计算机网络概述：定义、组成、分类与性能指标全解析。
1.1 计算机网络基本概念
1.1.1 计算机网络的定义、组成与功能
1. 定义
- 计算机网络：将分布在不同地理位置的多台具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和传输介质连接起来，在网络协议的规范下实现数据通信、资源共享和协同工作的系统。
- 互连网（internet）：通用名词，网络通过路由器互联而成的覆盖范围更广的计算机网络，任意通信协议。
- 因特网（互联网，Internet）：专有名词，当前全球最大的计算机网络，采用TCP/IP协议簇作为通信规则。
2. 组成
- 主机通过通信链路和中继系统（路由器、交换机等）连接。
- 通过ISP（因特网服务提供商）接入因特网，ISP自身是网络，低层ISP通过高层ISP互联。
- 网络协议：主机与网络设备必须遵守的规则，最重要的是TCP/IP协议。
- IP协议：像快递单，给数据标注目的地。
- TCP协议：确保数据完整、有序送达。
- 应用层协议：如SMTP（邮件）、HTTP（网页）等。
- 网络应用：电子邮件、视频会议等，依赖网络设备、协议和应用的结合。
3. 功能
- 数据通信（基本功能）：发送电子邮件、浏览网页、视频通话等。
- 资源共享（核心目标）
- 硬件共享：打印机、存储设备（NAS）、云计算资源等。
- 软件共享：应用软件（在线文档协作）、系统软件（分布式操作系统）。
- 数据共享：数据库、文件（FTP、云存储）、多媒体资源等。
- 分布式处理与协同工作：将复杂任务分配给多台计算机协同处理（分布式计算、区块链共识）。
- 提高系统可靠性和可用性：通过冗余设计（多路径传输、备份服务器），避免单点故障。
- 负载均衡：将流量或任务分配到多个设备，优化资源利用。
1.1.2 计算机网络的分类
1. 按覆盖范围
| 类型 | 覆盖范围 | 特点 | 技术 |
|---|---|---|---|
| 广域网（WAN） | 几十千米~几千千米 | 互联网核心，长距离传输 | 交换技术，大容量 |
| 城域网（MAN） | 10~100千米 | 连接市内多个局域网 | 光纤为主，百兆~千兆 |
| 局域网（LAN） | 10米~10千米 | 本地高速通信 | 以太网、WiFi，速率1Gbps~10Gbps |
| 个人区域网（PAN） | 10米内 | 个人设备互联 | 蓝牙、NFC等短距离无线技术 |
2. 按使用者
- 公用网：电信公司建造的大型网络。
- 专用网：某部门内部使用，不对外服务。
3. 按传输介质
- 有线网络：双绞线、光纤等。
- 无线网络：无线电波、红外线等。
4. 按拓扑结构（通信子网的几何关系）
| 拓扑 | 特点 |
|---|---|
| 总线型 | 所有节点共享一个通信介质 |
| 星型 | 所有节点通过中央节点（交换机/集线器）连接 |
| 环型 | 节点形成闭环，数据单向或双向传输 |
| 网状 | 每个节点与多个节点直接相连，高冗余 |
5. 按交换技术
- 电路交换：传输前建立专用通信路径。
- 报文交换：整个报文作为一个单元传输。
- 分组交换：数据分成小包（分组），每个包独立路由。
1.1.3 计算机网络主要性能指标
| 指标 | 定义 | 公式/单位 |
|---|---|---|
| 速率 | 数字信道上传送比特的速率 | b/s (bps)，常用kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s |
| 带宽 | 网络通信线路传送数据的能力（最高数据率） | b/s |
| 吞吐量 | 单位时间内通过某个网络（信道/接口）的数据量 | b/s |
| 时延 | 数据从一端传送到另一端的总时间 | 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 |
| 发送时延 | 发送分组所需时间 | 分组长度(bit) / 发送速率(bit/s) |
| 传播时延 | 数据在物理介质上传输的时间 | 信道长度(m) / 传播速率(m/s) |
| 处理时延 | 路由器/交换机处理数据包的时间 | 毫秒级 |
| 排队时延 | 分组在队列中等待的时间 | 动态变化 |
| 时延带宽积 | 链路中同时存在的比特数 | 传播时延(s) × 带宽(bit/s) |
| 往返时延(RTT) | 数据包从源到目的并返回的总时间 | RTT = 发送时延 + 目的处理时延 + 返回时延 |
| 信道利用率 | 信道被实际使用的时间比例 | 信道被占用时间 / 总时间 × 100% |
| 丢包率 | 丢失的数据包比例 | 丢失包数 / 发送包总数 × 100% |
1.1 习题
Internet是当前全球最大的通信网络，其采用的通信规则是（D. TCP/IP协议）
个人区域网（PAN）的覆盖范围通常是（D. 几米）
关于计算机网络拓扑结构的描述，以下哪一项是正确的？（C. 网状拓扑结构中，每个节点与多个节点直接相连，具有较高的冗余性和容错能力）
谢希仁教材1-18
假设信号在媒体上的传播速度为 $2.3 \times 10^8 \text{m/s}$，数据率分别为 1Mbit/s 和 10Gbit/s，不同媒体长度下的比特数计算：- 比特数 = 传播时延 × 数据率 = (长度 / 传播速度) × 数据率
- 结果（单位：比特）：
长度 1Mbit/s 10Gbit/s 10cm 约0.000435 约4.35 100m 约0.435 约4348 100km 约435 约4.35×10^6 5000km 约2.17×10^4 约2.17×10^8
谢希仁教材1-29
点对点链路长度50km，传播速率 $2\times10^8\text{m/s}$，传播时延 = 50000 / (2×10^8) = 2.5×10^{-4}s。
发送时延 = 分组长度(bit) / 带宽(b/s)。
设带宽为B，则发送时延 = 分组长度 / B。
令传播时延 = 发送时延：- 100字节（800 bit）：800/B = 2.5×10^{-4} → B = 3.2×10^6 b/s = 3.2Mbps。
- 512字节（4096 bit）：4096/B = 2.5×10^{-4} → B = 1.6384×10^7 b/s ≈ 16.384Mbps。
笔记结束