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本文以 CS-Xmind-Note 仓库中 计算机网络第 1 章概述笔记 为核心骨架，系统讲解计算机网络（第七版 谢希仁）第一章的全部核心知识点：因特网的演进与标准化、边缘与核心的组成结构、速率/带宽/时延等性能指标体系、电路交换与分组交换的原理对比，以及分层体系结构与协议三要素。读完本文，你将掌握第一章的全部考点脉络，并能理解这些概念与后续物理层、数据链路层、网络层等章节笔记的承接关系。

计算机网络第 1 章概述思维导图（来自 CS-Xmind-Note 仓库）

计算机网络在信息时代中的作用

21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

这里的"网络"是指"三网"：

• 电信网络；
• 有线电视网络；
• 计算机网络。

其中发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网（Internet）为代表的计算机网络得到飞速发展，它已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，并成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。因特网被视为自印刷术以来人类通信方面最大的变革——现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。

因特网概述：网络的网络

基本概念：网络、结点、链路与主机

• 网络（network）：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成；
• 互联网：是"网络的网络"（network of networks），把许多网络连接在一起；
• 主机（host）：连接在因特网上的计算机。

注意区分"网络"与"因特网"：网络把许多计算机连接在一起，而因特网则把许多网络连接在一起。起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。

因特网发展的三个阶段

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分为不同的层次。

因特网的标准化工作：RFC 的四个阶段

制订因特网的正式标准要经过以下四个阶段：

1. 因特网草案（Internet Draft）——在这个阶段还不是 RFC 文档；
2. 建议标准（Proposed Standard）——从这个阶段开始就成为 RFC 文档；
3. 草案标准（Draft Standard）；
4. 因特网标准（Internet Standard）。

各阶段的 RFC 文档之间存在承接演进关系：一份文档从"因特网草案"成熟为"建议标准"后即获得 RFC 编号，再经"草案标准"阶段最终成为"因特网标准"。

计算机网络在我国的发展

我国已建成的国家级互联网骨干网（对应原笔记中的 9 大网络）如下：

因特网的组成：边缘部分与核心部分

边缘部分：端系统与进程通信

因特网的边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。处在因特网边缘的连接在因特网上的所有主机又称端系统（end system）。

一个需要重点理解的概念："主机 A 和主机 B 进行通信"，实际上是指"运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信"，即"主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信"，或简称为"计算机之间通信"。

核心部分：路由器与分组交换

网络核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。网络核心部分是因特网中最复杂的部分，它要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线，路由器处理分组的过程是：

1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
3. 把分组送到适当的端口转发出去。

计算机网络的类别

计算机网络的定义

最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网（Internet）是"网络的网络"。

几种不同类别的网络

按作用范围分类：

按使用者的分类：

• 公用网（public network）；
• 专用网（private network）。

计算机网络的性能指标体系

速率

• 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于 binary digit，意思是"一个二进制数字"，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
• 速率即数据率（data rate）或比特率（bit rate），是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或 kb/s、Mb/s、Gb/s 等。
• 速率往往是指额定速率或标称速率。

带宽

• "带宽"（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 现在"带宽"是数字信道所能传送的"最高数据率"的同义语，单位是"比特每秒"，即 b/s（bit/s）。

常用的带宽单位：

请注意区分：在计算机界，K = 2^10 = 1024，M = 2^20，G = 2^30，T = 2^40（用于存储容量等场合）；而带宽的十进制前缀 10^3、10^6、10^9、10^12 属于通信领域的标称单位。

此外，数字信号流随时间变化，在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

吞吐量

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

时延（delay 或 latency）由四部分构成：

注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。

时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，它表示一段链路上能容纳的比特数量。

利用率

• 信道利用率：指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

注意：信道利用率并非越高越好。

时延与网络利用率的关系

根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下：

D = D0 / (1 - U)

其中 U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。当 U 趋近于 1 时，时延 D 急剧增大——这正是"信道利用率并非越高越好"的数理原因，也是后续拥塞控制相关章节的重要理论基础。

计算机网络的非性能特征

除了性能指标，衡量一个网络还须考虑以下非性能特征：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护。

数据交换方式：电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

• 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来；更多电话机需要两两相连：5 部电话机两两相连需 10 对电线，N 部电话机两两相连需 N(N-1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。
• 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。
• 电路交换的特点是必定是面向连接的，其三个阶段为：建立连接 → 通信 → 释放连接。
• 电路交换传送计算机数据效率低：因为计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。

分组交换

分组交换的工作过程（对应原笔记中"主机 1 向主机 2 发送数据"的多个示意环节）：

1. 划分数据段：在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段；
2. 添加首部构成分组：每一个数据段前面添加上首部构成分组；
3. 以分组为传输单元：分组交换网以"分组"作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端；
4. 分组首部的重要性：每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地；
5. 剥去首部还原报文：接收端收到分组后剥去首部，最后还原成原来的报文。

分组交换的优点：

分组交换带来的问题：

• 分组在各结点存储转发时需要排队，这会造成一定的时延；
• 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

三种交换的比较

将电路交换、报文交换与分组交换放在一起对比（"三种交换的比较"对应的经典维度）：

计算机网络最终选择了分组交换作为核心交换方式，这与原笔记中"路由器是实现分组交换的关键构件"的定位完全一致。

计算机网络的体系结构

分层与协议三要素

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种"协调"是相当复杂的。"分层"可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议（network protocol），简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的组成要素（三要素）：

分层的好处：各层之间是独立的；灵活性好；结构上可分割开；易于实现和维护；能促进标准化工作。

五层体系结构：OSI 与 TCP/IP 的折中

• TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层，但最下面的网络接口层并没有具体内容；
• OSI 是七层的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层；
• 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构（原理体系结构）：

实体、协议、服务和服务访问点

• 实体（entity）：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；
• 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务；
• 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务；
• 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议——下面的协议对上面的服务用户是透明的；
• 协议是"水平"的，即协议是控制对等实体之间通信的规则；服务是"垂直"的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的；
• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP（Service Access Point）；
• 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

两种国际标准：OSI 与 TCP/IP

• 法律上的（de jure）国际标准 OSI并没有得到市场的认可；
• 非国际标准 TCP/IP现在获得了最广泛的应用，常被称为事实上的（de facto）国际标准。

关于 OSI/RM：只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信；但在市场化方面 OSI 却失败了。原因包括：OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI 标准的制定周期太长，使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；OSI 的层次划分并不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

internet 与 Internet 的区别

• 以小写字母 i 开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络；
• 以大写字母 I 开始的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

两种通信方式：客户服务器方式与对等方式

客户服务器方式（C/S 方式）

即 Client/Server 方式。客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

客户软件的特点：

• 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务），因此客户程序必须知道服务器程序的地址；
• 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点：

• 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求；
• 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求，因此服务器程序不需要知道客户程序的地址；
• 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

对等方式（P2P 方式）

即 Peer-to-Peer 方式。对等连接（peer-to-peer，简写为 P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器；但如果 C 又同时向 F 提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

万维网 WWW 的问世

因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代：由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW（World Wide Web）被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网这种指数级增长的主要驱动力。

仓库配套资源与学习指引

本章内容在 CS-Xmind-Note 仓库中有完整的配套资源：

• 本章笔记原文：第 1 章 概述.md，即本文的知识骨架来源；
• 本章思维导图高清图：第 1 章 概述.png（即文中插图），可直接用于复习时快速回顾全章脉络；
• 本章可编辑思维导图源文件：第 1 章 概述.xmind，可使用 XMind 打开后按需展开/折叠分支；
• 计算机网络全册索引：计算机网络/README.md；
• 仓库根目录 README.md 说明了各科笔记对应的教材版本，其中计算机网络对应计算机网络（第七版 谢希仁）。

第一章是后续各章的总纲，各概念在仓库中均有对应的深化笔记：物理层对应 第 2 章 物理层.md（数据通信基础、信道复用等）、数据链路层对应 第 3 章 数据链路层.md（封装成帧、透明传输、差错控制三个基本问题与 PPP 协议）、网络层对应 第 4 章 网络层.md（IP 协议、CIDR、路由选择协议）、运输层对应 第 5 章 运输层.md（TCP/UDP、可靠传输、拥塞控制）、应用层对应 第 6 章 应用层.md（DNS、FTP、HTTP、电子邮件等）。

建议学习路径：先通读本文梳理全章骨架，再对照思维导图逐分支回忆概念，遇到"分组交换""分层""性能指标"等承上启下的知识点时，及时跳转到对应章节笔记做纵深巩固——这也是 408 计算机网络科目首轮复习的高效组织方式。

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