--- title: "《计网》计算机网络体系结构" date: 2023-07-24T13:31:22+08:00 --- ## 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 * ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/实体协议图示.png) * 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 ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/主机通信过程.png) 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 * ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/OSI七层模型.png) * 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 * ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/TCPIP结构.png) * 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 * ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/五层协议结构.png) * 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 * ![](../../images/408/《计网》计算机网络体系结构/三者的对比.jpg)