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本章重点速览：

• 互联网概述
• 互联网的组成
• 计算机网络的类别 ※
• 计算机网络的性能 ※
• 计算机网络体系结构 ※

一、互联网概述

1.1 网络

定义：由若干节点和连接这些节点的链路组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

• 节点：网络里所有能收发数据的设备，相当于公路网里的站点。
  • 计算机（手机、电脑）：普通终端，类比小区住户；
  • 集线器：老式分线插排，一根网线分给多台电脑，一台发消息所有人都收到；
  • 交换机：楼栋分线盒，只把数据发给目标设备，不乱广播；
  • 路由器：小区大门，负责连接多个独立小网络。
• 链路：连接节点的通道，网线、光纤、无线 WiFi 都算，类比公路、桥梁。

1.2 互联网

定义：多个网络通过一些路由器连接在一起，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。又叫“网络的网络”（network of networks）。

• *类比：单个小区 = 普通网络；全国成千上万个小区，通过高速收费站（路由器）全部连通，整片区域总和 = 互联网。

1.3 网络与互联网

• 网络：只把本地一堆电脑 / 设备连起来（家里 WiFi、公司内网）；
• 互联网：把成千上万个「小网络」用路由器拼接互通；
• 主机：所有连入网络的终端设备（手机、电脑、平板、智能电视），统一叫主机。

1.4 互联网发展历程

二、互联网的组成

2.1 互联网的组成

1. 从工作方式划分

1. 边缘部分

由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传达数据、音频或视频）和资源共享。

• 关键词：主机、通信、资源共享
• 通俗解释：所有用户手里的设备（手机、电脑），是网络的使用者；用来聊天、看视频、传文件。
• 类比：所有普通住户，是路网的使用者。

2. 核心部分

由大量网络和链接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）

• 关键词：路由器、连通性、交换
• 通俗解释：运营商搭建的海量线路 + 路由器，不给用户直接操作，只为边缘设备提供数据传输的道路。
• 类比：全国高速路网、收费站，住户不出门，但所有出行都靠路网支撑。

2.2 交换方式

交换 = 数据在网络节点之间转发传递，分为三种形式：电路交换、报文交换、分组交换。

1. 电路交换（数据直通）

• 三个步骤：建立链接（拨号） - 数据传输（通话） - 释放连接（挂断）
  • 类比打电话：
    1. 建立连接：拨号，运营商单独给你拉一条专属电话线；
    2. 传输：通话全程这条线路只归你用，别人无法占用；
    3. 释放连接：挂断电话，线路回收分给其他人。

• 最早用于电话网络中。
• 从建立连接到释放连接，整个过程占用通信资源。
• 由于交换的数据一般都是突发数据，因此一个小时的时间里可能只会用十几分钟，导致网络资源利用率不高。

2. 报文交换

• 报文：一整条完整数据（整张图片、整篇文档，不拆分）；
• 存储转发：交换机必须收到完整全部报文，存起来之后，再转发到下一站。
  • 类比：一件超大完整家具，不拆分，快递站要等整件货物全部到站，才能转运。
• 缺点：完整文件体积大，占用设备存储空间，转发速度很慢，效率低。

3. 分组交换（现代互联网主流，基于报文交换改良）

• 核心操作：把完整大报文，切割成多个小块，每一小块叫分组 / 数据包，再存储转发。
• 类比：超大家具拆成十几个小快递盒分开运输。
• 优势：单个小包体积小，设备存储压力小；多条数据可以穿插共用线路，不会闲置，传输效率远高于报文交换。

对比报文交换和分组交换：

• 分组交换的效率远远高于报文交换。

三、计算机网络的类别

四、计算机网络性能指标

4.1 速率、带宽和吞吐量

基础名词：

• bit（比特）：计算机最小数据单位，只有 0 和 1 两种状态；网络速率单位 bit/s，简写 bps。
• B（字节 Byte）：文件大小单位，1 字节 = 8 比特（1B=8b）；
• 单位换算区分两套标准：
  • 宽带速率（十进制）：k =10310^3103，M =10610^6106，G =10910^9109，T =101210^{12}1012（运营商 1000M 宽带）；
  • 文件存储（二进制）：1GB=1024MB、1MB=1024KB、1KB = 1024B（电脑硬盘文件大小）。

举例：家里办理 1000Mbps 宽带（带宽 = 理论上限），晚上下载电影只有 300Mbps（吞吐量 = 实际速度）。

4.2 时延（延迟）

定义：数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。

种类：

• 发送时延

  • 公式：= 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）= 分组长度（b）/发送速率（b/s）
  • 含义：主机把数据打包、推送到网线上的耗时；文件越大，打包越久。
  • 类比：货车在仓库装卸货物的时间。

• 传播时延

  • 公式：信道长度（m）/ 信号传播速率（m/s）；光纤固定速度 2×10⁸ m/s
  • 含义：光 / 电信号在线路里奔跑的时间，只和距离有关，和文件大小无关。
  • 类比：货车在高速行驶的路程耗时，路越远时间越长。

• 处理时延

  • 含义：路由器收到数据包，解析地址、规划转发路线的耗时。
  • 类比：高速收费站工作人员检查证件、分配路线。

• 排队时延

  • 含义：网络高峰期数据包太多，路由器缓冲区塞满，数据包排队等待转发；上网卡顿主要来源。
  • 类比：节假日高速堵车排队。

衍生名词：

1. 时延带宽积：= 传播时延 x 带宽

   • 类比：整条高速公路能同时容纳的货车总数，代表线路一次性最多承载的数据量。

2. 往返时间RTT：

   • 定义：从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
     • 发送数据包 → 对方收到 → 对方发确认消息返回，全程总耗时；
     • 电脑 ping 命令测的就是 RTT。
   • 类比：你寄信给朋友，朋友收到立刻回信，从寄出到收到回信的全部时长。

五、计算机网络体系结构

核心思想：分层。把复杂的上网流程拆成多层，每层只负责自己的工作，互不干扰，方便开发、排错。

类比快递产业链：寄件打包→干线运输→高速道路→路面路基，对应五层模型。

5.1 协议、接口和服务

1. 协议

• 定义：同一层级、两台设备通信必须遵守的完整规则集合，三要素：语法、语义、同步。

• 拆解三要素：

  • 语法：数据包统一格式（二进制编码规则）→ 快递统一纸箱尺寸；
  • 语义：数据每一段代表什么（哪段是地址、哪段是内容）→ 快递单姓名、电话、地址的含义；
  • 同步：收发节奏（什么时候发、出错怎么重传）→ 快递约定每天下午统一发车。

• 类比：两家快递公司互通货物，必须遵守统一运输规则，否则货物无法交接。

2. 接口

• 定义：相邻两层交换数据的固定通道，上层只能通过接口调用下层，不能跨层直接操作。

• 类比：打包车间（上层）只能通过交接窗口把包裹交给货车运输层（下层）。

3. 服务

• 定义：下层给紧邻上层提供的现成功能，上层只需要调用，不用管下层内部实现细节。

• 类比：货车运输层（下层）给打包层（上层）提供「长途送货」服务，打包员不用关心货车走哪条高速。

注意：协议和服务在概念上是不一样的，只有本层协议的实现才能保证向上层提供服务

5.2 常见的三种计算机网络体系结构

自下而上，底层管硬件传输，顶层管用户软件。

1. OSI参考模型（法律标准）

从下到上：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层

逐层通俗作用：

1. 物理层：网线、光纤、0/1 电信号，只传输原始信号；
2. 数据链路层：同一小区内设备传输，纠错；
3. 网络层：跨城市规划路线，分配地址（路由器工作层）；
4. 运输层：两台终端稳定传输数据；
5. 会话层：建立、断开视频 / 聊天连接；
6. 表示层：数据加密、压缩、格式转换；
7. 应用层：微信、浏览器等用户软件。

2. TCP/IP 四层参考模型（事实标准）

从下到上：网络接口层 → 网际层 → 运输层 → 应用层

层合并简化说明：

• 网络接口层 = OSI 物理层 + 数据链路层（底层硬件合并）；
• 应用层 = OSI 会话层 + 表示层 + 应用层（上层用户功能合并）。

3. 五层模型（教学使用）

从下到上：物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 应用层

1. 物理层：传输光 / 电信号，网线、光纤、WiFi；
2. 数据链路层：局域网内设备通信，交换机工作层；
3. 网际层（网络层）：跨网络路由寻址，分配 IP，路由器工作层；
4. 运输层：手机与服务器端到端传输（TCP 稳定、UDP 高速）；
5. 应用层：各类应用软件（网页、微信、短视频），用户直接交互。