第 1 章 网络体系结构

第 1 章 网络体系结构

1、思维导图

2、计算机网络的概念和功能

2.1、计算机网络的定义

计算机网络需要干什么？然后实现什么功能？

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。

1. 各种电话设备、电视设备、计算机设备、电网设备组成的网络

   

2. 每台设备之间通过通信线路，实现设备之间的互联

   

计算机网络是互连的、自治的计算机集合

1. 互连：每台设备通过通信链路互联互通
2. 自治：每台设备之间无主从关系

2.2、计算机网络的功能

数据通信 & 资源共享 & 分布式处理

1. 数据通信：我们使用微信、QQ等聊天工具，不就是在进行数据通信嘛~

   

2. 资源共享：在图书馆，我们只要登录任意一台电脑，就能共享图书馆打印机啦~~~

   

3. 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分，比如 Hadoop 分布式系统

   1. 提高可靠性：不怕有一两台机器 down 掉，因为还有替代机
   2. 负载均衡：将任务平分给各个机器执行

   

2.3、计算机网络的发展

计算机网络发展的第一阶段

1. 美国政府害怕苏联老大哥把他们的指挥部给炸了，于是美国国防部高级研究计划局（ARPA）设计一个分散的指挥系统，这就是最初的 ARPAnet（阿帕网）

   

2. 为了实现不同网络之间的互联，外国大佬们又提出了 internet(interconnected network) 互联

   

3. 1983 年阿帕网接受 TCP/IP，选定Internet为主要的计算机通信

   

4. ​ internet 与 Internet 的区别：网络把许多计算机连接在一起，而互联网（Internet）则把许多网络连接在一起，因特网（internet）是世界上最大的互联网。

计算机网络发展的第二阶段

1985 年起，美国国家科学基金会 NSF 围绕 6 个大型计算机中心建设计算机网络， 即国家科学基金网 NSFNET，这个三层模型是是现今网络分层模型的前身

计算机网络发展的第三阶段

1. 随着因特网的发展，主干网的规模越来越大，于是将主干网交由一些运营厂商管理和维护
2. ISP：因特网服务提供者/因特网 服务提供商，是一个向广大用户 综合提供互联网接入业务、信息 业务、和增值业务的公司，如中 国电信、中国联动、中国移动等。 分为主干ISP、地区ISP和本地ISP
3. 如果每次同级的设备通信都需要经由主干 ISP，显示通信效率不会很高，于是在某些地区 ISP 之间搭建了 因特网交换点(IXP)

2.4、本节课总结

3、计算机网络的组成和分类

3.1、计算机网络的组成

1、按组成部分分类：由硬件、软件、协议组成

软件部署在各个设备上，并通过一定的协议在各个设备之间传输数据

2、按工作方式分类：由边缘部分和核心部分组成

1. 边缘部分由一系列的端系统组成，端系统之间的通信为进程之间的通信，边缘部分的进程通信主要 C/S 和 P2P 两种方式
   1. C/S(Client Server)：我们常常使用的微信聊天就是这种方式，微信客户端安装在我们手机上。发送微信消息时会先将此消息发送到微信服务器上，再由微信服务器将消息转发到对方手机微信上。可以看出当聊天人数上来之后，微信服务器就可能会吃不消了，即客户端数量越少对服务器压力就越小。类似的方式有 B/S(Browser/Server)
   2. P2P(Peer to Peer)：对等连接，参照迅雷下载，没有严格意义上的客户端和服务器，因为每一台机器既有可能是客户端，也有可能是服务器。比如我想下载一部小电影，恰好小红已经下载好了这个电影，我就可以从小红那儿下载，同样，小蓝也想下载这部电影，他可以从我这儿下，我的机器从小明那儿获得了服务，又为小蓝提供了服务
2. 核心部分为边缘部分提供连接服务，这样边缘服务才能实现端系统与端系统之间的通信

3、按功能组成分类：由通信子网和资源子网组成

1. 通信子网：实现数据通信
2. 资源子网：实现资源共享（数据处理）

3.2、计算机网络的分类

1、按分布范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN

1. 广域网技术使用交换技术，局域网技术使用广播技术
2. 世界上最遥远的距离不是我住在你隔壁，而是我们之间的微信聊天隔着一道广域网

2、按使用者分类：公用网、专用网

1. 公用网：电信、移动、联通提供的网络服务
2. 专用网：军队、政府专门搭建的网络

3、按交换技术分类：电路交换、报文交换、分组交换

电路交换需要独占一条线，所以经常听到：对不起，你拨打的用户正在通话中，请您稍后再拨

报文交换和分组交换采用存储转发的技术，将条长长的通信线路，切成好多小段，每一小段都有设备负责存储转发

4、按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型

1. 总线型：常用于局域网（都在一条线上方便广播）

   

2. 星型

   

3. 环型

   

4. 网状型：常用于广域网（分成小段方便数据转发）

   

5、按传输技术分类：广播式网络、点对点网络

1. 广播式网络共享公共通信信道
2. 点对点网络使用分组存储转发和路由选择机制

3.3、本节课总结

4、计算机网路的标准化

4.1、标准化的意义

实现异构网络互连呗

要实现不同厂商的硬、软件之间相互连通，必须遵从统一的标准。

4.2、计算机网络的标准

法定标准 & 事实标准

1. 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准，比如 OSI 参考问题
2. 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，比如 TCP/IP 使用时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准

4.3、自定义计算机网络标准

跟小论文投稿一样的步骤。。。

RFC（Request For Comments）： 因特网标准的形式，RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

1. 因特网草案(Internet Draft)：给编辑发邮件（[email protected]），你们可以试试哦，这个阶段还不是RFC文档。
2. 建议标准(Proposed Standard)：编辑同意你的草案，从这个阶段开始成为RFC文档。
3. 请求评论(Request For Comments)：将草案放到因特网上，接收大家的意见和评论
4. 因特网标准(InternetStandard)：论文录用通知发下来了。。。

4.4、标准化工作的相关组织

都是大佬组织。。。

1. 国际标准化组织ISO：负责制定OSI模型、HDLC协议
2. 国际电信联盟ITU：负责制定通信规则
3. 电气和电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G
4. Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的制定，比如RFC xxx Version

4.5、本节课总结

5、计算机网络的性能指标

5.1、速率

速率的定义

速率（数据率、数据传输率、比特率）连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位是 b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

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假如说发送端在 1s 给接收端发送了 10b 的数据，则速率为 10b/s

解答一波多年的疑惑：关于电信办网 20M 带宽

1. 一般在速率方面，Kb 代表 10³ 比特，Mb 代表 10³ Kb，且为小写 b
2. 一般在存储容量方面，KB 代表 2¹⁰ 比特，MB 代表 2¹⁰ KB，且为小写 B
3. 运营商说的下行流量 20M 指的是 20Mb，折算为存储容量约为 19M

5.2、带宽

带宽的定义

1. “带宽”原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹为 Hz
2. 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s
3. 带宽一般指发送方向通信链路中注入比特流的最高速率，用于描述通信的物理极限能力
4. 带宽是一个理想速率，实际通信中速率肯定达不到带宽这么高啦

举个栗子

一般电磁波在固体介质上传输速率为 2*10⁸m/s ，即电磁波在 1us 可在通信介质内向前传播 200m，则：

链路带宽 = 1Mb/s，主机在 1us 内可向链路发 1bit 数据

1. 第 1us 的传输情况

   

2. 第 2us 的传输情况

   

3. 第 3us 的传输情况

   

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链路带宽 = 2Mb/s，主机在 1us 内可向链路发 2bit 数据

1. 第 1us 的传输情况

   

2. 第 2us 的传输情况

   

3. 第 3us 的传输情况

   

5.3、吞吐量

吞吐量的定义

1. 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位 b/s，kb/s，Mb/s 等
2. 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制，

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主机通过交换机访问两台服务器，主机发送速率与交换机接收速率均为 100Mb/s，其链路带宽为 100Mb/s，但是服务器的速率只能达到 20Mb/s 和 10Mb/s，所以该条链路的吞吐量为 30Mb/s，可以看到实际的吞吐量一般小于链路带宽

5.4、时延

时延的定义

时延指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延，单位是 s，时延分为四类：

1. 发送时延（传输时延）：是指结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间
2. 传播时延：是指电磁信号或光信号在传输介质中传播一定的距离所花费的时间，即从发送端发送数据开始，到接收端收到数据（或者从接收端发送确认帧，到发送端收到确认帧），总共经历的时间
3. 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发
4. 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，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错或查找适当的路由等等。

5.5、时延带宽积

时延带宽积的定义

1. 时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 带宽 (bit/s)
2. 时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，即“某段链路现在有多少比特”，即链路管道的比特容量

5.6、往返时间RTT

往返时间 RTT 的定义

1. 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
2. 注意：从发送方第一个发送的比特位开始算起，以发送方接收到的第一个确认信号为结束
3. RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
4. RTT 包括两个部分：
   1. 往返传播时延，= 传播时延 * 2，占 RTT 的大头
   2. 末端处理时间，在接收方接收到第一个比特位之后，处理后发出确认信号需要时间

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ping 指令中 time 字段表示 RTT

5.7、利用率

利用率的定义

利用率分为：信道利用率和网络利用率

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一般来说，当利用率接近 1 时，时延急剧上升，导致通信速率下降

5.8、本节课总结

6、计算机网络的分层结构

6.1、为什么要分层

一句话：大事化小，小事好办

发送文件前要完成的工作：

1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
2. 要告诉网络如何识别目的主机。
3. 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
4. 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否己经做好准备工作。
5. 确保差错和意外可以解决。
6. 。。。

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说白了，还是将一个大问题分割为一系列的小问题，然后逐个击破各个小问题，就完事儿。。。

6.2、如何进行分层

分层的基本原则

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
2. 每层之间界线自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
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. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

6.3、正式认识分层结构

分层的术语

1. 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平方向】
   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：规定各种操作的顺序
3. 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口。
4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

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SDU & PCI & PDU

1. SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
2. PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。
3. PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

上一层的PDU会作为下一层的SDU，再加上下一层的PCI信息，构成下一层的PDU

6.4、分层概念总结

总结

1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
2. 计算机网络体系结构简称网络体系结构，是一种分层的结构。
3. 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
4. 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
5. 第n层在向n+l层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。
6. 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
7. 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

6.5、本节课总结

7、OSI 参考模型

7.1、为什么提出 OSI 参考模型

提出 OSI 参考模型的背景

1. 为了解决计算机网络复杂的大问题，需要使用分层结构（按功能）来解决如此复杂的问题
2. 背景：各个公司提出的网络架构不一致，导致不同公司的系统相互之间无法完成通信
3. 目的：支持异构网络系统的互联互通。国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。但是！理论成功，市场失败。

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最终演变成了常用的 4 层或 5 层体系结构

7.2、OSI 七层参考模型

七层参考模型

7.3、OSI 参考模型通信过程

端系统与中间系统通信上的差异

各个端系统之间通过中间系统连接起来，端系统工作于上四层之中，中间系统工作于下三层之中，对于端系统来说，下三层的细节实现完成被隐藏

端系统之间是端到端通信，中间系统之间是点到点通信

举个栗子：以“你吃了吗？”为例，进行讲解

1. 发送方
   1. 每一层打包（RUA）一下，加一个头部信息，每一层的 PDU 作为下一层的 SDU
   2. 数据链路层除了加头部信息，还加了尾部信息呦~
   3. 物理层就是来打黑工的，负责将数据链路层的数据转为比特流发送出去
2. 接收方：
   1. 每一层脱一件衣服，脱到第七层得到了“你吃了吗？”
   2. 裤子都脱了，就给我看这个？？？

7.4、应用层

应用层的功能

提供与用户与网络的界面，即所有能和用户交互产生网络流量的程序，比如 QQ，邮箱等

应用层的协议

典型的应用层服务有：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP）

7.5、表示层

表示层的功能

表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）

1. 功能一：数据格式变换（翻译官）
2. 功能二：数据加密解密
3. 功能三：数据压缩和恢复

表示层的协议

主要协议：JPEG、ASCII

7.6、会话层

会话层的功能

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）

1. 功能一：建立、管理、终止会话
2. 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。

举个栗子

1. 会话与会话之间不会相互影响，彼此之间各自独立，比如电脑开着百度又开着视频，两者之间并不会相互干扰

   

2. 设置校验点/同步点适用于传输大文件，将大文件分段，用同步点切割为一段一段的小文件，当传输失败时，无需从头再来，只需从同步点续传即可

会话层的协议

主要协议：ADSP、 ASP

7.7、传输层

传输层的功能

传输层负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

1. 功能一：可靠传输和不可靠传输
2. 功能二：差错控制
3. 功能三：流量控制（控制发送方速率）
4. 功能四：复用分用
   1. 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
   2. 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程（通过端口号区分）

传输层的协议

主要协议：TCP、UDP

7.8、网络层

网络层的功能

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 网络层传输单位是数据报。

1. 功能一：路由选择（选取最佳路径）
2. 功能二：流量控制
3. 功能三：差错控制
4. 功能四：拥塞控制（相较于流量控制，拥塞控制侧重于全局控制：若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施缓解这种拥塞。）

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数据包过大会分割为一个一个的分组

网络层的协议

主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

7.9、数据链路层

数据链路层的功能

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。 数据链路层/链路层的传输单位是帧。

1. 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
2. 功能二：差错控制（帧错+位错）
3. 功能三：流量控制
4. 功能四：访问（接入）控制控制对信道的访问

数据链路层的协议

主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP

7.10、物理层

物理层的功能

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。

1. 功能一：定义接口特性
2. 功能二：定义传输模式（单工、半双工、双工）
3. 功能三：定义传输速率
4. 功能四：比特同步（通信时钟）
5. 功能五：比特编码

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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。

这是一个傻瓜层，它只需要将比特流转换为电信号发送出去就行

物理层的协议

主要协议：Rj45、802.3

7.11、本节课总结

8、TCP/IP & 5层参考模型

8.1、TCP/IP 参考模型

TCP/IP 参考模型所做的改动

1. 将应用层、表示层、会话层合并为表示层
2. 将数据链路层和物理层合并为网络接口层
3. 每一层都有自己对应的协议

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

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

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

1. OSI定义三点：服务、协议、接口

2. OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

3. TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次

4. 对于网络层和传输层的连接方式

   

面向连接与无连接

面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此 阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成 功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。 接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向 无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。

8.2、5 层参考模型

综合了 OSI参考模型和 TCP/IP 参考模型的优缺点

5 层参考模型的数据封装与解封装

1. 应用层封装成报文
2. 传输层封装成报文段
3. 网络层封装成数据报
4. 数据链路层封装成帧
5. 物理层转换为比特流

9、本章总结