计算机网络

计网的打底篇：网络从哪来（冷战产物）、怎么衡量好坏（性能指标）、怎么分类（拓扑/覆盖范围）、为什么分层、OSI 七层与 TCP/IP 各管什么。对应王道 408 第一章概述部分。

一、网络从哪来：冷战的产物

ARPANET 的诞生完全是国防需求：为了提高生存和反击能力，防止战略部署被一次摧毁（指挥系统串联，一断全断），美国国防部设计出一种分散的指挥系统（并联）——部分点被摧毁，其他点仍能正常工作。这其实就是"网"字的由来。

1969 年，美国国防部国防高级研究计划署（DOD/DARPA）资助建立 ARPANET（阿帕网），也就是 internet 的雏形：将各个结点的大型计算机，使用分组交换技术，通过专门的通信交换机和专门的通信线路相互连接。

最早的三大应用

E-mail：互发小文本文件（1972 年已 40 个结点）
FTP：利用文件传输协议（翻译后完成统一标准，便于沟通）发送大文本文件、数据文件
Telnet：通过一台电脑模拟成另一台远程电脑的一个终端，从而使用远程电脑上的资源（远程登录）

通信协议的诞生

年份	事件
1972	第一届国际计算机通信会议，成立 Internet 工作组，负责建立保证计算机间通信的标准规范
1973	美国国防部开始研究不同网络间的互联问题
1974	IP（Internet 协议）和 TCP（传输控制协议）问世，合称 TCP/IP 协议，定义了一种在计算机网络间传送报文（文件和命令）的方法
1983	ARPANET 全部计算机完成向 TCP/IP 的转换，并在 UNIX 上实现了 TCP/IP
1988	Internet 开始对外开放
1991	商业用户超过学术用户，里程碑

但网络实在太多了，于是提出：各个网络内部使用自己的通信协议，与其他网络通信时使用 TCP/IP 协议——不同层不同协议：

二、发展阶段：四步走

阶段	形态	特点
远程终端连接	单一主机	以主机为中心，终端（键盘、显示器）分布在各处与主机相连，用户通过本地终端使用远程主机
计算机网络阶段	局域网	多个主机互联，实现计算机与计算机间通信，终端用户可访问本地主机和通信子网上所有主机的软硬件资源；出现电路交换和分组交换概念
计算机网络互联阶段	广域网、Internet	ISO 制定开放体系互联基本参考模型（OSI/RM），实现不同厂家计算机的互联；TCP/IP 协议诞生
信息高速公路	高速、多业务、大数据量	ATM 技术、ISDN、千兆以太网，交互式业务（网购……），目前在用

中国的节点：1994 年中国的网络连上世界，连网工作全部完成，中国网络域名确定为 cn。

三、计算机网络是什么

计算机网络也是一个系统：一个利用通信线路和通信设备，将多个计算机的终端连接起来，并遵循一定的网络通信标准，以促进资源共享和信息传递的系统。

功能

功能	说明	例子
数据通信	数据在信道上传输，保证不同主机之间的连通性	文档、邮件的传输
资源共享	硬件共享 / 软件共享 / 数据资源共享	打印机共用；应用软件不用下载就能用；百度文库供大家下载
分布式处理	多台计算机各自承担同一工作的不同部分	Hadoop 平台
提高可靠性	某台主机宕机有替代机	另一条链路迂回到达
负载均衡	计算机之间配合工作

组成：资源子网 + 通信子网

组成元素就两类：网络节点和通信线路。

网络节点分两种：

端节点：信源和信宿节点（用户主机和用户终端）
转发节点：网络通信过程中控制和转发信息的节点（交换机、路由器）——类似中转站

通信线路：传输信息的信道（电话线、电缆、无线电线路、光纤线缆）。

网络节点通过通信链路连接成计算机网络，从功能上分成两个子网：

虚线框外为资源子网：拥有资源的用户主机、请求资源的用户终端（端节点）
虚线框内为通信子网：负责端节点之间传送报文，由转发节点和通信链路组成

IMP：存储转发 vs 广播

转发节点统称为接口信息处理器（Interface Message Processor，IMP）——专用于通信的计算机。有些 IMP 之间直接相连，有些必须通过其他 IMP 才可连接。

当 IMP 收到一个报文后，要根据报文的目标地址决定：提交给与它相连的主机，还是转发到下一个 IMP。这种通信方式叫做存储转发（广域网中常用）：

存储，先到一个点，再看它的地址在哪里，是谁的转发给谁。

另一种通信方式是广播，常用于局域网。在局域网中 IMP 被简化成一个微处理芯片，每台主机或工作站中都设置一个 IMP。广播通信系统中，唯一的信道为所有主机共享，任何主机发出的信息所有主机都能收到：

广播通信：只要你在这条信道上，就能收到我的消息（大喇叭）。

四、性能指标

4.1 速率、带宽、吞吐量

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位 b/s、Kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。

注意与存储容量的区别——速率以 10³ 为倍数，存储以 2¹⁰ 为倍数：

	速率	存储容量
单位倍数	10³（千、兆、吉、太）	2¹⁰（1 KB = 1024 B）
常用字母	小写 b（bit）	大写 B（Byte）
换算	1 Kb/s = 10³ b/s	1 Byte = 8 bit，1 KB = 1024 B

带宽：网络设备所支持的最高速度，单位同速率，是理想条件下的最高速率。

吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据总量（实际数量）。

🛣️ 公路比喻：带宽像马路——单行道还是双行道，不管马路中的速度如何，只管同一时间可通过的数量（宽度）。若有 4 条车道、限速 100km/h，由此可算出理论上单位时间可通过的车辆值（最大值），但一般达不到——车的性能不同速度也就不同（类比于速率不同），单位时间这些车辆通过速度的总和就是吞吐量。

带宽是理论值，吞吐量是实际值，速率是各终端的自身性质。

串一个例子：1000Mb/s 宽带的路由器连着两部手机和一台电脑，每部手机 10Mb/s，电脑 20Mb/s——速率就是 10Mb/s，带宽是 1000Mb/s，路由器吞吐量是 40Mb/s（三者之和）。

4.2 时延：四大类

时延	发生在哪	公式/说明
发送时延	数据从主机到信道上	发送的数据长度 / 发送速率
传播时延	数据在信道上传播	信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率（除非材质改进，这个速度很难提升）
排队时延	路由器前等待	等前面数据处理完
处理时延	路由器内部	检查数据要送去哪、有没有出错

💡 使用高速链路（提高网速），只能减小发送时延，无法减少其他三个时延。

4.3 时延带宽积、RTT、利用率

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

表示链路可以容纳的比特数量——不断发送，直到第一个比特到达接收端才停止发送，这时链路上就充满了数据。所以它的单位是 bit，可以理解为用比特去描述链路的容量（"以比特为单位的链路长度"）。

往返时延 RTT：从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

RTT = 传播时延 × 2 + 处理时间（有时可能直接忽略）。

利用率：

信道利用率 = 有数据通过的时间 / （有 + 无数据通过的时间）
网络利用率 = 所有信道利用率的加权平均值

⚠️ 利用率越高，延迟越大——不是利用率拉满就好。

导图收拢：

五、网络分类

5.1 按拓扑结构

网络拓扑结构指用传输媒体把各种设备互相连接起来的物理布局，是互连过程中构成的几何形状，能表示出服务器、工作站的配置和互相之间的连接。

拓扑	结构	优点	缺点
星型	各节点与中心节点连接，放射状	结构简单、建网容易、控制相对简单	集中控制，中心节点负载过重、可靠性低，线路利用率低
环型	各计算机连成一个闭合的环，点到点	初始安装简单，易找电缆故障点	节点增加后重新配置难度增加；单环上任一错误影响全网
总线型	一条高速主干电缆连接周围节点	信道利用率高、结构简单、便宜	同一时刻只能两节点通信，延伸距离和节点数有限；一处连接问题影响全网（局域网常用）
树型	分级集中控制	线路总长度短、成本低、易扩充、找路径方便	除叶节点外，任一节点或线路故障都会使系统受影响
网状型	节点间线路网状连接	路径多、碰撞阻塞少、局部故障不影响全网、可靠性高	关系复杂、建网不易、控制机制复杂（广域网一般用不完全连接网状）
混合型	两种以上拓扑同时使用	取长补短	网络配置难度大
蜂窝型	无线传输介质（微波、卫星、红外）	适用于城市网、校园网、企业网	无线局域网常用

5.2 按覆盖范围

类型	全称	特点
局域网 LAN	Local Area Network	自备通信线路和设备，覆盖较小地理范围；没有网络通讯费用，传输快（10Mb/s~10000Mb/s）
城域网 MAN	Metropolitan Area Network	覆盖城区范围，提供各种信息服务业务的高速网络
广域网 WAN	Wide Area Network	租用公用通信线路和设备，覆盖较大地理范围；多个局域网串起来（广域网的底层一般都是局域网）

5.3 其他维度

维度	分类
按工作方式	集中式（一台功能强的主机分时服务远程终端）／分布式（多台独立计算机互连，如 Internet）
按传输技术	广播式网络（共享一个公共信道，总线型）／点对点式网络（节点间存在专用线路，多条路线择优选择）
按使用方式	校园网、内网（防火墙）、外网、企业网
按服务范围	公用网（电信）／专用网（军队）
按服务	通信网 ISP ／信息网 ICP

六、分层：把大问题拆成小问题

6.1 为什么要分层

网络大多是分层的体系结构：每一层都建立在它的下层之上，向它的上一层提供一定的服务。一台设备的第 n 层与另一台设备的第 n 层进行通信的规则，就是第 n 层协议——收发双方同层协议必须一致，否则无法通信。

为什么？看一个"简单"的传输文件动作，之前要完成多少准备工作：

发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活（清一下线路，确定好是可通过的）
要告诉网络如何识别目的主机
要查明目的主机是否开机、与网络连接是否正常
要弄清楚对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作
确保差错和意外可以解决
……

这么小的一件事情就存在这么多问题，单独一个层面是很难解决的。于是把问题拆分为若干小问题，进行"分层"。

6.2 分层的基本原则

各层间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
每层之间的界面自然清晰、易于理解，相互交流尽可能少
结构上可分割，每层都采用最合适的技术实现
保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
整个分层结构应该能促进标准化工作

6.3 三个关键概念：协议、服务、接口

概念	方向	生效范围	理解
协议	对等	对应层之间才奏效（第 4 层对第 4 层）	同层约定，第 4 层和第 4 层称为对等实体；不同层（3、4 间）不奏效
服务	自下而上，单向	相邻层之间才奏效	第 4 层享受第 3 层提供的服务；第 4 层不直接享受第 2 层服务，但都集成了——通过第 3 层间接享受
接口	桥梁	相邻两层之间	有了接口，上一层才能享受下一层提供的服务，为服务做铺垫

由此推出几条结论：

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构的，是计算机网络的各层及其协议的集合（简称分层结构）
第 n 层向第 n+1 层提供服务时，此服务不仅包含第 n 层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能
仅仅在相邻层间有接口，且所提供的具体实现细节对上一层完全屏蔽
体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

七、协议的三要素

在计算机网络中，通信的双方都是计算机。为了使计算机之间能正常通信，必须严格制定通信规则、约定和标准，准确地规定传输数据的格式和时序——这些规则、标准和约定就是网络通信协议。

协议通常由三部分组成：

要素	管什么	一句话
语义	解释控制信息每个部分的意义，规定需要发出何种控制信息、完成什么动作、做出什么响应	要做什么
语法	用户数据与控制信息的结构和格式，以及数据出现的顺序	要怎么做
时序	对事件发生顺序的详细说明	何时做

协议要影响的四要素：规则、设备、介质、消息——规则管理消息如何发送、定向、接收和解释；设备彼此交换信息；介质把消息从一个设备传输到另一个设备；消息就是传输的信息单位。

最常用的协议族就是 TCP/IP（Internet 的标准）。TCP/IP 伴随其他协议工作，每种网络服务有对应的协议：

协议	对应服务
HTTP（超文本传输协议）	万维网（www）
SMTP（简单邮件传输协议）、POP（邮局协议）	电子邮件
XMPP、OSCAR	即时消息（Jabber、AIM）
SIP（会话初始协议）	IP 电话

使用网络服务就需要使用对应服务的协议，这样才能实现两个终端的互通互信互联。

八、OSI 七层参考模型

ISO（国际化标准组织）提出的理论模型，从上到下七层：

层	传输单位	一句话任务	代表协议
7 应用层	报文	所有能和用户交互、产生网络流量的程序	FTP、SMTP、HTTP
6 表示层	—	数据格式变换、加密解密、压缩恢复	JPEG、ASCII
5 会话层	—	建立、管理、终止会话；校验点同步	ADSP、ASP
4 传输层	报文段 / 用户数据报	端到端（进程到进程）通信	TCP、UDP
3 网络层	数据报 / 分组	把分组从源端传到目的端，路由选择	IP、ICMP、ARP、OSPF
2 数据链路层	帧	把网络层传下来的数据组装成帧	SDLC、HDLC、PPP、STP
1 物理层	比特	在物理媒体上透明传输比特流	RJ45、802.3

8.1 应用层（7）

所有能和用户交互、产生网络流量的程序。（只有连网才能使用的程序都处于应用层，无需连网的记事本就不属于。）典型的应用层服务：文件传输 FTP、电子邮件 SMTP、万维网 HTTP。

8.2 表示层（6）

顾名思义，主要负责最后呈现在设备、屏幕上的东西——处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）。三个功能：

数据格式变换（翻译官）：…0111011000… → 动画表情
数据加密解密：聊天中涉及"我的密码是*****"，为防止传输过程中被抓包，数据传输前加密、到达目的地后解密
数据压缩和恢复：视频聊天，视频影像在链路上是被压缩的状态，到目的地后才解压缩

表示层其实不是一个单独的层次，在其他模型中它会被纳入应用层、会话层中。

8.3 会话层（5）

会话层建好连接，数据才能传过去——这就是它为表示层提供的服务：向表示层实体/用户进程提供建立连接，并在连接上有序地传输数据。这就是会话，也是建立同步（SYN）。

进程：正在运行的程序（后台也算）
会话间彼此独立而不影响（腾讯视频快进只会影响视频进度，而不会影响 QQ）
功能：① 建立、管理、终止会话；② 使用校验点，使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步（传输大文件时断网了不用重头传，从之前停的位置开始）

8.4 传输层（4）

自下而上第一个面向端到端通信的层次（上 4 层属于端到端的通信，下 3 层属于点到点的通信），同时也是上三层资源子网和下三层通信子网的接口。主要负责主机中两个进程的通信，传输单位是报文段或用户数据报。

四大功能：

可靠传输 / 不可靠传输：可靠 = 需要得到"已收到"的答复才停止传输（有点像在线文件）；不可靠 = 不管接收与否、是否丢失，发过去就完事了（给女神发"在吗"）
差错控制：报文段丢了、顺序错了，传输层帮我们纠正
流量控制：控制发送方的速度（此流量非彼流量）
复用与分用：复用 = 多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务；分用 = 运输层把收到的信息分别交付给上面应用层的相应进程

📱 复用分用例子：手机同时打开了 QQ 和微信，两个进程同时发消息——这些信息变成报文段放在一起使用传输层的服务（复用），但报文段上有标识端口号：QQ 发的标识 1，微信发的标识 2。到了接收端就识别这个端口号，明确要发送到哪个进程（分用）。

IP 与端口：端口号 port 是任何一个软件/应用都具备的，是应用的唯一代表，通常和 IP 地址在一块——IP 地址用来定位计算机，端口号用来定位计算机上的某个服务/应用。每个进程都会分配一个端口来标识，同一台计算机上端口号不能重复。协议：TCP、UDP。

8.5 网络层（3）

也叫 IP 层，最重要的一个层次。主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，实现网际互联。传输单位是数据报。

数据报与分组的关系：数据报过长时可以把它切割成一个一个小的分组再放到链路上传递，使得传输过程更灵活、消耗也更小。

四大功能：

路由选择：根据实时网络情况选择合适的路由，规划最佳路径
流量控制：协调发送端和接收端的速度
差错控制：对分组找错，可改则改，改不了就丢
拥塞控制：针对全局控制速度（比流量控制范围大）——若所有结点都来不及接收分组而要大量丢弃，网络就处于拥塞状态，要采取措施缓解

协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF。

8.6 数据链路层（2）

网络层的下层，为网络层提供服务。主要任务是把网络层传下来的数据组装成帧（帧：数据链路层的传输单位）。

成帧：定义帧的开始和结束——对 …10011101010010101… 定义几种开始和结束的组合，定义好了才能提取出来进行下一步的解封装
差错控制：对帧错、位错有检错纠错功能，或简单丢弃防止浪费资源，或用可靠传输协议纠正
流量控制
访问（接入）控制：控制对信道的访问

协议：SDLC、HDLC、PPP、STP。

8.7 物理层（1）

把比特流转成电信号的形式放到链路上去传输，在物理媒体上实现比特流的透明传输。单位：比特。

透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送（你给什么就传什么）。直接变高低电频。

功能：

定义接口特性：连接电缆的插头要有多少个引脚？每一条引脚应该如何连接？
定义传输模式：单工（只可单方向，两方通信只能一人发送）、半双工（两边都可作为发送方和接收方，但同一时间只能一个人发——对讲机似的）、双工（类似于打电话）
定义传输速率：百兆网、十兆网
比特同步：需要"时钟"，保证准确无误传输
比特编码：把 01 规定一下，用什么样的电压表示 0、什么样的电压表示 1

协议：RJ45、802.3。

8.8 发一个文件的全脉络

通过应用层里的软件发送文件 → 表示层帮忙压缩文件 → 会话层建立连接 → 传输层识别是哪个软件在发送、要发送到哪去 → 网络层找到最佳线路 → 数据链路层将数据按帧分组 → 物理层把 01 变成电信号，在线路上传播。

九、TCP/IP 模型

两个模型的出身完全不同：

OSI 是学者研究出的理论概念，是法律标准（先有模型后有协议）
TCP/IP 则是先投入实践，根据实践结果总结出的模型，是事实标准

以七层模型的思路分析 TCP/IP 参考模型：

TCP/IP 层	对应 OSI	说明
应用层	应用 + 表示 + 会话	包括所有的高层协议，把表示层和会话层都纳入其中
传输层	传输层	端到端，进程与进程的通信
网际层	网络层	和网络层差不多，最关键的部分：把数据报拆分成分组发给网络，并进行路由选择
网络接口层	数据链路 + 物理	与物理网络的接口，并未具体规定细节

TCP/IP 协议栈的"栈"：得名于栈结构——TCP、IP 协议是最常用的，是这个栈结构的大头。

十、OSI 与 TCP/IP 的异同

相同点：

都分层，将大问题拆分
都基于独立的协议栈的概念
都可以实现异构网络互联（不同厂家的计算机可联系起来）

不同点：

OSI 定义三点：服务、协议、接口
OSI 先出现——模型先于协议发明，不偏向特定协议；TCP/IP 则先有协议后有模型
TCP/IP 设计之初就考虑到异构网互联问题，故将 IP 作为重要层次
网络层和传输层，两模型的通信方式不同：

面向连接：发送请求，连接成功后才能开始数据传输，传输完毕后必须释放连接
无连接：直接进行数据传输

网络层有个重要协议 IP（强调面向无连接），所以两模型在网络层都有无连接通信。传输层是端到端、进程到进程之间的通信，主要是为了实现可靠传输而存在——为实现可靠传输就要建立好连接，所以在传输层都有面向连接通信。结合第 3 点，TCP/IP 特别看重网络层的 IP 协议、特别看重无连接的通信方式，因此 TCP/IP 在网络层只有无连接。

十一、五层参考模型：考试与实际的主力

结合两者优点：OSI 的每层具体功能很清晰，TCP/IP 层次简单、功能交叉少。

层	任务	协议
应用层	支持各种网络应用	FTP、SMTP、HTTP
传输层	进程间数据传输	TCP、UDP
网络层	源主机到目的主机的数据分组路由与转发	IP、ICMP、OSPF
数据链路层	把网络层传下来的数据报组装成帧	Ethernet、PPP
物理层	比特传输

十二、盲点自测

ARPANET 为什么设计成"网"状？ ——冷战国防需求：串联一断全断，并联（分散指挥系统）部分被摧毁仍能工作。
TCP/IP 为什么能统一世界？ ——1974 年问世定义了网络间传报文的方法，且允许各网内部用自己的协议、网间用 TCP/IP——不用推倒重来。
速率单位和存储单位为什么一个是 10³ 一个是 2¹⁰？ ——行业惯例不同，还注意小写 b（bit）与大写 B（Byte）差 8 倍，宽带运营商报的都是 bit。
带宽、吞吐量、速率怎么区分？ ——带宽是理论最高值（马路宽度），吞吐量是实际总量（实际车流总和），速率是单个终端的性质。
升级千兆宽带能解决所有卡顿吗？ ——不能。高速链路只能减小发送时延，传播/排队/处理时延不受影响。
存储转发和广播的区别？ ——存储转发按地址逐点转发（广域网），广播是共享信道上人人都能收到（局域网，大喇叭）。
协议和服务什么关系？ ——协议是对等实体间的横向规则，服务是下层经接口向上层的纵向供给，单向且相邻。
端到端和点到点的分界在哪？ ——传输层及以上是端到端（进程到进程），网络层及以下是点到点（设备到设备）。
复用分用靠什么实现？ ——端口号：发送时多个进程的报文段共用传输层（复用），接收时按端口号交回对应进程（分用）。
OSI 是法律标准、TCP/IP 是事实标准，差在哪？ ——OSI 模型先于协议（理论先行），TCP/IP 协议先于模型（实践先行）；后者因把 IP 放在核心位置而胜出。
为什么两模型的传输层都支持面向连接、网络层都支持无连接？ ——传输层为了可靠传输需要建连接；网络层的 IP 是无连接的，TCP/IP 更是把无连接贯彻到底（网络层只有无连接）。

分层骨架立住了：七层各司其职，五层是学习和考试的主力。下面自底向上逐层展开协议细节。

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