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## 计算机网络的体系结构
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### 1. 计算机网络的体系结构
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#### 1.1 OSI七层模型
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| 层次 | 名称 | 功能 | 典型协议/设备 |
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|------|------|------|-------------|
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| 7 | 应用层 | 提供网络服务和用户接口 | HTTP、FTP、SMTP、DNS |
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| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密解密、压缩 | JPEG、ASCII、MPEG |
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| 5 | 会话层 | 管理会话、建立维护通信 | NetBIOS、RPC |
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| 4 | 传输层 | 端到端可靠传输、流量控制 | TCP、UDP |
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| 3 | 网络层 | 路由选择、逻辑寻址 | IP、ICMP、路由器 |
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| 2 | 数据链路层 | 帧同步、差错控制、MAC寻址 | PPP、Ethernet、交换机 |
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| 1 | 物理层 | 比特流传输、接口标准 | 集线器、中继器、双绞线 |
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**各层关键职责分布**（五层模型）：
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| 功能 | 应用层 | 传输层 | 网络层 | 数据链路层 | 物理层 |
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|------|:-----:|:-----:|:-----:|:--------:|:-----:|
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| 流量控制 | | ✔ 滑动窗口 | | ✔ 滑动窗口 | |
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| 差错控制 | | ✔ 端到端校验+重传 | ✔ 头部校验 | ✔ 帧校验+重传 | |
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| 拥塞控制 | | ✔ TCP拥塞控制 | ✔ 路由策略 | | |
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| 路由与寻址 | | | ✔ IP路由 | ✔ MAC寻址 | |
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| 复用与分用 | | ✔ 端口复用 | | | |
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| 会话管理 | ✔（应用层内部） | | | | |
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| 数据表示 | ✔（应用层内部） | | | | |
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| 用户接口 | ✔ 应用协议 | | | | |
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#### 1.2 TCP/IP四层模型
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| 层次 | 对应OSI | 主要协议 |
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|------|--------|---------|
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| 应用层 | 5-7层 | HTTP、FTP、SMTP、DNS、TELNET |
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| 传输层 | 4层 | TCP、UDP |
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| 网际层 | 3层 | IP、ICMP、ARP、RARP |
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| 网络接口层 | 1-2层 | Ethernet、PPP、SLIP |
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#### 1.3 数据封装与解封装过程
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TCP/IP Model - Encapsulation Decapsulation
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+---------------------+ +---------------------+
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| Application | Data | Application |
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+---------------------+ +---------------------+
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| TCP/UDP | Segment + TCP Hdr | TCP/UDP |
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+---------------------+ +---------------------+
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| IP | Packet + IP Header | IP |
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+---------------------+ +---------------------+
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| Ethernet/FCS | Frame + Eth Header | Ethernet/FCS |
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+---------------------+ +---------------------+
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| Bit | 101011001... | Bit |
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+---------------------+ +---------------------+
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**实际封装过程**：
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1. **应用层**：原始数据
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2. **传输层**：添加TCP/UDP头部 → 数据段（Segment）
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3. **网络层**：添加IP头部 → IP数据报（Datagram）
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4. **数据链路层**：添加Ethernet头部和FCS尾部 → 帧（Frame）
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5. **物理层**：转换为比特流传输
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> **关键点**：封装是自上而下逐层添加头部；解封装是自下而上逐层去掉头部
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#### 1.4 各层关键设备与协议
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- **物理层**：中继器、集线器（放大信号、广播）
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- **数据链路层**：网桥、交换机（基于MAC地址转发、VLAN）
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- **网络层**：路由器、三层交换机（基于IP路由）
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- **传输层**：四层交换机、防火墙（基于端口）
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- **应用层**：网关（协议转换）
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#### 1.5 重要概念
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- **协议**：控制两个对等实体通信的规则集合
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- **服务**：下层向上层提供服务，上层调用下层服务
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- **接口**：相邻两层之间交互的界面
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- **SDU**：服务数据单元
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- **PDU**：协议数据单元
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#### 1.6 性能指标
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| 指标 | 定义 | 说明 |
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|------|------|------|
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| 带宽 | 信道所能承载的最高数据传输速率 | 单位 bps（Hz），如 100Mbps、1Gbps |
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| 吞吐量 | 单位时间内实际传输的数据量 | ≤ 带宽，受网络拥塞影响 |
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| 时延 | 数据从源到目的地所需总时间 | = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 |
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| 发送时延 | 数据从节点进入传输介质的时间 | = 数据长度 ÷ 发送速率 |
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| 传播时延 | 电磁波在信道上传播的时间 | = 信道长度 ÷ 电磁波传播速度 |
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| 处理时延 | 交换机/路由器处理数据的时间 | 包括检错、查路由表等 |
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| 排队时延 | 数据在缓存中等待转发的时间 | 取决于网络拥塞程度 |
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| 时延带宽积 | 衡量链路上最大比特数量 | = 传播时延 × 带宽（bit） |
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| 往返时间 RTT | 数据发送到收到确认的总时间 | 影响 TCP 拥塞控制策略 |
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| 信道利用率 | 信道有数据通过的时间比例 | 过高会导致排队时延剧增 |
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### 2. 电路交换，报文交换，分组交换
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#### 2.1 电路交换（Circuit Switching）
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**原理**：通信双方必须建立一条专用物理通路，在通信过程中始终占用该通路，其他用户无法使用。
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**工作阶段**：
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1. **建立连接**：分配专用信道资源
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2. **通信**：双方实时传输数据
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3. **释放连接**：归还信道资源
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**特点**：
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- 优点：通信可靠，时延小，有序传输
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- 缺点：建立连接时间长，资源独占利用率低，不适应突发性传输
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**典型应用**：传统电话网络
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#### 2.2 报文交换（Message Switching）
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**原理**：以完整报文为单位进行存储-转发交换，不需要建立专用通路。
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**工作流程**：
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1. 发送方将整个报文发送给相邻结点
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2. 结点完整接收报文并存储
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3. 等待下一跳空闲时转发
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4. 逐跳传递直至到达目的地
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**特点**：
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- 优点：无需建立连接，动态分配路线，多个报文可共享信道
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- 缺点：时延大，需要大缓存，报文大小不一导致处理复杂
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**典型应用**：早期电报系统
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#### 2.3 分组交换（Packet Switching）
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**原理**：将大报文分割成若干固定长度的分组（包），以分组为单位进行存储-转发。
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**工作流程**：
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1. 将长报文分割成多个分组
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2. 每个分组带序号和目的地址
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3. 分组独立选择路由转发
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4. 接收端按序号重组报文
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**特点**：
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- 优点：时延较报文交换小，资源利用率高，支持并行传输，路由灵活
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- 缺点：存在时延抖动，需要额外头部开销，可能产生失序
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**典型应用**：现代互联网（TCP/IP网络）
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#### 2.4 对比总结
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| 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
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|------|:-------:|:-------:|:-------:|
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| 时延 | 建立时延大，传输时延小 | 时延大（存储完整报文） | 时延较小（存储转发分组） |
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| 缓存 | 无需缓存 | 需缓存完整报文（内存需求大） | 需缓存分组（内存需求小） |
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| 信道利用率 | 低（独占信道，空闲浪费） | 较高（共享信道） | 高（统计复用） |
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| 是否有序到达 | 是（专用路径） | 是（逐跳转发） | 不一定（可能失序） |
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| 差错控制 | 无检错/重传机制 | 有（逐段校验） | 有（逐段校验+重传） |
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