# 计算机网络概述

> 本文出自 CodeBrick 408 计算机网络讲义，原文：https://www.codebrick.tech/cn-blog/posts/overview/network-overview
> 这是供 AI 阅读的纯文本版：公式为 LaTeX，流程图为 mermaid 源码，原文中的折叠内容已全部展开。
> 讲解或引用本文内容时，请一并给出上面的原文链接。

> 2026 大纲 **一（一）1 计算机网络的定义、组成与功能**、**一（一）2 计算机网络的分类**。本篇同时承载 **二（一）4 电路交换、报文交换与分组交换**（大纲把它列在物理层，本站按主题放在这里，内容一致）。

## 一、这门课到底在解决什么

一份数据要从这台机器到那台机器。整门计算机网络就是把这件事拆开，一层一层地问"还剩什么问题没解决"。

第一个问题最实在：**两点之间的线路是有限的，而想通信的用户很多**。一条铜线一次只能承载一路信号，可同时想说话的有成千上万对。把线路资源在这些用户之间分配的办法，就叫**交换**——从通信资源分配的角度看，交换就是**按某种方式动态地分配传输线路的资源**。整个第一章的重心都压在这个词上：三种交换方式，就是三种分配粒度。

在谈分配之前，得先说清被连起来的是什么。计算机网络的定义里藏着两个排除词：

- **自治**——每台计算机独立运行、彼此之间没有主从关系。所以一台大型主机带一堆哑终端不算网络，那些终端没有自治能力。
- **互连**——机器之间必须有通信通道能交换数据。所以用 U 盘拷贝文件、两台电脑共用一台打印机，都不算联网。

两个词都不满足，剩下的才叫计算机网络。至于**功能**，教材列了五条：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡——**第一条是最基本也是最重要的，后四条全都靠它兜底**，没有数据通信，其余四条一条也做不成。

组成部分则有三个互不冲突的切面，考试爱在它们之间设陷阱：

| 切面 | 怎么分 | 分成什么 |
|---|---|---|
| 组成部分 | 按物质形态 | 硬件 / 软件 / 协议 |
| 工作方式 | 按**位置** | **边缘部分**＝所有供用户直接使用的主机；**核心部分**＝网络与路由器，为边缘提供连通性 |
| 功能组成 | 按**职责** | **资源子网**＝上两层；**通信子网**＝下三层 |

后两个切面数值上很接近——核心 ≈ 通信子网、边缘 ≈ 资源子网——但**它们的划分依据不同，不能划等号**。主机上 TCP/IP 协议栈的下三层就是反例：位置在边缘，职责却属于通信子网。

顺带把一个大小写的坑说掉：**internet 是通用名词**，指任意用路由器互连而成的网络，不要求用什么协议；**Internet 是专用名词**，特指全球最大的那一个，由 ARPANET 发展而来、用 TCP/IP。判据就是首字母大写且指"世界上那一个"。

## 二、三种交换方式：差别只在一次占用的粒度

回到线路怎么分。三种办法的区别，用一句话就能概括：**一次占用多大的粒度**。

- **电路交换**占**整条通路的整段时间**；
- **报文交换**占**一跳链路的一整份报文时间**；
- **分组交换**占**一跳链路的一个分组时间**。

粒度越细，线路利用率越高、时延越低，代价是首部开销越大。下面这张图把三者在数据传送阶段的差别画在同一个时间轴上：

![电路交换、报文交换、分组交换在数据传送阶段的差别：横轴是四个节点 A→B→C→D，纵轴是时间。电路交换在建连之后比特流一路直达；报文交换每一跳都要把整份报文收完再发；分组交换的四个分组在相邻链路上错开重叠，形成流水线。](/textbook-figs/xxr-cn-fig1-13.jpg)

> 图源：谢希仁《计算机网络》（第 8 版）图 1-11「三种交换的比较」，印刷版 **p17**。

### 电路交换：先占住，再说话

通信必须走**建立连接（占用通信资源）→ 通话（一直占用通信资源）→ 释放连接（归还通信资源）**三步，建起来的是一条**专用物理通路**，通信期间这条路上的资源不会被别人占用。

它的优点全部来自"独占"这两个字：数据直达，**中间节点不做任何存储转发**，传输时延就是发送时延加端到端传播时延；数据按序到达不会失序；不同通信对走彼此独立的信道，**没有冲突**；通路一旦建成实时性强。

缺点也全部来自这两个字：**建立连接时间长**，而这段时间里一个比特都没传；通信期间独占线路，只要两端不说话带宽就是白白扔掉；通路上任一节点或链路故障都得重新建连；**难以实现差错控制**——中间节点根本不存数据，也就没有条件检错重传。

判据比结论有用：**凡"通信时间远大于建连时间、且期间持续有数据"的场景，电路交换都不吃亏**。打电话就是这样，话音是连续的，接通后两端几乎一直占着带宽，"独占"没有浪费；计算机数据是突发的，一次网页浏览里真正在传数据的时间可能不到 1%，独占等于把带宽扔掉。

### 报文交换：不占线路，但每跳都要收完

发送方把整份报文（数据加上目的地址等控制信息）发给相邻节点，节点**完整接收并存储整个报文**后再查转发表送往下一节点——这就是**存储转发**。

无须建连，随时可发；线路分配灵活，可挑空闲链路、故障时可换路径；线路利用率高，报文只在实际传输时占用链路；而且因为节点缓存了整份报文，**有条件做差错控制**。

代价是**存储转发时延高**：每一跳都必须把整份报文收完才能往下发，这个"收完"的代价被跳数乘了一遍。报文长度还没有上限，节点必须准备大容量缓存；报文越长出错概率越大，一出错要整份重传。

### 分组交换：把报文切开，让它们在链路上重叠

在报文交换的基础上加一条限制：**报文必须先切成长度受限的分组**，每个分组带上自己的控制信息（源地址、目的地址、序号等），独立地存储转发。

这一刀切下去换来三件事：分组长度受限，节点**缓存需求小且可预估**；某个分组出错只需重传该分组；最关键的是分组可以**流水线式**转发——第 1 个分组正在第 2 跳上传输时，第 2 个分组已经可以在第 1 跳上传输了。

代价是每个分组都要带首部，**开销与分组数成正比**；分组可能乱序到达（数据报方式），需在目的端重排；存储转发本身仍有时延且排队时延不可控，**无法保证端到端带宽**。

三者放在一起对照：

| 对比项 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|--------|----------|----------|----------|
| 建立连接 | 需要（建连 → 通话 → 释放三步） | 不需要 | 不需要 |
| 独占线路 | 是 | 否 | 否 |
| 存储转发 | 否 | 是（整份报文） | 是（单个分组） |
| 发送时延计几次 | **1 次** | $k$ 次 | $k+n-1$ 次（按分组时长） |
| 节点缓存开销 | 无 | 高且无上限 | 低且可预估 |
| 支持差错控制 | 不支持（节点不存储） | 支持 | 支持 |
| 数据按序到达 | 是 | 是 | 否（数据报方式） |
| 额外控制信息 | 建连时一次 | 每报文一份 | **每分组一份** |
| 线路利用率 | 低 | 高 | 非常高 |
| 能否保证带宽 | **能** | 不能 | 不能 |
| 适用场景 | 连续大量数据、传送时间远大于建连时间 | 容忍时延的批量数据 | 突发性数据通信 |

## 三、把三种方式算出来

上表里"发送时延计几次"那一行是整张表的技术核心，也是这一章唯一需要动笔的地方。三条式子（$k$ 段链路、$n$ 个分组、$H$ 为分组首部、$d$ 为每段传播时延、$D$ 为报文总长、$R$ 为链路速率）：

$$
T_{报文}=k\frac{D}{R}+kd,\qquad
T_{分组}=(k+n-1)\frac{D/n+H}{R}+kd,\qquad
T_{电路}=T_s+\frac{D}{R}+kd
$$

**算例。** 主机 A 经 B、C 两个中间节点向 D 发送 $D=3000$ 比特的报文，三段链路速率均为 $R=1\ \text{Mbit/s}$，每段传播时延 $d=5\ \text{ms}$，忽略处理与排队时延，电路交换建连时间 $200\ \text{ms}$，分组交换切成 3 个分组（先忽略首部）。链路段数 $k=3$。

**报文交换**：每跳发送时延 $3000/10^6=3\ \text{ms}$，共 3 跳。报文交换的定义就是"整份收完才转发"，这 3 ms 在每一跳上都要完整重来一遍，不能重叠：

$$
T_{报文}=3\times 3+3\times 5=24\ \text{ms}
$$

**分组交换**：每个分组 1000 比特，发送时延 1 ms。$(k+n-1)$ 里的 $k=3$ 是第一个分组走完三跳，$n-1=2$ 是后两个分组在最后一跳上依次排出——它们在前两跳上都是与第一个分组**同时**在传的，所以不重复计：

$$
T_{分组}=(3+3-1)\times 1+3\times 5=20\ \text{ms}
$$

**电路交换**：建连的 200 ms 是**净损失**，期间一个比特都没传；建连之后中间节点不存储，3 ms 的发送时延只出现一次：

$$
T_{电路}=200+3+15=218\ \text{ms}
$$

$20<24\ll 218$：数据量小的时候电路交换被建连时间彻底拖垮，分组交换靠流水线比报文交换省下 4 ms。

**边界检查。** 把报文换成 $3\times 10^7$ 比特（30 Mbit），电路交换 $=200+30000+15=30215\ \text{ms}$，报文交换 $=3\times 30000+15=90015\ \text{ms}$，**电路交换反超**。原因是**发送时延只算一次这个优势随数据量线性放大**，而 200 ms 的建连成本是固定的，会被摊薄成千分之七。教材那句"传送时间远大于连接建立时间时电路交换的传输速率较快"就是这么来的。

两句话总结这段推导，都是选项里爱设的坑：**电路交换唯一的结构性优势是发送时延只算一次**；**流水线是分组交换低时延的唯一来源**——总发送次数从 $k\cdot n$ 降到 $k+n-1$，不是"因为分组小所以快"这种含糊说法。

### 分组不是越小越好

刚才忽略了首部。加回来会发现切得太碎反而更慢。条件同上，每个分组加 $H=40$ 比特首部：

| 分组数 $n$ | 每分组长度 | 发送时延 | 系数 $k+n-1$ | 总时延 |
|---:|---:|---:|---:|---:|
| 3 | $1000+40=1040$ bit | 1.04 ms | 5 | $5\times 1.04+15=20.20$ ms |
| 30 | $100+40=140$ bit | 0.14 ms | 32 | $32\times 0.14+15=19.48$ ms |
| 300 | $10+40=50$ bit | 0.05 ms | 302 | $302\times 0.05+15=30.10$ ms |

$n$ 从 3 加到 30 时延下降，再加到 300 反而暴涨——**存在一个最优分组数**。把总时延展开就看得见为什么：

$$
T=\frac{1}{R}\left[\frac{(k-1)D}{n}+(k-1)H+D+nH\right]+kd
$$

方括号里只有两项与 $n$ 有关：$\dfrac{(k-1)D}{n}$ 随 $n$ 增大而减小（流水线收益），$nH$ 随 $n$ 增大而增大（首部开销）。一个降一个升，必然交出一个最低点。对 $n$ 求导置零：

$$
-\frac{(k-1)D}{n^{2}}+H=0\quad\Longrightarrow\quad n^{*}=\sqrt{\frac{(k-1)D}{H}}
$$

代入数值 $n^{*}=\sqrt{2\times 3000/40}=\sqrt{150}\approx 12.25$，取 $n=12$，每分组 290 比特，总时延 $14\times 0.29+15=19.06\ \text{ms}$——低于上表任何一行。

这条式子还顺带解释了两件工程事实：**跳数 $k$ 越多则 $n^{*}$ 越大、分组该切得越小；首部 $H$ 越大则 $n^{*}$ 越小、分组该切得越大**。以太网 1500 字节的 MTU 相对 14 字节的帧首部，取的就是这个平衡。

## 四、分组交换内部还分两种

切成分组之后还有个问题没定：这些分组各走各的路，还是先约好一条路一起走？

| 对比项 | 数据报 | 虚电路 |
|--------|--------|--------|
| 建立连接 | 不需要 | 需要（建立虚电路） |
| 路由选择 | 每个分组独立选路 | 建立时确定路径，后续分组沿同一路径 |
| 分组携带的地址 | 每个分组带**完整目的地址** | 只带**虚电路号** |
| 分组顺序 | 可能乱序到达 | 按序到达 |
| 节点故障 | 只丢失该节点上的分组，其余绕行 | 经过该节点的**全部**虚电路失效 |
| 可靠性由谁负责 | 高层协议 | 网络层 |
| 代表 | IP 网络（因特网） | X.25、帧中继、ATM |

**因特网采用的是数据报方式的分组交换。** 虚电路容易和电路交换混起来，但两者差着一个量级：**虚电路建的是逻辑通路，链路带宽仍然是统计复用的；电路交换建的是物理独占通路，资源被真正预留了**。判据一句话——**资源是被预留了，还是只被记了一笔路径**。两种方式的完整展开（含网络层如何为上层提供服务）在[网络层的功能](/posts/network/network-layer-functions)。

## 五、网络的分类

分类本身不难，难的是知道每种分法的**依据**是什么——考题基本都出在依据上。

| 按覆盖范围 | 范围 | 典型技术 |
|------|----------|----------|
| 广域网 WAN | 几十到几千公里 | PPP |
| 城域网 MAN | 一个城市范围 | 以太网技术为主 |
| 局域网 LAN | 几十米到几公里 | 以太网、Wi-Fi |
| 个人区域网 PAN | 几米范围 | 蓝牙 |

范围只是表象，真正的分界是**谁拥有它、用什么技术做介质访问控制**：局域网由单一组织拥有，可以用共享信道加争用协议（CSMA/CD、CSMA/CA）；广域网跨越运营商，只能用点对点链路加路由。所以"交换机连起来的两栋楼"是 LAN，"运营商专线连起来的两个城市"是 WAN，哪怕后者物理距离更近。

另外三个维度：按**使用者**分公用网（电信公司运营、面向公众）与专用网（某组织自建，如军事网、铁路网）；按**交换方式**分电路／报文／分组交换网络；按**传输介质**分有线（双绞线、同轴电缆、光纤）与无线（无线电、微波、红外、卫星）。

五个维度里**按传输技术分最关键**，因为它是后面两章分道扬镳的源头：**判据是信道是不是被多方共享**。共享 → 广播式 → 必须解决"同时说话怎么办"，于是有了介质访问控制；独占 → 点对点 → 必须解决"该往哪走"，于是有了路由算法。数据链路层与网络层两大分支就从这里分开。

| 按拓扑结构 | 特点 | 弱点 | 常用于 |
|---------|------|------|-------|
| 总线型 | 建网容易，增减节点方便，节省线路 | 重负载时冲突多；总线故障影响全网 | 早期以太网 |
| 星型 | 便于集中控制，单条线路故障只影响一个节点 | 中央设备是单点故障源 | 局域网 |
| 环型 | 信号沿环单向传输，时延可预测 | 单点故障可能断环 | 令牌环局域网 |
| 网状型 | 冗余路径多，可靠性高 | 控制复杂，线路成本高 | 广域网核心 |

拓扑这里有个陷阱：**物理拓扑不等于逻辑拓扑**。集线器连成的星型网，逻辑上仍是一条总线——所有主机共享一个冲突域；换成交换机后物理上还是星型，逻辑上才真正变成点对点。

## 本节小结

1. 计算机网络 = **自治**的计算机 + **互连**的通信通道 + 网络软件；internet 是通用名词、Internet 是专用名词。网络组成有三个正交切面，其中"边缘/核心"按位置分、"资源/通信子网"按职责分，不能划等号。
2. 交换 = **动态分配传输线路资源**，三种方式的差别全在"一次占用的粒度"。**电路交换的发送时延只算一次**是它唯一的结构性优势，随数据量线性放大；**流水线（$k\cdot n \to k+n-1$）是分组交换低时延的唯一来源**，代价是每分组一份首部，因而存在最优分组数 $n^{*}=\sqrt{(k-1)D/H}$。
3. 分组交换内部分数据报与虚电路，因特网用数据报；虚电路建的是**逻辑**通路，与电路交换的**物理独占**通路不同。分类五个维度里**传输技术最关键**——共享信道推出介质访问控制、独占链路推出路由选择，这是数据链路层与网络层两大分支的源头。

## 考点速记

本节在真题里被考过的形式：

- **分层体系结构的叙述判断**（cn-2026-33）：四个选项里挑错的。正确的三条是"每层都有明确的功能边界""有利于各层技术独立演化""上层无需关心下层的具体实现细节"，错的那条是"**层次越多效率越高**"——每多一层就多一次封装（占带宽）与一次跨层调用（占处理时间），层数是有代价的。这道题考的是分层本身，机制在[体系结构与参考模型](/posts/overview/architecture)。
- **三种交换方式的时延计算与大小比较**：这类题在练习区显示于[性能指标](/posts/overview/performance-metrics)（它们的标签是性能指标），但用的全是本节第三部分那三条式子——存储转发网络的总时间、报文交换与分组交换的时间对比、电路/报文/分组三者的大小关系，都在那里。做题前先回到本节把 $k+n-1$ 这个系数弄明白。

> **易错**：$T_{分组}$ 里的系数是 $k+n-1$ 而不是 $k\cdot n$。$k$ 是第一个分组走完全程的跳数，$n-1$ 是后续分组在**最后一跳**上排队排出的次数；它们在前面各跳上是与第一个分组并行传输的，不能重复计。把系数写成 $k\cdot n$ 就等于退回了报文交换。

> **易错**：电路交换的建连时间是净损失，但它**是固定成本**。凡题目让比较三种方式的快慢，先看数据量：数据量小 → 分组 < 报文 ≪ 电路；数据量足够大 → 电路反而最快。只记住"分组交换最快"必错。

> **易错**：**虚电路属于分组交换，不是电路交换**。判据是资源有没有被真正预留——虚电路只是记了一笔路径，链路带宽照样统计复用。同理，"虚电路能保证带宽"是错的。

> **易错**：**边缘/核心**按位置分、**资源子网/通信子网**按职责分，两组切面不能划等号。主机协议栈的下三层位置在边缘、职责属通信子网，这个反例是设错误选项的常用素材。

**〔原文中此段为可折叠内容〕教材出处**


- 谢希仁《计算机网络》（第 8 版）印刷版 **p13**（1.3.2 互联网的核心部分）给出电路交换的定义与三步骤：这种必须经过"**建立连接（占用通信资源）→ 通话（一直占用通信资源）→ 释放连接（归还通信资源）**"三个步骤的交换方式称为电路交换；同页强调"电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源"。
- 同书印刷版 **p13** 定义交换本身："从通信资源的分配角度来看，交换（switching）就是按照某种方式**动态地分配传输线路的资源**。"
- 同书印刷版 **p16** 把三种方式在数据传送阶段的特点归纳为三句话：电路交换是"整个报文的比特流连续地从源点直达终点"，报文交换是"整个报文先传送到相邻节点，**全部存储下来后**查找转发表，转发到下一个节点"，分组交换是"**单个分组**（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点"。
- 同书印刷版 **p17**（图 1-11 下方）给出本篇边界检查所依据的那句结论："若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快……由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。"
- 同书印刷版 **p16**（表 1-1 分组交换的优点）把分组交换的优点归为四条：高效（动态分配传输带宽、对通信链路逐段占用）、灵活（为每一个分组独立地选择最合适的转发路由）、迅速（以分组作为传送单位，不先建立连接就能发送）、可靠（保证可靠性的网络协议 + 分布式多路由的分组交换网）。
- 同书印刷版 **p3** 说明术语来历：全国科学技术名词审定委员会将 internet、internetwork、interconnection network 的译名均推荐为"互联网"，注释中说"又称互连网"，并提醒"联"和"连"并不是同义字。

## 相关知识

[体系结构与参考模型](/posts/overview/architecture)｜[性能指标](/posts/overview/performance-metrics)｜[数据包的网络之旅](/posts/overview/packet-journey)｜[网络层的功能](/posts/network/network-layer-functions)｜[信道复用技术](/posts/physical/multiplexing)


## 真题练习


## 本节对应的历年 408 真题

- 2026 年第 33 题：https://www.codebrick.tech/practice/q/cn-2026-33