Chapter 01
计算机网络体系结构
理解计算机网络的基本概念、分层结构及OSI/TCP-IP模型，掌握数据封装与解封装过程
计算机网络概述
计算机网络的概念、组成与功能 hot
定义：利用通信设备和线路，将地理位置分散、功能独立的多个计算机系统互连起来，通过功能完善的网络软件实现资源共享和信息传递的系统。
- 硬件组成：端系统（主机）、通信链路（双绞线/光纤）、交换设备（路由器/交换机）
- 软件组成：协议栈（TCP/IP）、网络操作系统、网络应用软件
- 核心功能：连通性（基础）、资源共享（核心：硬件/软件/数据共享）、信息服务
计算机网络的分类
- 按覆盖范围：PAN(10m内)、LAN(几米到几公里)、MAN(几十公里)、WAN(几百到几千公里)
- 按拓扑结构：星型、总线型、环型、网状型、树型
- 按交换技术：电路交换(电话网)、报文交换(已淘汰)、分组交换(Internet主流)
- 按传播技术：广播式网络、点对点网络
电路交换、报文交换与分组交换 HOT
三种交换技术是计算机网络发展历程中的核心概念，也是考试高频考点。
| 对比项 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 连接建立 | 必须建立物理连接 | 无需建立连接 | 无需建立连接 |
| 传输单位 | 整个数据流 | 整个报文 | 分组（数据报） |
| 传输路径 | 专用物理链路 | 逐段链路存储转发 | 逐段链路存储转发 |
| 时延 | 建立连接时延+传输时延+释放时延 | 逐段存储转发，时延大 | 逐段存储转发，时延较小 |
| 资源分配 | 预分配，独占信道 | 动态分配，逐段占用 | 动态分配，逐段占用 |
| 利用率 | 低（信道闲置） | 较高 | 高（统计多路复用） |
| 适用场景 | 实时通信（电话） | 已基本淘汰 | Internet数据通信 |
| 可靠性 | 传输过程可靠 | 取决于链路 | 分组独立路由，灵活可靠 |
| 数据格式 | 不要求 | 报文包含完整地址 | 每个分组携带头部地址 |
- 电路交换三个阶段：建立连接 → 数据传输 → 释放连接
- 报文交换：整个报文作为单位在节点间存储转发，报文不能太大
- 分组交换：将报文分割成固定长度的分组，各分组独立选择路由，到达目的后再组装
- 数据报服务：每个分组独立路由，不保证按序到达（Internet使用）
- 虚电路服务：先建立逻辑连接，所有分组沿同一路径，保证按序到达
主要性能指标 hot
- 速率/带宽：数据传输速率，单位bps，注意1Mbps=1000kbps（不是1024）
- 吞吐量：单位时间内通过某网络的实际数据量，吞吐量≤带宽
- 时延四部分：发送时延=数据帧长度/发送速率、传播时延=信道长度/传播速率、处理时延、排队时延
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
- 时延带宽积：= 传播时延 x 带宽，表示链路中能容纳的比特数
- RTT：从发送到收到确认的往返时间
- 利用率：信道利用率接近1时时延急剧增大
计算机网络标准化工作 key
标准化是计算机网络互联互通的基础，需掌握以下主要标准化组织及相关概念：
- ISO（国际标准化组织）：提出OSI/RM七层参考模型，制定OSI系列标准，是计算机网络理论模型的基础
- IEEE（电气电子工程师学会）：制定局域网/城域网标准，最著名的是IEEE 802系列，如802.3以太网、802.11无线局域网(WiFi)、802.5令牌环
- IETF（互联网工程任务组）：负责制定Internet相关技术标准，是TCP/IP协议族标准的核心制定者
- RFC（请求评论/征求意见）：IETF发布的标准文档系列，TCP/IP协议族的所有标准均以RFC形式发布（如RFC 791为IP协议、RFC 793为TCP协议），并非所有RFC都是正式标准
- ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）：制定远程通信标准，如X.25、ISDN、Q.931等，前身是CCITT
记忆要点：ISO制定OSI模型，IEEE制定802系列，IETF通过RFC发布Internet标准
计算机网络体系结构
分层结构 key
- 核心原则：每层实现特定功能，下层为上层服务，对等实体通过协议通信
- 好处：模块化、灵活性、标准化、易于理解
协议、接口、服务 hot
- 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，是每一层活动的元素。第n层的活动元素称为第n层实体
- 对等实体：位于不同系统上同一层（第n层）的实体互称为对等实体。协议就是控制两个对等实体进行通信的规则的集合
- 协议三要素：语法（格式）、语义（动作）、时序（顺序）
- 接口：相邻层交换信息的连接点，SAP服务访问点
- 服务：下层向上层提供的功能，服务原语：请求/指示/响应/确认
- 服务vs协议：服务是垂直关系（下层为上层服务，面向本地系统），协议是水平关系（对等实体间通信规则，面向不同系统）
- 服务类型：面向连接vs无连接、可靠vs不可靠、有应答vs无应答
OSI 七层模型
第7层
应用层
为用户应用进程提供网络服务
第6层
表示层
数据格式转换、加密压缩
第5层
会话层
建立/管理/终止会话
第4层
传输层
端到端可靠传输，TCP/UDP
第3层
网络层
路由选择与IP寻址
第2层
数据链路层
成帧、差错控制、流量控制
第1层
物理层
比特流传输，电气特性
TCP/IP 四层模型
第4层
应用层
HTTP/FTP/DNS/SMTP等协议
第3层
传输层
TCP/UDP，端到端通信
第2层
网际层
IP协议，路由选择
第1层
网络接口层
以太网/WiFi等，物理传输
| 比较项目 | OSI | TCP/IP |
|---|---|---|
| 产生背景 | 国际标准化组织 | 从实践中发展 |
| 模型结构 | 7层 | 4层 |
| 设计理念 | 先有模型后有协议 | 先有协议后有模型 |
| 连接方式 | 网络层支持两种 | 网络层只支持无连接 |
| 可靠性 | 网络层和传输层都提供 | 主要由传输层TCP保证 |
五层参考模型 HOT
定义：五层参考模型是OSI七层模型与TCP/IP四层模型的折中方案，是计算机网络教学（含408考研）中广泛采用的体系结构模型，综合了OSI的理论完整性与TCP/IP的实用性。
- 第5层 应用层：对应OSI的应用/表示/会话层与TCP/IP的应用层，提供用户网络服务
- 第4层 传输层：对应OSI传输层与TCP/IP传输层，端到端可靠/不可靠传输（TCP/UDP）
- 第3层 网络层：对应OSI网络层与TCP/IP网际层，路由选择与IP寻址
- 第2层 数据链路层：对应OSI数据链路层与TCP/IP网络接口层的一部分，成帧、差错控制、MAC寻址
- 第1层 物理层：对应OSI物理层与TCP/IP网络接口层的一部分，比特流传输
考研要点：408计网以五层模型为主线展开讲解，需熟练掌握各层功能与协议
各层PDU名称 key
PDU（协议数据单元，Protocol Data Unit）是指对等实体之间传送的数据单元。不同层的PDU有不同名称：
| 层次 | PDU英文名称 | PDU中文名称 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | Message | 报文 | 应用程序产生的数据单元 |
| 传输层 | Segment / Datagram | 报文段 / 用户数据报 | TCP为报文段，UDP为用户数据报 |
| 网络层 | Datagram / Packet | 数据报 / 分组 | 携带IP头部的数据单元 |
| 数据链路层 | Frame | 帧 | 封装了帧头帧尾的数据单元 |
| 物理层 | Bits | 比特 | 0/1比特流 |
记忆口诀：报文(应用) → 报文段(传输) → 数据报(网络) → 帧(链路) → 比特(物理)
服务访问点
- 定义：SAP（Service Access Point）是同一系统中相邻层实体间交互信息的逻辑接口
- 特点：每层都有各自的SAP，用于标识上层服务使用者
- 简单示例：传输层SAP为端口号
数据封装过程动画
数据逐层封装过程
步骤 0 / 6
点击播放按钮开始动画演示