（本章分值占比约17分，重要程度**）

第一节 计算机网络基本概念

一、计算机网络的定义【单、填】

起源：从技术范畴来看，计算机网络是【计算机技术与通信技术】相互融合的产物。

计算机网络是【互连】的、【自治】的计算机的集合。

“自治”是指互连的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系。 （计算机设备或主机）

“互连”是指利用通信链路连接相互独立的计算机系统。 （双绞线、光纤等）

二、协议定义

网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定称为【网络协议】。（TCP、HTTP、IP等）

任何一个协议都会显示或隐式地定义 3 个基本要素：语法（syntax）、语义（semantics）和

时序（timing），称为协议三要素。

语法，定义实体之间交换信息的【格式】与【结构】

语义，定义实体之间交换的信息中的【控制信息】

时序，定义实体之间交换信息的【顺序】以及【如何匹配或适应彼此的速度】

三、计算机网络的功能【单、填】

计算机网络的功能是在不同主机之间实现快速的【信息交换】。通过信息交换，计算机可实现【资源共享】这一核心功能，包括硬件资源共享、软件资源共享和信息资源共享。

硬件资源共享

通过计算机网络，一台主机可以共享使用另一台主机的硬件资源，包括计算机资源（如 CPU）、存储资源、打印机与扫描仪 I/O 设备等。

软件资源共享

网络上的主机可以远程访问、使用服务器计算机上运行的各类大型软件。软件资源的共享可以避免软件的重复投资、重复部署，有效节省成本。

【SaaS】是目前互联网环境下软件共享的典型形式，也代表了软件共享的主流趋势。

信息资源共享

计算机网路所支持的信息交换就是典型的信息共享。

计算机网络的分类

1.按覆盖范围划分

1、  个域网（PAN）：个域网是近几年随着穿戴设备、便携式移动设备的快速发展而提出

的网络类型。个域网通常覆盖范围在 1～10m。

2、  局域网（LAN）：局域网通常部署在办公室、办公楼、厂区、校园等局部区域内，采

用高速有线或无线链路连接主机，实现局部范围内高速数据传输。局域网通常覆盖范围在

10m～1km。

3、  城域网（MAN）：城域网是指覆盖一个城市范围的网络，覆盖范围通常在 5～50km。

4、  广域网（WAN）：广域网覆盖范围在几十到几千千米，通常跨越更大的地理空间，可

以实现异地城域网或局域网的互连。 

2. 按拓扑结构划分

【网络拓扑】是指网络中的主机、网络设备间的物理连接关系与布局。

（1）星形拓扑结构

星形拓扑结构网络包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接。

星形拓扑结构比较多见于局域网、个域网中。

星形拓扑结构网络的主要优点是易于监控与管理，故障诊断与隔离容易；主要缺点是中央

结点是网络的瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的【端口数量】。

（2）总线型拓扑结构

总线型拓扑结构网络采用一条广播信道作为公共传输介质，称为【总线】，所有结点均与总线连接，结点间的通信通过共享的总线进行。由于总线是一条广播信道，所以任一结点通过

总线发送数据时，其他结点都会接收到承载这些数据的信号。如果同时有两个或两个以上

的结点同时向共享信道中发送数据，就会产生干扰，会导致任何一个结点的数据发送失败，

这一现象称为冲突。总线型拓扑结构网络在早期的局域网中比较多见。

主要优点是结构简单，所需电缆数量少，易于扩展；主要缺点是通信范围受限，故障诊断

与隔离较困难，容易产生冲突。

（3）环形拓扑结构

环形拓扑结构网络利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环。环中的数据传输通常是单向（也可以双向）传输，每个结点可以从环中接收数据，并向环中进一步转发数据。环

形拓扑结构网络多见于早期的局域网、园区网和城域网中。

环形拓扑结构网络的主要优点是所需电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突；主要缺

点是某结点的故障容易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出过程比较麻烦，存在等待时间

问题。

（4）网状拓扑结构

网状拓扑结构网络中的结点通过多条链路与不同的结点【直接连接】，如果网状拓扑结构网络的任一结点与其余所有结点均有直接链路连接，则称为完全网状拓扑网络，否则称之为非

完全网状拓扑网络。网状拓扑结构比较多见于广域网、核心网络等。

网状拓扑结构网络的主要优点是网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可联通；

主要缺点是网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂

（5）树形拓扑结构

树形拓扑结构网络可以看作是总线型拓扑或星形拓扑网络的扩展。比较多见的是通过级联星形拓扑结构网络中的中央结点构建树形拓扑结构网络。

树形拓扑结构网络的主要优点是易于扩展，故障隔离容易；主要缺点是对根结点的可靠性

要求高，一旦根结点故障，则可能导致网络大范围无法通信。

（6）混合拓扑结构

混合拓扑结构网络是由两种以上简单拓扑结构混合连接而成的网络。

混合拓扑结构网络的主要优点是易于扩展，可以构建不同规模网络，并可根据需要优选网

络结构；主要缺点是网络结构复杂，管理与维护复杂。

3. 按交换方式划分

数据交换是指网络通过彼此互连的结点间的数据转接，实现将数据从发送结点送达目的结点的过程和技术。按网络所采用的数据交换技术，计算机网络可以分为电路交换网络、报

文交换网络和分组交换网络。

4. 按网络用户属性划分

按网络用户属性，计算机网络可以分为公用网和专用网。

1、 公用网：公用网是指由国家或企业出资建设，面向公众提供收费或免费服务

的网络。

2、 私有网：私有网是指由某个组织（如政府部门或企业等）出资建设，专门面

向该组织内部业务提供网络传输服务，不向公众开放的网络。 

第二节 计算机网络结构

大规模现代计算机网络的结构包括【网络边缘】、【接入网络】与【网络核心】 3 部分。

一、网络边缘

连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或端系统。这些端系统位于网络的最边缘，因此，连接到网络上的所有端系

统构成了【网络边缘】。

网络边缘上的端系统运行分布式网络应用，在端系统之间进行数据交换，实现应用目的。

普通网络用户在使用网络时，就是在网络边缘中通过使用某网络应用，实现在网络边缘的端系统之间的信息交换。因此，可以说网络边缘为网络用户提供了【网络应用服务】。

二、接入网络

1. 电话拨号接入

电话拨号接入是利用电话网络，通过调制解调器（modem）将数字信号调制到模拟电话线路，通过电话网络的模拟语音信号作为载波传送到远端，再利用调

制解调器将数字信号从模拟信号解调出来。

2. 非对称数字用户线路 ADSL

电话机连接电话端局的线路称为用户线路，ADSL也是利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络。ADSL 是目前家庭用户接入网络中比较常见的一种接入方式。ADSL 基于频分多路复用（FDM）技术实现电话语音通信与数字通信（即网络数据传输）共享一条用户线路，在进行网络通信的同时可以进行电话语音通信，这与传统的拨号接入存在很大差异。

之所以称为“非对称”数字用户线路，是因为在 ADSL 接入网络中，在用户线路上实现的上行（从用户端向网络上传数据）带宽比下行（从网络向用户端下传数据）带宽小。

3. 混合光纤同轴电缆 HFC 接入网络

HFC 接入网络也称为电缆调制解调器接入，是利用有线电视网络实现网络接入的技术。HFC 接入网络的用户端使用电缆调制解调器连接有线电视的入户同轴电缆，同轴电缆连接到光纤结点，再通过光纤链路连接电缆调制解调端接系统，进而连接网络。HFC 也是基于频分多路复用技术，利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享。HFC 也是“非对称“的，即上行带宽小于下行带宽。

4. 局域网

企业、学校等机构会在组织范围内建设局域网，连接所有需要接入外部网络的主机，然后通过企业网络或校园网的边缘路由器连接网络核心。典型的局域网技术是以太网、Wi-Fi

等。

5. 移动接入网络

移动接入网络主要利用移动通信网络，如 3G/4G/5G 网络，实现智能手机、移动终端等设备的网络接入。

三、网络核心

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。比较典型的分组交换设备是路由器和交换机等。

网络核心如何实现数据的中继与转发？答案就是数据交换。

第三节 数据交换技术

一、数据交换的概念

计算机网络的【根本目的】是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输、信息交换。

【交换设备】具有多个通信端口，可以同时连接多个通信节点（即主机或交换设备），实现通信端口间的物理或逻辑上的动态、并行通信。

为了连接更大的范围、更多数量的主机，可以将许多交换设备互连，构成一个数据中继与转发的“中间网络”，然后再将主机连接到距离较近的交换设备上，

主机之间的数据传输通过“中间网络”实现中继与转发。这个中间网络不需要

关心所传输数据的内容，而只是为这些数据从一个结点到另一个结点直至到达

目的结点提供数据中继与交换的功能，因此，称之为数据交换网络，组成交换网络的结点（即交换设备）称为交换结点，交换结点和传输介质的集合称为通信子

网，即网络核心。

【数据交换】是实现大规模网络核心上进行数据传输的技术基础。常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。基于不同的交换技术构建的网络分别称之为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。

二、电路交换

电路交换是【最早】出现的一种交换方式，【电话网络】则是最早、最大的电路交换网络。

利用电路交换进行通信包括建立电路、传输数据和拆除电路 3 个阶段。

1. 建立电路

传输数据之前，必须建立一条端对端的电路，这个电路建立过程实际上就是一个个交换结点的接续过程。

2. 传输数据

在电路建立之后，主机之间就可以进行数据传输了。被传输的数据可以是数字数据也可以是模拟数据，数据的传输可以是单工也可以是全双工。

3. 拆除电路

数据传输结束后，要释放该物理链路。该释放动作可由两个通信主机之间任何

一方发起并完成。释放信号必须传送到电路所经过的各个结点，以便重新分配资源。

电路交换的特点、优点与缺点

电路交换的特点是由连接的，在通信时需要先建立电路连接，在通信过程中独

占一个信道，通信结束后拆除电路连接。

电路交换的优点是实时性高，时延和时延抖动都较小；缺点是对于突发性数据

传输，信道利用率低，且传输速率单一。电路交换主要适用于语音和视频这类

实时性强的业务。

三、报文交换

报文交换也称为消息交换，其工作过程为：发送方把要发送的信息附加上发送/接收主机的【地址及其他控制消息】，构成一个【完整的报文】。然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以【存储-转发】的方式传送，直至送达目的主机 。一个报文在每个结点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个结点转发所需的排队延迟时间总和。

四、分组交换
1.分组交换的基本原理

分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。分组交换需要将待传输数据（即报文）分割成较小的数据块，每个数据块附加上【地址】、【序号】等【控制信息】构成数据分组，每个分组独立传输到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。分组传输过程通常也采取【存储-转发】交换方式。

分组交换也叫包交换。

2. 分组交换的优点

（1）交换设备存储容量要求低：理论上讲，分组交换设备只要能缓存一个小分组，网络就

可以工作。因此，分组交换可以大大降低对网络交换结点的存储容量的要求。

（2） 交换速度快：分组交换设备由于只需要缓存一定数量的较短的分组，因此可以利用主

存储器进行存储-转发处理，不需要访问外存，处理转发速度加快。另外，在分组交换网络

中，多个分组可以在网络中的不同链路上进行并发传送，大大提高传输效率和线路利用率，

大幅缩短整个报文通过网络的时间。

（3） 可靠传输效率高：对于分组交换网络，一个分组出现差错，只需重传出错的分组，并

不需要重传所有由同一报文拆分出来的分组。报文长度通常远大于分组长度，在差错概率

相同的条件下，报文交换网络中的一个报文出现差错的概率，大于分组交换网络中一个分

组出现差错的概率，而重传一个报文的代价要远远大于重传一个分组的代价。因此，在存

在差错可能的情况下，分组交换实现可靠传输的效率要高于报文交换。

（4）更加公平：对于分组交换，如果分组大小相同，那么大报文将拆分出更多的分组，小

报文将拆分出较少的分组，不同报文的分组在交换结点上可能交替排队，每个分组通过网

络的时间相当，总体上，小报文将用较短时间通过网络到达目的。因此，分组交换更加公

平。

4. 分组长度的确定

1、 分组长度与延迟时间：在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间

越长，所以，对于实时交互通信，要求延迟时间段，分组长度应该尽可能短；

对于诸如文件传送类的非实时数据通信，延迟要求不高，即使分组长度较长，

也不致影响正常通信，分组长度可以适当长些。

2、 分组长度与误码率：设分组长度为 L 位，其中 h 位为分组头长度，数据长

度为 x 位，即有 x+h=L

若信道误码率为 Pe，则分组传输正确的概率为  Ps=（1-Pe）

分组传输错误要求重发的概率（1-Ps），在考虑到可能多次连续传输错误的情

况下，可以得到最佳分组长度 Lopt 为

 

最高信道利用率可以表示为

 

下图给出了最佳分组长度和信道误码率的关系：

 

分组数据交换的规 格和标准已由 国际电信联盟以建 议的形式制定出， 分组长度以

16B（1B=8bit）到 4096B 之间的 2 B 为标准分组长度，如 32B、64B、256B、512B 和 1024B

等。

第四节 计算机网络性能

一、速率与带宽

【速率】是指网络单位时间内传送的【数据量】，用以描述网络传输数据的【快慢】，也称为数据传输速率或数据速率。计算机网络传输的数据是以位为信息单位的二进制数据，速率的基本单位是【bit/s（位每秒）】，因此有时也称速率为比特率（bit rate）。

带宽原本是指信号具有的频带宽度，即信号成分的最高频率与最低频率之差，单位为 Hz（赫兹）。 在计算机网络中，当描述一条链路或信道的数据传输能力时，经常使用“带宽”一词表示链路或信道的最高数据速率，单位也是 bit/s。由于带宽具有不同的含义与单位，所以有时需要明确说明或者根据上下文判断其具体含义和单位。

二、时延

1、时延是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标，也称为延迟。【时延】是指数据从网络中的一个结点（主机或交换设备等）到达另一结点所需要的时间。

2、在计算机网络中，通常将【连接两个结点的直接链路】称为一个“跳步”，简称“跳”。

3、分组的每跳传输过程主要产生 4 类时间延迟：【结点处理时延】、【排队时延】、【传输时延】和【传播时延】。

1. 节点处理时延

每个分组到达交换结点时，交换设备通常可能需要验证分组是否有差错，根据分组携带的信息检索转发表，确定如何转发该分组，还有可能修改分组的部分控制信息等。针对分组

进行这些操作所消耗的时间总和，构成了结点处理时延，记为 dc。

节点处理时延通常很小，并且对不同分组的节点处理时延变化也非常小，因此，在讨论网络总时间延迟时【常常被忽略】。

2. 排队时延

分组在缓存中排队等待的时间就是排队时延，记为 dq。

3. 传输时延

当一个分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位为止，所用的时间，称为传输时延，也称为发送时延，记为 dt。假设分组长度为 Lbit，链路带宽（即速率）为Rbit/s，则分组的传输时延为 dt=L/R。

显然，分组的传输时延取决于【分组长度】和【链路带宽】。

4. 传播时延

信号从发送端发送出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需要的时间，称为传播时延，记为 dp。显然，若物理链路长度为 D（m），信号传播速度为 V（m/s），则传播时延为 dp=D/V

三、时延带宽积

一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，称为时延带宽积，记为 G，于是 G=dp*R，G

的单位是位。

时延带宽积的物理意义在于：如果将物理链路看作一个传输数据的管道的话，时延带宽积表示一段链路可以容纳的【数据位数】，也称为【以位为单位的链路长度】。

四、丢包率

当网络拥塞特别严重时，新到达的分组甚至已无缓存空间暂存该分组，此时交换结点会丢弃分组，就会发生“丢包”现象。

丢包率常被用于评价和衡量网络性能的指标，在很大程度上可以反映网络的拥塞程度，因为引发网络丢包的主要因素是网络拥塞。丢包率可以定义为

 

五、吞吐量

吞吐量表示在单位时间内【源主机】通过网络向【目的主机】实际送达的数据量，单位为 bit/s 或 B/s（字节每秒），记为 Thr。吞吐量经常用于度量网络的实际数据传送（通过）能力，即网络实际可以达到的源主机到目的的主机的数据传送速率。吞吐量受网络链路带宽、网络连接复杂性、网络协议、网络拥塞程度等因素影响。

对于分组交换网络，源主机到目的主机的吞吐量在理想情况下约等于【瓶颈链路】的带宽。

第五节 计算机网络体系结构

一、计算机网路分层体系结构

1、按照分层的思想，计算机网络完成的所有功能可以划分为若干层，每层完成一部分子功

能，每层在完成相应功能时与另一通信实体的相同层按照某种协议进行信息交换，这样，

计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。

2、体系结构应当具有足够的信息，以便软件设计人员为每层编写实现该层协议的有关程序，

即协议软件。

3、分层体系结构通常是按功能划分的。

4、目前，典型的层次化体系结构有 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型两种。

二、OSI参考模型

负责制定国际标准的国际标准准化组织 ISO 参考了 IBM 的 SNA 和其他计算机厂商的网络体系结构，提出了开放系统互连参考模型，简称 OSI 参考模型，按照这个标准设计建成的计算机网络中的设备都可以相互通信。

三、TCP/IP参考模型

作为最大、最重要的计算机网络——因特网的体系结构则可以用 TCP/IP 参考模型进行描述。

四、五层参考模型

五层参考模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层与应用层，各层功能基本与

OSI参考模型对应，这是近年来，在描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型。

第六节 计算机网络与因特网发展简史

ARPAnet 是第一个分组交换计算机互连的网络，也是当今因特网的祖先。

得到美国国防部高级研究计划署（DARPA）支持的 Vinton Cerf 与 Robert  Kahn 提出了互联网体系结构，即构建网络之网络，并发展了 3 个因特网核心协议，即 TCP、UDP 和 IP，奠定了因特网的协议基础。