计算机网络原理（04735） · 先建立分层与交换的整体认识至物理与链路：先让相邻节点通信

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按“分层与性能 → 链路 → IP 与路由 → 传输 → 应用”的顺序理解一次请求，再补充无线与安全。历史课程中的电路交换、PPP、经典共享以太网等保留为原理对照，不与现代网络部署混写。

计算机网络原理（04735）

按“分层与性能 → 链路 → IP 与路由 → 传输 → 应用”的顺序理解一次请求，再补充无线与安全。历史课程中的电路交换、PPP、经典共享以太网等保留为原理对照，不与现代网络部署混写。

先建立分层与交换的整体认识

协议、边缘、接入与核心

从客户端到服务端，应用与传输层主要关注端系统，路由器逐跳处理网络层转发。每跳重新封装链路帧；这里画的是教学分层，不要求实现恰好划为这些独立模块。

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协议约定语法、语义与时序。边缘主机运行应用；接入网络连接主机与网络；核心通过路由器等设备转发分组。分层让上层通过接口使用下层服务，对等层之间的“逻辑通信”仍由下层实际传输完成。

五层模型	数据单元	主要任务
应用层	报文	应用协议与数据交换
传输层	段 / 数据报	进程间通信、复用分解；可靠性取决于协议
网络层	IP 数据报	寻址、路由与转发
数据链路层	帧	相邻节点接入与传输
物理层	比特	信号与物理媒介传输

OSI 还单列表示层、会话层；TCP/IP 常用四层模型把链路与物理功能归在网络接口层。模型不同不代表数据会重复走两遍网络。

PAN、LAN、MAN、WAN 按覆盖与管理范围区分，距离是典型量级而非严格判定线。星形便于集中管理，网状提供多路径；实际网络常组合拓扑，可靠性仍取决于具体冗余设计。

电路、报文与分组交换

方式	资源与转发	取舍
电路交换	先建立通路，通信期间分配资源	时延较稳定，突发流量下利用率可能低
报文交换	整份报文存储转发	无需预建电路，但大报文等待与缓存开销高
分组交换	报文拆成分组，多用户共享链路	利用统计复用，可能排队、丢失与乱序

因特网采用 IP 数据报服务；虚电路分组网络先建立逻辑路径和 VC 标识，但它不等于独占物理资源的电路交换。ARPANET 是早期分组网络的重要实践，后续 TCP/IP 与 Web 的发展推动了互联网应用。

用性能指标解释“网络慢”

带宽、吞吐、时延与丢包

• 带宽：链路可提供的数据率，网络语境通常用 bit/s；信号频带宽度则用 Hz。
• 吞吐：单位时间实际送达的数据量，受瓶颈链路、协议及终端处理能力限制。
• 时延：处理、排队、发送与传播时间之和。排队随负载变化，不能固定忽略。
• 丢包率：在同一统计窗口与口径下，(发送数 − 接收数) / 发送数；丢包不只有拥塞一个原因。

发送、传播与带宽时延积计算

发送时延是把包的所有位推出接口的时间，传播时延是信号穿过链路的时间。前者随包长增长，后者取决于距离和传播速度；不能通过缩短包长消除跨洲传播时延。

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设分组长度 L bit、链路速率 R bit/s、距离 D m、传播速度 V m/s：

$$d_{send}=L/R,d_{prop}=D/V$$

单跳总时延为处理＋排队＋发送＋传播；多跳还需考虑各跳的存储转发。物理链路在途比特量可用单向传播时延乘 R；讨论端到端在途窗口时常用 RTT 乘吞吐，须说明使用哪个口径。

例如 R=10^8 bit/s、D=100 m、V=2.5×10^8 m/s、L=1024 bit，则发送时延 10.24 μs、传播时延 0.4 μs，忽略处理排队时为 10.64 μs，单向链路在途容量为 40 bit。不要把 10^8 丢失上标后写成 108。

物理与链路：先让相邻节点通信

信号、介质与接口

消息携带信息，数据是其符号表示，信号是传输载体。双绞线、同轴与光纤是导引介质，无线使用电磁传播；实际速率受信道质量、编码与设备限制。

单工只单向，半双工交替双向，全双工可同时双向。串行与并行讨论位的传输方式，同步与异步讨论定时和边界识别，不能混为“是否双向”。

基带编码直接表示数字信号，频带传输通过调制载波；频分、时分、波分、码分是共享信道的不同方法。物理接口还需约定机械、电气、功能与规程特性，DTE/DCE 用于区分终端与通信设备。

成帧、差错检测与接入控制

帧需要边界和链路地址等信息；接收端用校验检测损坏，再按协议丢弃、纠错或请求重传。检测无异常不等于数学上证明完全无差错。

机制	关注点
奇偶校验	可检测奇数个比特翻转，不能给所有差错统一标成固定检错率
CRC	利用冗余校验检测特定差错模式
前向纠错 FEC	增加冗余以便接收端在能力范围内纠错
检错重传	通过确认、超时与重发恢复数据

共享介质需要 MAC 协议协调访问：信道划分、随机接入（ALOHA、CSMA）、轮询或令牌。CSMA/CD 属于经典共享、半双工以太网的碰撞处理，不应套用到交换式全双工链路。

MAC、ARP、交换机与 VLAN

主机A发送到另一子网中的B时，先查路由选网关，再解析网关MAC。下图假设无NAT；IP目的仍为B，但第一跳链路目的为网关，后续跳重新选择链路目的。

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以太网常见 MAC 地址为 48 位，使用十六进制表示；广播地址为 02:00:00:00:00:01。MAC 可以由软件配置，不能把出厂分配当成绝不变化的全网身份。

ARP 在 IPv4 本地链路上解析目的主机或下一跳网关的 MAC。跨网段时，发送者解析的是网关的 MAC，并非远端服务器的 MAC。请求通常广播，响应通常单播，缓存减少重复查询。

交换机学习源 MAC 与端口关系，按目的 MAC 转发/过滤，未知单播或广播按规则泛洪；网桥可视为相近的链路层转发设备。VLAN 划分二层广播域，不等于自动配置好了跨 VLAN 路由和访问控制。

PPP 用于点对点链路，包含链路协商和网络层参数配置；HDLC 是面向比特的链路控制协议。字节填充与位填充用于避免载荷被误判为帧边界，不能只记住一个转义值而忽略具体协议。