计算机网络入门：从因特网基础到TCP/IP体系结构

计算机网络作为计算机专业的四大核心课程之一，其重要性不言而喻。为此，我将把学习过程中的笔记与遇到的难题整理成系列文章，既作为个人学习轨迹的记录，也期待能与大家共同分享、交流学习心得。

本文旨在初步探索计算机网络的基本概念及TCP/IP体系结构，为后续深入学习奠定基础，读者只需对此有大致了解即可。
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一、因特网概论

在第一部分“因特网概论”的学习中，由于只需建立基本认知框架，我在记录笔记时采取了较为笼统的方式，未深入过多细节。

1、网络、互连

• 网络: 由若干结点（如计算机、集线器、交换机、路由器等）和连接这些结点的链路组成。
• 互连网:（互联网） 通过路由器将多个网络互连起来的网络集合，是“网络的网络”。
• 因特网 :是世界上最大的互连网，特指采用 TCP/IP 协议族的全球性互联网络。

2、因特网发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互连网发展，形成以 TCP/IP 为核心的互联网。
• 第二阶段：建成三级结构的因特网，包括主干网、地区网和校园网（企业网）。
• 第三阶段：形成多层次 ISP 结构的因特网，由不同层级的互联网服务提供商（ISP）提供服务。

3、因特网的标准化工作

• 因特网的正式标准由 IETF（互联网工程任务组） 制定，文档形式为 RFC（请求评论）
• 标准制定流程：RFC 建议 → 评议 → 成为因特网草案 → 经批准后成为标准。

4、因特网的组成

• 边缘部分 由所有接入因特网的主机（端系统）组成，用于进行通信和资源共享，如 Web 浏览、视频通话等。
• 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务，实现数据的高速转发。

二、三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换

第二部分聚焦于三种数据交换方式的阐释，也就是三种数据传输模式。在这其中，分组交换是重中之重，它是现代互联网得以运行的核心原理所在，必须重点掌握。

1、电路交换：

1.1、概念

电路交换是在通信前，先在发送方和接收方之间建立一条专用的物理通路，通信过程中独占该线路，直到通信结束才释放。其特点是连接建立时间长，但传输时延小，适合长时间、稳定的通信。

1.2、电路交换的三个步骤

• 建立连接（分配通信资源）
• 通话（一直占用通信资源）
• 释放连接（归还通信资源）

2、分组交换

2.1、概念

分组交换是将数据分割成小的“分组”，每个分组独立传输，到达目的地后再重新组装成原始数据的通信方式。

2.2、分组交换的三方作用

• 发送方：构造、发送分组
• 路由器：缓存、转发分组
• 接收方：接受分组、还原报文

3、报文交换

3.1、概念：

报文交换采用“存储-转发”机制。发送方将整个消息作为一个完整的报文发送给中间交换设备（如路由器），设备先将报文完整地存储下来，然后选择一条合适的路径转发到下一个节点。

4、三种交换方式的对比

交换方式	优点	缺点
电路交换	1. 通信时延小 2. 有序传输 3. 没有冲突 4. 适用范围广 5. 实时性强 6. 控制简单	1. 建立连接时间长 2. 线路独占，使用效率低 3. 灵活性差 4. 难以规格化
报文交换	1. 无需建立连接 2. 动态分配线路 3. 提高线路可靠性 4. 提高线路利用率 5. 提供多目标服务	1. 引起了转发时延 2. 需要较大存储缓存空间 3. 需要传输额外的信息量
分组交换	1. 无需建立连接 2. 线路利用率高 3. 简化了存储管理 4. 加速传输 5. 减少出错概率和重发数据量	1. 引起了转发时延 2. 需要传输额外的信息量 3. 存在失序、丢失或重复分组的问题；虚电路服务存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

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三、计算机网络的定义与分类

第三部分围绕“计算机网络的定义与分类”展开，此部分内容作为基础知识，仅需建立初步认知、大致了解即可，无需过度深入探究。

1、计算机网络的定义

计算机网络的定义：一些相互连接、自治的计算机的集合

2、计算机网络的分类

• 按交换技术分类：电路交换网络、分组交换网络、报文交换网络
• 按使用者分类：公用网、专用网
• 按传输介质分类：有线网、无线网
• 按覆盖范围分类：广域网（WAN）、局域网（MAN）、城域网（LAN）、个域网（PAN）
• 按拓扑结构分类：总线型网络、星型网络、环形网络、网状型网络

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四、计算机网络的性能标准

第四部分聚焦于“计算机网络的性能指标”，深入剖析了用于评判计算机网络性能的一系列标准。在这部分内容中，时延的计算方法属于核心要点，必须重点掌握；同时，数据量与数据率的单位容易混淆，也需格外留意、精准区分。

1. 带宽

• 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”；
• 单位与速率单位相同。

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2. 时延

• 发送时延 = 分组长度 (b) / 发送速率 (b/s)
• 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波传播速率 (m/s)
• 处理时延：一般不便于计算

2.1、分组交换时延计算模型

假设：

• 所有分组等长；
• 各链路长度相同，带宽一致；
• 忽略路由器处理时延。

时延组成

• 发送时延：将一个分组的所有比特推送到链路上所需时间。
• 传播时延：信号在链路上传播所需时间。

不同分组数量下的总时延分析

分组数	链路数	总时延构成
1	3	= 1个分组的发送时延 + 1个分组的发送时延 × 2 + 1段链路的传播时延 × 3
2	3	= 2个分组的发送时延 + 1个分组的发送时延 × 2 + 1段链路的传播时延 × 3
3	3	= 3个分组的发送时延 + 1个分组的发送时延 × 2 + 1段链路的传播时延 × 3

✅ 通用公式（n个分组，m段链路）：

$$\text{总时延}=n\times T_{\text{发送}}+(m-1)\times T_{\text{发送}}+m\times T_{\text{传播}}$$

或简化为：

$$\text{总时延}=(n+m-1)\times T_{\text{发送}}+m\times T_{\text{传播}}$$

📌 提示：记住“第一个分组走完所有链路”，后续每个分组只需“多花一个发送时延”即可。

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3. 吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量；
• 吞吐量被经常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额定速率的限制。

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4. 速率

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率；
• 基本单位：bit/s（b/s, bps），常用单位：kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s

4.1、数据量与数据率单位

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4.1.1比特（bit）—— 数据量的基本单位 一个比特是二进制中的 0 或 1。

常用单位换算：

• 8 bit = 1 Byte - 1 KB = 2¹⁰ B = 1024 B
• 1 MB = 2²⁰ B = 1024 KB
• 1 GB = 2³⁰ B = 1024 MB
• 1 TB = 2⁴⁰ B = 1024 GB
• 💡 提示：计算机存储容量通常按 1024 进制（即 2¹⁰）计算。

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• 4.1.2速率（比特率 / 数据率）—— 每秒传输的比特数 单位：bit/s（bps）

常用单位换算：

• 1 kb/s = 1000 b/s
• 1 Mb/s = 1,000,000 b/s
• 1 Gb/s = 1,000,000,000 b/s
• 1 Tb/s = 1,000,000,000,000 b/s

⚠️注意

✅ 存储容量：使用 1024 进制（如 1KB = 1024B）
✅网络速率：使用 1000 进制（如 1Mb/s = 10⁶ b/s） 这样设计是为了标准化通信速率（遵循国际单位制 SI）。

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5. 时延带宽积

• 传播时延和带宽的乘积；
• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特；
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

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6. 往返时间 RTT

• 在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互；
• 我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。

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7. 利用率

• 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）；
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均；
• 利用率并非越高越好：当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；
• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源被白白浪费。

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8. 丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率；
• 分组丢失的两个主要原因：分组误码，结点交换机缓存队列满（网络拥塞）；

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五、计算机网络体系结构

第五部分“计算机网络体系结构”堪称本节的关键知识板块，犹如一条主线，贯穿了计算机网络学习的全流程，是整个学习体系的核心脉络。后续诸多知识的学习均以此为基石、围绕其展开，它为后续内容搭建了框架、提供了清晰指引，因此必须重点掌握。

1、常见的计算机体系结构

OSI 体系结构 (7层)	TCP/IP 体系结构 (4层)	原理体系结构 (5层)
应用层	应用层	应用层
表示层	运输层	运输层
会话层	网络层	网络层
运输层	网络接口层	数据链路层
网络层		物理层
数据链路层
物理层

2、计算机网络体系结构分层的必要性

层级	功能描述
5. 应用层	解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题（如 HTTP、FTP、SMTP）。
4. 运输层	解决进程之间基于网络的通信问题（如 TCP 提供可靠传输，UDP 提供高效传输）。
3. 网络层	解决分组在多个网络上传输（路由）的问题（如 IP 协议负责寻址与转发）。
2. 数据链路层	解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题（如 MAC 地址、帧封装、差错检测）。
1. 物理层	解决使用何种信号来传输比特的问题（如电缆、光纤、无线电磁波等物理媒介）。

3、计算机网络体系结构中的专用术语

3.1、实体

• 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 对等实体：收发双方相同层次中的实体

3.2、协议

• 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
• 三要素：语法（定义所交换信息的格式）、语义（定义通信双方所要完成的操作）、同步（定义收发双方的时序关系）

3.2.1、各层次中常用的协议

网络协议学习网站推荐：协议详细学习网站

层次	协议
应用层	HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS等
传输层	TCP、UDP
网络层	IP、ICMP、ARP等
网络接口层	以太网、WiFi等

3.3、服务

• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
• 要实现本层协议，还需要使用下一层提供的服务
• 协议是水平的，服务是垂直的
• 下层协议对上层实体是透明的

3.4、协议数据单元 PDU

• 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。

3.5、服务数据单元 SDU

• 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
• 多个SDU可以合成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU。

3.6、服务访问点

• 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
  • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。
  • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
  • 运输层的服务访问点为“端口号”。

3.7、服务原语

• 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

本文是我的《计算机网络学习笔记》系列的一部分。整个系列的文章目录、配套代码和后续更新，都会在我的个人博客同步维 护，欢迎Star关注：“https://github.com/Kali-Defender/Kali-Defender.github.io”