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title: "《计网》计算机网络体系结构"
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date: 2023-07-24T13:31:22+08:00
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## 计算机网络概念
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* 计算机网络
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* 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
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* 简记：计算机网络时互连的、自治的计算机集合
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* 互连：互联互通
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* 自治：无主从关系，即相互联通但不能彼此控制
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## 计算机网络的功能
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* 数据通信（最基本的功能）
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* 资源共享
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* 信息共享
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* 软件共享
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* 硬件共享
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* 分布式管理
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* 多台计算机各自承担同一工作的不同部分
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* 提高可靠性
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* 负载均衡
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## 计算机网络的组成
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* 组成部分区分
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* 计算机网络 = 硬件 + 软件 +协议
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* 硬件
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* 主机
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* 通信链路（双绞线，光纤）
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* 交换设备（路由器，交换机）
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* 通信处理机（网卡）
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* 软件
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* 网络操作系统
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* 邮件收发程序
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* FTP程序
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* 聊天程序
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* 功能区分
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* 计算机网络 = 通信子网 + 资源子网
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* 资源子网
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* 实现资源共享功能的设备和软件集合（计算机软件）
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* 通信子网
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* 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）
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* 工作方式区分
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* 计算机网络 = 边缘部分 + 核心部分
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* 边缘部分
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* 由所有连接在互联网上的主机组成
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* 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
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* 核心部分
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* 由大量网络和连接这些网络的路由器组成
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* 为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）
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## 计算机网络分类
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* 分布范围分类
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* 广域网（WAN，Wide Area Network）
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* 交换技术
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* 区分广域网局域网，取决于采用的协议
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* 局域网（LAN，Local Area Network）
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* 广播技术
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* 局域网通过路由器接入广域网
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* 城域网（MAN,MetroPolitan Area Network）
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* 个人局域网（PAN,Personal Area Network）
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* 交换技术分类
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* 电路交换
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* 优点：数据直接传送，时延小
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* 缺点：线路录用率低，不便于进行差错控制
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* 报文交换
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* 缺点：附加信息开销大
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* 优点：解决了电路交换的缺点
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* 分组交换（主流网络中使用）
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* 缺点：附加信息开销大
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* 优点：缓冲易于管理，更适合应用
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* 拓扑结构分类（通信子网的拓扑结构）
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* 总线型网络
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* 星型网络
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* 环形网络
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* 网状网络（广域网常用）
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* 使用者分类
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* 公用网（public network）
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* 专用网（private network）
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* 传输技术分类
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* 广播式网络
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* 点对点网络
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* 传输介质分类
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* 有线网络：双绞线网络，同轴电缆网络
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* 无线网络: 蓝牙，微波，无线电
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### 其他知识点
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* 1968年6月，最早的计算机网络时ARPAnet
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* 网络资源 = 硬件资源 + 软件资源 + 数据资源
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* 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
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## 计算机网络的性能指标
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* 速率
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* 速率 = 数据率 = 数据传输率 = 比特率
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* 单位为b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s
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* 单位换算
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* 1kb/s = $10^3$b/s
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* 1Mb/s = $10^3$kb/s = $10^6$b/s
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* 1Gb/s = $10^3$Mb/s = $10^6$kb/s = $10^9$b/s
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* 1Tb/s = $10^3$Gb/s = $10^6$Mb/s = $10^9$kb/s = $10^{12}$b/s
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* 存储容量 1Byte（字节） = 8bit（比特）
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* 1KB = $2^{10}$B = 1024B = 1024*8b
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* 1MB = $2^{10}$KB = 1024KB
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* 1GB = $2^{10}$MB = 1024MB
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* 1TB = $2^{10}$GB = 1024GB
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* 带宽
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* 带宽 = 某个信号具有的频带宽度，单位Hz
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* 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
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* 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
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* 吞吐量
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* 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
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* 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
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* 时延
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* 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
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* 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
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* 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
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* 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
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* 排队时延 = 节点缓存队列中分组排队所经历的时间
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* 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
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* 时延带宽积
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* 时延带宽积 = 传播时延$\times$带宽
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* 时延带宽积表示的是容量
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* 往返时延RTT
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* 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
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* RTT = 往返传播时延 + 末端处理时间
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* 利用率
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* 信道利用率 = 有数据通过时间/（无+有）数据通过时间
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* 网络利用率 = 全网络的信道利用率加权平均值
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* 利用率不是越高越好，时延会随着利用率的增加而增加
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## 计算机网络体系的结构
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* 网络体系的形成
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* 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
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* 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
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* 实体、协议、服务和服务访问点
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* 实体
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* 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
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* 协议
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* 为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
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* 协议是水平的，即控制对等实体之间通信的规则
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* 三要素
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* 语法
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* 规定传输数据的格式
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* 语义
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* 规定所要完成的功能
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* 同步
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* 规定各种操作的顺序
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* 接口
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* 同一个系统中相邻两层的实体进行交互的地方
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* 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
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* 服务
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* 下层为相邻上层提供功能调用
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* 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
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* 数据组成
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* SDU服务数据单元
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* 为完成用户所要求的功能而应传送到的数据
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* PCI协议控制信息
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* 控制协议操作的信息
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* PDU协议数据单元
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* 对等层次之间传送的数据单位
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* 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
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### 分层的基本原则
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* 各层之间相对独立，每层只实现一种相对独立的功能
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* 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
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* 结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现
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* 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
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* 促进标准化工作
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### 各层功能
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* 差错控制
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* 使相应层次对等方的通信更可靠
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* 流量控制
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* 发送端的发生速率必须使接收端来得及接收，不要太快
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* 拥塞控制
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* 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
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* 分段和重装
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* 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
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* 连接建立和释放
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* 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
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### 两个主机通信的过程
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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
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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
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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）
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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
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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
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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
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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
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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
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### 三种网络模型
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* OSI七层模型
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* 表示层
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* 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
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* 会话层
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* 建立及管理会话
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* TCP/IP结构
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* 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
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* TCP/IP体系结构不严格遵循OSI分层概念
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* 应用层可能会直接使用IP层或网络接口层
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* 五层协议结构
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* 应用层
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* 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
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* 运输层
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* 为进程提供通用数据传输服务。主要使用以下两种协议
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* 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
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* 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
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* TCP只要提供完整性服务，UDP主要提供及时性服务
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* 网络层
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* 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
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* 重要协议是IP
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* 数据链路层
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* 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
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* 物理层
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* 主要负责在物理线路上传输原始的二进制数据
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* 三个网络模型的对比
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