第1章 计算机网络体系结构
第1章 计算机网络体系结构¶
概念地基，考点密度高但难度低，属于必拿分。三处必须吃透：三种交换方式的时延计算、协议/接口/服务的区别、OSI 与 TCP/IP 各层功能。性能指标那节的时延计算几乎年年考。
b_13_3【知识树】第1章骨架¶
- 网络概述
- 概念：节点 + 链路；internet vs Internet
- 组成的三种切分：组成部分 / 工作方式 / 功能组成
- 五大功能
- 三种交换方式：电路 / 报文 / 分组
- 五种分类：分布范围 / 传输技术 / 拓扑 / 使用者 / 传输介质
- 性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、RTT、信道利用率
- 体系结构与参考模型
- 分层结构：PDU / SDU / PCI
- 协议（水平）、接口（SAP）、服务（垂直）
- OSI 七层各自功能
- TCP/IP 四层及与 OSI 的四点差异
- 逐层封装过程
b_13_3；PDF 第 13 页 · b_13_41.1 网络概述¶
internet 和 Internet 差在哪？¶
- internet（互连网）：通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络，可用任意协议，不要求 TCP/IP
- Internet（互联网/因特网）：专用名词，特指全球最大的那个开放网络，必须采用 TCP/IP 协议族
💡 记忆法："大写的那个才是我们上的网"。
b_13_9；PDF 第 13 页 · b_13_10计算机网络的组成有哪三种切分视角？¶
同一个网络三套切法，别混： - 按组成部分：硬件、软件、协议（协议是核心） - 按工作方式：边缘部分（用户主机，做通信和资源共享）+ 核心部分（网络与路由器，提供连通性与交换） - 按功能组成：通信子网（传输介质+通信设备+协议）+ 资源子网（共享资源的设备与软件）
💡 记忆法："硬软协、边和核、通信子网加资源子网"。
b_14_0；PDF 第 14 页 · b_14_1计算机网络的五大功能？¶
数据通信（最基本最重要）、资源共享、分布式处理、提高可靠性（互为备份）、负载均衡。
b_14_71.2 三种交换方式（本章计算主战场）¶
电路交换分哪三个阶段？ ★1考¶
建立连接（占用资源）→ 传输数据（持续独占）→ 释放连接（归还资源）。
数据传输前必须先建立一条专用的端到端物理通路，通信期间始终被双方独占。中间节点只提供物理通路，比特流像走管道。
★ 考过 2025
b_15_6电路交换的四优四缺？¶
- 优点：通信时延小（专用直达）、有序传输、没有冲突、实时性强
- 缺点：建立连接时间长、线路利用率低、灵活性差（任一节点故障要重建）、难以实现差错控制（中间节点无存储检错能力）
⚠️ 关键数字：计算机通信是突发式的，电路交换下线路利用率往往不足 10%，甚至低于 1%。适用场景是低频次、连续、大量的数据传输。
b_15_11报文交换的核心机制和缺点？ ★2考¶
存储转发：整个报文先传到相邻节点，被完整接收并存储后才转发到下一跳。每个报文可独立选择路径。 - 优点：无建立释放连接时延、线路分配灵活、利用率高、支持差错控制 - 缺点：存储转发时延高（必须收完整个报文）、缓存开销大（报文大小无限制）、错误处理低效（重传整个报文代价大）
★ 考过 2013、2025
b_15_16分组交换相比报文交换改进了什么？ ★4考¶
把长报文切成等长小数据段、各自加首部构成分组，同样存储转发。三点改进： - 便于存储管理：分组长度固定，缓冲区大小可预设 - 传输效率高：可流水线操作 —— 后一个分组的接收与前一个的转发并行 - 降低出错概率与重传代价：分组短，重传数据量大幅减少
代价： - 仍有存储转发时延，且要求节点处理能力更强 - 每个分组要附加控制信息，信息量增大约 5%~10% - 数据报服务下分组可能失序、丢失或重复
★ 考过 2010、2013、2023、2025
b_16_7三种交换方式的九项对比？¶
| 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 完成传输所需时间 | 最少 | 最多 | 较少 |
| 存储转发时延 | 无 | 高 | 较低 |
| 是否需建立连接 | 是 | 否 | 否 |
| 节点缓存开销 | 无 | 高 | 低 |
| 是否支持差错控制 | 不支持 | 支持 | 支持 |
| 数据是否有序到达 | 是 | 是 | 否 |
| 是否需额外控制信息 | 否 | 是 | 是（占比较大） |
| 线路分配灵活性 | 不灵活 | 灵活 | 非常灵活 |
| 线路利用率 | 低 | 高 | 非常高 |
b_17_5什么情况下电路交换反而更合适？¶
需连续传输大量数据，且传输时间远大于连接建立时间时。
但从提升信道利用率角度看，报文和分组交换优于电路交换；其中分组交换时延最小、最灵活，尤其适合突发式数据通信。
b_17_1；PDF 第 17 页 · b_17_31.3 网络的分类与性能指标¶
按分布范围分哪四类？各多大？¶
- 广域网 WAN：几十至数千千米，构建互联网骨干
- 城域网 MAN：跨几个街区乃至整个城市，直径约 5~50km
- 局域网 LAN：几十米到几千米
- 个人区域网 PAN：个人活动区域内的无线互联，也称 WPAN
⚠️ 传统上局域网采用广播技术，广域网采用交换技术。
b_17_8四种拓扑结构各自的优缺点？¶
- 总线形：单根传输线连所有机器。建网容易、增减节点方便、省线路；但重负载下效率低，总线任一处故障影响全网
- 星形：各机通过独立线路连到中央设备。便于集中控制；但成本高、中央设备对故障敏感
- 环形：闭合环路单向传输（典型：令牌环）。可用单环或双环提高可靠性
- 网状：每节点至少两条路径。可靠性高、容错强；但控制复杂、线路成本高
⚠️ 总线形、星形、环形多用于局域网；网状多用于广域网。
b_18_6速率和带宽的单位陷阱是什么？¶
- 描述数据量时 K、M、G 用 2 的幂（1Kb = 2¹⁰b）
- 描述速率时 k、M、G 用 10 的幂（1kb/s = 10³b/s）
- 习惯上前者用大写 K，后者用小写 k，其他前缀均为大写
带宽的两个含义：通信领域指频率范围（Hz）；计算机网络中指最高数据传输速率（b/s）。
⚠️ 节点间实际可用带宽 = 双方网卡性能、各段链路带宽、交换设备速率中的最小值。
b_19_2；PDF 第 19 页 · b_19_4；PDF 第 19 页 · b_19_5四种时延分别取决于什么？ ★4考¶
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 - 发送时延（传输时延）= 分组长度 / 发送速率 → 取决于分组大小和带宽 - 传播时延 = 信道长度 / 电磁波传播速率 → 取决于距离和介质 - 处理时延：节点解析首部、差错检验、查找路由的时间 - 排队时延：在路由器输入/输出队列中等待的时间
⚠️ 考试中通常不考虑处理时延和排队时延（除非题目明说）。
★ 考过 2010、2013、2023、2025
💡 记忆法："发送看大小，传播看距离" —— 这两个的区分是最高频送分点也是最高频失分点。
b_19_9时延计算的经典算例？¶
1000B 分组，链路 1 为 100Mb/s、链路 2 为 80Mb/s： - 只算发送时延：1000B÷100Mb/s = 0.08ms；1000B÷80Mb/s = 0.1ms → 总 0.18ms - 加上传播时延（0.01ms 和 0.05ms）→ 总 0.24ms - 再加处理+排队时延（0.04ms）→ 总 0.28ms
⚠️ 注意分组每经过一段链路都要重新发送一次，所以发送时延要按链路段数累加。
💡 画时间线比背总公式稳：先标“首比特开始发送”，再标“末比特发送完”，最后让末比特经过传播时延到达下一节点；存储转发时，下一跳必须等整帧到齐后才能开始发送。若题目明确采用直通交换或忽略某项时延，再从时间线上删去对应阶段。
b_20_5吞吐量和带宽有什么区别？ ★1考¶
- 带宽：数字信道理论上能支持的最高数据传输速率
- 吞吐量：单位时间内实际通过网络（或信道、接口）的数据量，用于对实际网络进行测量
★ 考过 2024
b_19_6时延带宽积的物理含义？¶
时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽
含义：发送端已发出但尚未到达接收端的最大比特数，也称"以比特为单位的链路长度"。
💡 记忆法：把链路想成一根圆柱管道 —— 长度是传播时延，横截面积是带宽，管道容积就是时延带宽积。
b_20_7；PDF 第 20 页 · b_20_8RTT 包不包括数据分组的发送时延？¶
不包括。 RTT 是从发送端发出一个短分组到收到确认所经历的总时间，包括：往返传播时延 + 接收端处理时延 + 各中间节点的处理和排队时延。
⚠️ 不包括数据分组本身的发送时延 —— 这是易错点。
b_20_12；PDF 第 20 页 · b_20_13信道利用率越高越好吗？¶
不是。 - 过低：浪费网络资源 - 过高：排队时延显著增加，引发网络拥塞（就像公路车流量太大会堵）
公式：信道利用率 = 有数据通过的时间 ÷ 总时间。
b_21_0；PDF 第 21 页 · b_21_11.4 分层结构与协议¶
体系结构和实现的区别是什么？ ★1考¶
- 体系结构 = 各层及其协议的集合，是抽象的定义
- 这些功能究竟由何种硬件或软件实现，属于"实现"问题，是具体的
⚠️ 这个区分是原题考点。
★ 考过 2010
b_27_12PDU、SDU、PCI 的关系式？¶
n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n−1)-SDU - PDU（协议数据单元）：对等层之间传送的数据单位 - SDU（服务数据单元）：相邻层之间交换的数据单位 - PCI（协议控制信息）：控制协议操作的信息
各层 PDU 的俗称：物理层比特流、数据链路层帧、网络层 IP 分组、传输层 TCP 报文段或 UDP 数据报。
b_27_17协议和服务的根本区别？¶
- 协议是水平的：控制对等实体之间通信的规则集合
- 服务是垂直的：下层通过层间接口向上层提供的功能调用
⚠️ 三条延伸结论： - 不对等实体之间不存在协议（A 的传输层与 B 的网络层之间没有协议） - 下层协议对上层是透明的 —— 服务用户只感知服务本身 - 并非某层完成的全部功能都叫服务，只有能被上层实体感知并调用的才算
💡 记忆法："协议横着走，服务竖着给"。
b_29_2协议三要素分别管什么？ ★1考¶
- 语法：规定数据与控制信息的格式（TCP 报文段的结构）
- 语义：规定发出何种控制信息、完成何种动作、做出何种应答（三次握手每次执行的操作）
- 同步（时序）：规定执行操作的条件及事件先后顺序（三次握手的时序关系）
⚠️ 常见考法：报文段首部格式 → 语法；四次挥手的先后关系 → 同步/时序。
★ 考过 2020
b_28_11什么是 SAP？¶
服务访问点（Service Access Point） = 同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口。
⚠️ 每层只能与紧邻的上下层定义接口，不允许跨层定义。 第 n 层的 SAP 就是第 n+1 层访问第 n 层服务的入口。
b_28_7；PDF 第 28 页 · b_28_13服务的三组分类？¶
- 面向连接 vs 无连接：后者即"尽最大努力交付"，属于不可靠服务
- 可靠 vs 不可靠：不可靠时可靠性需由高层保障
- 有应答 vs 无应答：文件传输用有应答；WWW 收到网页后通常不应答
b_29_7分层结构的四条含义？¶
- 第 n 层既利用第 n−1 层的服务，又向第 n+1 层提供服务（该服务是它及以下所有层服务的总和）
- 最低层只提供服务，最高层面向用户提供服务
- 上层只能通过相邻层接口使用下层服务，不能跨层调用
- 通信时对等层在逻辑上如同存在一条直接信道
b_28_51.5 OSI 参考模型¶
OSI 七层自下而上是哪七层？ ★4考¶
物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层
★ 考过 2013、2014、2017、2019
💡 记忆法："物链网传会表用"。
b_30_1；PDF 第 30 页 · b_30_3物理层的传输单位和职责？¶
- 传输单位：比特
- 职责：在物理介质上透明地传输原始比特流，规定接口的机械特性（形状尺寸）和电气特性（引脚数量排列），以及编码含义
⚠️ 物理介质（双绞线、光缆、无线信道）不属于物理层协议范畴，位于其下方，有人称之为"第 0 层"。
b_30_0；PDF 第 30 页 · b_30_4数据链路层的传输单位和两大控制？ ★1考¶
- 传输单位：帧
- 职责：把物理层可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路
- 两大控制：差错控制（检测差错并丢弃错误帧）、流量控制（协调收发速率）
- 广播式网络还要解决共享信道的访问控制
★ 考过 2022
b_30_13网络层的传输单位和核心功能？¶
- 传输单位：数据报（分组）
- 核心功能：路由选择、拥塞控制、差错控制、流量控制、网际互联
- ⚠️ OSI 的网络层既提供虚电路服务，又提供数据报服务
补充：无论哪一层的 PDU，均可笼统称为"分组"。
b_30_0；PDF 第 30 页 · b_30_17三层通信范围的对照？ ★1考¶
- 数据链路层：节点到节点通信（基于 MAC 地址）
- 网络层：主机到主机通信（基于 IP 地址）
- 传输层：端到端通信（基于端口号）
⚠️ OSI 的传输层仅提供面向连接的可靠服务（与 TCP/IP 不同）。传输层还要具备复用与分用功能。
★ 考过 2009
💡 记忆法："链路认 MAC，网络认 IP，传输认端口"。
b_31_9会话层和表示层各干什么？ ★2考¶
- 会话层：管理会话的建立、维护、终止；提供同步机制和检查点，通信中断可从最近检查点恢复（类似断点续传）
- 表示层：解决异构系统间信息表示不一致；负责数据格式转换、压缩、加密解密
★ 考过 2019（会话层）、2013（表示层）
b_31_14OSI 各层功能速查表？¶
| 层 | 功能 |
|---|---|
| 应用层 | 提供应用与网络的接口 |
| 表示层 | 数据格式转换 |
| 会话层 | 会话管理 |
| 传输层 | 复用和分用、差错控制、流量控制、连接管理、可靠传输 |
| 网络层 | 路由选择、拥塞控制、网际互联、差错控制、流量控制 |
| 数据链路层 | 差错控制、流量控制 |
| 物理层 | 定义电路接口参数、信号含义/电气特性 |
b_32_01.6 TCP/IP 模型¶
TCP/IP 四层与 OSI 七层怎么对应？ ★1考¶
- 网络接口层 = OSI 的物理层 + 数据链路层
- 网际层 = OSI 的网络层
- 传输层 = OSI 的传输层
- 应用层 = OSI 的会话层 + 表示层 + 应用层
★ 考过 2021
b_32_3；PDF 第 32 页 · b_32_8网际层的核心协议和辅助协议？ ★2考¶
- 核心：IP，提供无连接、不可靠的服务，传输单位是 IP 数据报
- 辅助：ARP、ICMP、IGMP
- ⚠️ 不保证分组有序到达，有序性和可靠性由高层（传输层）负责
★ 考过 2011、2021
b_32_10TCP/IP 体系的两句设计哲学？¶
- Everything over IP：各种应用均可构建于 IP 之上
- IP over Everything：IP 可运行于任意底层网络之上
正是这种通用性与灵活性推动了互联网发展。
b_32_15TCP/IP 与 OSI 的四点差异？¶
- ① OSI 精确定义了"服务、协议、接口"三个核心概念，TCP/IP 对三者未做明确区分
- ② 层数：7 层 vs 4 层
- ③ OSI 先有模型后有协议，通用性好；TCP/IP 先有协议栈后归纳模型，不适用于描述非 TCP/IP 体系
- ④ OSI 网络层同时支持无连接和面向连接、传输层只支持面向连接；TCP/IP 网际层只支持无连接、传输层两者都支持
⚠️ 第 ④ 点最常考。 另外记住：学习时通常采用融合两者优点的 5 层协议体系结构。
b_33_1逐层封装的过程是怎样的？ ★1考¶
数据从应用层往下走：每层把上层的 PDU 当作本层的 SDU，加上本层 PCI 组成本层 PDU，再下放给下一层作 SDU。层层封装到物理链路传输，接收方逆向逐层拆封。
★ 考过 2021
b_34_01.7 本章疑难点¶
为什么互联网被设计成不可靠的？¶
关键对比：电话网的终端是"哑终端"（无处理能力），所以必须把网络本身做可靠；而计算机是智能终端，具备强大处理能力。
所以先驱们选择了端到端可靠传输的设计哲学：网络层用简单、无连接、不可靠的 IP，把可靠性交给传输层的 TCP。好处是网络结构简单、成本低、扩展性强。
b_41_0端到端通信和点到点通信的区别？¶
- 点到点：主机到主机的数据传递，不涉及具体的应用进程，由物理层、数据链路层、网络层构成的通信子网提供
- 端到端：建立在点到点之上，由多段点到点链路串联而成；这里的"端"指的是应用进程的端口，面向的是用户程序之间的交互
b_41_5传输速率和传播速率怎么区分？¶
- 传输速率：主机或路由器在数字信道上发送数据的速率（b/s）
- 传播速率：电磁波在物理介质中向前传播的速度（m/s）
💡 一句话记牢：链路上同时存在多少比特取决于传输速率；每个比特此刻在哪取决于传播速率。
b_41_9【易混点】第1章成对概念对照¶
| 易混对 | 分界线 |
|---|---|
| internet vs Internet | 通用名词、任意协议 vs 专名、必须 TCP/IP |
| 发送时延 vs 传播时延 | 看分组大小和带宽 vs 看距离和介质 |
| 带宽 vs 吞吐量 | 理论最高速率 vs 实际测得的数据量 |
| 数据量的 K vs 速率的 k | 2 的幂 vs 10 的幂 |
| 协议 vs 服务 | 水平、对等实体间 vs 垂直、下层给上层 |
| PDU vs SDU | 对等层之间 vs 相邻层之间 |
| 点到点 vs 端到端 | 主机到主机 vs 进程到进程（认端口） |
| OSI 传输层 vs TCP/IP 传输层 | 只支持面向连接 vs 两者都支持 |
| OSI 网络层 vs TCP/IP 网际层 | 虚电路+数据报都有 vs 只有无连接 |
| 电路 vs 报文 vs 分组交换 | 独占通路 vs 整报存转 vs 切片流水 |
| RTT 含不含发送时延 | 不含数据分组本身的发送时延 |
b_40_23【必背数字】第1章¶
- 城域网直径约 5~50km
- 电路交换的线路利用率常不足 10%
- 分组交换的额外控制信息约占 5%~10%
- 发送时延 = 分组长度 / 发送速率
- 传播时延 = 信道长度 / 传播速率
- 总时延 = 发送 + 传播 + 处理 + 排队
- 时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽
- 信道利用率 = 有数据通过时间 ÷ 总时间
- OSI 7 层、TCP/IP 4 层、学习用 5 层
- n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n−1)-SDU
b_19_0；PDF 第 19 页 · b_19_1