计算机网络
本章导读
计算机网络是软考架构师考试的重点内容，涵盖网络基础概念、通信技术、网络协议、组网技术和网络工程等核心知识点。本章将系统梳理网络知识体系，帮助考生建立完整的网络架构思维。
学习目标：
- 掌握 OSI/RM 七层模型及各层功能
- 理解 TCP/IP 协议栈中常用协议的工作原理
- 熟悉网络设备的工作层次和主要功能
- 了解网络工程的设计原则和分层架构
网络的基本概念
网络指标分类
| 指标类型 | 度量内容 |
|---|---|
| 性能指标 | 速率、带宽、吞吐量、时延 |
| 非性能指标 | 费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性、易管理性、可维护性 |
通信技术
数据与信道
flowchart LR
A[信源] -->|模拟/数字信号| B[编码]
B --> C[交织]
C --> D[调制]
D -->|信道| E[解调]
E --> F[解交织]
F --> G[解码]
G --> H[信宿]| 概念 | 说明 |
|---|---|
| 信道 | 信号传输的通道，分为逻辑信道和物理信道 |
| 逻辑信道 | 数据发送端和接收端之间的虚拟线路，可有连接或无连接 |
| 物理信道 | 逻辑信道的载体 |
复用技术与多址技术
| 技术 | 说明 | 类型 |
|---|---|---|
| 复用技术 | 在一条信道上同时传输**多路数据** | TDM（时分）、FDM（频分）、CDM（码分） |
| 多址技术 | 在一条线上同时传输**多个用户数据** | TDMA、FDMA、CDMA |
形象理解
- 复用技术：一条路上行驶多辆货车
- 多址技术：一辆车上的货物属于不同用户
5G 通信网络
5G 作为新一代移动通信技术，具有以下特点：
- 高速率：峰值速率可达 20Gbps
- 低时延：端到端时延低于 1ms
- 高接入：每平方公里可接入百万级设备
网络协议体系
OSI/RM 七层模型
graph TB
subgraph OSI七层模型
A[应用层] --> B[表示层]
B --> C[会话层]
C --> D[传输层]
D --> E[网络层]
E --> F[数据链路层]
F --> G[物理层]
end| 层次 | 功能 | 关键词 |
|---|---|---|
| 应用层 | 处理网络应用，提供用户接口 | 用户服务 |
| 表示层 | 数据编码、加密，使不同终端可互通 | 数据格式 |
| 会话层 | 管理远程用户进程间通信，安全验证 | 会话管理 |
| 传输层 | 端到端数据透明传送，无差错、按顺序 | 端到端 |
| 网络层 | 路由选择、阻塞控制、网络诊断 | 路由选择 |
| 数据链路层 | 帧控制、误差检测、流量控制 | 帧传输 |
| 物理层 | 物理链路的电气、功能、机械特性 | 比特流 |
应用层协议
| 协议 | 传输层 | 端口 | 特点 |
|---|---|---|---|
| FTP | TCP | 21（控制）、20（数据） | 可靠传输，需建立两条连接 |
| TFTP | UDP | 69 | 简单、开销小，超时重传保证到达 |
| 协议 | 端口 | 特点 |
|---|---|---|
| HTTP | 80 | 超文本传输协议，基于 TCP |
| HTTPS | 443 | HTTP + SSL/TLS，传输加密和身份认证 |
DHCP（动态主机配置协议）
- 集中管理、动态分配 IP 地址
- 客户端可获取：IP 地址、网关地址、DNS 服务器地址
- 多个 DHCP 服务器时，客户端只响应**第一个** OFFER 报文
DNS（Domain Name System）
- 将域名解析为 IP 地址
- PTR 记录：将 IP 地址映射到域名
| 查询方式 | 特点 |
|---|---|
| 递归查询 | 服务器彻底进行名字解析，返回最终结果 |
| 迭代查询 | 返回其他服务器的引用，本地服务器继续查询 |
高频考点
根域名服务器为众多请求提供域名解析，若采用**递归方式会大大影响性能**，因此通常采用迭代查询。
传输层协议
| 协议 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| TCP | 可靠、面向连接；差错校验和重传、流量控制、拥塞控制 | 数据量少、可靠性要求高 |
| UDP | 不可靠、无连接；速度快 | 数据量大、速度要求高、可靠性要求低 |
TCP 流量控制
TCP 采用**可变大小的滑动窗口协议**进行流量控制。
- 前向纠错：接收端检测到错误后，根据纠错编码的规律自行纠错
- 后向纠错：接收方请求发送方重发出错分组
网络层协议
IPv6 特性
IPv6 被称为"下一代互联网协议"，相比 IPv4 有以下改进：
| 改进点 | 说明 |
|---|---|
| 地址长度 | 从 32 位增加到 128 位 |
| 分组头简化 | 字段从 12 个降到 8 个，路由器处理字段从 6 个降到 4 个 |
| 扩展头支持 | 选项不再集成在分组头中，按需插入 |
| 流标记能力 | 可对特定分组进行特别处理，支持 QoS |
| 地址自动配置 | 简化网络地址管理 |
IPv6 地址类型
graph LR
A[IPv6地址类型] --> B[单播 Unicast]
A --> C[任意播 AnyCast]
A --> D[组播 Multicast]高频考点
IPv6 地址分配到**接口**，而不是分配给节点。一个接口可以被赋予多个地址（单播、任意播、组播）。
IPv4 到 IPv6 过渡技术
| 技术 | 说明 |
|---|---|
| 双协议栈技术 | 设备同时支持 IPv4 和 IPv6 |
| 隧道技术 | 将 IPv6 报文封装在 IPv4 中传输 |
| NAT-PT 技术 | 网络地址转换/协议转换 |
组网技术
网络设备及工作层级
graph TB
subgraph 网络层
A[路由器 Router]
B[防火墙 Firewall]
end
subgraph 数据链路层
C[网桥 Bridge]
D[交换机 Switch]
end
subgraph 物理层
E[集线器 Hub]
F[中继器 Repeater]
end| 设备 | 工作层级 | 主要功能 |
|---|---|---|
| 集线器、中继器 | 物理层 | 信号放大、延长传输距离 |
| 网桥、交换机 | 数据链路层 | MAC 地址学习、帧转发 |
| 路由器、防火墙 | 网络层 | 路由选择、访问控制 |
交换机
交换机功能
- 集线功能
- 中继功能
- 桥接功能
- 隔离冲突域功能
交换机协议
| 协议 | 功能 |
|---|---|
| 生成树协议（STP） | 解决链路环路问题 |
| 链路聚合协议 | 提升端口带宽、提高链路可靠性 |
路由器
路由器功能
- 异种网络互连
- 子网协议转换
- 数据路由
- 速率适配
- 隔离网络
- 报文分片和重组
- 备份和流量控制
路由协议
graph TB
A[路由协议] --> B[内部网关协议 IGP]
A --> C[外部网关协议 EGP]
A --> D[边界网关协议 BGP]
B -->|AS内部| E[RIP/OSPF]
C -->|AS之间| F[简单树型拓扑]
D -->|Internet唯一| G[替代EGP]| 协议 | 全称 | 说明 |
|---|---|---|
| IGP | Interior Gateway Protocol | 在一个自治系统（AS）内运行 |
| EGP | Exterior Gateway Protocol | AS 之间的路由协议，为简单树型拓扑设计 |
| BGP | Border Gateway Protocol | Internet 上**唯一**的网关协议，替代 EGP |
网络工程
结构化布线系统
高频考点
结构化布线系统分为**六个子系统**：
- 工作区子系统
- 水平子系统
- 干线（垂直）子系统：建筑的信息交通枢纽
- 设备间子系统
- 管理子系统
- 建筑群子系统
网络建设工程
flowchart LR
A[网络规划] --> B[网络设计] --> C[网络实施]网络规划
网络规划以**需求为导向**，兼顾技术和工程可行性。
网络需求分析包括：
- 网络总体需求分析
- 综合布线需求分析
- 网络可用性与可靠性分析
- 网络安全性需求分析
- 工程造价估算
网络设计
| 设计类型 | 内容 |
|---|---|
| 逻辑设计 | 网络结构设计、技术选型、IP 地址和路由设计、冗余设计、安全设计 |
| 物理设计 | 布线设计、机房设计、设备选型 |
高频考点
网络系统生命周期的 5 个阶段（按顺序）：
需求规范 → 通信规范 → 逻辑网络设计 → 物理网络设计 → 实施阶段
网络冗余设计
| 设计方式 | 目的 |
|---|---|
| 备用路径 | 主路径失效时启用 |
| 负载分担 | 并行链路提供流量分担，减轻主路径负担 |
分层设计
网络设计一般采用分层方式，分为**接入层、汇聚层、核心层**。
graph TB
subgraph 核心层
A[核心层交换机]
end
subgraph 汇聚层
B1[汇聚层交换机]
B2[汇聚层交换机]
end
subgraph 接入层
C1[接入层交换机]
C2[接入层交换机]
C3[接入层交换机]
C4[接入层交换机]
end
A --- B1
A --- B2
B1 --- C1
B1 --- C2
B2 --- C3
B2 --- C4| 层次 | 主要功能 | 设计要点 |
|---|---|---|
| 接入层 | 用户接入、地址认证、用户管理、信息收集 | 提供足够带宽满足用户互访需求 |
| 汇聚层 | 访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址 | 是否设置取决于网络规模 |
| 核心层 | 高速转发通信，提供可靠的骨干传输 | 双机冗余热备份，避免数据包过滤等特性 |
高频考点
- 核心层在逻辑上**只有一个**
- 核心层交换机通常是**三层或三层以上**的交换机
- QoS 是核心层交换机提供的重要服务之一
- 设计时应**首先设计接入层**，再依次完成上层设计
- 接入层可以使用**集线器代替交换机**
层次化设计原则
- 控制层次化程度，一般**三个层次**足够
- 接入层应**严格控制**网络结构
- 不能随意加入**额外连接**（打破层次性的连接）
- 首先设计接入层，再依次完成上层设计
- 除接入层外，应尽量采用**模块化方式**
本章小结
mindmap
root((计算机网络))
基础概念
性能指标
非性能指标
通信技术
复用技术
多址技术
5G特性
网络协议
OSI七层模型
应用层协议
传输层协议
网络层协议
组网技术
网络设备层级
交换机协议
路由协议
网络工程
规划设计实施
分层设计
布线系统备考建议
- 重点记忆：OSI 七层模型及各层功能、网络设备工作层级
- 理解原理：TCP 与 UDP 的区别、DNS 递归与迭代查询
- 关注细节：IPv6 的改进点、分层设计的原则
- 记住顺序：网络生命周期 5 个阶段、分层设计的设计顺序