1.1 计算机网络概述
计算机网络
把地理上分散的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络协议和软件的管理下，实现资源共享和信息传递的系统。按覆盖范围分类：
- 广域网 WAN：覆盖几十到几千公里，任务是通过长距离传送主机发送的数据。
- 城域网 MAN：覆盖一个城市，作用范围介于广域网与局域网之间。
- 局域网 LAN：覆盖一栋楼或一个校园，通常由某个单位单独拥有。
- 个人区域网 PAN：覆盖范围约 10 米以内，用于连接个人设备。
电路交换、报文交换与分组交换
三种交换技术
是计算机网络发展的核心技术，408高频考点。| 对比项 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 连接建立 | 必须建立物理连接 | 无需建立连接 | 无需建立连接 |
| 传输方式 | 整个数据流直通 | 逐段存储转发 | 逐段存储转发 |
| 时延 | 建立时延+传输时延 | 逐段存储转发，时延大 | 逐段存储转发，时延较小 |
| 信道利用率 | 低（独占） | 较高 | 高（统计复用） |
| 可靠性 | 传输过程可靠 | 取决于链路 | 灵活可靠 |
| 适用场景 | 实时电话 | 已基本淘汰 | Internet核心 |
电路交换三阶段：建立连接 → 数据传输 → 释放连接。分组交换优点：高效（统计复用）、灵活（自适应路由）、迅速（无需连接建立）、可靠（独立路由）。分组交换可分为数据报服务（每个分组独立路由，Internet使用）和虚电路服务（先建立逻辑连接，沿同一路径）。
计算机网络性能指标
- 速率/带宽：单位 bps，注意 1Mbps = 1000kbps（非1024）。
- 吞吐量：单位时间通过网络的实际数据量。吞吐量 ≤ 带宽。
- 时延：
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
| 时延类型 | 公式 | 说明 |
|---|---|---|
| 发送时延 | 数据帧长度 / 发送速率 | 与传输距离无关 |
| 传播时延 | 信道长度 / 传播速率 | 与数据量无关（电磁波/光速） |
| 处理时延 | – | 路由器处理分组头部时间 |
| 排队时延 | – | 在路由器队列中等待时间 |
- 时延带宽积 = 传播时延 × 带宽，表示链路中能容纳的比特数。
- RTT：从发送数据到收到确认的往返时间。
- 利用率：信道利用率接近 1 时时延急剧增大（排队论）。
计算机网络标准化组织
| 组织 | 名称 | 主要贡献 |
|---|---|---|
| ISO | 国际标准化组织 | 提出 OSI/RM 七层参考模型 |
| IEEE | 电气电子工程师学会 | 制定 IEEE 802 系列（802.3以太网、802.11 WiFi） |
| IETF | 互联网工程任务组 | TCP/IP协议族标准制定，以RFC文档发布 |
| ITU-T | 国际电信联盟电信标准部门 | 远程通信标准（X.25、ISDN等） |
RFC (Request For Comments)：IETF发布的标准文档，TCP/IP协议族所有标准均以RFC形式发布。并非所有RFC都是正式标准。重要RFC：RFC 791(IP协议)、RFC 793(TCP协议)、RFC 768(UDP协议)。
性能指标
| 指标 | 定义 | 单位 |
|---|---|---|
| 带宽 | 信道可通过的最高频率与最低频率之差；在数字通信中表示单位时间内传输的数据量 | bps |
| 时延 | 数据从一端传到另一端所需时间（发送+传播+处理+排队） | s |
| 往返时间 RTT | 从发送方发送数据到收到接收方确认的时间 | s |
| 吞吐量 | 单位时间内通过某网络的数据量 | bps |
| 速率 | 单位时间内传输的比特数 | bps |
1.2 体系结构模型
为降低网络设计的复杂度，将网络划分为若干层，每层完成特定功能。各层及其协议的集合称为网络体系结构。
分层的好处：各层之间相互独立、灵活性好、易于实现和维护、有利于标准化。
OSI 七层模型
OSI（Open Systems Interconnection）参考模型由 ISO 提出，从下到上分为七层：
| 层次 | 名称 | 主要功能 | PDU |
|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 为应用程序提供网络服务 | 数据 |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密压缩 | 数据 |
| 5 | 会话层 | 建立、管理、终止会话 | 数据 |
| 4 | 传输层 | 端到端可靠/不可靠数据传输 | 报文段 |
| 3 | 网络层 | 路由选择、逻辑寻址 | 分组/数据报 |
| 2 | 数据链路层 | 成帧、差错控制、介质访问 | 帧 |
| 1 | 物理层 | 比特传输 | 比特 |
TCP/IP 四层模型
TCP/IP 模型是事实上的国际标准，分为四层：应用层、传输层（TCP/UDP）、网际层（IP）、网络接口层。
| TCP/IP 四层 | OSI 七层 | 典型协议 |
|---|---|---|
| 应用层 | 应用层、表示层、会话层 | HTTP、FTP、DNS、SMTP、POP3 |
| 传输层 | 传输层 | TCP、UDP |
| 网际层 | 网络层 | IP、ICMP、ARP、OSPF |
| 网络接口层 | 数据链路层、物理层 | 以太网、PPP、IEEE 802 |
五层模型：为便于教学，将 OSI 与 TCP/IP 综合，得到五层模型：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。本课程按五层模型组织。
1.3 协议与服务
协议 (Protocol)
控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。协议由语法、语义、同步（时序）三要素组成。服务 (Service)
下层向上层提供功能调用，是相邻层之间的接口。服务是单向的（下层为上层服务）。| 对比项 | 协议 | 服务 |
|---|---|---|
| 方向 | 水平（对等层之间） | 垂直（相邻层之间） |
| 可见性 | 对等实体实现细节对上层不可见 | 上层只能看见服务，看不见协议 |
| 要素 | 语法、语义、同步 | 服务原语（请求、指示、响应、证实） |
重要结论：协议是"水平的"，服务是"垂直的"。实体利用协议来实现服务，下层协议的实现对上层是透明的。
1.4 数据封装与解封装
发送方数据从应用层逐层向下传递，每层加上该层的首部（链路层还有尾部），称为封装；接收方从物理层逐层向上传递，每层去掉对应首部，称为解封装。各层的数据单元称为 PDU（协议数据单元）。
| 层次 | PDU 名称 | 加入的控制信息 |
|---|---|---|
| 应用层 | 报文 (Message) | — |
| 传输层 | 报文段 (Segment) | TCP/UDP 首部（端口号） |
| 网络层 | 分组/数据报 (Datagram) | IP 首部（IP 地址） |
| 数据链路层 | 帧 (Frame) | 帧首部（MAC 地址）+ 帧尾部（FCS） |
| 物理层 | 比特 (Bit) | — |
1.5 传输介质
传输介质是数据传输的物理通路，位于物理层之下，用于将比特流从一端传到另一端。常用传输介质分为有线介质和无线介质两大类。
双绞线（Twisted Pair）
双绞线
由两根相互绝缘的铜线按一定规则绞合而成，绞合的目的是减少电磁干扰（串扰）。双绞线是局域网中最常用的传输介质。按是否有屏蔽层可分为：
- UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）：无屏蔽层，价格便宜、布线方便，广泛用于室内 LAN。常见类别：3 类（10Mbps）、5 类（100Mbps）、超 5 类（100Mbps，更好的抗干扰）、6 类（1Gbps）。
- STP（Shielded Twisted Pair，屏蔽双绞线）：外层有金属屏蔽层，抗干扰能力强，适用于电磁干扰较强的环境，但价格较高、布线较复杂。
按接线标准分类（RJ-45 水晶头）：
| 标准 | 引脚 1 | 引脚 2 | 引脚 3 | 引脚 4 | 引脚 5 | 引脚 6 | 引脚 7 | 引脚 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T568A | 白绿 | 绿 | 白橙 | 蓝 | 白蓝 | 橙 | 白棕 | 棕 |
| T568B | 白橙 | 橙 | 白绿 | 蓝 | 白蓝 | 绿 | 白棕 | 棕 |
记忆口诀：T568A 与 T568B 的区别仅在于橙线对与绿线对的位置互换。直通线（两端同标准）用于连接主机与交换机；交叉线（一端 A、一端 B）用于连接同类设备（如交换机级联、主机直连）。
同轴电缆（Coaxial Cable）
同轴电缆
由内导体（铜芯）、绝缘层、外导体（屏蔽层）和外层护套同轴组成。相比双绞线，具有更好的抗干扰能力和更高的带宽。- 粗缆（10BASE5）：直径约 10mm，使用总线型拓扑，单段最长 500 米，需使用收发器连接，成本高，已基本淘汰。
- 细缆（10BASE2）：直径约 5mm，使用 BNC 接头，单段最长 185 米，安装方便但可靠性差，目前已被双绞线和光纤取代。
应用场景：早期以太网（10BASE2、10BASE5）、有线电视网络（HFC）、射频馈线等。
光纤（Optical Fiber）
光纤
利用光在玻璃或塑料纤维中的全反射原理传输信号。光纤由纤芯、包层和护套组成，具有带宽高、传输距离远、抗电磁干扰、保密性好等优点。| 类型 | 光源 | 纤芯直径 | 传输距离 | 带宽 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 多模光纤 | LED（发光二极管） | 50μm / 62.5μm | 几百米至几公里 | 较低 | 局域网、楼宇内短距离通信 |
| 单模光纤 | 激光器 | 9μm | 数十至上百公里 | 极高（Tbps 级） | 城域网、广域网、骨干网、FTTH |
光纤的特点：① 频带宽、传输容量大；② 损耗低、中继距离长；③ 抗电磁干扰、无串音、保密性强；④ 体积小、重量轻；⑤ 缺点是连接和分接不方便，需使用专用工具。
无线传输介质
无线传输介质通过电磁波在自由空间中传输信号，无需铺设线缆，灵活方便。按频率范围分类：
| 类型 | 频率范围 | 波长 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 无线电波 | 30Hz ~ 300GHz | 10³m ~ 1mm | 穿透能力强、传播距离远、易穿建筑物 | 广播、电视、移动通信、无线局域网 |
| 微波 | 300MHz ~ 300GHz | 1m ~ 1mm | 直线传播、带宽高、受障碍物阻挡 | 卫星通信、微波接力、蓝牙、ZigBee |
| 红外线 | 300GHz ~ 400THz | 1mm ~ 700nm | 方向性强、不受电磁干扰、不能穿透墙壁 | 遥控器、红外数据传输（IrDA）、短距离通信 |
| 可见光 | 400THz ~ 800THz | 700nm ~ 380nm | 带宽极高、无需频谱许可、受光照影响大 | 可见光通信（LiFi）、光纤传输 |
无线通信常用的频段主要是微波段，包括 2.4GHz（Wi-Fi、蓝牙）、5GHz（Wi-Fi 802.11a/n/ac）、毫米波（5G 通信）等。
1.6 物理层设备
物理层设备工作在 OSI 模型的第一层，主要功能是在物理介质上传输比特流，实现信号的再生与转发。
中继器（Repeater）
中继器
工作在物理层的网络互联设备，用于接收、再生和放大信号，延长信号传输距离，扩展网络覆盖范围。- 工作层次：物理层（仅处理比特流，不关心上层协议）。
- 核心功能：再生放大信号，消除信号在传输过程中的衰减和失真。
- 特点：不具备寻址和路由功能，只是简单地将信号从一个端口转发到其他所有端口。
- 限制：受 5-4-3 规则约束（5 个网段、4 个中继器、3 个网段可接主机）。
集线器（Hub）
集线器
多端口的中继器，工作在物理层，是早期局域网中常用的连接设备。- 多端口中继器：可连接多台主机，将一个端口收到的信号广播到所有其他端口。
- 共享带宽：所有端口共享同一条传输通道，端口越多，每端口分得的带宽越少。
- 半双工通信：同一时刻只能发送或接收，无法同时双向传输，易产生冲突（CSMA/CD）。
- 广播传输：任何一个端口的数据包都会被复制到所有其他端口，存在安全隐患。
- 应用：早期 10/100Mbps 以太网、小型办公网络，现已基本被交换机取代。
不同层次设备对比
| 设备 | 工作层次 | 主要功能 | 传输方式 | 带宽 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 中继器 | 物理层 | 再生放大信号，扩展传输距离 | 比特流（点对点） | — | 长距离信号中继 |
| 集线器 Hub | 物理层 | 多端口中继器，广播转发 | 比特流（广播） | 共享 | 早期局域网连接 |
| 网桥 Bridge | 数据链路层 | MAC 帧转发，隔离冲突域 | 帧（MAC 寻址） | 共享 | 连接不同网段 |
| 交换机 Switch | 数据链路层 | 多端口网桥，MAC 地址表，全双工 | 帧（MAC 寻址） | 独享 | 现代局域网核心设备 |
| 路由器 Router | 网络层 | IP 分组转发，路由选择，隔离广播域 | 分组（IP 寻址） | 独享 | 不同网络互联、接入 Internet |
设备分层规律：工作层次越高，能理解的协议越多，功能越强，但处理速度也越慢。物理层设备只管"传比特"，链路层设备管"传帧"，网络层设备管"传分组"。