一、计算机网络概述

1.1 计算机通信网的组成

计算机网络整体由通信子网和资源子网两部分组成，分工明确、协同工作。

通信子网：负责全网数据的有序、无差错传输。主要功能包含：差错控制、流量控制、路由选择、网络互连、数据转发等，是网络的数据传输核心载体。

资源子网：是网络的本地业务环境，主要包含主机、终端设备、各类应用程序与软硬件资源。核心功能为：用户资源配置、数据处理与管理、软硬件资源共享、网络负载均衡等。

总结：计算机通信网，是依托通信子网完成数据传输，实现资源子网各类信息传输与资源共享的完整系统。

1.2 通信协议

为实现不同计算机之间有序、规范的数据交换，通信双方必须遵守的一套统一规则与标准，即为通信协议。协议是网络通信的基础，保证数据传输不混乱、可解析。

通信协议包含三大核心要素：

• 语法：定义数据与控制信息的结构、格式、编码规则，以及数据传输顺序。

• 语义：解释比特流中每一段信息的具体含义，规定通信双方的动作与响应。

• 时序（同步）：规定事件执行的先后顺序、传输速率与匹配规则。

1.3 计算机网络的分类

按作用范围划分

• 局域网（LAN）：小范围、高速、低延迟，适用于家庭、企业、校园。

• 城域网（MAN）：覆盖城市范围，介于局域网与广域网之间。

• 广域网（WAN）：覆盖大范围、跨地域网络，传输距离远、覆盖全网。

按使用者划分

• 公用网络：面向社会公众开放使用，如互联网。

• 专用网络：面向特定机构、企业、单位专属使用，私密性更强。

1.4 OSI七层模型简介

OSI（开放式系统互联参考模型）是国际标准化的网络分层架构，自上而下分为七层，逐层分工、逐层服务，是理解网络通信的核心框架：

应用层 → 表示层 → 会话层 → 传输层 → 网络层 → 数据链路层 → 物理层

分层思想：上层调用下层服务，下层为上层提供支撑，每层功能独立、职责专一。

1.5 计算机网络层次结构对比

TCP/IP四层模型是互联网实际使用的标准架构，与OSI七层理论模型对应关系：

• 应用层（合并OSI应用层、表示层、会话层）

• 传输层（对应OSI传输层）

• 网际层（对应OSI网络层）

• 网络接口层（合并OSI数据链路层、物理层）

区别：OSI为理论标准、分层细致；TCP/IP为实战标准、结构精简、互联网通用。

1.6 层次结构设计基本原则

• 分层独立：各层级功能独立，无需关心其他层内部实现。

• 高灵活性：单层修改、升级不影响整体架构，适配性强。

• 完全解耦：层与层之间仅通过接口交互，降低耦合、便于维护与迭代。

1.7 计算机网络性能指标

• 速率：数据传输速度，单位 bps（bit/s，比特每秒）。

• 时延：数据从发送到接收的总耗时，分为四类：发送时延、传播时延、排队时延、处理时延。

• 往返时间 RTT：端到端通信中，数据报文从发送方发出、到接收方返回应答的一次完整往返时间，是网络质量核心指标。

二、物理层

2.1 物理层核心作用

物理层是网络最底层，负责连接各类物理网络设备，实现原始比特流的透明传输。为上层所有协议提供稳定、通用的物理传输介质，不处理数据逻辑，只负责信号传输。

2.2 物理层核心设备

1. 中继器（放大器）

用于同一局域网内的信号再生与放大，修复衰减的电信号；两端网段必须使用相同协议。遵循5-4-3规程：10BASE-5以太网中，最多串联4个中继器，5段网段中仅3段可连接主机设备。

2. 集线器

多端口中继器，同样用于信号放大与再生，属于半双工设备。无法隔离冲突域、无法隔离广播域，仅做信号转发，无智能处理能力。

2.3 信道与通信方式

信道：单向传输信息的媒体，一条完整通信电路包含发送信道与接收信道。

按照传输方向分为三类：

• 单工通信：单向固定传输，一方只发、一方只收，无反向信道。

• 半双工通信：双方均可收发信息，但不能同时收发，同一时间仅单向传输。

• 全双工通信：双方可同时发送、同时接收，传输效率最高。

三、数据链路层

3.1 数据链路层概述

数据链路层基于物理层的原始比特流服务，为网络层提供可靠、无差错的数据传输。在不可靠的物理传输介质上，通过校验、重传、控制机制保障数据完整性。

核心功能：物理地址寻址、数据成帧、流量控制、差错检测、出错重传。

核心知识点总结

• 为网络层提供可靠数据传输服务；

• 数据基本传输单位：帧；

• 典型协议：以太网协议；

• 核心设备：网桥、交换机。

3.2 关键机制：封装成帧、透明传输

封装成帧：将网络层数据包，加上帧首部、帧尾部，封装为数据帧，作为数据链路层的传输单元，实现数据分段、有序传输。

透明传输：帧数据中若出现与控制字符相同的内容，系统自动在前添加转义字符ESC，让控制字符被当作普通数据处理，不干扰帧解析，实现数据透明传输。

3.3 数据链路层差错监测

物理传输存在信号干扰、失真问题，数据链路层通过校验机制检测传输差错，主流方式两种：

1. 奇偶校验码

原理简单、效率高，但存在明显缺陷：出现偶数位错误时无法检测，容错能力有限。

2. CRC循环冗余校验码（主流）

根据原始数据运算生成固定位数校验码，接收端通过校验码比对判断数据是否出错，检测准确率极高，是目前网络帧校验的核心方式。