计算机网络体系结构

第一章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 概念

1. 计算机网络是一个将分散的、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传递的系统。
2. 计算机网络有若干结点和连接这些结点的链路组成。节点可以是计算机、集线器、路由器。
3. 互联网基础结构发展的三个阶段：

1. 从单个网络 ARPANET向互联网发展的过程；
2. 建成了三级结构的因特网；
3. 逐渐形成了多层次ISP结构的因特网

4. 数据通信系统的效率取决于四个关键因素：传递性、准确性、及时性、抖动性

1.1.2 组成

1. 从组成部分看：硬件、软件、协议
2. 从工作方式来看：边缘部分、核心部分

1. 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的。处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统，是进程之间的通信。

• 两类通信方式：

C/S（服务器-客户）：最常见的方式

P2P（对等连接）：平等的、对等连接通信。即是客户端又是服务端

2. 核心部分：由大量网络和连接在这些网络上的路由器组成，这部分是为边缘服务部分提供服务的（提供连通性和交换，主要是由路由器和网络组成）：核心中的核心：路由器（路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组）

3. 从功能组成上来看：通信子网、资源子网。如下图所示：

4. 数据通信系统由五个部分组成：报文、发送方、接收方、传输介质、协议

1.1.3 功能

• 数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠度、负载均衡 （对名词概念进行解释）
• 最基本的功能是 数据通信功能

1.1.4 分类

• 局域网工作在数据链路层,因此不需要网络层,因而也不存在路由选择问题.但数据链路层使用物理层的服务必须通过服务访问点实现

• 拓扑结构各自的优缺点：

1. 总线型：网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、 成本低、安装使用方便， 当某个工作站节点出现故障时，对整个网络系统影响小。
2. 星型：优点：便于集中控制和管理；缺点：成本高、中央设备对故障敏感
3. 环型：系统中通信设备和线路比 较节省。有单点故障问题； 由于环路是封闭的，所以 不便于扩充，系统响应延 时长，且信息传输效率相 对较低。
4. 网状型：优点：可靠性高；缺点：控制复杂，线路成本高

• 电路交换、报文交换、分组交换的名词解释：

1.1.5 标准化工作

• 两类数据通信标准：

1. 事实标准：未经组织认可但已经广泛使用
2. 法定标准：由官方认可的团体制定

• 需要经过以下四个阶段：

1. 因特网草案
2. 建议标准
3. 草案标准
4. 因特网标准

1.1.6 性能指标

1. 速率

• 1B = 8b (注意速率中的 b 与储存容量中的 B )

2. 带宽

3. 吞吐量

4. 时延（下图四种时延之和）

• 如果没有排队时延,那么处理时延也就没有了
• 传播时延 = RTT / 2

5. 时延带宽积

6. 往返时延RTT

7. 利用率

• 信道利用率不是越高越好，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增大。
• 减少方法：增大线路的带宽

8. 计算机网络的非特征性能：费用，质量，标准化，可靠性，可扩展性和可升级性，易于管理和维护

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

1. 分层的基本原则

2. 分层的好处：

1. 各层之间是独立的；
2. 灵活性好；
3. 结构上可以分割开来
4. 易实现和维护
5. 能促进标准化工作

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

• 实体、协议、接口、服务、SDU、PCI、PDU

• 访问服务点（SAP）：同一系统相邻两层的实体进行交换信息的地方

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和TCP/IP模型

（1）OSI模型

1. 应用层：所有能和用户交互产生网络流量的程序

2. 表示层：用于处理两个通信系统交换信息的表示方式 (语法和语义）(统一编码形式)

• 功能一：数据格式变换
• 功能二：数据加密解密
• 功能三：数据压缩和恢复

3. 会话层：向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。 这是会话，也是建立同步（SYN）;负责管理主机间的会话进程,包括建立\管理及终止进程间的会话

• 功能一：建立、管理、终止会话
• 功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步

4. 传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。(端口到端口)
   • 传输单位是报文段(TCP)或用户数据报(UDP)。–报文
   • 使用传输层的服务,高层用户可以直接进行端到端的数据传输,从而忽略子网的存在

• 功能一：可靠传输、不可靠传输
• 功能二：差错控制
• 功能三：流量控制
• 功能四：复用分用

• 复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务。 分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

5. 网络层：主要任务是把分组(网络层的PDU)从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。（主机到主机）
   • 网络层传输单位是数据报。

• 功能一：路由选择
• 功能二：流量控制
• 功能三：差错控制
• 功能四：拥塞控制

6. 数据链路层：主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。 点到点的通信(地址到地址)（跳到跳）
   • 数据链路层/链路层的传输单位是帧。

• 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
• 功能二：差错控制 帧错+位错
• 功能三：流量控制
• 功能四：传输管理

7. 物理层

• 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。

• 物理层传输单位是比特。

• 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。

• 功能一：定义接口特性
• 功能二：定义传输模式
• 功能三：定义传输速率
• 功能四：比特同步 单工、半双工、双工
• 功能五：比特编码

• 单工：通信是单方的，一方只能发送，一方只能接收
• 半双工：两台主机均可以发送和接收，但是不可以同时进行
• 全双工：双方主机都能同时发送和接收

（2） TCP/IP模型

一、功能概述

1. 网络接口层：表示物理网络的接口，相当于OSI中的物理层和数据链路层
2. 网际层：主机-主机，是TCP/IP的关键部分，相当于OSI网络层网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP
3. 传输层：应用-应用（进程-进程），相当于OSI传输层
4. 应用层：用户-用户，包含所有的高层协议，如Telnet、FTP、DNS、SMTP等

二、寻址

• 跳到跳时物理地址将改变， 但是逻辑地址和端口地址保持不变。

1. 物理地址：MAC地址，也称为链路地址，是局域网或广域网定义 的节点地址，包含在数据链路层所用的帧中，是最低级的地址；
2. 逻辑地址：即 IP 地址，对于全球通信是必须的，它唯一的标识了每 台主机（或每个网络接口）；
3. 端口地址：赋予进程的标识符
4. 专用地址：URL（互联网上标准 资源的地址）

（3）OSI 模型和TCP/IP的比较

1. 相同点：

1. 都分层
2. 基于独立的协议栈的概念
3. 可以实现异构网络互联

2. 不同点：

（4）五层模型

考点加强记忆

1. 在OSI参考模型中, 在对等层之间传送的数据的单元都成为协议数据单元(PDU);具体而言, 在传输层成为报文段(TCP)或用户数据报(UDP), 在网络层成为分组或数据报,在数据链路层称为帧,在物理层称为比特

[[计网-第二章(物理层)]]