计算机网络 第一章（复习、总结、期末）

第一章

1、概念、组成、分类

计算机网络的概念

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。

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。互连——互联互通 自治——无主从关系

计算机网络的功能

1. 数据通信
2. 资源共享（包括硬件、软件、数据）
3. 分布式处理（像Hadoop平台）
4. 提高可靠性（坏了还有替代机）
5. 负载均衡

…………

计算机网络的组成（不同角度）

1. 组成部分：硬件、软件、协议
2. 工作方式：边缘部分（用户直接使用，像C/S方式、P2P方式）、核心部分
3. 功能组成：通信子网（实现数据通信）、资源子网（实现资源共享/数据处理）
   

计算机网络的分类

1. 按分布范围分：广域网WAN（交换技术）、城域网MAN、局域网WAN（广播技术）、个人区域网PAN
2. 按使用者分：公用网（运营商）、专用网（全国的军队网）
3. 按交换技术分：电路交换、报文交换、分组交换
4. 按拓扑结构分：总线型、星型、环型、网状型（常用于广域网）
5. 按传输技术分：广播式网络（共享公共通信信道）、点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

2、标准化工作及相关组织

标准化工作

标准的分类：法定标准（OSI）、事实标准（TCP/IP）

RFC（Request For Comments）——英特网标准的形式

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）这个阶段还不是RFC文档
2. 建议标准（Proposed Standard）从这个阶段开始成为RFC文档
3. 草案标准（Draft Standard）交给IETF、IAB审核
4. 因特网标准（Internet Standard）

标准化工作的相关组织

国际标准化组织ISO OSI参考模型、HDLC协议

国际电信联盟ITU 制定通信规则

国际电气电子工程师协会IEEE （学术机构、IEEE802系列标准、5G）

Internet工程任务租IETF

3、性能指标（速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间RTT、利用率）

速率

速率即==数据率==或称==数据传输率==或==比特率==，是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。

千 1kb/s=10[^3]

兆 1Mb/s=10[^3]kb/s=10[^6]b/s

吉 1Gb/s=10[^3]Mb/s=10[^6]kb/s=10[^9]b/s

太 1Tb/s=10[^3]Gb/s=10[^6]Mb/s=10[^9]kb/s=10[^12]b/s

这里很容易跟存储容量混淆，存储容量是：

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

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（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。（网络设备所支持的最高速度）

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。

值得注意，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

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。

时延包括：传送时延（传输时延）、传播时延、排队时延、处理时延。

• 发送时延：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
  • 计算方法：发送时延=数据长度/信道带宽（发送速率）
• 传播时延：取决于电磁波传播速度和链路长度。
  • 计算方法：传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

• 排队时延：等待输出/入链路可用

• 处理时延：检错、找出口

时延带宽积

时延带宽积（bit）=传播时延（s）*带宽（bit/s）

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”。

往返时间RTT

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。

• RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
• 计算RTT时，RTT包括：
  • 往返传播时延=传播时延*2
  • 末端处理时间（有些题目可以忽略）

利用率

利用率包括：

1. 信道利用率（计算方法：有数据通过时间/（有+无）数据通过时间）
2. 网络利用率（信道利用率加权平均值）
   

4、分层结构：协议、服务、接口

1、为什么要分层？

发送文件前要完成的问题多且复杂，包括有：

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标主机。
3. 发送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. 发送通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
5. 确保差错和意外可以解决。

…………

为了把大问题变成小问题从而方便解决，这时就需要分层。

2、怎么分层？

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. 每层之间界面自然清晰，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。

3、分层结构：

1. 实体：第一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】
   • 语法：规定传输数据的格式
   • 规定所要完成的功能
   • 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】
5. 关于SDU、PCI、PDU。
   

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的服务。

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

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分层结构。
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+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包括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。

5、ISO参考模型

1、ISO/OSI参考模型——怎么来的？

我们知道，为了解决计算机网路复杂的问题，我们提出了分层结构（按功能）。但是，不同的公司提出了不同的网络体系结构，像IBM公司的SNA，DEC公司的DNA，美国国防部的TCP/IP。==为了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，理论虽然很成功，市场却是失败的。

2、ISO/OSI参考模型

3、解释通信过程

==用户层==：所有能和用户交互产生网络流量的程序。

==表示层==：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。

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

（主要协议：JPEG、ASCII）

==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）

• 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。（实现于传输大文件）

（主要协议：ADSP、ASP）

==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。

• 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
• 功能三：复用分用
  • 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。
  • 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应的进程。

（主要协议：TCP、UDP）

==网络层==：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。

• 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（若所有节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。因此要采用一定措施，缓解这种拥塞）

（主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、PARP、OSPF）

==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。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：访问（接入）控制（控制对信道的访问）

（主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP）

==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（单工、半双工、双工）
• 功能三：定义传输速率
• 功能四：比特同步
• 功能五：比特编码

（主要协议：Pj45、802.3）

TCP/IP参考模型及5层参考模型

1、TCP/IP协议

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

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. 如图，
   
   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。

2、五层参考模型