计算机网络概述
网络进化史
注意区分 互联网 (Internet) 和 互连网，后者是局部的 一个网络。
只有使用了 TCP/IP 协议族的 互连网 才叫 互联网
类似 中国电信 中国移动 都有自己的 主干 ISP 网（速度极快）
如果两个用户之间需要通信，可以在地区 ISP 间搭建一个 IXP 可以实现快速交换数据
互联网的组成
边缘部分
注意：用户间通信实际是对应设备上的 进程之间互相通信（entail 计组、OS）
所以 os 里有一种架构就是 c/s 架构操作系统，
核心部分
⭐三种交换方式
电路交换
电路交换的优点：
-
线路专用，通信时延小，不会争用物理信道
-
通信时按顺序传数据，不会失序
-
交换设备控制简单
电路交换的缺点：
-
建立连接时间长
-
线路利用率低
-
线路出故障需要重新拨号建立连接
-
不同规格、速率的终端难以通信
-
中间结点不具备存储检验数据能力，难以发现和纠正错误
报文交换
中间的 B 表示的是 交换节点
采用存储转发机制
B 收到 A 的 报文，然后转发给 C
报文交换的优点：
-
无需建立连接，用户可以随时发送报文
-
交换设备可以选择合适的空闲线路发送
-
报文只有在传送时才会占用通信资源，线路利用率高
-
一个报文可以同时发送给多个目的地址
报文交换的缺点：
-
转发时延高，交换结点要把报文整体接受了才能查找转发表转发
-
报文的大小没有限制，要求交换结点有足够的缓存空间
-
报文太长的话发生错误的概率增加，重传代价也更大
分组交换(数据报)
分组传输可以并行进行，所以可以通过流水线方式减少报文的传输时间。
分组交换的优点：
-
不需要建立连接，随时可以发送分组
-
分组长度固定，缓冲区大小也固定，更好管理
-
分组只有在传送时才会占用通信资源，线路利用率高
-
分组是逐个传输的，可以让后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作并行，通过流水线方式减少报文的传输时间
-
分组较短，出错概率小，即使出错重传代价也小
分组交换的缺点：
-
虽然分组比报更小，但仍存在存储转发时延
-
每个分组除了数据都需要增加额外的控制信息，让控制变得更复杂
-
分组交换可能出现失序、重复、丢失的情况；采用虚电路可以解决
分组交换(虚电路)
不同于 数据报 方式，数据报中同一个报文的不同分组可以走不同的路径
同样的情况在 虚电路 中 只能走一开始就建立的 链接路径。
特点：
-
适于时间、频繁的数据交换
-
虚电路的路由选择体现在建连接阶段，连接建后就确定了传输路径
-
提供可靠的通信服务，保证分组有序到达，还可以对两个数据端点的流量进控制
-
网络中某结点链路出现故障后，虚电路遭到破坏
三种方式比较
当需连续传输大量数据，并且传输时间远大于连接建立时间时，采用 电路交换 更为合适。
但从提升网络整体信道利用率角度看，报文交换 和 分组交换 优于 电路交换。
其中，分组交换时延更小、更灵活，适合突发式数据通信
上图中 A、B、C、D 分别是 终端设备，纵坐标是时间
计算机网络分类
⭐性能指标
这一小节应该放到 第二章物理层讲 的
一般不计算
用来展示计算机网络是否阻塞
注意 传播时延 实际上是 不可避免的，任何数据（一组）在这一根信道中传输数据时，不可避免的 都要 经历这一段 过程。不可能说两个设备直接对接传输，必须要有传输介质。
往返 RTT 不包含 发送时延，本质就是 两次 传输时延
例题
该例说明，在不同情况下，对应的主导时延时不同的。
解题方法
分层结构
🔥高优先级
OSI 模型是选择题的高频考点，需要理解每一层的功能。此外，还需要了解 TCP/IP 协议栈和 OSI 协议栈的不同 以及 协议数据单元的概念。
ISO/OSI 模型
OSI 参考模型 有 7 层，自下而上依次为【物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层】（记忆：物链网输会示用）。低三层统称为 通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为 资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。传输层 承上启下。
OSI 参考模型的层次结构如下图所示：
相对应的 模型中只给出对应的层次及其构件完成对应功能的精确定义。需要重点知道的是，这些功能的实现细节不是该体系结构本身所描述的内容。
物理层
物理层的传输单位是 比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流，不用参与数据封装工作。为了实现该功能，物理层需要定义 硬件设备标准，如电缆类型、接口类型、电压标准等。
数据链路层
数据链路层的传输单位是 帧，两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层协议。
数据链路层将网络层交来的 IP 分组封装成帧，并且可靠地传输到相邻结点的网络层。主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为尽可能可靠的 数据链路。数据链路层的功能可以概括为：物理寻址、组帧、差错控制、点对点流量控制、数据重发和传输管理等。
网络层
网络层（Netweork Layer）的传输单位是 数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的 协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行 路由选择，并实现整个网络的流量控制。
传输层
传输层（Transport Layer）的传输单位是报文段或用户数据报，传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为 端到端 连接提供可靠的传输服务，为 端到端 连接提供流量控制（端到端）、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。
数据链路层提供的是 点到点 的通信，传输层提供的是 端到端 的通信，两者不同。点到点 可以理解为主机到主机之间的通信；端到端的通信是指运行在 不同主机内的两个进程之间的通信，只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端。
注意，在 ISO/OSI 模型中网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传播层仅支持面向连接的通信；
会话层
会话层（Session Layer）允许不同主机上的各个进程之间进行会话。 会话 这种服务主要为用户进程建立连接，并在连接上有序地传输数据，这就是 会话。
会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的 检查点 机制来维持可靠会话，使通信会话在通信失效时从检查点继续恢复通信，即断点下载的原理。
[会话管理] [同步]
表示层
表示层 主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的 编码 和表示方法不同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的 编码 形式。此外，数据压缩、加密和解密 也是表示层的功能。
应用层
应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求 应用层 采用不同的应用 协议 来解决不同类型的应用要求，因此 应用层 是最复杂的一层，使用的 协议 也最多
⭐TCP/IP 模型
TCP/IP 模型 从低到高依次为【网络接口层（对应 OSI 参考模型 中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层 和 应用层（对应 OSI 参考模型 中的会话层、表示层和应用层）】。TCP/IP 由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCP/IP 模型 的层次结构如下图所示：
TCP/IP 模型 与 OSI 模型 的不同点在于 网络接口层 和 应用层，可以理解为 TCP/IP 模型 中这两层涵盖了 OSI 协议 中多层的功能（简化）：
学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合 OSI 参考模型 和 TCP/IP 模型 的优点，采用一种如下图所示的只有 5 层协议 的体系结构，即我们所熟知的【物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层】。
注意
这些层次并不是主机自带的，而是通过操作系统和网络协议栈的实现来提供的。操作系统如Windows、Linux等都内置了支持这些网络层次的协议栈，以便能与其他系统进行网络通信
协议数据单元
在网络中，协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）是指在某一层协议中传输的数据单元。每一层在接收来自上一层的数据时，都会在其头部添加控制信息（称为首部 Header），然后将其当作一个新的 PDU 交给下一层处理。这就是所谓的 封装 过程。
虽然用户进程要经过以上复杂过程才能把数据送到对应的进程，但是对用户而言，底层过程都是被封装好的，主机1 进程认为他是直接把数据交给了 主机2 的进程。
同理，任意同样两层 也好像 把数据直接水平传送给对方！
| OSI 层级 | PDU 名称 |
|---|---|
| 7 应用层 | Data（数据） |
| 6 表示层 | Data（数据） |
| 5 会话层 | Data（数据） |
| 4 传输层 | UDP Datagram（UDP 数据报） TCP Segment（TCP 数据段、TCP 分段） |
| 3 网络层 | IP Packet（IP 分组，IP 数据包，IP 报文） |
| 2 数据链路层 | 帧（Frame） |
| 1 物理层 | 比特（Bit） |
注意
对于上表，首要的是掌握英文的名词表述，相比中文，这些表述更加统一和精准，中文翻译良莠不齐，常常有多种表述方式，但是表述的都是一个概念，能见词闻义即可。
网络设备总结
⭐中优先级
需要掌握不同层次网络设备的功能，哪些能够隔离冲突域，哪些能够隔离广播域，在解答题中常间接考察该知识。
冲突域
冲突域 是指在以太网中，当两个设备同时发送数据时，可能发生冲突的一组网络设备所组成的区域。在这个区域内，如果两个或多个设备同时发送帧，由于 共享介质 ，就会产生数据冲突，导致通信失败，需要重新发送。
📌 冲突发生的根本原因：
以太网（尤其是早期使用 共享总线 或 集线器 的方式）采用了 CSMA/CD 协议（载波监听多路访问/冲突检测） 协议：
- 每个设备发送前先监听是否有信号；
- 如果发现没人发，就开始发；
- 如果两个设备几乎同时监听到空闲并发送，就会发生 冲突 。
冲突域的边界由 二层设备（如集线器和交换机） 决定：
- 集线器（Hub）：所有端口共享同一个冲突域。连接在集线器上的设备同时发送数据会发生碰撞，因此无法隔离冲突域。
- 交换机（Switch）：每个端口形成独立冲突域，设备之间的发送不会互相干扰，从而有效隔离冲突。
广播域
广播域 指通过广播方式发送的数据包能够到达的所有主机组成的网络范围。通常，我们讨论的是 IP 层的广播域（ARP 广播也属于此类）。
在同一个 IP 广播域内，设备可以相互接收广播消息。举例来说：如果电脑 A 发送一个广播报文（例如 192.168.1.255），同一广播域内的电脑 B 和电脑 C 都能够接收到该消息。
广播域的边界由 三层设备（如路由器） 决定：
- 交换机（Switch）：仅在二层转发帧，不会阻止广播，广播帧会发送到除来源端口以外的所有端口。
- 路由器（Router）：在三层划分网络，会阻止广播，因此每个路由器接口形成一个独立的广播域。
设备功能
下表给出了不同设备的层次以及是否能够隔离冲突域和广播域：
| 设备 | 功能描述 | 设备位于哪一层 | 隔离 冲突域 ？ | 隔离 广播域 ？ |
|---|---|---|---|---|
| 中继器 | 放大或再生数字信号 | 物理层 | ❌ | ❌ |
| 集线器 | 多个设备的连接，广播所有传入的数据 | 物理层 | ❌ | ❌ |
| 网桥 | 连接并分隔局域网的段落，减少冲突 | 数据链路层 | ✅ | ❌ |
| 交换机 | 连接多个设备，仅向目标设备转发数据 | 数据链路层 | ✅ | ❌ |
| 路由器 | 连接不同的网络并路由数据 | 网络层 | ✅ | ✅ |
各层协议总结
💡低优先级
这节还是作为计算机网络各层协议的一个概览，具体协议细节还是到相应章节去看。在本节中关注以下几点：
- 应用层协议的端口和下层传输层协议是什么。
- 每一层具体有哪些协议。
网络协议要素
网络协议规定了通信双方交互的规则，主要包括以下三要素：
-
语法 ：定义信息的格式和结构（如报文结构、编码方式等）
-
语义 ：规定控制信息的含义和需要完成的操作
-
时序 ：定义事件的发生顺序和通信双方的协同工作方式（如请求与响应的先后顺序）
Danger
整个计算机网络，讲的无非就是各个层次间统一规定的协议，
应用层协议
应用层协议直接面向用户，为应用程序之间的通信提供服务：
| 协议 | 端口号 | 依赖协议 | 简要说明 |
|---|---|---|---|
| HTTP/HTTPS | 80 / 443 | TCP | 超文本传输协议，用于网页浏览。HTTPS 是加密版本，基于 TLS/SSL。 |
| FTP | 20 / 21 | TCP | 文件传输协议，用于文件上传与下载。20 为数据通道，21 为控制通道。 |
| SMTP | 25 | TCP | 简单邮件传输协议，用于邮件的发送。 |
| POP3 | 110 / 995 | TCP | 邮局协议，用于从邮件服务器接收邮件。995 是加密版本（POP3S）。 |
| DNS | 53 | UDP（部分 TCP） | 域名系统，将域名解析为 IP 地址。较大响应或区域传输时使用 TCP。 |
| DHCP | 67（服务器）/ 68（客户端） | UDP | 动态主机配置协议，用于自动分配 IP 地址及其他网络参数。 |
传输层协议
传输层为应用进程间提供可靠或不可靠的数据传输服务：
-
TCP （Transmission Control Protocol） ：面向连接，提供可靠的字节流服务，适用于要求高可靠性的应用（如 HTTP、FTP）。
-
UDP （User Datagram Protocol） ：无连接，不保证可靠性，但开销小、速度快，适用于实时性要求高的场景（如 DNS、视频流）。
网络层协议
网络层负责实现数据包从源主机到目标主机的传输：
-
IP （Internet Protocol） ：不可靠的无连接协议，提供数据报服务，是整个互联网的核心协议。
-
ICMP （Internet Control Message Protocol） ：用于发送错误报告与网络诊断信息（如 ping 命令使用的就是 ICMP 回显请求）。
-
RIP / OSPF / BGP ：路由选择协议，主要用于自治系统内部（RIP、OSPF）或之间（BGP）的路由计算
-
NAT （Network Address ）：网络地址转换，在私网和公网之间转换 IP 地址
数据链路层协议
数据链路层负责将网络层传来的数据组装成帧，在链路上传输并进行差错控制：
-
ARP （Address Resolution Protocol） ：地址解析协议，用于将 IP 地址解析为对应的 MAC 地址。
-
PPP （Point-to-Point Protocol） ：点对点协议，用于点对点链路的数据传输，常用于拨号上网。
-
HDLC （High-Level Data Link Control） ：高级数据链路控制协议，用于同步链路的帧传输，支持面向比特流的通信。
总结
注意
OSI参考模型倾向于在网络内部提供面向连接、可靠的数据传输服务
TCP/IP体系结构则采用无连接的IP网络，将可靠性控制放在端系统（TCP）实现
OSI 的设计理念：尽量提供面向连接服务
OSI模型设计于20世纪70~80年代，当时电信系统（电话网）的影响很大。
OSI认为：
网络应该尽量像电话系统一样工作。
因此OSI设计时倾向于电话通信的特点：
建立连接
↓
传输数据
↓
释放连接
这样做的好处：
- 数据按序到达
- 容易保证可靠性
- 网络可以提前分配资源
- 容易提供QoS（服务质量保证）
所以OSI很多层都考虑了连接管理机制。
TCP/IP 的设计理念：网络层尽量简单
TCP/IP诞生于ARPANET项目。
当时有个重要目标：
即使部分网络被破坏，通信仍能继续。
因此设计者提出：
网络层只负责尽力而为（Best Effort）
其可靠性由端系统（进程内部）解决