第1章 计算机网络体系结构

第一章 计算机网络体系结构

1.1计算机网络的概述

1.1.1 计算机网络的概念

计算机就是将分散的、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。
简而言之：计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

在计算机网络发展的不同阶段，人们对计算机由三类不同的定义：

1.广义观点：

能够实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统，都是计算机网络。

2.资源共享观点：

以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统集合。

3.用户透明性观点：

能够为用户自动管理资源的网络操纵系统，它能够调用用户所需要的资源，而整个网络就像一个大的计算机一样对用户是透明的。

1.1.2 计算机网络的组成

1.从组成部分上看：

由硬件、软件、协议三大部分组成。

2.从工作方式上看：

• 边缘部分 ： 主机 用来进行通信和资源共享

• 核心部分 ： 网络、路由器 为边缘部分提供连通性和交换服务。

3.从功能组成上看：

• 通信子网：传输介质、通信设备、网络协议 --> 实现计算机之间的数据通信。

• 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合。

1.1.3 计算机网络的功能

1.数据通信（最基本功能）：

实现互联网计算机之间的各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。如：文件传输。

2.资源共享：

使计算机网络中的资源互通有无、分工协作、从而提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

3.分布式处理：

分配任务给网络中的其他计算机系统，提高整个系统的利用率。

4.提高可靠性：

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

5.负载均衡：

将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各计算机。

1.1.4 计算机网络的分类

1.按分布范围分类

• 广域网
• 城域网
• 局域网
• 个人区域网

2.按传输技术分类：

• 广播式网络：所有计算机都共享一个公共通信信道。
• 点对点网络：每条物理线连接一对计算机。（可由中间结点接收、存储和转发，直至目的结点）

3.按拓扑结构分类：

• 总线形网络
• 星形网络
• 环形网络
• 网状形网络

4.按使用者分类:

• 公用网
• 专用网

5.按交换技术分类：

• **电路交换网络：****优：**直接传送，时延小；**缺点：**线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于差错控制。
• **报文交换网络（**也称存储-转发网络）：**优：**较为充分利用线路容量、可实现差错控制；**缺：**增大了资源开销、增加了缓冲时延。
• 分组交换网络：**优点：**缓冲易于管理、时延更小。

1.1.5 计算机网络标准化工作及相关组织

1. RFC(Request For Comments)上升为因特网正式标准需经过以下4个阶段。

1.因特网草案（Internet Draft）。这个阶段还不是RFC文档。
2.建议标准（Proposed Standard）。从这个阶段就成为RFC文档。
3.草案标准（Draft Standard）。
4.因特网标准（Internet Standard）。

2. 相关组织

1.国际标准化组织（ISO）。制定的主要网络标准或规范有OSI参考模型、HDLC等。
2.国际电信联盟（ITU）。其前身为国际电话电报咨询委员会（CCITT）,其下属机构(ITU-T)制定了大量有关远程通信的标准。
3.国际电气电子工程师协会（IEEE）。世界上最大的专业技术团体，由计算机和工程学专业人士组成。IEEE在通信领域最著名的研究成果是802标准。

1.1.6 计算机网络的性能指标

1.带宽

• 本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。
• 在计网中，表示网络的通信线路所能传送的数据能力，是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是比特/秒（b/s）。

2. 时延

指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间。由四部分构成：

2.1 发送时延

计算公式 ： 发送时延 = 分组长度/信道宽度
    
1.结点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间，
2.即从发生分组第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需时间，
3.因此也称为传输时延。

2.2 传播时延

计算公式 ： 传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
 
电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路一端到另一端所需的时间。

2.3 处理时延

数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。
如：分析分组的首部、提取数据、进行差错检验和查找适当路由等...

2.4 排队时延

分组进入路由器后要先在输入队列、输出队列中排队等待处理。

3.时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 信道带宽

指发送端发送第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特。

4. 往返时延（Round-Trip Time RTT）

指发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。

5. 吞吐量

指单位时间内通过某个网络的数据量。受到网络带宽或网络额定速率的限制。

6. 速率

1.网络中的速率是指连接计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率或比特率，单位为b/s（比特/秒）。
2.数据率较高时，可用kb/s、Mb/s或Gb/s表示。
3.在计网中，通常把最高数据率称为带宽。

7.信道利用率

1.指出某一信道有百分之多少时间是有数据通过的。
2.信道利用率 = 有数据通过数据时间/（有+无）数据通过时间。    

1.2 计算机网络体系结构语参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

1. 为什么要分层？

1.为了降低协议设计和调试过程的复杂性、
2.为了方便于网络进行研究、实现、促进标准化工作。

2. 什么网络体系结构？

1.计网的各层及其协议的集合称为网络体系结构（Architecture）。
2.换言之，就是这个计算机网络及其对应所完成的功能的精确定义，
它是计网中的层次、各层的协议及层间接口的集合。

3. 分层的基本原则?

1.每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
2.各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3.各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最适合的技术来实现。
4.保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5.整个分层结构应能促进标准化工作。
    
在计网分层结构中，第n层的活动元素通常称为n层实体，
不同机器上的同一层称为对等层，同一层实体称为对等实体。

4.各层次的报文分为两部分组成？

1.数据部分(服务数据单元)（SDU）  n-SDU
2.控制信息部分（协议控制信息）（PCI） n-PCI
3.共同组成协议数据单元（PDU） n-PDU
不同层的协议数据单元有不同名称。
三者关系：
    n-SDU + n-PCI = n-PDU = （n-1）SDU

5.层次结构的含义？

1.第n层使用第n-1服务，同时为第n+1层提供服务。
2.上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务；下一层所提供的服务实现细节对上一层透明。
3.两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1.协议

协议：就是规则的集合。（网络协议）

这些规则明确规定了所交换的数据的格式及有关的同步问题。（不对等实体之间没有协议）

1.1 协议的组成

1.语法：规定传输数据的格式
2.语义：规定所要完成的功能。
3.同步：规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即实现顺序的详细说明。
  
一个完整的协议:
	具有线路管理、差错控制、数据转换等功能。

2.接口

接口时是同一结点内相邻两层交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
同一结点相邻两层实体通过服务访问点（SAP)进行交互。

3. 服务

1.是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。
2.上层使用下层提供的服务时必须与下层交换一些命令（服务原语）
    1.请求
    2.指示
    3.响应
    4.证实

计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类

1.面向连接服务（如TCP）和无连接服务（如UDP）
2.可靠服务和不可靠服务
3.有应答服务和无应答服务

1.2.3 ISO/OSI参考模型与TCP/IP模型

1. OSI 参考模型（7层）

国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型。

• 低三层：通信子网
• 高三层：资源子网

1.物理层
    物理层的传输单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理媒介上为数据端设备透明地传输原始比特流。
2.数据链路层
    数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据包组装成帧。数据链路层的功能可以概括分为成帧、差错控制、流量控制、和传输管理等。
3.网络层
    网络层的传输单位是数据报，它关心的是通信子网运行控制，主要任务把网络层的协议数据单元（分组）从源端到目的端，为分组交换网上不同主机提供通信服务。
4.传输层
    传输单位是报文段或用户数据报，传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理服务。
5.会话层
    会话层允许不同主机上各进程之间进行会话。
6.表示层
    主要处理两个通信系统中交换信息的表示方式。
7.应用层
    应用层是OSI	模型的最高层，是用户与网络的界面。应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。

2. TCP/IP 模型

1.网络接口层
    功能类似于OSI的物理层和数据链路层。
2.网际层
    是TCP/IP体系结构的关键部分。它和OSI网络层功能相似。
3.传输层
4.应用层

3. TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

3.1 相似点

1.都采取分层结构。
2.都是基于独立的协议栈的概念。
3，都可以解决异构网络的互联。

3.2 不同点

1.OSI参考模型精确定义了：服务、协议和接口三个主要概念。TCP/IP模型却没有明确区分。
2.OSI参考模型产生在协议发明之前，没有偏向于任何特定协议，通用性好。TCP/IP正好相反。
3.TCP/IP模型在设计之初考虑到了多种异构的互联问题，并将网际协议（IP）作为一个单独的重要层次。OSI参考模型最初只考虑用一种标准的公用数据网将不同的系统互联。
4.OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信，
TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

1.2.4 五层体系结构

采取折中原则，即综合OSI和TCP/IP的优点。
1.物理层
2.数据链路层
3.网络层
4.传输层
5.应用层