Lecture 1：知识 - 计算机网络概述

描述：网络学习先分清“网络和互联网是什么”“交换时是否独占链路”“时延由什么组成”。计算机网络的价值在于通信、共享和协作；Internet 的普适性则来自 TCP/IP 协议族和分组交换。

1.1 计算机网络与互联网

计算机网络（网络）由若干结点和连接结点的链路组成。结点可以是主机、集线器、交换机、路由器等；链路可以是双绞线、光纤、无线链路等。

多个网络再借助路由器互连，构成覆盖范围更广的互连网（internetwork/internet）。

易错：首字母小写的 internet 是普通名词；首字母大写的 Internet 指特定全球因特网。网络连接的是计算机/结点，互连网连接的是网络。

1.2 计算机网络的组成

1.2.1 按组成部分

1.2.2 按工作方式：边缘与核心

1.2.3 按功能：通信子网与资源子网

1.3 计算机网络的功能

1. 数据通信：跨地域传输各类信息，并实现统一调配、控制和管理。
2. 资源共享：共享硬件、软件、数据，互通有无、分工协作，提高利用率。
3. 分布式处理：某机器负荷过重时，把复杂任务分给其他空闲节点，提高全系统利用率。
4. 提高可靠性：多台计算机/资源可相互替代，单点故障不必导致服务完全中断。
5. 负载均衡：把工作任务较均匀地分配给各网络节点。

1.4 三种数据交换方式

1.4.1 电路交换

通信前先在两端之间逐段建立一条专用通信通路，预留沿途链路带宽、交换设备端口或时隙等电路资源；它不一定是一根端到端独占的物理导线，但预留资源在传输期间由双方独占，结束后释放。流程是：建立连接 -> 数据传输 -> 释放连接，传统电话网是典型例子。

适合数据量很大且传送时间远大于建立呼叫时间的连续通信。

1.4.2 报文交换

报文是用户数据加上源/目的地址等控制信息形成的完整交换单位。报文交换采用存储转发：交换结点必须接收并完整存储整个报文，再查转发表决定下一跳；不同报文可独立选择路径。

1.4.3 分组交换

分组交换同样存储转发，但先把长报文划为受最大分组长度等约束的较小数据段；分组不必全部固定等长，分段时最后一段往往更短。每段加源地址、目的地址、编号等必要控制信息，构成分组（packet）。

长报文 -> 划分分组并加首部 -> 交换机缓存一个分组
      -> 读取目的地址、查转发表 -> 转发下一跳 -> 最终目的主机重组

1.4.4 三种方式的选择与辨析

• 对突发业务，报文、分组交换通常比长期独占电路资源更能提高链路利用率。多跳发送较长报文时，分组可逐跳流水传送，通常比整报文存储转发更快；若报文很短、分组首部/处理开销明显或有拥塞，则不能无条件断言分组交换端到端时延更小。
• 数据报服务通常没有建立阶段，分组独立选路且不保证按序到达；虚电路服务须先建立，网络保存虚电路状态，同一虚电路的分组沿预定路径逐跳转发。保存虚电路状态不自动等于可靠、无丢失，是否按序、检错或重传仍取决于具体协议和服务承诺。原 PDF 第 5 页的选择题答案是 D（数据报分组不一定按发送顺序到达）；该页解析把“虚电路的可靠通信由网络自身保证”写成通性，需按具体服务承诺判断。

INFO · 教材补充：数据报与虚电路不能只靠“是否分组”区分 二者都属于分组交换，差别在于网络层是否预先建立逻辑连接、沿途结点是否保存连接状态。

虚电路是“逻辑连接”，不是电路交换那种端到端独占物理资源；数据报是“无连接”，也不等于完全没有路由表或控制平面状态。

1.5 计算机网络的分类

1.5.1 按覆盖范围

传统教材概括：LAN 多采用广播技术，WAN 多采用交换技术。现代交换式以太网端口之间通常是全双工点到点链路，但交换机仍会在同一 VLAN/广播域内转发广播帧；无线、卫星网络也可使用广播式通信。

1.5.2 按传输技术：广播式与点对点网络

广播式网络中所有联网计算机共享一个公共通信信道。一台计算机发送分组时，其他联网计算机都能“听到”；各接收者再检查目的地址，只接收发给自己的分组。

• 传统共享总线以太网和无线局域网使用广播式共享信道；现代交换式以太网的物理链路多为点到点，但 VLAN 内仍支持广播。
• 无线、卫星通信网络也可采用广播式技术。
• 点对点网络由一条条点到点链路连接节点；分组从源到目的通常需经过若干中间节点，并由路由选择决定路径。现代广域网骨干和交换式以太网端口链路常采用这种形态。

1.5.3 按拓扑结构

网络拓扑描述节点（主机、路由器等）与通信线路之间的几何关系，主要指通信子网拓扑。

1.5.4 其他常见分类维度

INFO · 教材补充

这些分类维度可以交叉组合，例如“采用光纤点对点链路的公用广域分组交换网”；不要把某一维度的类别误当成互斥的全部标签。

1.6 网络性能指标

1.6.1 速率、带宽与吞吐量

1.6.2 时延

一个报文/分组从网络一端到另一端的总时延为：

$$d_{total}=d_{trans}+d_{prop}+d_{proc}+d_{queue}$$

易错：发送时延不是信号在导线里“跑”的时间；传播时延不是“把所有比特发出去”的时间。前者看分组大小和链路速率，后者看距离和介质传播速度。

1.6.3 时延带宽积、RTT 和利用率

时延带宽积表示链路按速率 $R$ 持续发送、首比特即将到达终点时，链路“管道”中最多可容纳的在途比特数，亦称以 bit 为单位的链路长度；如果发送的数据不足这么多，实际在途比特数会更少：

$$\text{BDP}=d_{prop}\times R$$

其中 $R$ 是信道带宽。要让高速长距离链路持续不空转，未确认数据量/窗口量级通常需能覆盖 BDP。

往返时延（RTT）是发送端发出短分组后，收到接收端立即返回确认所经历的总时间。互联网中的 RTT 除双向传播外，还含中间节点的处理、排队、转发发送时延。

信道利用率表示有数据实际通过信道的时间占比：

$$U=\frac{\text{有数据通过时间}}{\text{有数据通过时间}+\text{无数据通过时间}}$$

1.6.4 有效吞吐量、丢包率、抖动与可用性

INFO · 教材补充

若在一段时间内发送 $N_s$ 个分组、目的端成功收到 $N_r$ 个，且统计口径一致，则经验丢包率可写为：

$$P_{loss}=\frac{N_s-N_r}{N_s}$$

可靠性、可用性、时延、抖动与吞吐往往需要联合评价。例如通过重传可降低应用可见的数据丢失，却会增加时延、抖动和额外流量；不能只看单一指标断言网络整体性能更好。

1.7 同步与异步传输

异步传输的边界标识常体现为起始位、停止位等帧定界信息；它不代表整个网络完全没有时钟，而是收发双方不要求维持连续、严格同步的字符流。

题型：#时延与交换方式判断

第一部分：解题方法

1. 看“独占通路、先建立”判断电路交换；看“整报文收全再转发”判断报文交换；看“切分小分组、逐分组存储转发”判断分组交换。
2. 时延题先分别列 $L/R$ 与 $D/v$，再按路径上的每跳处理/排队情况相加，避免混淆单位。
3. 问“最高能力”选带宽，问“实际通过量”选吞吐量，问“数据正在传的比例”选利用率。
4. 问应用真正拿到多少有效数据时看 goodput；协议开销和重传流量不能算入有效载荷。

第二部分：易错点

• 分组交换可有虚电路或数据报服务；“分组交换一定无连接”不严谨。
• 时延带宽积中的时延是传播时延，单位乘带宽后是 bit，不是秒或 B/s。
• 长距离但很短的分组可能传播时延主导；大分组而短链路可能发送时延主导。

相关知识

• 科目导航：计算机网络导航
• 阅读顺序：下一篇：体系结构与参考模型

1.8 本节复盘

• 网络连接节点和链路；互联网连接多个网络。internet 是泛称，Internet 是使用 TCP/IP 的特定全球网络。
• 网络可按硬件/软件/协议、边缘/核心、通信/资源子网划分；核心提供交换连通，边缘承载用户通信和共享。
• 电路交换预留并独占沿途电路资源；报文交换整报文存储转发；分组交换以小分组流水式存储转发，适合突发数据。
• LAN、MAN、WAN、PAN 按范围划分；“LAN 多广播、WAN 多交换”是传统教材概括，现代交换式以太网链路通常为点到点。
• 发送时延为 $L/R$，传播时延为 $D/v$，总时延还包括处理与排队；BDP 为 $d_{prop}R$，带宽是最高而吞吐量是实际。
• 有效吞吐量只统计应用载荷；丢包率、时延抖动和可用性与吞吐量共同描述服务质量，不能互相替代。