计算机网络基础知识 • Roxy's Library

本文内容基于 2025 秋季《计算机网络》课程讲述，如有差错，欢迎指正

计算机网络中的主要问题#

实体(peers)：对等实体的识别与命名（Naming）、实体的组织形式
服务：面向上层的传输接口、服务性能、可靠性/安全等保障
协议：传输内容的格式、语义、顺序
实现与管理： “功能、协议 -> 实体”的映射、网络资源分配与调度

计算机网络的构成#

根据传输规模或传输距离的大小，计算机网络可以分为以下几类：

简称	全称	覆盖范围	示例
PAN	个域网 (Personal Area Network)	10米半径以内	便携设备间通信，蓝牙耳机
LAN	局域网 (Local Area Network)	局部地区	如一栋建筑或办公室，企业网，校园网
MAN	城域网 (Metropolitan Area Network)	覆盖一个城市的网络	由一些运营商维护
WAN	广域网 (Wide Area Network)	覆盖很大地理区域、地区和国家	-

今天的互联网是“网络的网络”，可以看作许多网络的组合，也可以不断划分

在连接到网络的过程中，那些负责把我们的设备接入因特网，并且在网络与网络之间提供服务的机构被称为互联网服务提供商 (ISP, Internet Service Provider)，比如我国的电信、联通和移动

接下来我们要考虑的问题是：

每个网络内部包含了什么？
谁来把网络内部组件以及各个网络连接到一起？

如今所有网络的组成都是类似的，我们可以将其划分成三大部分：

网络边缘：由各种端系统组成
- 端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备
- 端系统由各类主机(host)构成：桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备
接入网：把端系统接入网络内部
- 连接边缘端系统与网络核心
- 通信链路 (光纤、铜缆、无线电、激光链路)
网络核心：由大量节点和通讯链路组成
- 由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网
- 关键技术：分组交换（路由器、链路层交换机）

网络边缘#

我们把网络边缘的设备都称为主机(Host)，主要包括客户端（手机、平板等）和服务器，其功能主要是运行应用程序、发送/接收用户数据

主机中一般包含以下几个模块：

网络设备硬件：网卡、无线网卡等，负责对外通信
内核软件：内核驱动、协议栈等，负责处理网络数据，网卡管理与访问
应用软件：浏览器、聊天工具等，调用内核接口，负责与用户交互

主机的命名（三个层次）：

每个网卡都有一个全球唯一的物理地址(48位MAC地址)，不可修改，由厂商统一分配
IP 地址：由一组数字构成，IPv4（32位）/ IPv6（128位），可配置，方便管理
主机名：字符串，方便记忆

这些命名之间的转换依赖于不同的网络协议：

ARP 协议：IP 地址 $\Longleftrightarrow$ MAC 地址
DNS 协议：主机名 $\Longleftrightarrow$ IP 地址

接入网#

接入网的目的是把主机连接到网络中去，与主机相连的最近的网络节点称为边缘路由器（第一跳路由器）

通过各种物理链路（引导型/非引导型）将主机连接到边缘路由器

引导型介质（有线）：信号在固体介质中传播，例如双绞线（电话线，网线）、光纤、同轴电缆（有限电视）
非引导型介质（无线）：信号自由传播，例如无线电（陆地无线电、卫星无线电信道）

网络中传输常用比特（bit），K/M/G 层级为 $10^3$ 进制（ $1 \text{B} = 8 \text{b}$ ）

网络核心#

目的：把海量的端系统连接到一起

网络核心是由各类路由器（交换机）和链路构成的网状网络

Internet 结构#

端系统通过本地网络提供商（access ISP）接入Internet，而本地网络提供商之间也需要互相连接，产生了一个结构极度复杂的当今Internet

Internet结构

每个Access ISP接入全局ISP（Global ISP），ISP之间签署服务协议，全局ISP之间也需要互连

ISP 层级结构

ISP层级结构

大型公司如 Google、Facebook 等会自己建设网络，使得数据中心与用户距离更近，这种网络常称为内容提供网络，由于他们的流量巨大，因此可以和 T1 ISP 直接互连

一些概念：

Access ISP (本地 ISP)：连接端系统接入 Internet
Regional Net (地区 ISP)：连接 Access ISP 与 Global ISP
Tier-1 ISP (全球主干 ISP)：全球最高级别 ISP，互相之间流量不收费（如中国电信、AT&T），但会向下级 ISP 收费
IXP (Internet Exchange Point)：互联网交换点，ISP 之间通过 IXP 互连
Content Provider Network (内容提供网络)：大型互联网公司（如 Google）组建，用于连接自己的数据中心与用户，不服务于其他流量

计算机网络服务#

网络的两大功能#

网络的最终目的：将数据发往目标主机，可以拆发成两个功能。

路由 (Routing) - 规划（全局操作）：计算通往目标主机的路径（节点序列）。
- 实现：通过路由算法计算，结果存储在路由表里。
转发 (Forwarding) - 执行（本地操作）：每个节点将数据交给路径上的下一跳。
- 实现：根据目的主机，查找本地路由表，确定下一跳。

两种工作方式#

分组交换(Packet Switching)

特点：

将大消息（message）拆分成多个小分组(packet)
以分组作为数据传输单元
使用存储-转发机制，实现数据交互的通信方式
每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
每个分组在互联网中独立地选择传输路径
支持灵活的统计多路复用

分组交换

电路交换(Circuit Switching)

特点：

先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
由于建立连接并预留资源，因此传输性能好
但如果传输中发生设备故障，则传输被中断

分为频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)两种方式

电路交换

无法应对互联网中广泛存在的“突发”（Burst）流量

两者对比：

特点	分组交换 (Packet Switching)	电路交换 (Circuit Switching)
数据单位	分组 (Packet)	比特流
连接	无需事先建立连接，随时发送	传输前需建立连接，进行资源预留
资源使用	支持统计多路复用，共享链路	资源专用，即使空闲也不共享
优点	灵活、抗毁性强、突发数据利用率高	性能保障（资源预留）
缺点	无资源预留、易拥塞（排队延迟、丢包）	难以实现灵活复用
机制	存储-转发 (Store-and-Forward)	频分多路复用 (FDM) / 时分多路复用 (TDM)

两种调用方式#

面向连接 (Connection-oriented)：传输数据前先建立对话连接，有请求/响应/确认等动作（类比电话系统）。
无连接 (Connectionless)：数据传输前不需要事先建立连接（类比邮政系统）

性能指标#

指标	含义	单位
带宽 (Bandwidth)	单位时间内网络某通道能通过的最高数据率	b/s (bps)
比特率 (Bit Rate)	单位时间内，主机往数字信道上传输的数据量 (数据率)	b/s
吞吐量 (Throughput)	单位时间内，通过某个网络位置的数据量	b/s
有效吞吐量 (Goodput)	单位时间内，目的地正确接收到的有用信息的数目	b/s
包转发率 (PPS)	网络设备以包为单位的转发速率	Packet/s
丢包率 (Loss Rate)	所丢失数据包的数量占所发送数据包的比率	-
利用率 (Utilization)	信道或全网络信道被利用的时间百分比	-
往返时间 (RTT)	数据发送到接收到确认消息的时间	-

线速转发：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到该端口线路的最高速度

大数据包更容易实现线速转发，因为同样带宽下，大数据包每秒传输的包数更少，处理开销更小

时延 (Delay)

总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

传输时延 ( $\boldsymbol{d}_{\text{trans}}$ $d_{trans}$ )：数据从节点进入传输媒体所需时间，又称为发送时延
- 公式： $\text{Length}(\text{bit}) / \text{R}(\text{bit}/\text{s})$
传播时延 ( $\boldsymbol{d}_{\text{prop}}$ $d_{prop}$ )：电磁波在信道中传播距离所需时间
- 公式： $\text{Distance}(\text{m}) / \text{v}(\text{m}/\text{s})$
处理时延 ( $\boldsymbol{d}_{\text{proc}}$ )：主机或路由器处理分组（如分析首部、查找路由）所需时间
排队时延 ( $\boldsymbol{d}_{\text{queue}}$ )：分组在队列中等待处理和发送所经历的时延
当分组到达速率超过链路传输速率时，会产生排队时延，队列满则丢包

时延组成

排队时延是难以估计的，因为它取决于网络的当前负载情况

如果某段链路上，分组到达速率超过链路传输速率，分组在一个缓冲区中排队，等到链路可用。若队列被填满，后续分组就被丢弃（产生丢包）

四种时延的影响：

传输时延 + 处理时延：
- 硬件设备：10微秒~数十纳秒；软件设备：毫秒级~微秒
排队时延：
- 不确定，严重时可达秒级
传播时延：与距离、介质有关
- 光纤：2/3光速
- 微波：光速

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 $\times$ 带宽，即按比特计数的链路长度

若发送端连续发送数据，则在发送的第一个bit即将达到终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个bit ，而这些bit都在链路上向前移动

举例: 传播时延为20ms，带宽为10Mb/s，则：时延带宽积 $= 20/1000 \times 10\times 10^6 = 2 \times 10^5$ bit

只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用

时延抖动

变化的时延称为抖动（Jitter）,时延抖动起源于网络中的队列或缓冲，抖动难以精确预测

在语音、视频多媒体业务中，抖动往往会严重影响用户的体验

其他指标

可靠性：发送的每个消息，接收方收到一次且仅收到一次
完整性：发送的数据无法被篡改
隐私性：发送的数据不被第三方截获
- 有时也包含发送方身份不被暴露
可审计性：可追溯用户的传输行为

计算机网络协议#

定义：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

三要素：

语法 (Syntax)：规定传输数据的格式（如何讲）。
语义 (Semantics)：规定所要完成的功能（讲什么）。
时序 (Timing/Sequence)：规定各种操作的顺序（双方讲话的顺序）。

协议封装 (Encapsulation)：每个协议定义自己的头部 (Header) 信息，数据被封装为载荷 (Payload) 。头部定义了如何处理分组

计算机网络的分层架构#

计算机网络可能是人类历史上最复杂的系统之一，为了简化网络设计与实现，通常采用分层架构，每层提供特定功能与服务保障，层与层之间有接口调用，同层实体通过该层协议进行对话，屏蔽各层实现细节

优势：

明晰简化，便于分析学习
模块独立，加速技术演进
统一标准，统一接口，确保技术互通 (interoperable)

局限：引入额外开销；有时跨层信息也很重要

经典分层模型：

分层模型

OSI 参考模型 (7层)	TCP/IP 参考模型 (4层)	主要功能 (以 OSI 为主)
应用层 (Application Layer)	应用层 (Application Layer)	提供应用程序便捷的网络服务调用（如 HTTP、DNS、SMTP）
表示层 (Presentation Layer)	（包含在应用层）	关注所传递信息的语法和语义，管理数据表示方法
会话层 (Session Layer)	（包含在应用层）	利用传输层服务，建立和维持会话，并提供同步
传输层 (Transport Layer)	传输层 (Transport Layer)	进程到进程的数据传输；提供可靠或不可靠传输服务（如 TCP、UDP）
网络层 (Network Layer)	互联网层 (Internet Layer)	主机之间的数据传输 (Host to Host)；路由、寻址、QoS 控制（如 IP 协议）
数据链路层 (Data Link Layer)	网络接口层 (Host-to-Network Layer)	相邻实体间的数据传输；成帧、差错检测与纠正、物理地址 (MAC)
物理层 (Physical Layer)	（包含在网络接口层）	定义如何在信道上传输 0、1 (Bits on the wire)；机械接口、电子信号

模型比较：

模型比较

网络分层没有对与错，只有是否符合需要，本文即以后的文章的网络分层描述以 TCP/IP 模型为基础，掺用一些OSI模型的概念，将网络分为五层：

物理层 (Physical Layer)
数据链路层 (Data Link Layer) ：实现节点到节点的数据传输
网络层 (Network Layer) ：实现主机到主机的数据传输
传输层 (Transport Layer) ：实现进程到进程的数据传输
应用层 (Application Layer) ：实现用户应用程序间的数据传输

各层功能：

各层功能

分层实现#

端系统 (Host)：实现所有分层（从物理层到应用层）。

核心设备（交换机/路由器）：实现底层功能。

交换机：物理层（L1）和数据链路层（L2）功能。
路由器：物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）功能。

分层特征#

复杂功能由端系统实现

端对端原则：采用聪明终端&简单网络，由端系统负责丢失恢复等复杂功能，实现了建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统
好处：简单的网络大大提升了可扩展性

以IP协议为核心，在其基础上实现多种服务