公告

👇 文章中 emoji 详解 👇

🌱 ➡️ 了解

🔥 ➡️ 熟悉

🎯 ➡️ 掌握

💾 ➡️ 过时

为知笔记

深浅模式

更新2026-09-05字数0 字时长0 分钟

第一章：信息时代的计算机网络 ​

1.1 概述 ​

  • 随着信息技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展和密切结合，计算机网络已经成为 21 世纪这个信息时代的核心，以 因特网 为代表的计算机网络已悄然改变了人们的生活、学习、工作甚至思维方式，并对国民经济、国家安全、社会稳定等方面产生着巨大的影响。

  • 毫不夸张的说：计算机网络已经融入了我们生活的方方面面，它已成为我们生活中不可或缺的一部分。

1.2 计算机网络的各类应用 ​

  • 我们生活中丰富多彩的网络应用，大致可以分为： 信息浏览和发布 、 通信和交流 、 休闲和娱乐 、 资源共享 、 电子商务 、 远程协作 以及 网上办公 等几个类别，如下所示：
  • 相信大家每天都会使用上述网络应用类别中的具体应用，如下所示：
点我查看具体细节
  • 1️⃣ 网络为我们提供 浏览信息和发布信息 的平台：因特网上连接着海量的万维网网站，人们可以使用 google 、 baidu 等 搜索引擎 去搜索感兴趣的信息；而 博客 、 微博 等 信息发布平台 ，让信息时代的每个人不仅可以看，还可以畅所欲言。
  • 2️⃣ 网络为我们提供 通信和交流 的平台：从早期兴起的 电子邮件 、 网络电话 到今天的以 QQ 、 Skype 为代表的各种即时通信工具，在网络世界里将人们的距离拉得越来越近。2011 年，腾讯退出的网络社交软件 --- 微信 ，已风靡整个华人世界，成为 Facebook 、 Twitter 等世界著名社交软件强有力的竞争对手。
  • 3️⃣ 网络为我们提供 休闲和娱乐 的平台： 网络电视 目前已经成为传统有线电视最大的竞争对手；而 Bilibili 、 YouTube 等 视频网站 ，在移动互联网崛起的背景下迅速发展。除此之外，令人流连忘返的 互动网络游戏 ，成为许多人（尤其年轻人）最为喜爱的娱乐活动之一。
  • 4️⃣ 网络为我们提供 资源共享 的平台：从过去通过 文件传输软件 共享远程服务器上的文件，到后来因特网上广泛流行的 P2P 文件共享 。从最初办公室内的同时通过网络共用一台打印机，到今天所有联网计算机均可方便的共享网络中的多种计算资源、存储资源和信息资源。近年来，基于网络的 云计算 持续升温，利用云计算可将大量的用户数据、应用软件和计算任务放置在云端，从而使用户终端的计算能力和存储能力得到无限放大。
  • 5️⃣ 网络为我们提供 电子商务 的平台：在网络时代， 网上购物 、 网上购票 、 网上转账 等应有尽有的电子商务，让生活变得方便，让宅男宅女们足不出户的梦想成为现实。
  • 6️⃣ 网络为我们提供 远程协作 的平台：应用最为广泛的远程协作场景就是 远程教育 以及 远程医疗 等。
  • 7️⃣ 网络为我们提供 网上办公 的平台：通过计算机网络， 政府部门的电子政务系统 向公众提供在线咨询、网上申报、审批、年检、招商、投诉、举报等政府服务。而 大学校园的网上办公系统 提供选课、成绩管理、网上评教评学、科研项目审批、报奖、科研经费报账、设备保修等。
  • 计算机网络的用途不胜枚举，并且随着技术的发展，计算机网络已从互联传统服务器、桌面计算机到互联笔记本电脑、手机等移动便捷式计算设备，并逐步扩展到互联各种家用电器、环境传感器等非传统计算设备，甚至是所有可标识的物体，即： 物联网 （IOT，Internet Of Things）。

提醒

物联网，近年来越来越受到全球的广泛关注，其发展和成熟，必将给我们的生活带来一次全新的变革。

  • 计算机网络的应用不胜枚举，难以想象，如果某一天网络突然从我们生活中消失，我们的生活将会变得怎样？

1.3 计算机网络带来的负面问题 ​

  • 计算机网络，给我们带来极大便利的同时，也带来了一些负面的问题，如下所示：
点我查看具体细节
  • 1️⃣ 黑客通过网络大肆传播计算机病毒和木马，攻击正规网络，窃取国家机密或实施诈骗犯罪。
  • 2️⃣ 一些以盈利为目的的非法网站。
  • 3️⃣ 网络上流传的形形色色的谣言。
  • 4️⃣ 沉迷于网络游戏的青少年。
  • 5️⃣ ……
  • 但是，瑕不掩瑜，计算机网络给社会带来的积极作用，毫无疑问多于消极作用。

提醒

换言之，计算机网络让世界更紧密，让生活更美好，让未来更可期！！！

1.4 我国互联网的发展情况 ​

  • 截至 2021 年 12 月，我国网名规模为 10.32 亿，较 2020 年 12 月，新增网民 4296 万；互联网普及率达 73.0%，较 2020 年 12 月提升 2.6%，如下所示：
  • 我国手机网民规模为 10.29 亿，较 2020 年 12 月，新增手机网民 4289 万，网民中使用手机上网的比例为 99.7%，如下所示：
  • 截至 2021 年 12 月，我国网民的人均每周上网时长为 28.5 个小时，较 2020 年 12 月提升 2.3 个小时，如下所示：
  • 2021 年，我国各类个人互联网应用用户规模呈普遍增长态势，其中在线医疗、在线办公的用户规模增长最为明显；较 2020 年 12 月分别增长 8308 万，1.23 亿，增长率分别为 38.7%、35.7%；网上外卖、网约车的用户规模分别较 2020 年 12 月增长 1.25 亿，8733 万，增长率分别为 29.9%、23.9%；在线旅行预定、互联网理财、网络直播、网络音乐等应用的用户规模增长率也均在 10% 以上，如下所示：
  • 因特网是当今世界上最大的计算机网络，也是我们接触最多的计算机网络。我们可以看看 因特网之父 --- 温顿·瑟夫 是怎么说的，如下所示：

  • 既然我们的生活离不开计算机网络；那么，我们为何不去了解它并使用它呢？

第二章：因特网 ​

2.1 网络、互联网和因特网 ​

2.1.1 网络 ​

  • 网络 是最宽泛的概念，指的是 多个节点通过某个连接方式组成的系统 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 节点 并不一定是计算机，也可以是手机、服务器、打印机、路由器，甚至人或交通设施。
  • 2️⃣ 在计算机领域中，通常所说的 网络 是 计算机网络 ，即：将若干计算机和网络设备连接起来，实现数据通信和资源共享的系统，如：
    • 家庭 Wi-Fi 网络。
    • 学校校园网。
    • 公司内部局域网。
    • 银行专用网络。
    • 手机移动通信网络。
  • 3️⃣ 一共公司内部只有几十台计算机，即使完全不能访问外部世界，它依然是一个网络。
  • 由于网络中的设备错综复杂，为了简化，我们可以使用 云 来代替 一个网络 ，如下所示：

2.1.2 互联网 ​

  • 互联网 可以理解为 网络和网络连接形成的网络 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 互联网 不是一个单独的网络，其是通过路由器、网关等设备，将多个相互独立的计算机网络连接起来。
  • 2️⃣ 互联网 强调的是一种 网络互联的结构或技术思想 ，如：
  • 3️⃣ 几个公司可以将各自的内部网络连接起来，形成一个私有互联网。该互联网不一定就是全球范围的因特网。
  • 4️⃣ 从严格意义上说： 互联网是通用概念，凡是由多个网络互联而形成的系统，都可以称为互联网 。

2.1.3 因特网 ​

  • 因特网 是当今世界上规模最大、使用最广泛的全球互联网，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 因特网 是 Internet 的中文译名；在生活中，不严格区分，也会经常称为 互联网 。
  • 2️⃣ 因特网 通过 TCP/IP 协议族，将世界各地的家庭网络、企业网络、校园网、运营商网络、数据中心网络等连接起来。
  • 3️⃣ 我们日常使用的一些服务通常都运行在因特网上，如：浏览网页、收发电子邮件、即时通信、网络视频、在线游戏、云计算、网络购物、文件传输等。
  • 4️⃣ 因特网 本身主要提供网络通信能力，而 网页 、 电子邮件 、 微信 、 视频 等属于运行在 因特网 上的 应用服务 ，如：Web 只是因特网上的一种应用，不能把 Web 和因特网完全等同。

2.1.4 区别 & 联系 ​

  • 网络、互联网和因特网的区别，如下所示：
名称含义范围是否特指全球网络
网络多个节点连接形成的系统最广❌️
互联网多个计算机网络相互连接形成的网络较广不一定
因特网全球最大的、基于 TCP/IP 的公共互联网特定✅️
  • 网络、互联网和因特网的联系：网络是节点之间的连接，互联网是网络之间的连接，因特网是全球最大的互联网。

2.1.5 生活化的比喻 ​

  • 如果 计算机网络 是 道路系统 ；那么， 网络 、 互联网 和 因特网 就可以这么理解，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 网络 = 一个小区或城市内部的道路。
  • 2️⃣ 互联网 = 把不同城市道路连接起来的公路系统。
  • 3️⃣ 因特网 = 覆盖全球的完整公路交通网络。
  • 4️⃣ 数据包 = 在道路上行驶的车辆。
  • 5️⃣ 路由器 = 十字路口和交通枢纽。
  • 6️⃣ IP 地址 = 建筑物的地址。

2.2 因特网的简介 ​

2.2.1 因特网发展阶段 ​

  • 因特网的基础结构大体上经历了以下三个阶段的演进，如下所示：

2.2.2 因特网服务提供者（ISP，Internet Service Provider） ​

2.2.2.1 概述 ​

  • 普通用户是通过 ISP 接入因特网的，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ ISP 是为个人、家庭、学校、企业等用户提供因特网接入及相关服务的机构！！！
  • 2️⃣ 国内的 ISP 主要有 中国电信 、 中国移动 和 中国联通 ，他们向广大用户提供因特网接入服务、信息服务和增值服务。

2.2.2.2 主要作用 ​

2.2.2.2.1 提供因特网接入 ​
  • 家庭中的电脑和手机，通常先连接到家庭路由器；但是，家庭路由器本身并不能直接访问全球因特网，还需要通过 ISP 提供的通信线路接入，如下所示：：
  • 办理家庭宽带时，运营商会提供：光纤线路、光猫、宽带账号、网络接入服务、公网或私网 IP 地址等。
2.2.2.2.2 为用户分配 IP 地址 ​
  • 设备接入因特网时，需要使用 IP 地址；所以，ISP 通常会为家庭路由器或企业出口设备分配一个 IP 地址，如下所示：
  • 普通家庭宽带的地址可能是： 动态公网 IP 、 固定公网 IP 以及 运营商级 NAT 后的私网 IP 。
2.2.2.2.3 转发用户的数据包 ​
  • 用户访问网站时，数据包会先进入 ISP 的网络，再由 ISP 转发到其他运营商、数据中心或目标服务器所在的网络，如下所示：
  • ISP 的路由器会根据目标 IP 地址，选择合适的路径转发数据包。
2.2.2.2.4 提供 DNS 服务 ​
  • ISP 通常还会提供 DNS 服务器，用来把域名转换成 IP 地址，并且用户设备获得服务器 IP 地址后，才能向目标服务器发送数据，如下所示：
  • 用户也可以使用其他公共 DNS，而不一定使用 ISP 默认提供的 DNS。
2.2.2.2.5 提供其他网络服务 ​
  • 除了基础接入，ISP 还可能提供这些服务，如下所示：

2.2.2.3 层次结构 ​

  • 因特网已发展成为 基于 ISP 的多层次结构的互联网络 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 已经接入因特网的用户也可以称为一个 ISP，即：其只需要购买一些相关的设备（调制解调器、路由器等），就可以让其他用户来通过它接入因特网。
  • 2️⃣ 因特网的结构实际上是基于 ISP 的多层次结构，即：各类 ISP 可以在因特网拓扑上添加新的层次或分支。

2.2.2.4 生活化比喻 ​

  • 如果 计算机网络 是 道路系统 ；那么， ISP 就可以这么理解，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 网络 = 一个小区或城市内部的道路。
  • 2️⃣ 互联网 = 把不同城市道路连接起来的公路系统。
  • 3️⃣ ISP = 城市道路和高速公路运营者。
  • 4️⃣ 因特网 = 覆盖全球的完整公路交通网络。
  • 5️⃣ 数据包 = 在道路上行驶的车辆。
  • 6️⃣ 路由器 = 十字路口和交通枢纽。
  • 7️⃣ IP 地址 = 建筑物的地址。

2.2.3 因特网的标准化工作 ​

  • 因特网的标准化工作是 面向公众 的，其任何一个建议标准在成为因特网标准之前，都是以 RFC 技术文档的形式在因特网上发表的。

提醒

RFC（Request For Comments，请求评论）：任何人都可以从因特网上免费下载 RFC 文档，并随时对某个 RFC 文档发表意见和建议。

  • 制定因特网标准需经过 因特网草案 、 建议标准 、~~ 草案标准 ~~ 和 因特网标准 阶段，如下所示：

2.2.4 因特网的管理机构 ​

  • 因特网的管理机构，如下所示：

2.2.5 因特网的组成 ​

  • 因特网是当今全球覆盖范围最广的互联网，其网络拓扑非常复杂；但是，我们可以从 功能 上简单地将其划分为 核心部分 和 边缘部分 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 核心部分 负责 数据的远距离传输（中转） ， 边缘部分 负责 用户接入和资源使用 。
  • 2️⃣ 两者共同构成了覆盖全球、互联互通的因特网。

第三章：电路交换、分组交换和报文交换 ​

3.1 电路交换（Circuit Switching） ​

3.1.1 基本思想 ​

  • 在早期，专为 电话通信服务 的电信网络中，需要使用很多相互连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务，如下所示：
  • 电话交换机接通电话线的方式就是 电路交换 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 使用 电话交换 进行通信，需要建立 建立连接 --> 数据传输（通话） --> 释放连接 三个步骤。
  • 2️⃣ 建立连接：在使用电路交换打电话之前， 主叫方 必须首先进行拨号，以请求建立连接。当 被叫方 听到电话交换机送来的振铃音并摘机后，从 主叫方 到 被叫方 就建立了一条专用的物理通路，即：连接，该连接为通信双方提供了通信资源，即： 分配通信资源 。
  • 3️⃣ 数据传输（通话）： 主叫方 和 被叫方 可以基于已建立的连接进行通话了。在整个通话期间，通信双方始终占用着连接，通信资源不会被其他用户占用，即： 一直占用通信资源 。
  • 4️⃣ 释放连接：通话完毕挂机后，从 主叫方 到 被叫方 的这条专用物理通路被交换机释放，将双方所占用的资源归还给电信网，即： 归还通信资源 。
  • 计算机之间的数据传送并不适合采用 电路交换 的方式，因为计算机之间通信是突发式的。

提醒

  • 1️⃣ 通常而言，我们的计算机都会运行即时通讯工具，如：QQ、微信等。
  • 2️⃣ 尽管我们并不是一直连续通过该工具发送消息；但是，为了随时发送和接收消息，我们也会一直让其处于上线状态。
  • 3️⃣ 对于这种情况，如果采用电路交换的方式；那么，宝贵的通信线路资源大部分并不会被利用，即：白白被浪费了，因为 计算机之间的数据传送是突发式的 ，即：数据在短时间内集中出现，之后又进入较长的空闲期，如：用户突然发送一条微信消息、浏览器突然请求一个网页、程序突然下载一批数据，随后可能很长时间没有任何数据需要传输。
  • 4️⃣当计算机之间使用 电路交换 来传送数据的时候， 其线路的传输效率一般都会很低 ，线路上真正来传送数据的时间往往不到 10% 甚至 1%，如：假设打开微信并保持在线 1 小时，但在这一小时内只发送了几条消息（占用时长为 10 秒）；那么，线路的利用率是 10 / 3600 * 100% = 0.28%，即：线路虽然被独占了一个小时，但真正传输数据的时间还不到 1%，其余时间都处于空闲状态。
  • 传统的电话通信的数据流比较连续，即：人在通话过程中，语音数据基本会连续产生。

提醒

传统的电话通信，建立一条专用线路后，线路能够得到较充分的使用。

txt
通话开始  ████████████████████████████████████  通话结束
               语音数据持续产生并持续传输
  • 即时通信是：“保持在线”并不等于“一直有数据传输”。

提醒

即时通信，如果仅仅因为在线就长期独占一条线路，大部分线路容量都会被浪费。

txt
保持在线  ██────────────██──────────────██────────────  下线
         消息          消息            消息

3.1.2 生活类比 ​

  • 电路交换类似于传统的固定电话，如下所示：

3.1.3 特点 ​

  • 电路交换的优缺点，如下所示：
特点描述
优点✅️ 通信路径固定。
✅️ 传输时延稳定。
✅️ 数据按发送顺序到达。
✅️ 不需要为每一段数据附加完整目的地址。
✅️ 适合持续、实时的数据传输。
缺点❌️ 建立连接需要时间。
❌️ 通信期间即使没有数据传输，线路资源也会被占用。
❌️ 线路利用率较低。
❌️ 某个节点或链路故障后，原有连接可能中断。
❌️ 不适合计算机数据这种突发性通信。

3.1.3 应用场景 ​

  • 传统电话网络主要采用电路交换。

3.2 分组交换（Packet Switching） ​

3.2.1 基本思想 ​

  • 计算机通信采用的是 分组交换 ，而不是 电路交换 ，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 该小型互联网可以看作是一个分组交换网，而 交换节点1 ~ 交换节点6 都是 路由器 ，其可以用来存储转发分组（数据包的分片）。
  • 2️⃣ ​ 主机A <---> 主机H 通过分组交换网进行通信。假设 主机A 的用户要给 主机 H 的用户发送一条消息，通常把表示消息的整块数据称为一个报文（Message），如： 10100101 ...... 01100011 ，即：图中的报文 M 。
  • 3️⃣ 较长的报文一般不适宜直接传输，如果报文太长，则会对交换节点的缓存容量有较大的需求，在错误处理方面也比较低效，因为需要将较长的报文划分为若干个较小的等长数据段，如： 10100101 、 ...... 、 01100011 ，在每个数据段的前面添加一些由必要信息组成的首部，这样就构成出了一个分组，如： 10100101首部 、 ......首部 、 01100011首部 ，即：图中的数据段 P1 、 P2 、 P3 和 P4 。:
  • 4️⃣ 添加首部，难道不是额外加大传输的数据量？其实不然，首部在传输中起了关键的作用：
    • 首部中肯定包含了分组的目的地址（源地址、目的地址、分组序号、协议控制信息以及差错检测信息等）；否则，分组传输路径中的各个交换节点就不知道如何转发分组了。
    • 源主机将分组发送到分组交换网中，分组交换网络中的交换节点收到一个分组后，先将其缓存下来；然后，从其首部中提取目的地址，按照目的地址查找自己的转发表。
    • 找到相应的转发接口后，将分组转发出去，以便将分组交给下一个交换节点。
  • 5️⃣ ​经过多个节点的存储转发，分组最终被转发到目的主机，如：在图中， 主机A 将所构造出的各个分组（ P1 、 P2 、 P3 和 P4 ）依次发送出去，各个分组经过传输路径中的各个交换节点进行存储转发，最终到达 主机H 。
  • 6️⃣ 主机H 收到这些分组后，去掉它们各自的首部，将各个数据段组合还原为原先的原始报文，如： 10100101 ...... 01100011 。
  • 7️⃣ 为了方便初学者理解，图中只演示出了分组传输过程中的最简单的情况，即：各个分组从源站到目的站可能会经过不同的路径；而对于分组失序、丢失、误码等问题并没有演示！！！
  • 进一步说明上述分组交换过程，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 主机A 将分组逐个发送给其直接相连的 交换节点1 ；此时， 主机A - 交换节点1 的链路被占用，即：链路忙，而分组交换网中的其他链路并没有被当前通信的双方占用，即：链路空闲。
  • 2️⃣ 交换节点1 对收到的分组进行 存储转发 ，假设 交换节点1 根据分组首部中的地址，查找自己的转发表的结果是下一跳是 交换节点2 ，则 交换节点1 转发分组给 交换节点2 。当分组在 交换节点1 和 交换节点2 之间的链路上传送时，仅占 交换节点1 和 交换节点2 之间的链路，而不是占用分组交换网中的其他资源。
  • 3️⃣ 依次类推， 交换节点2 对收到的分组进行 存储转发 ，直到分组被发送至 主机H 。
  • 4️⃣ 在上述分组交换过程中， 发送方 、 交换节点 以及 接收方 所要完成的任务，如下所示：
角色完成的任务简称
发送方构造分组
发送分组
交换节点缓存分组
转发分组		存储转发
接收方接收分组
还原报文

3.2.2 生活类比 ​

  • 分组交换类似于把一大批货物拆成多个小包裹，r 如下所示：

3.2.3 特点 ​

  • 分组交换的优缺点，如下所示：
特点描述
优点✅️ 不需要建立专用线路。
✅️ 多个用户可以共享网络带宽。
✅️ 线路利用率高。
✅️ 单个分组较小，交换节点不需要很大的缓存空间。
✅️ 可以采用流水线方式传输。
✅️ 某条链路故障时，可以选择其他路径。
✅️ 非常适合突发性的计算机数据通信。
缺点❌️ 每个分组都需要添加首部，会产生额外开销。
❌️ 网络繁忙时，分组需要排队。
❌️ 分组可能丢失、重复或失序。
❌️ 传输时延不固定。
❌️ 接收方可能需要重新排序和重组。

3.2.4 应用场景 ​

  • 现代计算机网络采用分组交换来传输数据报文。

3.2.5 物理连接 VS 逻辑连接 ​

  • 传统的电话通信的数据流比较连续，如下所示：

提醒

  • ① 人在通话过程中，语音数据基本会连续产生。因此，建立一条专用线路后，线路能够得到较充分的使用。
  • ② 这也就是电路交换中的要求： 先独占线路，再进行通信 。
txt
通话开始  ████████████████████████████████████  通话结束
              语音数据持续产生并持续传输
  • 但是，计算机通信通常是 偶尔发送、长期等待 的状态（计算机的通信方式是突发式的），如下所示：

提醒

  • ① 所谓的突发式通信指的是计算机通信中产生的数据通常不是连续、均速的，如：
    • 用户突然发送一条微信消息。
    • 浏览器突然请求一个网页。
    • 程序突然下载一批数据。
    • ……
    • 随后很长时间没有任务数据需要传输；但是，不代表实际没有数据传输。
  • ② 这种突发式通信表现在： 数据在短时间内集中出现，之后又进入较长的空闲期 。
txt
发送数据 ───── 长时间空闲 ── 发送数据 ─────── 空闲 ── 发送数据
██████                     ██████                  ██████
  • 假设 计算机通信 也采用 电路交换 ，我们可以推演一下，如下所示：
  • 假设打开微信并保持在线 1 小时；但是，在这 1 小时中却只发送几条消息：
    • 1️⃣ 实际发送数据累计使用了 10 秒。
    • 2️⃣ 其余 3590 秒没有数据需要传输。
    • 3️⃣ 如果采用电路交换，在这 1 小时中，这条线路必须为我们保留，其他用户不能使用。
  • 那么，线路利用率公式为：线路利用率=实际传输数据的时间线路被占用的总时间×100%
  • 那么，线路利用率结果为：线路利用率=103600×100%=0.28%
  • 换言之，线路虽然被独占了一个小时；但是，真正传输数据的时间还不到 1% ，其余时间都处于空闲状态。
  • 像 即时通信 场景中的 保持在线 并不等于 一直有数据传输 ，如下所示：

提醒

如果仅仅因为在线就长期独占一条线路，大部分线路容量会被白白浪费，推演的过程，如上所示。

txt
保持在线  ██────────────██──────────────██────────────  下线
         消息          消息            消息
  • 那么，现代计算机网络是怎么解决的？答案就是 分组交换 ，如下所示：

提醒

  • ① 用户没有数据时不会独占线路；有数据的时候，会将数据拆成分组，和其他用户共享。
  • ② 如果一个用户暂时不发送数据，线路可以立即为其他用户服务，从而大幅度提高线路利用率。
  • ③ 如果说电路交换是按照 连接时间 来占用线路；那么，分组交换就是按照 实际数据 来使用线路。
  • ④ 计算机通信空闲时间多、数据突发性强，因此更适合采用 分组交换 。
txt
共享线路：│用户A│用户B│用户C│用户A│用户D│用户B│……
  • 微信中的 保持在线 功能又是如何实现的？答案就是 保持在线≠一直占用线路 ，如下所示：

提醒

  • ① 分组交换并不会让微信持续传输数据，而是让其只有在需要的时候发送少量分组，并且不独占线路。
  • ② 微信保持在线，通常表现为：
    • 客户端和服务端维持逻辑上的连接状态。
    • 服务器知道这个账号当前可以接收消息。
    • 客户端定期发送少量心跳包。
    • 有消息的时候，服务器可以通过现有连接（逻辑连接）立即通知客户端。
  • ③ 下面的空白时段没有用户传输数据；但是，微信依然可以显示为在线。
txt
时间 ─────────────────────────────────────────▶

微信在线：  ███████████████████████████████████
实际传输：  ██────·────────────████────·────██
            登录  心跳包        消息     心跳  回复
  • 分组交换是如何做到不会为微信永久分配一条物理线路？答案就是 分组交换会把每次产生的数据拆成分组，只在发送分组的瞬间使用网络资源 ，如下所示：

提醒

  • ① 当我们的微信没有数据时，线路会传输其他用户的数据。当我们的微信产生消息时，数据分组再加入队列等待发送。
  • ② 这就是统计复用，即：多个用户共享一条链路，谁此时有数据，谁就使用链路。
txt
同一条链路上的传输顺序：

│微信心跳│网页数据│视频数据│其他用户消息│微信消息│
  • 电路交换 VS 分组交换，如下所示：

提醒

假设微信保持在线一小时，实际只传输了 10 秒数据。

对比项电路交换分组交换
是否建立逻辑连接是可以建立
是否独占物理线路是否
没有数据时线路仍为该用户保留线路可传输其他用户的数据
有消息时使用预先建立的专用电路数据拆成分组并进入共享链路
线路利用率较低较高
  • 电路交换和分组交换的关键区别是：
txt
电路交换：
用户上线 ── 建立专用电路 ── 一直独占 ── 用户下线

分组交换：
用户上线 ── 保持逻辑连接
               ├─ 无数据：不占用链路传输时间
               ├─ 有消息：发送数据分组
               └─ 定期：发送少量心跳分组
  • 那么，以微信为例，消息是如何到达的？
txt
1. 微信登录服务器，建立一条 TCP 长连接。
2. 客户端与服务器记录这条连接和登录状态。
3. 没有消息时，连接保持空闲，仅偶尔传输心跳包。
4. 其他人给我们发送消息后，消息先到达服务器。
5. 服务器通过已有的 TCP 连接将消息分组发送给我们的手机。
6. 我们的手机收到分组，重新组合后显示消息。
  • TCP 长连接只是 逻辑连接 ，却 不是电路交换中的物理专用通路 ：

提醒

  • ① 所谓“逻辑连接”，可以简单理解为：通信双方记住了彼此的连接状态，随时可以继续收发数据，但网络中并没有为它们铺设并保留一条专用线路。
  • ② 如果以微信为例：
    • 当微信与服务器建立 TCP 长连接后，双方都会保存一些连接信息：
      • 对方的 IP 地址和端口号。
      • TCP 连接当前是否正常。
      • 已发送和已接收的数据位置。
      • 哪些数据已经确认。
      • 当前登录用户与该连接的对应关系。
    • 因此，服务器知道：“这个 TCP 连接对应用户 A。如果有人给用户 A 发消息，就通过该连接发送"。
  • ③ 逻辑连接连接的是双方的“通信状态”，电路连接占用的是网络中的“实际线路资源”。
txt
逻辑上：

	微信客户端 ═════════════ TCP长连接 ═════════════ 微信服务器

物理网络中：

    微信分组 ─┐
    网页分组 ─┼─▶ 路由器 ─▶ 共享链路 ─▶ 路由器
    视频分组 ─┤
    他人分组 ─┘
  • 因此，分组交换 解决问题的核心 并不是取消 保持在线 ，而是将 一直保持专用线路 变为 一直保持逻辑连接，却只有在有分组的时候使用共享线路 ，即：微信既能随时收发消息，也不会因为长时间没有消息而白白独占通信线路。

3.3 报文交换（Message Switching） ​

3.3.1 基本思想 ​

  • 报文交换是分组交换的前身，如下所示：

提醒

  • ① 在报文交换中， 报文被整个发送 ，而不是拆分为若干个分组再进行发送。
  • ② 交换节点将报文 整体接收完成后 才能查找转发表，将整个报文 转发 到下一个节点。
  • ③ 报文交换比分组交换带来的 转发时延要长很多 ，并且需要交换节点具有的 缓存空间也大很多 。

3.3.2 生活类比 ​

  • 报文交换类似于寄送一整件大型包裹，如下所示：

3.3.3 特点 ​

  • 报文交换的优缺点，如下所示：
特点描述
优点✅️ 不需要预先建立连接。
✅️ 不需要独占通信线路。
✅️ 多个用户可以共享网络资源。
✅️ 中间节点可以根据网络情况选择路径。
✅️ 线路利用率比电路交换高。
缺点❌️ 中间节点必须存储完整报文，需要较大的存储空间。
❌️ 报文越大，节点接收完整报文所需时间越长。
❌️ 存储转发造成较大的传输时延
❌️ 大报文可能长时间占用链路。
❌️ 不适合实时通信。

3.3.4 应用场景 ​

  • 电报网络主要采用报文交换。

3.4 电路交换 VS 分组交换 VS 报文交换 ​

  • 电路交换 VS 报文交换 VS 分组交换，如下所示：
  • 如果以 时间 为 纵坐标 ， 主机和节点 为 横坐标 ，其对比图，如下所示：

重要

  • ① 如果要连续传送大量的数据，并且数据传送的时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。但是，计算机的 数据传输 往往是 突发式 的，采用 电路交换 通信 线路利用率会很低 。
  • ② 报文交换和分组交换都 不需要建立连接 ，即：预先分配通信资源，在 传输计算机的突发数据 可以 提高通信线路的利用率 。
  • ③ 将报文构造成若干个更小的分组进行 分组交换 ，比将整个报文进行报文交换的 时延要小 ，并且还可以 避免太长的报文长时间占用链路 ， 有利于差错控制 ，同时具有更好的灵活性。

第四章：计算机网络的定义和分类 ​

4.1 计算机网络的定义 ​

4.1.1 概述 ​

  • 计算机网络的定义 并没有一个统一的标准，不同的人对计算机网络有不同的定义。

4.1.2 计算机网络的早期定义 ​

  • 计算机网络 是一些 互联 、 自治 的 计算机集合 。

提醒

  • 1️⃣ 互联 指的是计算机之间可以通过有线方式或无线的方式进行数据通信。
  • 2️⃣ 自治 是指独立的计算机，如：手机、台式机、平板等，它们有自己的硬件和软件，可以独立运行。
  • 3️⃣ 计算机集合 是指至少需要 2 台以上的计算机。

4.1.3 计算机网络的标准定义 ​

  • 计算机网络 就是把若干 相互独立的计算机 通过 通信链路连接 起来，在 网络协议 的控制下，实现 数据通信 和 资源共享 的系统。

提醒

  • 1️⃣ 相互独立的计算机 ：网络中的计算机首先是 独立工作的计算机系统。
  • 2️⃣ 通过通信线路互连 ：只有计算机还不够，还需要把它们连接起来。连接方式可能包括有线或无线。
  • 3️⃣ 必须遵循网络协议 ：即使设备已经连接起来，也不意味着它们能够正确通信。通信双方必须遵守共同的规则，这些规则就是 网络协议（Protocol）。
  • 4️⃣ 数据通信 ：网络最基本的功能就是在不同设备之间 传输数据。
  • 5️⃣ 资源共享 ：计算机联网的另一个重要目的就是 共享资源。
  • 6️⃣ 独立设备 + 相互连接 + 遵守协议 → 数据通信与资源共享，即：
txt
            计算机网络
                 │
       ┌─────────┼─────────┐
       │         │         │
    独立设备   相互连接    遵守协议
                 │
                 ▼
         数据通信 + 资源共享

4.1.4 现阶段计算机网络的较好定义 ​

  • 计算机网络主要是由一些通用的、 可编程的硬件 互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（传送数据或视频信号）。
  • 这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和 日益增长的应用 。

提醒

  • 1️⃣ 可编程的硬件 ：不限于计算机，而是包括了智能手机、具有网络功能的传感器以及智能家电等智能硬件，这些硬件一定包含有中央处理单元（CPU）。
  • 2️⃣ 各类应用 ：计算机网络并非只用来传送数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

4.2 计算机网络的分类 ​

4.2.1 概述 ​

  • 从 不同的角度 可以对 计算机网络 进行 不同的分类 ，如下所示：

4.2.2 使用者 ​

  • 对 计算机网络 按照 使用者 进行分类，可以分为 公用网 和 专用网 ：

提醒

  • 1️⃣ 公用网：通常是由电信公司出资建造的大型网络，公众只要按照电信公司的规定交纳费用，就可以使用这种网络（给钱就行）。
  • 2️⃣ 专用网：通常是由某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络，如：军队、铁路、电力、银行等部门的专用网，这种网络不向本单位以外的人提供服务（给钱也不行）。

4.2.3 传输介质 ​

  • 对 计算机网络 按照 传输介质 进行分类，可以分为 有线网络 和 无线网络 ：

提醒

  • 1️⃣ 有线网络：双绞线、光纤、同轴电缆。
  • 2️⃣ 无线网络：WIFI、蓝牙、蜂窝网络、卫星通信。

4.2.4 覆盖范围 ​

  • 对 计算机网络 按照 覆盖范围 进行分类，可以分为 广域网 、 城域网 、 局域网 和 个域网 ：

提醒

  • 1️⃣ ** 广域网 **（WAN，🎯）：广域网的覆盖范围通常为 几十 ~ 几千千米 ，可以覆盖一个国家、地区，甚至横跨几个州。广域网是因特网的核心部分，它为因特网核心路由器提供远距离高速连接，互联分布在不同国家和地区的成域网和局域网。
  • 2️⃣ 城域网（MAN）：城域网的覆盖范围一般为 5 ~ 50 千米 ，可以跨越几个街区，甚至整个城市。城域网通常作为城市骨干网，互联大量机构、企业以及校园局域网。
  • 3️⃣ ** 局域网 **（LAN，🎯）：局域网的覆盖范围一般为 1 千米 左右，如：一个学生宿舍、一栋楼或一个校园。局域网通常由微型计算机或工作站通过速率为 10Mb/s 以上的高速链路相连。在过去，一个企业或学校往往只拥有一个局域网。而现在局域网已被广泛的应用，一个企业或学校可能就会有多个互联的局域网，这样的网络常称为校园网或企业网。
  • 4️⃣ 个域网（PAN）：个域网是个人区域网的简称，其覆盖范围一般为 10 米 。个域网主要用于在个人工作的地方，把属于个人使用的笔记本电脑、键盘、鼠标、耳机以及打印机等电子设备用 WiFi 或蓝牙等无线技术连接起来的网络。
  • 示例：家用路由器是连接局域网（LAN）和广域网（WAN）的典型设备
txt
        广域网 WAN
      Internet / ISP
            │
            │
         WAN 口      # WAN 口 → 连接运营商网络/Internet，属于广域网方向。
     ┌──────────────┐
     │   家用路由器  │   # 路由器 → 位于 LAN 和 WAN 的边界，负责在两个网络之间转发数据。
     |              |   # 家庭环境下通常还承担 NAT、DHCP、防火墙等功能。
     │ Router / NAT │
     └──────────────┘
       │    │      )))
    LAN1  LAN2   Wi-Fi  # LAN1、LAN2 等 LAN 口 → 连接电脑、电视、NAS 等有线设备。
       |    |      |      # Wi-Fi → 手机、平板、笔记本无线接入，也属于同一个家庭局域网。
       │    │      │
      电脑  电视   手机/平板
       └────┴──────┘
          局域网 LAN

4.2.5 拓扑结构 ​

  • 对 计算机网络 按照 拓扑结构 进行分类，可以分为 总线型 、 星型 、 环型 和 网状型 ：

提醒

  • 1️⃣ ** 总线型 **（🎯）：使用单根传输线把计算机连接起来，其优点是建网容易，增建节点方便，节省线路。缺点是重负载时，通信效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪以及存在“总线争用”问题（因为数据是“广播式”传输），如：由集线器连接的设备（物理上，属于星型；逻辑上，属于总线型）。
  • 2️⃣ ** 环型 **（🎯）：所有计算机的网络接口都连接成一个环（数据“广播式”传输；但是，通过“令牌”解决总线问题），如：令牌环局域网（流行于 2000 年以前的局域网技术），环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的（令牌顺环依次传递，拿到令牌者方可使用总线）。
  • 3️⃣ ** 星型 **（🎯）：每个计算机都以单独的线路与中央设备相连（由中央设备实现数据的“点对点”传输，不存在“总线争用”问题）。中央设备早期是计算机，后来是集线器，现在一般是交换机或路由器。这种网络拓扑的优点是便于网络的集中控制和管理，缺点是成本高，中央设备对故障敏感，如：由以太网交换机连接的设备。
  • 4️⃣ ** 网状型 **（🎯）：一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，数据通过各个中间节点逐一存储转发，多用在广域网中。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高，如：由众多路由器构建的广域网。

4.2.6 传输技术 ​

  • 对 计算机网络 按照 传输技术 进行分类，可以分为 点对点网络 和 广播式网络 ：

提醒

  • 1️⃣ 点对点网络：数据只会从发送方 点对点 发送到接收方，精准到达，如：路由器转发的数据分组。
  • 2️⃣ 广播式网络：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会受到该分组，并通过 检查分组的目的地址 决定是否接收该分组，如：所有的 WiFi 网络。

4.2.7 总结 ​

  • 计算机网络的分类的总结，如下所示：

提醒

计算机网络，按拓扑结构分类，是从 逻辑上 进行分类的，而不是从 物理上 进行分类的！！！

4.2.8 补充（局域网技术的发展，🌱） ​

  • 局域网技术从“令牌环网 VS 以太网”，逐渐发展到“以太网取得统治地位”，如下所示：
点我查看具体细节
  • 1️⃣ 1980 年代：令牌环网与以太网并存、竞争。
    • 当时局域网主要存在两种具有代表性的技术路线：** 令牌环网（Token Ring） ** 和 ** 以太网（Ethernet） **。
    • 令牌环网采用“令牌传递”的方式控制设备发送数据，典型代表是 IBM Token Ring。
    • 早期以太网采用共享介质，多台计算机共享同一条通信信道，典型设备是 ** 集线器（Hub） **。
    • 因此这一时期可以理解为：** 令牌环技术 VS 以太网技术 **。
  • 2️⃣ 1990 年代：交换式以太网兴起。
    • 传统共享式以太网逐渐向 交换式以太网 发展。
    • 以太网交换机 （Ethernet Switch） 逐渐取代集线器成为局域网的核心设备。
    • 每台计算机可以通过独立链路连接交换机，不再需要所有计算机共享同一个冲突域。
    • 这使以太网在 性能、扩展性、管理便利性以及成本 等方面的优势越来越明显。
    • 与此同时，令牌环网的市场份额开始下降。
  • 3️⃣ 2000 年代：以太网取得统治地位。
    • 随着 快速以太网、千兆以太网以及交换式以太网 的普及，以太网逐渐成为有线局域网的主流技术。
    • 令牌环网等其他局域网技术逐步退出主流市场。
    • 此后，以太网成为现代有线局域网最主要的技术体系。

第五章：计算机网络的性能指标 ​

5.1 概述 ​

  • 计算机网络的 性能指标 被用来从 不同方面 去 衡量 计算机网络的性能。
  • 最常用的 8 种计算机网络性能指标，如下所示：
计算机网络性能指标简要描述Linux 常用命令
1️⃣ 速率数据在网络中的传输速率，即：单位时间内传输的数据量，常用单位为 bit/s 。sar -n DEV 1 、 nload 、 bmon 、 ip -s link
2️⃣ 带宽网络在单位时间内能够传输的 最大数据量，表示网络的最高数据传输能力。ethtool eth0 、 iperf3
3️⃣ 吞吐量单位时间内实际通过某个网络或接口的数据量，反映网络的 实际传输能力。iperf3 、 sar -n DEV 1 、 bmon
4️⃣ 时延数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间，主要包括发送、传播、处理和排队时延。ping 、 mtr
5️⃣ 时延带宽积传播时延 × 带宽 ，表示链路中最多可以容纳多少正在传输的数据，也称为“以比特为单位的链路长度”。ping + iperf3/ethtool + 计算
6️⃣ 往返时间RTT（Round-Trip Time） ，数据从发送方到接收方，再由接收方返回发送方所经历的总时间。ping 、 ss -ti 、 mtr
7️⃣ 信道利用率网络或链路当前被使用的程度，即：实际使用的网络资源占可用资源的比例。sar + ethtool + 计算
8️⃣ 丢包率传输过程中丢失的数据包数量占发送数据包总数的比例，用于衡量网络传输的可靠性。ping 、 mtr 、 ip -s link

5.2 速率（Rate，🎯） ​

5.2.1 概述 ​

  • 为了能够更好地理解速率，我们需要先了解比特，如下所示：

提醒

  • 1️⃣ 比特（bit，记为小写 b）是计算机中 数据量（存储侧）的基本单位 ，一个比特就是 二进制数字中的 0 或 1 。
  • 2️⃣ 数据量（存储侧）的常用单位有 字节 （byte，记为大写 B）、 千字节 （KB）、 兆字节 （MB）、 吉字节 （GB）、以及 太字节 （TB）。
数据量（存储侧）的单位换算关系
比特（b）基本单位
字节（B）1 B = 8 bit
千字节（KB）1 KB = 2¹⁰ B
兆字节（MB）1 MB = 1024 × 1 KB = 2²⁰ B
吉字节（GB）1 GB = 1024 × 1 MB = 2³⁰ B
太字节（TB）1 TB = 1024 × 1 GB = 2⁴⁰ B
  • 数据量（存储侧）之间 相邻单位 的换算是 2¹⁰ = 1024 。

5.2.2 速率 ​

  • 速率 是指 数据在网络中传输的速度 （ 单位时间内传输了多少个比特 ）。

提醒

  • 1️⃣ 速率 通常也称为 数据率 （Data Rate）或 比特率 （Bit Rate）。
  • 2️⃣ 速率 的基本公式是：速率=传输的数据量传输时间。
  • 如果 1 秒钟，传输了 1000 bit。
  • 那么，速率=1000bit1s=1000bit/s
  • 换言之，1000 bit/s = 1 kbit/s。
  • 3️⃣ 速率 的基本单位是 比特/秒 （bit/s，可简称为 b/s 或 bps（bit per second））。
  • 4️⃣ 速率 的常用单位有 千比特/秒 (kb/s 或 kbs)、 兆比特/秒 （Mb/s 或 Mbps）、 吉比特/秒 （Gb/s 或 Gbps）、 太比特/秒 （Tb/s 或 Tbps）。
速率的单位换算关闭
比特/秒（b/s 或 bps）基本单位
千比特/秒（kb/s 或 kbs）1 kb/s = 10³ b/s
兆比特/秒（Mb/s 或 Mbps）1 Mb/s = 1000 × 1 kb/s = 10⁶ bit/s
吉比特/秒（Gb/s 或 Gbps）1 Gb/s = 1000 × 1 Mb/s = 10⁹ bit/s
太比特/秒（Tb/s 或 Tbps）1 Tb/s = 1000 × 1 1Gb/s = 10¹² bit/s

  • 速率侧 之间 相邻单位 的换算是 10³ = 1000 。

  • 示例：如果运营商说的带宽是 100 Mb/s，那么下载软件中显示的是 ? MB/s

  • 速率侧之间的单位是十进制，单位之间的换算是 1000 ，即：1 Mb/s = 1000 × 1 kb/s = 10⁶ bit/s 。
  • 存储侧(数据量)之间的单位是二进制，单位之间的换算是 1024 （2^10） ，即：1 MB = 1024 × 1 KB = 2²⁰ B 。
  • 运营商所说的单位是速率侧的单位；但是，下载软件、操作系统等显示的是存储侧（数据量）的单位。
  • 如果运营商说的带宽是 100 Mb/s （十进制），即：100 Mb/s = 100 × 10⁶ bit/s = 100×106bit/s8=12.5×106B/s 。
  • 存储侧（下载软件、操作系统）显示的就是：12.5×106220≈11.92MB/s 。

5.2.3 如何理解？ ​

  • 速率 描述 的是 数据传得多快 ，即：单位时间内传输了多少个比特，如下所示：

提醒

同样粗的管道中，数据块移动得越快，就表示速率越高！！！

5.2.4 练习 ​

  • 需求：有一个待发送的数据块，大小是 100 MB，网卡的发送速率是 100 Mb/s，则网卡发送完该数据块需要多长时间？

  • 示例：解题过程

t=数据量速率=100×220B×8100×106b/s=220×8b106b/s≈8.39s≈8s

5.2.5 Linux 命令 ​

5.3 带宽（🎯） ​

5.3.1 概述 ​

  • 带宽 在模拟信号系统中的意义是：某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的 频率范围 。
  • 带宽 的单位是：Hz（kHz、MHz、GHz）。

5.3.3 如何理解？ ​

5.4 吞吐量（🎯） ​

5.5 时延（🎯） ​

5.6 时延带宽积（🎯） ​

5.7 往返时间（🎯） ​

5.8 信道利用率（🎯） ​

5.9 丢包率 ​

第六章：计算机网络的体系结构 ​

第七章：我国计算机网络的发展情况 ​

Released under the MIT License.

Copyright © 2026 许大仙