[Rede de Computadores] Notas de Estudo da Lake University of Science and Technology --- Arquitetura de Rede de Computadores

Este artigo foi incluído na coluna ⭐️ "Rede de Computadores" ⭐️

Internet

conceito básico

rede, internet, internet

Rede: Rede (Rede) consiste em vários **nós (Nó) e links (Link)** que conectam esses nós

Internet (Internet): Várias redes são interligadas através de roteadores, formando assim uma rede com maior abrangência, ou seja, a Internet (Internet). Por isso, a Internet também é chamada de “Rede das Redes”.

Internet: A Internet (Internet) é a maior rede interoperável do mundo (centenas de milhões de usuários e milhões de redes interconectadas).

A diferença entre Internet e Internet

• Internet (Internet ou Internet) é um termo geral que geralmente se refere a uma rede formada pela interconexão de várias redes de computadores . O protocolo de comunicação entre essas redes pode ser arbitrário.
• Internet (Internet) é um termo especial . Refere-se à maior rede de computadores aberta e específica do mundo atual, formada pela interconexão de várias redes . Utiliza a família de protocolos TCP/IP como regra de comunicação. Seu antecessor é a ARPANET nos Estados Unidos Estados. .

Interconectar arbitrariamente várias redes de computadores (não importa qual protocolo seja usado) e poder se comunicar entre si constitui uma Internet (internet), não a Internet (Internet).

estágio de desenvolvimento

ISP

provedor de ISPinternet I_ _SP

Como os usuários comuns acessam a Internet?

Resposta: Acesso à Internet através de um ISP

O ISP pode solicitar um bloco de endereços IP da agência de gerenciamento da Internet e, ao mesmo tempo, ter linhas de comunicação e equipamentos de rede, como roteadores. Qualquer organização ou indivíduo pode obter o endereço IP necessário do ISP apenas pagando a taxa .

Como todos os hosts na Internet devem ter endereços IP para se comunicar, eles podem acessar a Internet por meio do ISP.

Três grandes da China ISP: China Telecom, China Unicom e China Mobile

Internet baseada na estrutura de três camadas do ISP

Uma vez que um usuário pode acessar a Internet, ele também pode se tornar um ISP, bastando que ele compre alguns equipamentos como modems ou roteadores para que outros usuários possam se conectar a ele.

trabalho padronizado

• O trabalho de padronização da Internet desempenhou um papel muito importante no desenvolvimento da Internet.
• Uma grande característica da Internet na especificação de seus padrões é que ela é aberta ao público.
  • Todos os documentos técnicos RFC (Request For Comments) na Internet podem ser baixados gratuitamente da Internet;
  • Qualquer pessoa pode enviar comentários ou sugestões por e-mail sobre um documento a qualquer momento.
• A Internet Society ISOC é uma organização internacional responsável pelo gerenciamento geral da Internet e pela promoção de seu desenvolvimento e uso em todo o mundo.
  • O Internet Architecture Board (IAB) é responsável por gerenciar o desenvolvimento de protocolos relacionados à Internet;
  • IETF, o departamento de engenharia da Internet, é responsável por pesquisar questões de engenharia de curto e curto prazo, principalmente para o desenvolvimento e padronização de protocolos;
  • A Unidade de Pesquisa da Internet, IRTF, realiza pesquisas teóricas e desenvolve questões que requerem consideração de longo prazo.

• Os padrões formais para a Internet passam por quatro estágios :

  1. Internet-Rascunho (não é um documento RFC nesta fase)

  2. Padrões propostos (tornam-se documentos RFC a partir desta fase)

  3. Projeto de Norma

  4. Padrões da Internet

componente

• parte da borda

  Consiste em todos os hosts conectados à Internet (desktops, grandes servidores, laptops, tablets, smartphones, etc.). Esta parte é utilizada diretamente pelos usuários para comunicação (transmissão de dados, áudio ou vídeo) e compartilhamento de recursos .

• parte central

  Consiste em um grande número de redes e os roteadores que conectam essas redes . Esta parte serve a parte de borda (fornece conectividade e comutação).

imagem-20201006180725282

Um roteador é um computador com finalidade especial, mas não o chamamos de host. Um roteador é um elemento fundamental para a comutação de pacotes. Sua tarefa é encaminhar os pacotes recebidos. Essa é a parte mais importante do núcleo da rede.

A parte na borda da Internet são todos os hosts conectados à Internet. Esses hosts também são chamados de sistemas finais .

Os sistemas finais podem variar amplamente em funcionalidade:

1. Um sistema final pequeno pode ser um PC comum, um smartphone com acesso à Internet ou até mesmo uma pequena webcam.

2. Um grande sistema final pode ser um computador mainframe muito caro.

3. O proprietário do sistema final pode ser um indivíduo ou uma organização (como uma escola, uma empresa, uma agência governamental, etc.) ou, é claro, um ISP.

Reabastecimento:

Implicações para a comunicação entre sistemas finais

"Host A se comunica com o host B" na verdade significa: "um programa em execução no host A se comunica com outro programa em execução no host B". Ou seja, " um processo no host A se comunica com outro processo no host B ". É chamado de "comunicação de computador para computador" para abreviar.

Os métodos de comunicação entre sistemas finais geralmente podem ser divididos em duas categorias:

Abordagem cliente-servidor:

• Tanto o cliente quanto o servidor referem-se aos dois processos de aplicativos envolvidos na comunicação.
• A abordagem cliente-servidor descreve o relacionamento entre o serviço e o processo atendido.
• O cliente é o solicitante do serviço e o servidor é o provedor do serviço.

Tanto o solicitante de serviço quanto o provedor de serviço usam os serviços fornecidos pela parte principal da rede.

Método de conexão ponto a ponto:

• Conexão ponto a ponto (ponto a ponto, abreviado P2P ) significa que dois hosts não distinguem qual deles é o solicitante do serviço ou o provedor do serviço durante a comunicação.
• Desde que ambos os hosts estejam executando um software de conexão ponto a ponto (software P2P), eles podem se comunicar em uma conexão ponto a ponto igual .
• Ambas as partes podem baixar os documentos compartilhados que a outra parte armazenou no disco rígido.

método de troca

O núcleo da rede é a parte mais complexa da Internet.

A parte principal da rede deve fornecer conectividade a um grande número de hosts na borda da rede, de modo que qualquer host na parte da borda possa se comunicar com outros hosts (isto é, transmitir ou receber várias formas de dados).

O roteador desempenha um papel especial na parte principal da rede .

O roteador é o componente chave para implementar a comutação de pacotes , e sua tarefa é encaminhar os pacotes recebidos, que é a função mais importante da parte principal da rede.

comutação de circuitos

(Comutação de circuitos)

imagem-20201006182240000

O método tradicional de conexão dois a dois é muito inconveniente quando há muitos telefones e muitas linhas telefônicas

Portanto, para que cada telefone se comunique facilmente com outro telefone, um dispositivo intermediário deve ser usado para conectar esses telefones. Esse dispositivo intermediário é uma central telefônica

imagem-20201006182634249

• A maneira como os comutadores telefônicos conectam as linhas telefônicas é chamada de comutação de circuitos;

• Do ponto de vista da alocação de recursos de comunicação, a comutação (Switching) é alocar dinamicamente os recursos da linha de transmissão de uma determinada maneira;

• As três etapas da comutação de circuitos:

  1. Estabeleça uma conexão (aloque recursos de comunicação)

  2. Falar (sempre ocupando os recursos de comunicação)

  3. Libere a conexão (retorne recursos de comunicação)

[Falha na transferência da imagem do link externo, o site de origem pode ter um mecanismo anti-leeching, é recomendável salvar a imagem e carregá-la diretamente (img-T3Sv8ATP-1660355441364)(https:upload-images.jianshu.io/upload_images/24878825 -acb87df045723236.png?imageMogr2 /auto-orient/strip|imageView2/2/w/1200/format/webp)]

imagem-20201006183020317

Quando a comutação de circuitos é usada para transmitir dados de computador, a eficiência de transmissão das linhas geralmente é muito baixa.

Isso ocorre porque os dados do computador aparecem em rajadas nas linhas de transmissão.

Portanto, os computadores geralmente usam comutação de pacotes em vez de comutação de circuitos

comutação de pacotes

（Comutação de Pacotes）

imagem-20201006183312843

Normalmente consideramos todo o bloco de dados que representa a mensagem como uma mensagem .

Antes de enviar a mensagem, divida a mensagem mais longa em segmentos de dados menores de comprimento igual , antes de cada segmento de dados. Depois de adicionar alguns cabeçalhos compostos de informações de controle necessárias , um pacote é formado, que também pode ser chamado de "pacote" para abreviar e, correspondentemente, o cabeçalho também pode ser chamado de "cabeçalho de pacote".

O cabeçalho contém o endereço de destino do pacote

Os pacotes podem seguir caminhos diferentes do host de origem para o host de destino.

remetente

• Construir grupo
• enviar pacote

roteador

• agrupamento de cache
• Encaminhar pacotes
• conhecido como "encaminhamento de pacotes"

Não há fios diretos entre as portas de entrada e saída do roteador.

O processo de um roteador processando um pacote é:

1. Coloque primeiro o pacote recebido no cache (armazenamento temporário);

2. Consulte a tabela de encaminhamento para descobrir de qual porta um determinado endereço de destino deve ser encaminhado;

3. Envie o pacote para a porta apropriada para encaminhamento .

receptor

• receber pacote
• restaurar mensagem

troca de mensagens

（Mudança de mensagem）

O nó switch na troca de mensagens também adota o método de armazenamento e encaminhamento, mas a troca de mensagens não tem limitação no tamanho da mensagem, o que requer que o nó switch precise de um grande espaço de buffer. A comutação de mensagens foi usada principalmente nas primeiras redes de comunicação telegráfica, mas é menos usada agora e geralmente é substituída por métodos de comutação de pacotes mais avançados .

Comparação de métodos de troca

Assuma que A, B, C e D são os quatro comutadores de nó pelos quais o caminho de transmissão do pacote passa e a ordenada é o tempo

imagem-20201006184451671

analisar:

Comutação de circuitos:

• Antes da comunicação, uma conexão deve ser estabelecida primeiro; após o estabelecimento da conexão, a conexão estabelecida pode ser usada para transmissão de dados; após a transmissão de dados, a conexão precisa ser liberada para retornar os recursos da linha de comunicação ocupados pela conexão estabelecida anteriormente.
• Depois que a conexão é estabelecida, cada switch de nó no meio está em uma forma direta e o fluxo de bits pode ir diretamente para o ponto final;

Troca de mensagens:

• As mensagens podem ser enviadas a qualquer momento sem a necessidade de estabelecer uma conexão com antecedência; a mensagem inteira é primeiro transmitida para o comutador do nó adjacente, armazenada e depois encaminhada para o próximo comutador do nó.
• A mensagem inteira precisa ser armazenada e encaminhada em cada switch de nó.Como o tamanho da mensagem não é limitado, cada switch de nó precisa ter um grande espaço de buffer.

Comutação de pacotes:

• Os pacotes podem ser enviados a qualquer momento sem estabelecimento de conexão prévia. Cada pacote que constitui a mensagem original é armazenado e encaminhado em cada comutador de nó por vez. Cada comutador de nó armazena em cache os pacotes recebidos durante o envio de pacotes.
• Os pacotes que constituem a mensagem original são armazenados e encaminhados em cada comutador de nó.Comparado com a troca de mensagens, o atraso no encaminhamento é reduzido, podendo também evitar que mensagens excessivamente longas ocupem o link por muito tempo.controle de erros.

Indicadores de Desempenho para Redes de Computadores

avaliar

imagem-20201007012419698

imagem-20201007012439769

largura de banda

imagem-20201007012943970

Taxa de transferência

imagem-20201007013119621

Uma Ethernet com largura de banda de 1 Gb/s significa que sua taxa nominal é de 1 Gb/s, e esse valor também é o limite superior absoluto da taxa de transferência da Ethernet . Portanto, para uma Ethernet com largura de banda de 1 Gb/s, o throughput real pode ser de apenas 700 Mb/s, ou até menor.

Observação: a taxa de transferência também pode ser expressa em bytes ou quadros por segundo

atraso de tempo

A latência refere-se ao tempo que leva para os dados (uma mensagem ou pacote, ou mesmo bits) viajarem de uma extremidade de uma rede (ou link) para a outra.

A latência da rede consiste em várias partes:

• atraso de envio

O tempo necessário para um host ou roteador enviar um quadro de dados é o tempo desde o primeiro bit de um quadro de dados até o momento em que o último bit do quadro é enviado.

• atraso de propagação

O tempo que leva para uma onda eletromagnética percorrer uma certa distância em um canal.

• atraso de processamento

Quando um host ou roteador recebe um pacote, leva um certo tempo para processá-lo

• atraso na fila

À medida que os pacotes viajam pela rede, eles passam por muitos roteadores. No entanto, depois que o pacote entra no roteador, ele deve primeiro ser enfileirado na fila de entrada para processamento.

Às vezes, os atrasos nas filas são vistos como parte dos atrasos no processamento

Atraso total = atraso de envio + atraso de propagação + atraso de processamento (atraso de processamento + atraso de fila)

imagem-20201007014139333

imagem-20201007015401505

Quando o atraso de processamento é insignificante, qual deles é dominante, o atraso de transmissão ou o atraso de propagação, precisa ser analisado caso a caso

produto de largura de banda de atraso

Produto de largura de banda de atraso = atraso de propagação * largura de banda

imagem-20201007115317347

tempo de ida e volta

A informação na Internet não é apenas uma transmissão unidirecional, mas uma interação bidirecional. Portanto, às vezes precisamos saber o tempo necessário para uma interação bidirecional .

imagem-20201007115647631

Utilização

Existem dois tipos de utilização: utilização de canal e utilização de rede .

imagem-20201012164544306

Taxa de perda de pacotes

arquitetura de rede de computadores

A arquitetura TCP/IP é a mais usada atualmente, e a maior cobertura global da Internet baseada em TCP/IP não usa o padrão OSI.

A arquitetura TCP/IP é equivalente a mesclar a camada física e a camada de enlace de dados da arquitetura OSI em uma camada de interface de rede e remover a camada de sessão e a camada de apresentação

O protocolo usado pelo TCP/IP na camada de rede é o protocolo IP, e o protocolo IP significa o Protocolo da Internet, portanto, a camada de rede da arquitetura TCP/IP é chamada de camada da Internet

No sistema operacional do host do usuário, geralmente há uma família de protocolos TCP/IP que está em conformidade com o padrão de arquitetura TCP/IP.

Os roteadores utilizados para interconexão de rede também possuem uma família de protocolos TCP/IP em conformidade com o padrão de arquitetura TCP/IP.

Acontece que os roteadores geralmente incluem apenas a camada de interface de rede e a camada de Internet.

Camada de interface de rede : Nenhum conteúdo específico é especificado. O objetivo disso é interconectar várias interfaces de rede em todo o mundo, como: interface Ethernet com fio, interface WIFI de LAN sem fio, etc.

Camada Internet : Seu protocolo central é o protocolo IP.

Camada de transporte : TCP e UDP são dois protocolos importantes nesta camada.

Camada de aplicação : esta camada contém um grande número de protocolos de camada de aplicação, como HTTP, DNS e assim por diante.

**O protocolo IP (camada de internet) pode interconectar diferentes interfaces de rede (camada de interface de rede) e fornecer serviços de interconexão de rede para o protocolo TCP e o protocolo UDP (camada de transporte)** nele

O protocolo TCP , aproveitando o serviço de interconexão de rede fornecido pelo protocolo IP, pode fornecer serviços de transmissão confiáveis ​​para os protocolos correspondentes da camada de aplicação .

Com base no aproveitamento do serviço de interconexão de rede fornecido pelo protocolo IP, o protocolo UDP pode fornecer serviços de transmissão não confiáveis ​​para os protocolos correspondentes da camada de aplicação .

A coisa mais importante na arquitetura TCP/IP é o protocolo IP e o protocolo TCP , então TCP e IP são usados ​​para representar toda a família de protocolos.

Durante o ensino, a camada de interface de rede da arquitetura TCP/IP é dividida em camada física e camada de enlace de dados

A necessidade de estratificação

problemas da camada física

Esta imagem mostra

• Primeiro, a rigor, o meio de transmissão não pertence à camada física

• O sinal transmitido pelo computador não é o sinal de onda quadrada mostrado na figura

Este exemplo é apenas para tornar mais fácil para os iniciantes entenderem

Problemas da camada de enlace de dados

[Falha na transferência da imagem do link externo, o site de origem pode ter um mecanismo de link anti-roubo, é recomendável salvar a imagem e carregá-la diretamente (img-vIaMbDdc-1660355441380)(https://upload-images.jianshu.io/ upload_images/24878825-f0d9f2816d7bab9d.png ?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/format/webp)]

problema da camada de rede

problema da camada de transporte

imagem-20201007142631029

Como identificar o processo de aplicação relacionado à comunicação de rede: Quando chega um pacote, para qual processo devemos entregá-lo? Processo do navegador ou processo QQ

problemas da camada de aplicação

Qual método a camada de aplicativo deve usar (protocolo da camada de aplicativo) para analisar os dados

Resumir

Exemplos de pensamento em camadas

Exemplo: como o navegador de um host se comunica com um servidor Web

imagem-20201007144900565

Analisar:

A comunicação baseada em rede entre o host e o servidor web é, na verdade, a comunicação baseada em rede entre o processo de aplicativo do navegador no host e o processo de aplicativo do servidor web no servidor web

imagem-20201007145242020

Que papel as camadas da arquitetura desempenham no processo geral?

1. O remetente envia

imagem-20201007145441370

Primeiro passo:

• A camada de aplicação constrói uma mensagem de solicitação HTTP de acordo com os regulamentos do protocolo HTTP

• A camada de aplicação entrega a mensagem de requisição HTTP para a camada de transporte para processamento

[Falha na transferência da imagem do link externo, o site de origem pode ter um mecanismo anti-leeching, é recomendável salvar a imagem e carregá-la diretamente (img-TWiLcu69-1660355441392) (https:upload-images.jianshu.io/upload_images/24878825 -cc2b73b1736d5809.png?imageMogr2 /auto-orient/strip|imageView2/2/w/1200/format/webp)]

imagem-20201007145720661

Passo dois:

• A camada de transporte adiciona um cabeçalho TCP à mensagem de solicitação HTTP para torná-la um segmento TCP

• O formato do cabeçalho do segmento TCP é usado para distinguir o processo do aplicativo e obter uma transmissão confiável

• A camada de transporte entrega o segmento TCP à camada de rede para processamento

imagem-20201007150234909

terceiro passo:

• A camada de rede adiciona um cabeçalho IP ao segmento TCP para torná-lo um datagrama IP

• O primeiro formato do datagrama IP é permitir que o datagrama IP seja transmitido na Internet, ou seja, encaminhado pelo roteador.

• A camada de rede entrega o datagrama IP para a camada de enlace de dados para processamento

imagem-20201007150723365

o quarto passo:

• A camada de enlace de dados adiciona um cabeçalho e um trailer ao datagrama IP para torná-lo um quadro (o cabeçalho está no lado direito do diagrama e a cauda está no lado esquerdo)

• A principal função deste cabeçalho é permitir que o quadro seja transmitido em um link ou rede e seja recebido pelo host de destino correspondente

• A função da cauda é permitir que o host de destino verifique se o quadro recebido tem um erro de bit

• A camada de enlace de dados entrega o quadro para a camada física

imagem-20201007151342502

o quinto passo:

• A camada física primeiro considera o quadro como um fluxo de bits.A rede N1 aqui é considerada Ethernet, portanto, a camada física também adicionará um preâmbulo à frente do fluxo de bits.

• A função do preâmbulo é preparar o host de destino para receber o quadro

• A camada física converte o fluxo de bits equipado com o preâmbulo em um sinal correspondente e o envia para o meio de transmissão

imagem-20201007151900254

Passo seis:

• O sinal chega ao roteador através do meio de transmissão

2. Encaminhamento de roteador

[A transferência da imagem do link externo falhou, o site de origem pode ter um mecanismo de link anti-roubo, é recomendável salvar a imagem e carregá-la diretamente (img-VKy8XYOK-1660355441396)(https:upload-images.jianshu.io/upload_images/ 24878825-b9824f4625354b9b.png?imageMogr2 /auto-orient/strip|imageView2/2/w/945/format/webp)]

imagem-20201007152029458

imagem-20201007152138961

imagem-20201007152253899

imagem-20201007152627778

no roteador

• A camada física transforma o sinal em um fluxo de bits , remove o preâmbulo e o entrega à camada de enlace de dados

• Depois que a camada de enlace de dados remove o cabeçalho e a cauda do quadro , ela o entrega à camada de rede , que na verdade entrega o datagrama IP

• A camada de rede analisa o cabeçalho do datagrama IP e extrai o endereço de rede de destino dele

imagem-20201007152650863

imagem-20201007152812431

imagem-20201007153714840

no roteador

• Pesquise sua própria tabela de roteamento após extrair o endereço de rede de destino . Identificar portas de encaminhamento para encaminhamento

• A camada de rede entrega o datagrama IP para a camada de enlace de dados

• A camada de enlace de dados adiciona um cabeçalho e um trailer ao datagrama IP para torná-lo um quadro

• A camada de enlace de dados entrega o quadro para a camada física

• A camada física primeiro considera o quadro como um fluxo de bits.A rede N2 aqui é considerada Ethernet, portanto, a camada física também adicionará um preâmbulo à frente do fluxo de bits.

• A camada física transforma o fluxo de bits com o preâmbulo em um sinal correspondente e o envia para o meio de transmissão, e o sinal chega ao servidor Web através do meio de transmissão

3. O receptor recebe

O encapsulamento do processo de envio do remetente (host) é exatamente o oposto

no servidor web

• A camada física converte o sinal em um fluxo de bits e, em seguida, remove o preâmbulo para formar um quadro e o entrega à camada de enlace de dados

• A camada de enlace de dados remove o cabeçalho e a cauda do quadro e se torna um datagrama IP , que é entregue à camada de rede

• A camada de rede remove o cabeçalho do datagrama IP e torna-se um segmento TCP , que é entregue à camada de transporte

• A camada de transporte remove o cabeçalho do segmento TCP e se torna uma mensagem de requisição HTTP , e a entrega para a camada de aplicação

• A camada de aplicativo analisa a mensagem de solicitação HTTP e envia de volta uma mensagem de resposta ao host

As etapas para enviar de volta uma mensagem de resposta são semelhantes ao processo anterior

imagem-20201007155051275

Terminologia

A terminologia apresentada a seguir vem da arquitetura de protocolo de sete camadas do OSI, mas também se aplica à arquitetura de quatro camadas e à arquitetura de protocolo de cinco camadas do TCP/IP

entidade

[Falha na transferência da imagem do link externo, o site de origem pode ter um mecanismo anti-leeching, é recomendável salvar a imagem e enviá-la diretamente (img-eW0JEpUU-1660355441403) (https:upload-images.jianshu.io/upload_images/24878825 -b4c748c8f731e416.png?imageMogr2 /auto-orient/strip|imageView2/2/w/1200/format/webp)]

imagem-20201007155444920

protocolo

imagem-20201007155545934

Protocolo: Uma coleção de regras que regem a comunicação lógica entre duas entidades pares

Três elementos do acordo:

• Sintaxe: Define o formato das informações trocadas

• Semântica: define as operações a serem concluídas tanto pelo remetente quanto pelo remetente

• Sincronização: defina a relação de tempo entre o envio e o recebimento

Servir

imagem-20201007160246561

imagem-20201016104750288

imagem-2020