Computer Networks
Computer Networks
本篇笔记主要讲解计算机网络的常见网络模型和常见协议。主要应对面试八股文场景和修考简答题。
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1. 计算机网络概述
计算机网络（Computer Network）是由若干独立的计算机通过通信线路和网络设备互联起来，在网络协议（Network Protocol）的控制下，实现资源共享与信息传递的系统。
核心要点：
- 独立性：每台计算机能独立工作。
- 互联性：通过传输介质（有线/无线）和网络设备互连。
- 共享性：硬件、软件、数据等资源共享。
计算机网络的功能
- 数据通信：实现不同计算机之间的信息交换。
- 资源共享：共享硬件（打印机）、软件（应用系统）、数据（数据库）。
- 分布式处理：多台计算机协同完成一项复杂任务。
- 提高可靠性：一台计算机故障时，任务可转移到其他机器。
- 负载均衡：通过网络合理分配计算或通信任务。
一个网络主要由三部分组成：
- 硬件：主机、通信链路（双绞线、光纤、无线）、路由器、交换机等。
- 软件：网络操作系统、各种网络协议、应用程序。
- 协议：通信双方必须遵循的规则和约定（例如 TCP/IP 协议族）。
计算机网络的分类
按照不同标准可以有不同的分类方式：
按覆盖范围
- 局域网（LAN, Local Area Network）：范围小，速度快。
- 城域网（MAN, Metropolitan Area Network）：覆盖一个城市。
- 广域网（WAN, Wide Area Network）：覆盖范围广，常用互联网技术。
按拓扑结构
- 总线型、星型、环型、网状型。
按使用者
- 公用网（例如互联网）。
- 专用网（例如企业内部网）。
计算机网络的性能指标
- 速率（Rate）：数据传输速率，单位 bps。
- 带宽（Bandwidth）：网络信道所能支持的最高速率。
- 吞吐量（Throughput）：单位时间内通过网络的数据量。
- 时延（Delay）：数据从源到目的地的时间，包括发送、传播、排队、处理时延。
- 时延带宽积：链路的“容量”衡量（传播时延 × 带宽）。
- 往返时延 RTT：数据报文往返一次所需时间。
- 丢包率：传输中丢失分组的比率。
- 可靠性：网络正常运行的稳定性。
计算机网络的体系结构
常见的两种分层模型：
OSI七层模型
- 物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层。
- 主要是理论模型，定义清晰。
TCP/IP四层模型
- 网络接口层 → 网际层 → 传输层 → 应用层。
- 目前互联网实际采用的模型。
计算机网络的发展阶段
- 单机时代：计算机独立运行。
- 联机批处理和分时系统：资源有限的共享。
- 计算机网络时代：通过局域网、广域网互联。
- 互联网时代：TCP/IP 协议广泛应用，全球互联。
- 下一代网络：IPv6、物联网、云计算、大数据、5G/6G。
1.1 互联网的构成
互联网是一个分层结构的大型网络系统，从功能上可以分为两大部分：
- 网络边缘（Network Edge）
- 网络核心（Network Core）
1.1.1 网络边缘（Network Edge）
定义：
网络边缘是 所有连接到互联网的终端设备与其接入部分。
主要组成：
端系统（End Systems）
- 又称为主机（Host），位于“边缘”位置。
- 包括个人电脑、智能手机、服务器、物联网设备等。
接入网络（Access Networks）
端系统与互联网核心连接的途径。
常见方式：
- 家庭网络（光纤接入、DSL、Wi-Fi）
- 企业/校园网络（以太网、Wi-Fi）
- 移动网络（4G/5G 基站接入）
边缘设备的作用：
- 运行网络应用（如浏览器、邮件客户端）。
- 通过 传输层协议（TCP/UDP）进行进程间通信。
1.1.2 网络核心（Network Core）
定义：
网络核心是由大量高速路由器和链路组成的“骨干网”，它是互联网的中枢部分，负责在端系统之间转发数据。
关键功能：
分组交换（Packet Switching）
- 数据被分成一个个分组（Packet）。
- 路由器根据分组首部信息逐跳转发。
- 优点：高效、灵活、鲁棒性强。
路由（Routing）
- 确定分组从源端到目的端所经过的路径。
- 由 路由协议（如 OSPF、BGP）实现。
转发（Forwarding）
- 根据路由表，把到达路由器的分组转发到合适的输出端口。
核心特征：
- 高速、大容量的链路和交换设备。
- 没有应用运行（应用运行在网络边缘）。
- 只提供数据传输通道。
互联网的整体结构示意
[ 应用进程 ] ↔ [ 主机/端系统 ] ↔ [ 接入网络 ] ↔ [ 路由器 ] ↔ [ 网络核心 ] ↔ [ 路由器 ] ↔ [ 接入网络 ] ↔ [ 主机/端系统 ] ↔ [ 应用进程 ]- 两端：网络边缘，用户和应用运行的地方。
- 中间：网络核心，完成数据的传输和交换。
1.2 网络分类
计算机网络的分类方式有多种，常见的依据有：覆盖范围、使用者、拓扑结构、交换方式。
1.2.1 按覆盖范围分类
局域网（LAN, Local Area Network）
- 覆盖范围：几米到几公里（如办公室、学校、家庭）。
- 特点：速率高（100Mbps – 10Gbps）、时延小、误码率低、建设成本低。
- 技术：以太网、Wi-Fi。
城域网（MAN, Metropolitan Area Network）
- 覆盖范围：一个城市范围（几公里到几十公里）。
- 特点：连接多个局域网，速率比广域网高，通常由电信运营商建设。
- 技术：光纤、以太网扩展技术。
广域网（WAN, Wide Area Network）
- 覆盖范围：几十公里到全球。
- 特点：连接不同地区的局域网或城域网，速率相对较低，误码率高。
- 技术：IP/MPLS、骨干网、卫星通信。
- 互联网就是最大的广域网。
1.2.2 按使用者分类
公用网（Public Network）
- 任何用户都可以申请使用。
- 例如：互联网、电信运营商网络。
专用网（Private Network）
- 为特定用户或机构服务。
- 例如：企业内部网（Intranet）、军队网络、银行专用网络。
1.2.3 按拓扑结构分类
总线型（Bus）
- 各结点通过一条共享总线连接。
- 优点：结构简单、成本低。
- 缺点：冲突多，可靠性差。
星型（Star）
- 所有节点通过交换机/集线器连接到中心设备。
- 优点：便于管理，局部故障不影响全网。
- 缺点：中心设备失效导致全网瘫痪。
环型（Ring）
- 各结点首尾相连形成一个环路。
- 优点：避免冲突，带宽利用率高。
- 缺点：单点故障可能导致全网中断。
网状型（Mesh）
- 结点之间有多条路径互联。
- 优点：可靠性高，容错性强。
- 缺点：成本高，结构复杂。
1.2.4 按交换方式分类
电路交换
- 特点：建立端到端专用信道（如电话网）。
- 优点：通信质量有保证。
- 缺点：信道利用率低。
报文交换
- 以报文为单位存储转发。
- 优点：信道利用率高。
- 缺点：时延大（需存储完整报文）。
分组交换
- 把报文切分为多个小分组逐跳转发。
- 优点：高效、可靠、资源利用率高。
- 缺点：可能存在分组乱序、丢失，需要上层协议处理。
- 互联网采用分组交换。
1.2.5 分类总结表
| 分类依据 | 类型 | 范围/特点 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 覆盖范围 | LAN | 小范围，高速 | 家庭Wi-Fi |
| MAN | 城市范围，中速 | 城市骨干网 | |
| WAN | 跨地域，全球，速率较低 | 互联网 | |
| 使用者 | 公用网 | 任何人可接入 | 互联网 |
| 专用网 | 特定机构使用 | 企业内网 | |
| 拓扑结构 | 总线型 | 共享总线，简单，冲突多 | 早期以太网 |
| 星型 | 中心节点管理，局部可靠 | 以太网交换机 | |
| 环型 | 节点串联成环，避免冲突 | FDDI | |
| 网状型 | 多路径冗余，高可靠 | 互联网骨干网 | |
| 交换方式 | 电路交换 | 专用信道，低利用率 | 电话网 |
| 报文交换 | 存储转发，时延大 | 早期电报网 | |
| 分组交换 | 分组逐跳传输，高效 | 互联网 |
1.3 接入网（Access Networks）
接入网（Access Network）：
用户端系统（End System）连接到 互联网边缘 的部分网络，称为接入网。它是用户进入互联网的“第一跳”。
1.3.1 常见的接入方式
家庭接入（Home Access）
数字用户线路 DSL (Digital Subscriber Line)
- 通过电话线提供高速数据接入。
- 特点：上下行带宽不对称（Asymmetric）。
有线电视接入 Cable Network
- 使用有线电视网络传输互联网数据。
- 特点：带宽共享，同一地区用户多时速率下降。
光纤接入 FTTH (Fiber To The Home)
- 光纤直接连接用户家庭，速率可达数百 Mbps 甚至更高。
- 特点：带宽大，延迟小。
企业/学校接入（Enterprise/School Access）
以太网 Ethernet
- 局域网（LAN）中最常见的接入方式。
- 提供数百 Mbps 到数十 Gbps 的速率。
Wi-Fi (Wireless Fidelity)
- 无线局域网（WLAN），方便移动设备接入。
移动接入（Mobile Access）
蜂窝移动网络 Cellular Networks
- 2G/3G/4G/5G 网络。
- 通过基站（Base Station）连接互联网。
热点接入 Mobile Hotspot
- 手机数据流量通过热点功能共享给其他设备。
1.3.2 接入网与物理介质
双绞线 Twisted Pair
- 铜线，常用于电话线和以太网。
同轴电缆 Coaxial Cable
- 电视信号和有线宽带常用。
光纤 Optical Fiber
- 高带宽、低时延，抗电磁干扰。
无线信道 Wireless Channel
- Wi-Fi、蜂窝通信。
1.3.3 影响接入网性能的因素
- 带宽 Bandwidth：链路的最大传输速率。
- 共享 Shared Medium：多个用户是否共享带宽（如 Cable）。
- 时延 Latency/Delay：信号传播和排队的延迟。
- 可靠性 Reliability：接入网络的稳定性。
1.3.4 小结表格
| 接入方式 | 英文 | 特点 | 典型速率 |
|---|---|---|---|
| 数字用户线路 | DSL (Digital Subscriber Line) | 电话线传输，上下行不对称 | Mbps |
| 有线电视接入 | Cable Network | 共享带宽，电视+网络 | Mbps ~ Gbps |
| 光纤入户 | FTTH (Fiber To The Home) | 高带宽，低延迟 | 百 Mbps ~ Gbps |
| 以太网 | Ethernet | 局域网常用 | 百 Mbps ~ 十 Gbps |
| Wi-Fi | Wireless Fidelity | 无线局域网，便捷 | 十 Mbps ~ Gbps |
| 蜂窝网络 | Cellular Networks | 移动接入，4G/5G | 数十 Mbps ~ Gbps |
1.4 网络核心的两大功能
互联网的 网络核心（Network Core） 由大量路由器（Router）和高速链路构成，它的主要任务是完成 数据分组在源和目的地之间的传输。其中有两个关键功能：
1.4.1 路由（Routing）
定义（Definition）：
路由是确定 从源主机到目的主机 的一条或多条路径的过程。
核心任务：
- 建立并维护 路由表（Routing Table）。
- 根据全网的拓扑结构（Topology）和路由算法，计算出最佳路径。
实现方式：
- 静态路由（Static Routing）：由管理员手工配置，适用于小型网络。
- 动态路由（Dynamic Routing）：由路由协议自动计算路径，适用于大型网络。
常见路由协议：
内部网关协议（IGP, Interior Gateway Protocol）
- RIP (Routing Information Protocol)
- OSPF (Open Shortest Path First)
外部网关协议（EGP, Exterior Gateway Protocol）
- BGP (Border Gateway Protocol)
关键词：路径选择（Path Selection）、全局视图（Global View）。
1.4.2 转发（Forwarding）
定义（Definition）：
转发是 路由器将收到的分组发送到合适的输出接口 的过程。
核心任务：
- 查找路由表（或转发表 Forwarding Table）。
- 把输入端口接收到的分组，转交到正确的输出端口。
实现方式：
- 基于目的地址（Destination-based Forwarding）：最常见，根据 IP 地址决定转发端口。
- 基于标签（Label-based Forwarding）：如 MPLS (Multiprotocol Label Switching)。
- 基于流（Flow-based Forwarding）：软件定义网络（SDN）中的方式。
关键词：逐跳处理（Hop-by-hop）、局部操作（Local Action）。
1.4.3 路由 vs 转发 对比
| 功能 | 英文 | 作用范围 | 关注点 | 实现方式 |
|---|---|---|---|---|
| 路由 | Routing | 全网（Network-wide） | 决定路径（Which path） | 路由算法、协议 |
| 转发 | Forwarding | 单个路由器（Local） | 把分组送出（Which port） | 查转发表，执行转发 |
📌 复习重点提示
- 路由是 决定走哪条路，转发是 把车开上路。
- 路由是全局的，转发是局部的。
- 考试常问：“路由和转发的区别与联系”。
1.5 网络分层
网络分层（Network Layering） 的基本思想：
- 把复杂的计算机网络通信过程划分为若干功能相对独立的层次。
- 每一层只关注自己职责，并通过接口向上一层提供服务。
- 下层为上层提供服务，上层使用下层服务。
1.5.1 OSI 7层模型
定义（Definition）：
OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是 国际标准化组织（ISO） 提出的网络体系结构模型，共 7 层，每层功能明确。
七层结构（由下到上）：
物理层（Physical Layer）
- 功能：比特流传输（0/1），定义电气、机械、信号特性。
- 示例：网线、光纤、集线器。
数据链路层（Data Link Layer）
- 功能：把比特组合成帧（Frame），提供可靠的点对点或点对多点传输。
- 示例：以太网协议、MAC 地址、交换机。
网络层（Network Layer）
- 功能：实现主机到主机的数据传输，负责路由选择。
- 示例：IP 协议、路由器。
传输层（Transport Layer）
- 功能：端到端的通信，提供可靠或不可靠的数据传输。
- 示例：TCP、UDP。
会话层（Session Layer）
- 功能：管理会话、建立和维护通信。
- 示例：RPC、NetBIOS。
表示层（Presentation Layer）
- 功能：数据格式转换、加密、压缩。
- 示例：JPEG、MPEG、SSL。
应用层（Application Layer）
- 功能：为用户提供应用服务。
- 示例：HTTP、FTP、SMTP。
📌 特点：结构清晰，但过于理想化，实际应用较少。
1.5.2 TCP/IP 4层模型
定义（Definition）：
TCP/IP 模型是互联网采用的事实标准，共 4 层，更贴近实际实现。
四层结构（由下到上）：
网络接口层（Network Interface Layer / Link Layer）
- 功能：等同于 OSI 的物理层+数据链路层，负责主机与物理网络的通信。
- 示例：Ethernet、Wi-Fi、PPP。
网际层（Internet Layer）
- 功能：实现源主机到目标主机的数据传递和路由选择。
- 核心协议：IP（IPv4/IPv6）。
- 其他协议：ICMP、ARP、RARP。
传输层（Transport Layer）
- 功能：提供端到端的通信。
- 协议：TCP（可靠，面向连接）、UDP（不可靠，面向无连接）。
应用层（Application Layer）
- 功能：直接为用户应用提供服务。
- 协议：HTTP、DNS、SMTP、FTP、Telnet。
📌 特点：层次少，协议实用，互联网实际采用。
1.5.3 OSI vs TCP/IP 对比
| 层次 | OSI 7层模型 | TCP/IP 4层模型 | 示例协议 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 + 表示层 + 会话层 | 应用层 | HTTP, FTP, DNS |
| 传输层 | 传输层 | 传输层 | TCP, UDP |
| 网络层 | 网络层 | 网际层 | IP, ICMP, ARP |
| 数据链路层 | 数据链路层 + 物理层 | 网络接口层 | Ethernet, Wi-Fi |
📌 复习重点提示
- 考记忆：OSI 七层 vs TCP/IP 四层。
- 考理解：为什么 TCP/IP 模型更实际？（简化层次，更符合互联网实现）。
- 考应用：协议对应层次，如 HTTP 属于应用层，IP 属于网络层。
1.6 计算机网络的性能指标
1.6.1 速率（Rate）
定义：数据传输速率，即单位时间内传输的数据量，常用 b/s（比特每秒）。
公式：
$$
R = \frac{\text{数据量（bit）}}{\text{传输时间（s）}}
$$注意：1 Byte = 8 bit。
1.6.2 带宽（Bandwidth）
- 定义：信道所能支持的最高数据传输速率，单位 Hz 或 b/s。
- 本质：衡量信道“容量”的指标。
1.6.3 吞吐量（Throughput）
- 定义：单位时间内实际传输的数据量。
- 特点：受到带宽、时延、网络拥塞的影响。
1.6.4 时延（Delay / Latency）
数据从源点到目的点所需的总时间。由以下几个部分组成：
发送时延（Transmission Delay）
$$
d_{trans} = \frac{L}{R}
$$- $L$：分组长度（bit）
- $R$：发送速率（b/s）
传播时延（Propagation Delay）
$$
d_{prop} = \frac{d}{v}
$$- $d$：链路长度（m）
- $v$：信号传播速率（m/s），通常为光速的 2/3 ~ 3/4。
排队时延（Queuing Delay）
- 数据包在路由器缓存中等待的时间。
- 不确定，取决于网络拥塞程度。
处理时延（Processing Delay）
- 路由器分析包头、查路由表所需的时间，一般为微秒级。
总时延：
$$
d_{total} = d_{trans} + d_{prop} + d_{queue} + d_{proc}
$$
1.6.5 带宽-时延积（Bandwidth-Delay Product, BDP）
定义：链路上最多能容纳的数据量。
公式：
$$
BDP = R \times d_{prop}
$$单位：bit。
含义：表示“在途的数据量”，又称“链路的容量”。
1.6.6 往返时延（Round Trip Time, RTT）
- 定义：数据从源主机发送到目的主机，再返回确认所需的时间。
- 在 TCP 中影响 超时重传（Timeout Retransmission） 的设定。
1.6.7 利用率（Utilization）
链路利用率：
$$
U = \frac{\text{有数据通过链路的时间}}{\text{链路总时间}}
$$排队论公式（适用于 M/M/1 模型）：
- 平均队长：$\frac{\rho}{1-\rho}$
- 平均排队时延：$\frac{\rho}{1-\rho} \cdot \frac{1}{\mu}$
- 其中 $\rho = \frac{\lambda}{\mu}$ 表示业务强度。
1.6.8 计算题例题汇总
【例题1】发送时延与传播时延
主机 A 发送一个 1 MB 的文件到主机 B。链路带宽为 10 Mbps，链路长度为 1000 km，信号传播速率为 $2 \times 10^8$ m/s。求发送时延和传播时延。
解答：
文件大小：$1 \text{MB} = 8 \times 10^6 \text{bit}$。
发送时延：
$$
d_{trans} = \frac{8 \times 10^6}{10 \times 10^6} = 0.8 \text{s}
$$传播时延：
$$
d_{prop} = \frac{1000 \times 10^3}{2 \times 10^8} = 0.005 \text{s} = 5 \text{ms}
$$
✅ 发送时延 0.8 s，传播时延 5 ms。
【例题2】带宽-时延积
已知链路带宽 100 Mbps，传播时延 20 ms，求链路的带宽-时延积，并换算成字节数。
解答：
$$
BDP = R \times d_{prop} = 100 \times 10^6 \times 0.02 = 2 \times 10^6 \text{bit}
$$
换算：
$$
2 \times 10^6 / 8 = 250,000 \text{Byte} = 250 \text{KB}
$$
✅ 链路上最多能容纳 250 KB 数据。
【例题3】吞吐量与利用率
某链路带宽为 10 Mbps，实际传输速率为 8 Mbps，求吞吐量和利用率。
解答：
吞吐量 = 实际传输速率 = 8 Mbps。
利用率：
$$
U = \frac{8}{10} = 0.8 = 80%
$$
✅ 吞吐量 8 Mbps，利用率 80%。
【例题4】往返时延与TCP确认
主机 A 发送一个报文段给主机 B，传播时延为 10 ms，忽略处理时延和排队时延。若主机 B 在收到后立即返回 ACK，求往返时延（RTT）。
解答：
$$
RTT = 2 \times d_{prop} = 2 \times 10 \text{ms} = 20 \text{ms}
$$
✅ RTT = 20 ms。
【例题5】时延比较题
假设链路 1：带宽高，传播时延长；链路 2：带宽低，传播时延短。问在小文件传输和大文件传输时，哪条链路更优？
解答：
- 小文件传输 → 传播时延占主导 → 传播时延短的链路更优。
- 大文件传输 → 发送时延占主导 → 带宽高的链路更优。
✅ 总结：考试计算题常考 发送/传播时延、带宽-时延积、RTT、吞吐量、利用率，掌握公式就能解。