带宽（Bandwidth）

4.3 吞吐量（Throughput）

4.4 时延（传输时延、传播时延、处理时延、排队时延）

a. 传输时延 (Transmission Delay)

b. 传播时延 (Propagation Delay)

c. 处理时延 (Processing Delay)

d. 排队时延 (Queueing Delay)

4.5 时延带宽积

4.6 RTT（往返时间）

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1 基本概念

1.1 计算机网络定义、功能与组成

计算机网络的定义

计算机网络是指将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机系统，通过通信设备和传输介质连接起来，在网络软件（如网络协议）的管理和协调下，实现数据通信和资源共享的系统。

• 目的： 实现数据通信和资源共享。
• 主体： 独立功能的计算机（包括服务器、个人电脑、智能设备等）。
• 连接方式： 通过通信设备（如交换机、路由器）和传输介质（如网线、光纤、无线电波）。
• 规则： 必须遵循统一的网络协议（如 TCP/IP）。

计算机网络的功能

计算机网络的核心功能主要体现在以下几个方面：

1. 数据通信 (Data Communication)

• • 这是网络最基本、最重要的功能。它使得网络中的设备能够快速、可靠地交换信息。
  • 示例：电子邮件 (Email)、即时通讯 (如微信、QQ)、文件传输 (FTP)。

1. 资源共享 (Resource Sharing)

• • 允许网络中的用户共享各种资源，打破地理位置的限制。
  • 硬件资源共享： 如共享网络打印机、共享存储设备 (NAS)。
  • 软件资源共享： 如共享数据库系统、共享特定应用软件（如云端的 ERP 系统）。
  • 数据资源共享： 如共享文件、访问公共数据库、网页浏览。

1. 分布式处理 (Distributed Processing)

• • 网络允许将一个复杂的大任务分解成若干个子任务，分配给网络中不同的计算机去处理，最后再将结果汇总。
  • 示例：科学计算（如 SETI@home）、大数据处理（如 Hadoop MapReduce 框架）、云计算。

1. 提高可靠性 (Increased Reliability)

• • 网络中的资源可以互为备份。当某台计算机（如服务器）出现故障时，网络可以自动切换到其他备份服务器上，保证服务的持续性。
  • 示例：服务器集群、负载均衡、冗余备份。

1. 负载均衡 (Load Balancing)

• • 通过网络技术，可以将用户的请求均衡地分配到多台服务器上，避免单台服务器负载过高，提高系统的整体处理能力和响应速度。

计算机网络的组成

一个完整的计算机网络通常由以下三个主要部分组成：

1. 硬件系统 (Hardware)

• • 这是网络的物理基础，提供了数据传输的物理通道和连接设备。
  • 终端设备 (End Devices)： 也称为主机 (Host)，是网络的信源和信宿。

• • • 如：个人计算机、服务器、智能手机、网络摄像头、物联网设备等。

• • 网络连接设备 (Intermediary Devices)： 负责连接终端设备和网络，以及实现网络间的数据转发。

• • • 数据链路层设备： 交换机 (Switch)、网桥 (Bridge)。
    • 网络层设备： 路由器 (Router)。
    • 物理层设备： 集线器 (Hub)、中继器 (Repeater)。
    • 应用层设备： 网关 (Gateway，广义上路由器也是一种网关)。

• • 传输介质 (Transmission Media)： 负责传输原始的比特流。

• • • 有线介质： 双绞线 (网线)、同轴电缆、光纤。
    • 无线介质： 无线电波 (Wi-Fi, 蓝牙)、微波、红外线。

1. 软件系统 (Software)

• • 软件系统负责管理、协调和利用网络硬件资源，提供各种网络服务。
  • 网络操作系统 (NOS)： 运行在服务器或网络设备上的操作系统，负责管理网络资源。

• • • 如：Windows Server, Linux (如 Red Hat, Ubuntu Server), 专门的路由器操作系统 (如 Cisco IOS, Juniper JUNOS)。

• • 网络应用软件： 为用户提供具体的网络服务。

• • • 如：Web 浏览器 (Chrome, Firefox)、FTP 客户端、邮件客户端 (Outlook)。

1. 网络协议 (Protocol)

• • 协议是网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。没有协议，硬件和软件就无法协同工作。
  • 协议定义了数据传输的格式、顺序和错误处理方式。
  • 协议的三个要素：

• • • 语法： 规定了数据与控制信息的结构或格式（例如，一个 IP 包头必须包含源地址和目的地址）。
    • 语义： 规定了需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答（例如，收到一个 SYN 包应该回复一个 SYN+ACK 包）。
    • 时序： 规定了事件实现的顺序（例如，必须先建立连接才能传输数据）。

• • 协议的集合：不同的协议在网络的不同层次工作，它们共同组成了网络的体系结构，最著名的就是 TCP/IP 协议栈。

1.2 网络拓扑结构（星型、总线型、环型、树型、网状）

星型拓扑

• 结构定义：所有节点都通过单独的线路连接到一个中央节点（如集线器 Hub 或交换机 Switch）。
• 数据流：任何两个节点之间的通信都必须通过中央节点。
• 应用： 我们现在办公室、家庭组建局域网，99% 用的都是"星型拓扑" （例如，你办公室或家里的电脑通过网线连接到同一个交换机或路由器）。
• 好处： 非常好管理。其中一台电脑或者一根网线坏了，不影响其他任何人的使用。
• 坏处： 那个中心的“交换机”如果坏了，那大家就都上不了网了（但这在今天很容易替换）。

总线型拓扑

• 结构定义：所有节点都共享并连接到同一条主干电缆（称为“总线”）上。总线的两端需要安装终端电阻（Terminator）以吸收信号，防止信号反弹。
• 数据流：数据以广播的形式在总线上传播，所有节点都能接收到信号，但只有目标地址匹配的节点才会处理该数据。
• 缺点：故障诊断困难： 如果主干电缆（总线）上任何一点出现故障（如断裂），整个网络都会瘫痪。定位故障点非常困难。
• 应用：早期的以太网（如 10Base-2），现在已基本被淘汰。

1.3 网络分类（LAN, MAN, WAN, PAN）

它们的区别就是覆盖的“地盘”大小不一样，从小到大依次是：PAN -> LAN -> MAN -> WAN。

类型	中文名称	覆盖范围 (从小到大)	常见示例
PAN	个人区域网	个人身边（~几米）	蓝牙耳机、智能手表
LAN	局域网	一栋楼、一个家庭、一个园区	家庭 Wi-Fi、办公室网络、网吧
MAN	城域网	一个城市	大学城校区互联、城市有线电视网
WAN	广域网	国家、大洲、全球	互联网 (Internet)、企业跨国专线

2 网络标准化

2.1 什么是网络标准化？

网络标准化就是为了确保不同厂商生产的设备能够相互通信（互操作性）。

想象一下，如果 Apple 的 Wi-Fi 路由器只能让 iPhone 连接，而华为的路由器只能让华为手机连接，那世界就乱套了。

为了让全世界的设备都能“说同一种语言”，就需要一个大家共同遵守的“规则”，这个规则就是网络标准。

2.2 标准组织（ISO, ITU, IEEE）

有非常多的组织在制定标准，但对于计算机网络，只需要记住以下三个，特别是 IEEE。

1. ISO (International Organization for Standardization) - 国际标准化组织

• 它是谁？ 一个全球性的、非政府的标准化机构，什么都管，不只是计算机（比如 ISO 9001 质量管理）。
• 你为什么要知道它？ 因为它在 1984 年提出了大名鼎鼎的 OSI 七层参考模型。虽然这个模型没有在商业上完全实现，但它成为了理论和教学的黄金标准。
• 面试关联： 当面试官问你“OSI 七层模型”时，你就知道这个模型是 ISO 提出来的。

2. ITU (International Telecommunication Union) - 国际电信联盟

• 它是谁？ 联合国的专门机构，主要负责制定电信相关的标准。
• 它制定了什么？ 传统电话网、调制解调器标准 (V.90)、视频压缩标准 (如 H.264/AVC) 等。它的标准覆盖范围很广，但更偏向于“电信”领域而非“互联网”领域。
• 面试关联： 了解即可，与主流后端开发面试关联度较低。

3. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - 电气与电子工程师协会

• 它是谁？ 全球最大的专业技术组织之一。
• 它制定了什么？（重点） 它主要负责制定局域网 (LAN) 和城域网 (MAN) 的标准，也就是 OSI 模型的物理层和数据链路层的标准。
• 你必须记住的：

• • IEEE 802.3： 这就是以太网 (Ethernet) 的标准（你插网线那个）。
  • IEEE 802.11： 这就是 Wi-Fi 的标准（你连无线那个）。
  • IEEE 802.15： 蓝牙 (Bluetooth) 的标准。

• 面试关联： 当提到以太网或 Wi-Fi 时，你应该能反应出这是 IEEE 802 委员会制定的标准。

2.3 RFC (Request for Comments)

它不是一个组织，而是一个文档系列。

主要由 IETF (Internet Engineering Task Force - 互联网工程任务组) 发布。

它的作用？（重点）

1. 互联网的“圣经”： 几乎所有互联网的核心协议（如 TCP, IP, HTTP, DNS, FTP）都是通过 RFC 文档来定义和规范的。
2. 开放的过程：它的名字叫“征求意见稿”，意味着任何人都可以提交自己的草案 (Draft)，经过讨论、修订和批准后，成为正式的 RFC 标准。

举例：

• RFC 791: 定义了 IP 协议 (IPv4)。
• RFC 793: 定义了 TCP 协议。
• RFC 2616: 定义了 HTTP/1.1 协议。

面试关联： 当你和面试官深入讨论某个协议（比如 HTTP/2.0）的细节时，最终的权威解释都来自对应的 RFC 文档。这代表了互联网事实上的标准。

3 网络模型

3.1 OSI 七层参考模型

OSI 模型是由国际标准化组织 (ISO) 提出的一个理论上的参考模型，目的是为所有网络系统提供一个统一的标准。它在教学和分析网络问题时非常有用。

为了方便记忆，你可以从下到上记：“物、数、网、传、会、表、应”。

层次	名称 (英文)	数据单元 (PDU)	基本功能（一句话概括）
第7层	应用层 (Application)	数据 (Data)	为用户应用程序（如浏览器、邮件）提供网络服务接口。
第6层	表示层 (Presentation)	数据 (Data)	负责数据的格式化、加密/解密、压缩/解压缩。
第5层	会话层 (Session)	数据 (Data)	负责建立、管理和终止不同设备间的会话连接。
第4层	传输层 (Transport)	段 (Segment)	提供端到端（进程到进程）的数据传输服务，进行端口寻址、流量控制和差错控制。
第3层	网络层 (Network)	包 (Packet)	负责将数据包从源主机路由到目的主机，进行IP寻址和路径选择。
第2层	数据链路层 (Data Link)	帧 (Frame)	将网络层的IP数据包，封装成“帧”,在局域网内的相邻节点间传输数据帧，进行MAC寻址和差错检测。
第1层	物理层 (Physical)	比特 (Bit)	负责在传输介质上（如网线、光纤）传输原始的0和1比特流。

3.2 TCP/IP 四层参考模型

这是实际应用中的经典模型，是现代互联网的基石（也称 DoD 模型）。它比 OSI 模型更精简、更实用。

层次	名称 (英文)	对应 OSI 模型	基本功能
第4层	应用层 (Application)	应用层、表示层、会话层	负责所有高层协议（如 HTTP, DNS, FTP），处理应用程序的通信。
第3层	传输层 (Transport)	传输层	负责端到端的通信（如 TCP, UDP），提供可靠或不可靠的数据传输。
第2层	网络层 (Internet)	网络层	负责IP寻址、路由选择和数据包转发（如 IP, ICMP）。
第1层	网络接口层 (Network Interface)	数据链路层、物理层	负责处理与物理网络（如以太网、Wi-Fi）相关的所有细节。

TCP/IP 五层参考模型（教学用）

由于 TCP/IP 四层模型中的“网络接口层”涵盖了太多功能（既管物理又管链路），所以在教学和学习中，人们普遍采用一个更清晰的五层模型。

这个五层模型综合了 OSI 和 TCP/IP 的优点，是目前学习计网时最常用的模型。

层次	名称 (英文)	基本功能
第5层	应用层 (Application)	为用户程序提供网络接口（如 HTTP, DNS）。
第4层	传输层 (Transport)	提供进程间的通信（如 TCP, UDP）。
第3层	网络层 (Network)	负责IP寻址和跨网路由（如 IP 协议）。
第2层	数据链路层 (Data Link)	负责局域网内的MAC寻址（如以太网）。
第1层	物理层 (Physical)	负责传输比特流（如网线）。

3.3 OSI 与 TCP/IP 模型对比

对比维度	OSI 七层模型	TCP/IP 四层/五层模型
出身	ISO 制定，理论先行。先有模型，再有协议。	ARPANET 产生，实践先行。先有协议（TCP/IP），再总结出模型。
地位	理论标准 (Reference Model)，用于教学和分析。	事实标准 (De Facto Standard)，是互联网的实际运行模型。
层数	7 层，划分详细。	4 层（经典）或 5 层（教学）。
核心层	网络层、传输层、数据链路层。	传输层（TCP/UDP）和网络层（IP）是核心。
主要区别	明确划分了会话层和表示层。	将 OSI 的应用层、表示层、会话层合并为一层“应用层”。
协议依赖	模型是协议中立的，不依赖任何特定协议。	模型是围绕其核心协议（TCP 和 IP）建立的。

4 网络性能指标

4.1 速率（比特率）

• 定义： 指数据在网络链路上传输的实际速度，即每秒钟传输多少比特（bit）。
• 单位：bit/s（或 bps），如 Mbit/s（兆比特每秒）, Gbit/s（吉比特每秒）。
• 注意： 我们常说的“100兆宽带”，完整写法是 100 Mbps。而我们下载文件时看到的速度是 MB/s（兆字节每秒）。1 Byte = 8 bits，所以 100 Mbps 的理论最大下载速度是 100 / 8 = 12.5 MB/s。

4.2 带宽（Bandwidth）

• 定义： 在计算机网络中，带宽通常指一个信道的最高数据传输速率或额定容量。
• 单位：bit/s（或 bps）。
• 高速公路类比：
• 高速公路的设计容量，比如“双向 8 车道”。车道越多，理论上每小时能通过的车辆就越多。你办的“100兆宽带”就是你的“带宽”。

4.3 吞吐量（Throughput）

• 定义： 指在单位时间内，实际成功通过某个网络（或信道、接口）的数据量。它是一个实测值。
• 单位：bit/s（或 bps）。
• 与带宽的关系： 吞吐量受限于带宽。
• 高速公路类比：

• • 高速公路设计是 8 车道（带宽）。但由于遇到了收费站拥堵（路由器处理）、前方修路（网络拥塞）、车辆（数据包）开错了路（丢包重传）等原因，你实际在 1 小时内从 A 城开到 B 城的车辆总数，换算成的“每小时车辆数”，就是吞吐量。
  • 吞吐量 ≤ 带宽。

4.4 时延（传输时延、传播时延、处理时延、排队时延）

时延 (Delay / Latency)

• 定义： 指一个数据包从链路的一端（发送方）传输到另一端（接收方）所需要的总时间。
• 单位： 秒 (s)，毫秒 (ms)，微秒 (μs)。
• 高速公路类比：

• • 一辆车从 A 城的出发点，到 B 城的终点，所花费的总时间。

时延由以下四个部分组成：

a. 传输时延 (Transmission Delay)

• 定义： 指发送方将一个数据包的所有比特“推送”到信道上所需的时间。
• 计算：传输时延 = 数据包大小 (bit) / 带宽 (bit/s)
• 高速公路类比：

• • 一个车队（数据包）有 100 辆车（数据包大小）。收费站（信道）每秒钟只能通过 10 辆车（带宽）。那么这个车队完全通过收费站所需的时间就是 100 / 10 = 10 秒。
  • 关键点： 它取决于数据包的大小和带宽。

b. 传播时延 (Propagation Delay)

• 定义： 指一个比特在信道中物理传播所需的（在路上的）时间。
• 计算：传播时延 = 链路长度 (m) / 传播速率 (m/s)
• 高速公路类比：

• • 一辆车（比特）在高速公路上行驶的时间。
  • 关键点： 它取决于距离和介质的速率（如光纤中的光速，电缆中的电信号速率）。无论你有 1 车道还是 100 车道（带宽），车的行驶速度（限速 120km/h）是不变的。
  • 面试易混点：传输时延是“把数据推上路”的时间，传播时延是“数据在路上跑”的时间。

c. 处理时延 (Processing Delay)

• 定义： 指路由器或交换机收到数据包后，进行分析处理所需的时间（如检查包头、差错校验、查询路由表）。
• 高速公路类B：

• • 车开到高速公路的枢纽站（路由器），司机（路由器）停下来查看地图（路由表），确定下一段路该怎么走所花的时间。

d. 排队时延 (Queueing Delay)

• 定义： 指数据包在路由器或交换机的缓冲区（队列） 中等待被处理或转发的时间。
• 高速公路类比：

• • 高速公路堵车了。在收费站或枢纽站前，有大量汽车在排队等待通过，这个排队等待的时间。
  • 关键点： 这是网络拥塞的主要原因，也是时延中最不确定的一个因素。

总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

4.5 时延带宽积

• 定义： 指“传播时延”与“带宽”的乘积。
• 计算：时延带宽积 = 传播时延 (s) × 带宽 (bit/s)
• 含义： 它代表了一个信道最多能容纳多少比特，常被比喻为“链路的容量”或“在途数据量”。
• 水管类比（这个更形象）：
• 带宽 (Bandwidth)： 水管的粗细（直径）。
• 时延 (Delay)： 水管的长度。
• 时延带宽积： 这根水管能装多少水（体积）。
• 应用： 这个值对 TCP 的滑动窗口大小设置至关重要。为了充分利用链路，TCP 的发送窗口应该设置为约等于“时延带宽积”，以确保在等待第一个 ACK 返回时，链路始终被数据“填满”。

4.6 RTT（往返时间）

• 定义： 从发送方发送一个简短数据包到接收方，再到接收方返回确认（ACK），总共所花费的时间。
• 包含：RTT ≈ 2 × 传播时延 + 2 × 处理时延 + (可能的排队时延)
• 高速公路类比：
• 你从 A 城开车出发，到达 B 城后，立即掉头开回 A 城，所花费的总时间。
• 应用：ping 命令就是用来测量 RTT 的。RTT 是衡量网络“响应速度”或“延迟感”的重要指标（例如，打游戏时的“ping 值”）。