【计网速通】计算机网络核心知识点和高频考点

计算机网络核心知识点

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一、计算机网络的定义

1.1 核心定义

计算机网络是由多个自治计算机系统通过通信设备和线路连接，在网络协议和网络软件的协调下实现资源共享和信息传递的系统。

1.2 高频考点

• 自治计算机：无主从关系（区别于分布式系统）

(1)自治计算机：具有自我管理、自我配置和自我修复能力的计算机系统，这些系统能够在没有中心控制的情况下独立工作。
(2)分布式系统：由多个计算节点组成，各节点之间通常存在主从关系或协调者-参与者关系，通常需要中心化的调度或管理。

• 目的：资源共享（硬件、软件、数据）和信息传递
• 协议的核心作用：规范通信规则（协议是通信规则的集合）
• 教材对比：
  • 谢希仁定义：强调计算机系统互联
  • 王道考研定义：突出协议和资源交换

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二、计算机网络的分类

2.1 按分布范围分类

类型	缩写	范围	典型场景
个人区域网	PAN	10m内	蓝牙、ZigBee
局域网	LAN	1km内	办公室、校园网
城域网	MAN	城市范围	城市级ISP网络
广域网	WAN	国家/全球	Internet

2.2 按拓扑结构分类

类型	特点	优缺点
星型	中心节点集中控制	易扩展，但中心故障全网瘫痪
总线型	共享通信介质	简单经济，但冲突严重
环型	闭合环路	延迟确定，但单点故障影响全网
网状型	节点全连接	可靠性高，但成本高

2.3 高频考点

• LAN vs WAN：延迟、误码率对比（LAN延迟低、误码率低）
• 总线型网络冲突：CSMA/CD协议的应用场景
• 广域网关键技术：分组交换与路由选择

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三、协议、接口与服务

3.1 协议（Protocol）三要素

1. 语法：数据格式（如HTTP请求头结构）
2. 语义：控制信息含义（如SYN=1表示连接请求）
3. 时序：事件执行顺序（如TCP三次握手）

• 协议举例
  （1）传输层协议：如TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议），负责数据的传输和完整性。
  （2）网络层协议：如IP（互联网协议），负责数据包的路由和寻址。
  （3）应用层协议：如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）等，定义了特定应用之间的通信方式。

3.2 服务与接口

• 服务原语：
  • 请求(Request)、指示(Indication)
  • 响应(Response)、证实(Confirm)
• 服务访问点(SAP)：相邻层间接口（如传输层的端口号）

3.3 高频考点

• 服务 vs 协议：
  • 服务是垂直的（上下层关系）
  • 协议是水平的（对等层实体间）
• 面向连接服务：TCP（需建立连接）
• 无连接服务：UDP/IP（直接发送）

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四、OSI参考模型

4.1 七层结构及功能

层级	名称	功能	协议举例	数据单元
7	应用层	用户接口	HTTP/FTP	报文
6	表示层	数据格式转换	JPEG/ASCII
5	会话层	会话管理	SSL/TLS
4	传输层	端到端通信	TCP/UDP	报文段
3	网络层	路由选择	IP/ICMP	分组
2	数据链路层	帧传输	PPP/HDLC	帧
1	物理层	比特传输	RS-232	比特流

OSI模型七层功能详解（加深理解）

层级	名称	核心功能	典型协议	数据单元	关键设备	高频考点
7	应用层	提供用户接口，支持网络应用服务 （文件传输/邮件服务/网页浏览）	HTTP、FTP SMTP、DNS	报文(Message)	-	与用户直接交互的最高层
6	表示层	数据格式转换： ▪ 加密解密 ▪ 压缩解压缩 ▪ 字符编码转换（如ASCII→Unicode）	JPEG、MPEG SSL（部分功能）	-	-	处理数据表现形式 （常考加密/压缩归属层）
5	会话层	会话管理： ▪ 建立/维护/终止会话（主机之间） ▪ 对话控制（全双工/半双工） ▪ 同步点/检验点设置（断点续传/断连复连）	SSL/TLS RPC	-	-	常与"会话保持"、"断点续传"关联
4	传输层	端到端(主机进程间)可靠传输： ▪ 流量控制（滑动窗口） ▪ 差错控制（TCP重传） ▪ 复用/分用（端口号）	TCP（OSI模型只面向连接）	报文段(Segment)	网关	唯一实现可靠传输的层 （TCP vs UDP对比重点）
3	网络层	逻辑寻址与路由选择(主机间通信）： ▪ IP地址分配 ▪ 最佳路径选择 ▪ 拥塞控制	IP、ICMP ARP、OSPF(OSI模型无连接/面向连接）	分组/数据报(Packet)	路由器	处理跨网络数据传输 （路由选择必考）
2	数据链路层	相邻节点间帧传输： ▪ 帧定界（帧头帧尾） ▪ MAC地址寻址 ▪ 差错控制（CRC校验）	PPP、HDLC 以太网协议	帧(Frame)	交换机 网桥	用MAC地址通信的层 （交换机工作层级高频）
1	物理层	比特流透明传输： ▪ 定义物理接口特性 ▪ 比特编码（曼彻斯特编码） ▪ 传输介质规范 ▪电信号的编码、解码、同步（比特流-->电信号 ）	RS-232 IEEE 802.3	比特流(Bit)	中继器 集线器	处理物理连接的底层 （常考设备工作层级）

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高频易错点提醒

1. 会话层 vs 传输层

   • 会话层：管理不同应用进程间的会话（如浏览器与服务器建立会话）
   • 传输层：管理端到端的通信（如不同主机的进程间通信）

2. 表示层功能误区

   • 加密不一定都在表示层！
   • 应用层加密：HTTPS（在应用层加密）
   • 表示层加密：SSL的加密功能部分在表示层实现

3. 典型协议层级归属

   • DNS：应用层协议（非网络层！）
   • ARP：网络层协议（虽然工作在数据链路层之上）
   • PPP：数据链路层协议（常用于广域网）

4. 数据单元命名陷阱

   • 网络层：分组（Packet）
   • 传输层：报文段（Segment）
   • 应用层：报文（Message）
     （选择题常出现"数据报"干扰项，需注意上下文）

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记忆口诀

设备工作层级口诀：
“物理中继器，链路交换机，网络路由器，传输是网关”

4.2 高频考点

• 分层思想：复杂系统模块化
• 中继设备对应层级：
  • 物理层：中继器、集线器
  • 数据链路层：交换机、网桥
  • 网络层：路由器
  • 网络层：网关
• 可靠传输实现层级：传输层（TCP）
• 流量控制：传输层（端到端） vs 数据链路层（点到点）

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五、TCP/IP模型

5.1 四层体系结构

TCP/IP层级	对应OSI层级	典型协议	数据单元
应用层	应用层+表示层+会话层	HTTP/DNS	报文
传输层	传输层	TCP/UDP(TCP/IP模型无连接/面向连接）	报文段
网际层	网络层	IP/ICMP(TCP/IP模型只无连接）	分组
网络接口层	数据链路层+物理层	Ethernet	帧/比特

5.2 高频对比考点

对比项	OSI模型	TCP/IP模型
层数	7层	4层
服务/协议	严格区分	不严格区分
适用性	理论模型	实际应用
连接服务	网络层支持	传输层支持

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六、性能指标

6.1性能指标定义与计算公式

1. 带宽（Bandwidth）

• 定义：单位时间内网络能传输的最大数据量（单位：bps）
• 计算：
  • 理论带宽：由物理介质决定（如千兆以太网带宽=1Gbps）
  • 有效带宽：实际可用带宽（受协议开销影响，如TCP/IP头部占用）

2. 时延（Delay）

• 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）：

    	发送时延 = 数据长度 (bit)/带宽 (bps)
    

    示例：10MB文件以100Mbps带宽发送，时延= (10×8×10^6)/108 = 0.8s

  • 传播时延：

    传播时延} =物理路径长度/传播速率
    

    示例：1000km光纤，传播时延=10^6/(2×108)=5ms

  • 处理时延：路由器/交换机处理分组的时间（通常可忽略）

  • 排队时延：分组在队列中等待的时间（取决于网络拥塞程度）

3. 时延带宽积

• 定义：链路可容纳的比特数（反映链路容量）

    时延带宽积=传播时延/带宽（单位：bit)
  

  示例：带宽1Gbps，传播时延10ms → 时延带宽积=10^7 bit（≈1.25MB）

4. 吞吐量（Throughput）

• 定义：单位时间内实际通过网络的数据量
  • 端到端吞吐量：由瓶颈链路带宽决定
  • 瞬时吞吐量 vs 平均吞吐量

5. 往返时间（RTT, Round-Trip Time）

• 定义：从发送方发送数据到收到接收方确认的时间
  • RTT = 2×传播时延 + 发送方的发送时延 + 接收方的处理时延
  • 关键应用：TCP超时重传时间计算（Timeout = RTT + 4×RTT方差）

6. 利用率

• 信道利用率：

    信道利用率 = 有数据通过时间/总时间
  

• 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值

  • 利用率与时延的关系：

    时延=空闲时时延/（1 - 利用率)   {当利用率趋近1时，时延趋近无穷大}
    

7. 丢包率（Packet Loss Rate）

• 定义：丢失分组数占总发送分组数的比例
  • 丢包原因：网络拥塞、校验错误、设备故障
  • 对TCP的影响：触发重传机制，降低传输效率

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6.2高频考点总结

1. 时延计算四大组成部分（必考发送时延与传播时延的区别）

   • 易错点：误将带宽用于传播时延计算（带宽只影响发送时延）
   • 典型干扰项：将“传播速率=带宽”（错误！传播速率≈2×10^8 m/s固定值）

2. 时延带宽积的物理意义

   • 形象理解：链路像一条“管道”，时延带宽积是管道能容纳的“水量”

3. RTT与有效数据传输率

   • 公式：

        有效吞吐量=发送数据量/（RTT + 发送时间）
     

4. 利用率与时延的非线性关系（选择题高频）

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6.3 408考研真题案例

真题1（2012年-35）

题目：
主机甲通过1个路由器（存储转发方式）与主机乙互联，链路带宽均为10Mbps。甲向乙发送一个3KB的报文，分成两个1.5KB的分组依次发送，忽略传播时延和处理时延。求从甲发送完所有数据到乙收到全部数据所需时间。

解析：

1. 发送时延计算：
   • 每个分组发送时间 = (1.5×8×10^3)/107 = 1.2ms
   • 总发送时延 = 甲发送两个分组时间 + 路由器转发第二个分组时间
     = 1.2ms×2 + 1.2ms = 3.6ms
2. 答案：3.6ms

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真题2（2015年-35）

题目：
主机甲向主机乙发送一个10MB文件，链路带宽为10Mbps，信号传播速率为2×10^8 m/s，链路长度为1000km。忽略处理时延和排队时延，求总时延。

解析：

1. 发送时延：

   10×8×10⁶ /10⁷ = 8s

2. 传播时延：

   1000×10³ /2×10⁸ = 5ms

3. 总时延 = 8s + 0.005s ≈8.005s

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真题3（2017年-38）

题目：
若TCP最大段长为1KB，拥塞窗口从1KB增长到8KB，且始终无丢包。求此过程中发送方共发送了多少TCP段？

解析：

1. 慢启动过程：窗口按指数增长（1→2→4→8KB）
2. 发送段数：1+2+4+8=15段

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6.4 总结图表

性能指标	公式/定义	单位	典型应用场景
带宽	最大数据传输速率	bps	网络容量规划
发送时延	数据长度/带宽	秒	大文件传输
传播时延	距离/传播速率	秒	卫星通信
RTT	往返总时间	秒	TCP超时设置
时延带宽积	传播时延×带宽	bit	链路容量评估

七、高频考点总结

1. OSI vs TCP/IP层级对应
2. 各层数据单元名称（选择/填空高频）
3. 可靠传输实现层级（传输层）
4. 典型协议归属层级：
   • HTTP/FTP（应用层）
   • TCP/UDP（传输层）
   • IP/ARP（网络层）
5. 面向连接 vs 无连接协议：
   • 面向连接：TCP、虚电路
   • 无连接：UDP、IP、数据报

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记忆技巧：OSI七层模型口诀
“物联网叔会使用”
物理层—数据链路层—网络层—传输层—会话层–表示层–应用层