《计网》计算机网络体系结构

计算机网络概念

• 计算机网络
  • 一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息通信的系统
• 简记：计算机网络时互连的、自治的计算机集合
  • 互连：互联互通
  • 自治：无主从关系，即相互联通但不能彼此控制

计算机网络的功能

• 数据通信（最基本的功能）
• 资源共享
  • 信息共享
  • 软件共享
  • 硬件共享
• 分布式管理
  • 多台计算机各自承担同一工作的不同部分
• 提高可靠性
• 负载均衡

计算机网络的组成

• 组成部分区分
  • 计算机网络 = 硬件 + 软件 +协议
    • 硬件
      • 主机
      • 通信链路（双绞线，光纤）
      • 交换设备（路由器，交换机）
      • 通信处理机（网卡）
    • 软件
      • 网络操作系统
      • 邮件收发程序
      • FTP程序
      • 聊天程序
• 功能区分
  • 计算机网络 = 通信子网 + 资源子网
    • 资源子网
      • 实现资源共享功能的设备和软件集合（计算机软件）
    • 通信子网
      • 各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成（网桥、交换机、路由器）
• 工作方式区分
  • 计算机网络 = 边缘部分 + 核心部分
    • 边缘部分
      • 由所有连接在互联网上的主机组成
      • 用户直接使用的用于通信（传送数据、音频或视频）和资源共享
    • 核心部分
      • 由大量网络和连接这些网络的路由器组成
      • 为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）

计算机网络分类

• 分布范围分类

  • 广域网（WAN，Wide Area Network）
    • 交换技术
    • 区分广域网局域网，取决于采用的协议
  • 局域网（LAN，Local Area Network）
    • 广播技术
    • 局域网通过路由器接入广域网
  • 城域网（MAN,MetroPolitan Area Network）
  • 个人局域网（PAN,Personal Area Network）

• 交换技术分类

  • 电路交换
    • 优点：数据直接传送，时延小
    • 缺点：线路录用率低，不便于进行差错控制
  • 报文交换
    • 缺点：附加信息开销大
    • 优点：解决了电路交换的缺点
  • 分组交换（主流网络中使用）
    • 缺点：附加信息开销大
    • 优点：缓冲易于管理，更适合应用

• 拓扑结构分类（通信子网的拓扑结构）

  • 总线型网络
  • 星型网络
  • 环形网络
  • 网状网络（广域网常用）

• 使用者分类

  • 公用网（public network）
  • 专用网（private network）

• 传输技术分类

  • 广播式网络
  • 点对点网络

• 传输介质分类

  • 有线网络：双绞线网络，同轴电缆网络
  • 无线网络: 蓝牙，微波，无线电

其他知识点

• 1968年6月，最早的计算机网络时ARPAnet
• 网络资源 = 硬件资源 + 软件资源 + 数据资源
• 广播式网络可以不要网络层，可以不存在路由选择问题，但是需要服务访问点

计算机网络的性能指标

• 速率
  • 速率 = 数据率 = 数据传输率 = 比特率
  • 单位为b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s
  • 单位换算
    • 1kb/s = $10^3$b/s
    • 1Mb/s = $10^3$kb/s = $10^6$b/s
    • 1Gb/s = $10^3$Mb/s = $10^6$kb/s = $10^9$b/s
    • 1Tb/s = $10^3$Gb/s = $10^6$Mb/s = $10^9$kb/s = $10^{12}$b/s
    • 存储容量 1Byte（字节） = 8bit（比特）
    • 1KB = $2^{10}$B = 1024B = 1024*8b
    • 1MB = $2^{10}$KB = 1024KB
    • 1GB = $2^{10}$MB = 1024MB
    • 1TB = $2^{10}$GB = 1024GB
• 带宽
  • 带宽 = 某个信号具有的频带宽度，单位Hz
  • 带宽 = 表示网络的通信线路传输数据的能力 = 单位时间内从网络中某信道所能通过的最高数据率。单位：bit/s
  • 速率和带宽都是速度单位，速率是实际的传输速率，带宽是理想状态下的最大传输速率
• 吞吐量
  • 吞吐量 = 单位时间通过某个网络（信道、接口）的数据量。单位：b/s,kb/s
  • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
• 时延
  • 时延/延迟 = 数据（报文/分组/比特流）从网络的一端传送到另一端所需的时间
  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
    • 发送/传输时延 = 从发送分组的第一个比特算起，到该分组最后一个比特发送完毕所需的时间 = 数据长度/信道带宽
    • 传播时延 = 电磁波在信道中传输一定距离而花费的时间，取决于电磁波的传播速率和链路的长度 = 链路长度/电磁波在信道上传播的速率
    • 排队时延 = 节点缓存队列中分组排队所经历的时间
    • 处理时延 = 主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理
• 时延带宽积
  • 时延带宽积 = 传播时延$\times$带宽
  • 时延带宽积表示的是容量
• 往返时延RTT
  • 从发送方发送数据开始，到发送方收到接受方的确认（接收方收到数据后立即发生确认）共经历的时延
  • RTT = 往返传播时延 + 末端处理时间
• 利用率
  • 信道利用率 = 有数据通过时间/（无+有）数据通过时间
  • 网络利用率 = 全网络的信道利用率加权平均值
  • 利用率不是越高越好，时延会随着利用率的增加而增加

计算机网络体系的结构

• 网络体系的形成
  • 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作，这种协调是相当复杂的
  • 分层可以将庞大而复杂的问题转化为若干个较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理
• 实体、协议、服务和服务访问点
  • 
  • 实体
    • 表示任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程。同一层的实体称为对等实体
  • 协议
    • 为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
    • 协议是水平的，即控制对等实体之间通信的规则
    • 三要素
      • 语法
        • 规定传输数据的格式
      • 语义
        • 规定所要完成的功能
      • 同步
        • 规定各种操作的顺序
  • 接口
    • 同一个系统中相邻两层的实体进行交互的地方
    • 仅在相邻两层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽
  • 服务
    • 下层为相邻上层提供功能调用
    • 服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的
  • 数据组成
    • SDU服务数据单元
      • 为完成用户所要求的功能而应传送到的数据
    • PCI协议控制信息
      • 控制协议操作的信息
    • PDU协议数据单元
      • 对等层次之间传送的数据单位
    • 每层PDU作为下一层的SDU，然后和PCI组成该层的PDU，再作为下下层的SDU,直到物理层

分层的基本原则

• 各层之间相对独立，每层只实现一种相对独立的功能
• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
• 结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现
• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
• 促进标准化工作

各层功能

• 差错控制
  • 使相应层次对等方的通信更可靠
• 流量控制
  • 发送端的发生速率必须使接收端来得及接收，不要太快
• 拥塞控制
  • 拥塞状态 = 结点来不及接受分组而要丢弃大量分组的情况，网络层要采取一定措施缓解这种阻塞
• 分段和重装
  • 发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端再进行分用
• 连接建立和释放
  • 交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接

两个主机通信的过程

1. 主机A先将其数据交给本机的第7层（应用层）。第5层加上必要的控制信息H7就变成了下一层的数据单元
2. 第6层（表示层）收到数据单元后，加上本层的控制信息H6就变成了下一层的控制信息，依次类推
3. 到了第2层（数据链路层）后，控制信息被分为两个部分，分别加到本层数据单元的首部（H2）和尾部（T2）
4. 到了第一层（物理层）由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息。传送比特流时应从首部开始传送
5. 当这一串比特流离开主机A经网络的物理媒体传送到路由器时，就从路由器的第1层依次上升到第3层
6. 每一层都根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将该层剩下的数据单元上交给更高的一层
7. 当分组上升到了第3层时，就根据首部中的目的地址查找路由器中的转发表，找到转发分组接口
8. 然后往下传送到第2层，加上新的首部和尾部后，再到最下面的第1层，然后再物理媒体上把每一个比特发送出去

三种网络模型

• OSI七层模型
  • 
    • 表示层
      • 数据压缩、加密及数据描述，使得应用程序不必关系再各台主机中数据内部格式不同的问题
    • 会话层
      • 建立及管理会话
• TCP/IP结构
  • 
  • 只有四层，相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层
  • TCP/IP体系结构不严格遵循OSI分层概念
  • 应用层可能会直接使用IP层或网络接口层
• 五层协议结构
  • 
  • 应用层
    • 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，数据单位为报文
  • 运输层
    • 为进程提供通用数据传输服务。主要使用以下两种协议
      • TCP：传输控制协议。提供面向连接、可靠的传输服务。数据单位是报文段
      • UDP：用户数据报协议。提供无连接，尽最大努力的传输服务。数据单位是用户数据报
      • TCP只要提供完整性服务，UDP主要提供及时性服务
  • 网络层
    • 为主机提供数据传输服务。把传输层传递下来的报文段或用户数据报封装成分组
    • 重要协议是IP
  • 数据链路层
    • 为同一链路的主机提供数据传输服务。把网络层传下来的分组封装成帧
  • 物理层
    • 主要负责在物理线路上传输原始的二进制数据
• 三个网络模型的对比
  •