【计算机网络】（一）计算机网络概述

【计算机网络】（一）计算机网络概述

前言

本篇文章大部分内容摘自谢仁希编著的《计算机网络 第8版》和《王道2025计算机网络考研指导》

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1.1 计算机网络在信息时代中的作用

我们知道，21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化、信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

要实现信息化就必须要依靠完善的网络，因为网络可以非常迅速的传递信息。网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础，对社会生活和经济发展的很多方面已经产生了不可估量的影响。

有三大类大家很熟悉的网络：电信网络、有线电视网络和计算机网络。

按照最初的服务分工：

1. 电信网络向用户提供电话、电报及传真等服务；
2. 有线电视网络向用户传送各种电视节目；
3. 计算机网络使用户能够在计算机之间传递数据文件。

这三种网络在信息化的过程中都起着十分重要的作用，但其中发展最快并起着核心作用的则是计算机网络。

随着技术的发展，电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络的技术，扩大了原有的服务范围，而计算机网络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务。从理论上讲，把上述三种网络融合成一种网络就能够提供所有的上述服务，这就是很早以前就提出来的“三网融合”。当然，事实并不会如此简单，因为这设计各方面的经济利益和行政管辖权的问题。

20世纪90年代以后，以Internet为代表的计算机网络得到了飞速的发展，已从最初的仅供美国人使用的免费教育科研网络逐步发展成为供全球使用的商业网络，成为全球最大的和最重要的计算机网络。可以毫不夸大地说，Internet是人类自印刷术发明以来，在存储和交换信息领域的最大变革。

Internet的中文译名并不统一。现有的Internet译名有两种：

1. 因特网：这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的，但是并不流行
2. 互联网：这是目前流行最广的、事实上的标准译名。

Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的，采用互联网这个译名能够体现出Internet最主要的特征。

曾有人把Internet译为国际互联网。但其实互联网本来就是覆盖全球的，对于仅在局部范围互连起来的计算机网络，只能称之为互连网，而不是Internet - 互联网。

互联网之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联网具有两个重要基本特点，即连通性和共享。

所谓连通性（connectivity），就是互联网使上网用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷、非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。

所谓共享就是指资源共享，资源共享的含义是多方面的，可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，使用非常方便。

现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开互联网。人们的生活越依赖互联网，互联网的可靠性也就越重要。现在互联网已经成为社会最为重要的基础设施之一。

在《2025年计算机网络考研指导》中，简单概述了计算机网络的功能，主要有以下五点：

1. 数据通信：用来实现联网计算机之间的各种信息的传输，并联系分散在不同地理位置的计算机，进行统一的调配、控制和管理。
2. 资源共享：计算机网络使网络中的资源（软件、硬件、数据等）互通有无、分工协作，从而极大地提高了硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。
3. 分布式处理：当某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源来提高整个系统的利用率。
4. 提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。
5. 负载均衡：将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络（简称为网络）由若干节点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

有多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成的一个覆盖范围更大的计算机网络，这样的网络称为互连网（internetwork或internet）。因此，互连网是“网络的网络”。

PS：这里是internet而不是Internet哦！

internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络相连而成的计算机网络

Internet（互联网，或因特网）是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

我们可以初步建立下面的概念：

网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

还有一点也必须注意：网络互连并不仅仅是把计算机简单地在物理上连接起来，因为这样做并不能达到计算机之间能够相互交换信息的目的。我们还必须在计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件才行。因此当我们谈到网络互连时，就隐含地表示在这些计算机上已经安装了可正常工作的适当软件，在计算机之间可以通过网络交换信息。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

第一个阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换机网，并不是一个互连的网络。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的节点交换机相连。但到了20世纪70年代中期，人们已认识到不可能仅使用一个单独的网络来满足所有的通信需求。于是ARPA开始研究多种网络互连的技术。1983年TCP/IP协议称为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信，因而人们把1983年作为互联网的诞生时间。1990年ARPANET正式宣布关闭。

第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。从1985年起，美国国家科学基金会NSF（National Science Foundation）就围绕六个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所，并成为互联网中的主要组成部分。

第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，而政府机构不再负责互联网的运营。这样就出现了一个新的名词：互联网服务提供者ISP（Internet Service Provider）。在许多情况加，互联网服务提供者ISP就是一个进行商业活动的公司，因此ISP又常译为互联网服务提供商。例如，国内的移动、电信、联通就是我国最有名的ISP。

随着互联网上数据流量的急剧增长，人们开始研究如何更快地转发分组，以及如何更加有效和更加经济地利用网络资源。于是，**互联网交换点IXP（Internet eXchange Point）**就应运而生了。

IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

1.2.3 互联网标准化工作

1992年由于互联网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫作互联网协会（Internet Society， 简称为ISOC），以便对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。

ISOC下面有一个技术组织叫作互联网体系结构委员会IAB（Internet Architecture Board），负责管理互联网有关协议的开发。

IAB下面又设有两个工程部：

1. 互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）：IETF是由许多工作组WG（Working Group）组成的论坛（forum），具体工作由互联网工程指导小组IESG（Internet Engineering Steering Group）管理。这些工作组划分为若干个领域（area），每个领域集中研究某一特定的短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化。
2. 互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force）：IRTF是由一些研究组（Research Group）组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG（Internet Research Steering Group）管理。IRTF的任务是研究一些需要长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用、体系结构等。

制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段：

1. 互联网草案（Internet Draft）
2. 建议标准（Proposed Standard）
3. 互联网标准（Internet Standard）

1.3 互联网的组成

互联网的拓扑结构虽然复杂，并且在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看，可以划分为以下两大块：

1. 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信或资源共享
2. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的。

1.3.1 互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统（end system）。端系统在功能上可能有很大的差别，晓得端系统可以是一台普通电脑、手机甚至很小的网络摄像头，大的端系统则可能是一台非常昂贵的大型计算机（这种计算机通常被称为服务器 Server）。

在网络边缘的端系统之间的通信方式可以划分为两大类：客户-服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。

这里所说的通信指的是“主机A上的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。通常情况下，我们将这种严密的说法简称为“计算机之间通信”。

客户-服务器方式

客户（Client）和服务器（Server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

客服-服务器方式最主要的特征就是：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

对等连接方式

P2P方式是指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求放和哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件，它们就可以进行平等的对等连接通信。这时，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档，因此将此种工作方式称为P2P方式。

实际上，P2P方式从本质上任然使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一台主机即是客户同时又是服务器。

1.3.2 互联网的核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘部分中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够与其他主机通信。

在网络核心部分中，起特殊作用的是路由器（Router），它是一种专用计算机（但不叫作主机）。路由器是实现分组交换（packer switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

位于网络边缘部分的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则用来转发分组，即进行分组交换。

交换（switching）就是按照某个方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换

为了弄清分组交换，首先需要了解电路交换。最典型的电路交换网是传统电话网。

在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃声并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接确定了双方通话时所需的资源，并且在双方通信时，这些资源不会被其他用户占用。通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路。

像这样必须经过“建立连接”（占用通信资源）->通信（一直占用通信资源）->释放连接（归还通信资源）三个步骤的交换方式称为电路交换。

电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传出效率往往很低。这是因为计算机数据时突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

报文交换

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换（message switching）。

报文交换的基本单位是报文（message），通常我们把要发送的整块数据称为一个报文。

报文交换的特点是整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点，如此重复，直至到达目的结点。每个报文都可单独选择到达目标节点的路径。

分组交换

分组交换也采用存储转发技术。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部（header）后，就构成了一个分组（packet）。分组又称为包，而分组的首部也可称为包头。分组是在互联网中传送的数据单元。

分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了注入目的地之和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

路由器受到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地（有时会经过几十个不同的路由器）以存储转发的形式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。

采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续（或动态）分配传输带宽的策略。这对传送突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路的利用率大大提高了。

为了提高分组交换网的可靠性，互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数节点、连路出现故障时，路由器可灵活地改变转发路由二不致于引起通信的终端或全网的瘫痪。

1.4 计算机网络的类别

1.4.1 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一。目前关于计算机网络的较好定义[PETE12]为：计算机网络主要是由雨鞋通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非转么用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用例传送多种不同类型的数据，并能支持广泛和日益增长的应用。

PS：这个定义一点也不好！

《2025计算机网络考研指导》中的定义：

一般的认为，计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

1.4.2 几种不同类别的计算机网络

1. 按照网络的作用范围进行分类：

   (1) 广域网WAN（Wide Area Network）

   (2) 城域网MAN（Metropolitan Area Network）

   (3) 局域网LAN（Local Area Network）

   (4) 个人区域网PAN（Personal Area NetWord）

2. 按照网络的使用者进行分类：

   (1) 公用网（public network）

   (2) 专用网（priavet network）

《2025计算机网络考研指导》中还有以下划分方式：

3. 按照传输技术分类：

   (1) 广播式网络

   (2) 点对点网络

4. 按照拓扑结构分类：

   (1) 总线形网络

   (2) 星形网络

   (3) 环形网络

   (4) 网状网络

5. 按传输介质分类

   传输介质可分为有线和无线两大类，因此网络可分为有线网络和无线网络。有线网络又可分为双绞线网络、同轴电缆网络等，而无限网络又可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

1.5 计算机网络的性能

计算机网络的性能一般是指他的几个重要的性能指标。但除了这些重要的新呢个指标，还有一些非性能特征（nonperformance characteristics）也对计算机网络的性能有很大的影响。

1.5.1 计算机网络的性能指标

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。常用的性能指标如下：

1. 速率（Speed）：指连接到网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据传输率、数据率或比特率，单位为b/s或bit/s（有时也写为bps，即bit per second）,当数据传输量较高时，可用kb/s、Mb/s、Gb/s。

2. 带宽（Bandwidth）：带宽原本表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹（Hz）。但在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是b/s。

3. 吞吐量（Throughput）：吞吐量指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。吞吐量常用在对实际网络的测量中，受网络带宽的限制。

4. 时延（Delay）：指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间，它由4部分构成：发送时延（传输时延）、传播时延、处理时延和排队时延。

   发送时延（传输时延） = 分组长度 / 发送速率

   传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率

   处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要处理所花的时间。

   排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在传输队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

   数据在网络中经历的总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

5. 时延带宽积：指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出了多少比特。

   时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

6. 往返时延（Round-Trip Time，RTT）：指从发送端发出一个短分组，到发送端受到来自接收端的确总共经历的时延。

   发送时间 = 数据长度 / 发送速率

   有效数据率 = 数据长度 / (发送时间 + RTT)

7. 信道利用率：用来指出某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

   信道利用率 = 有数据通过的时间 / (无数据通过的时间 + 有数据通过的时间)

🙌至此全篇结束！