1.计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

简洁定义：计算机网络就是一些互联的，自治的计算机系统的集合。

广义观点：计算机网络是以能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。

资源共享观点：计算机网络是以能够相互共享资源方式互联起来的、自治的计算机系统的集合。

用户透明性观点：计算机网络是一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需要的资源，整个网络像一个大的计算机系统一样对用户透明。

自治计算机：能够进行自我管理、配置和维护的计算机

1.1.2 计算机网络组成

物理组成

计算机网络：硬件、软件、协议三大部分。

硬件：主机+通信处理机+通信线路+交换设备。

软件：包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件。

协议：为网络中的数据交换而建立的规则，标准。

工作方式组成

计算机网络：边缘部分，核心部分

边缘部分：所有连接在互联网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享

核心部分：大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分同提供连通性和交换服务。

功能组成

计算机网络：通信子网，资源子网

通信子网：各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输、交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。

资源子网：由主终端以及各种软件资源、信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向用户提供各种网络资源与服务。

1.1.3 计算机网路的功能

• 数据通信：最基本，最重要的功能。包括连接控制、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择、多路复用等功能。
• 资源共享：包括数据资源、软件资源以及硬件资源。
• 分布式处理：当计算机系统负荷过重时，将处理任务传送给网络中其他计算机系统进行处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率。
• 信息综合处理：将分散在各地计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理。
• 负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机。
• 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。

1.1.4 计算机网络的分类

• 分布范围：广域网、城域网、局域网、个人区域网
• 拓扑结构：星形网络、总线型网络、环形网络、网状形网络
• 传输技术：广播式网络、点对点网络
• 使用者：公用网、专用网
• 数据交换技术：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络

1.1.5 计算机网络的标准化公工作及相关组织

标准化步骤： 互联网草案，建议标准，草案标准，互联网标准

相关组织：ISO,ITU,IEE

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

为什么分层？

当体系结构较大时，分层能够好的实现管理机制，提高整个系统的工作效率。但也不能分层太多，否则会造成资源浪费。

• 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通畅是一个特定的软件模块。

• 对等层：不同机器上的同一层。

• 对等实体：同一层上的实体。

1.2.2 协议

一种规则，控制两个对等实体进行通信的规则，是水平的

协议组成：语义、语法、同步。

• 语义：对构成协议元素的含义的解释，讲什么
• 语法：数据与控制信息的结构或格式，怎么讲
• 同步：规定了事件的执行顺序。

1.2.3 接口

接口又称为服务访问点，从物理层开始，每一层都向上提供服务访问点，即没有接口就不能提供服务。

• 服务数据单元（SDU）：第n层的服务数据单元——n-SDU
• 协议控制信息（PCI）：第n层的协议控制信息——n-PCI
• 接口控制信息（ICI）：第n层的接口控制信息——n-ICI
• 协议数据单元（PDU）：第n层的服务数据单元+第n层的协议控制信息，n-SDU+n-PCI=n-PDU，n-PDU=（n-1）-SDU，同等层对等实体间传输的数据单元
• 接口数据单元（IDU）：第n层的服务数据单元+第n层的接口控制信息，n-SDU+n-ICI=n-IDU，相邻接口间传输的数据单元

1.2.4 服务

下层为上层提供的功能调用。服务是垂直的

那些被高一层实体”看得见“的功能才叫服务。

• 第n层实体不仅要使用n-1层的服务，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其一下各层所提供服务的总和。最高层向用户提供服务。
• 上一层只能通过相邻层的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务，即下一层提供服务的实现细节对上一层透明。

透明：用户只知道有什么功能，而不知道如何实现。

面向连接的服务

当通信双方通信时，事先建立一条通信线路：建立连接、使用连接、释放连接。

优点：

• 可靠信息流、信息回复确认

缺点：

• 占用通信通道

面向无连接的服务

通信双方通信时，不需要事先建立一条通信线路，而是把每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。

优点：

• 不占用通信通道

缺点：

• 信息流可能丢失、信息无回复确认

有应答服务

接受方在收到数据后向发送方给出相应的应答

无应答服务

接收方收到数据后不自动给出应答

可靠服务

网络具有检错、纠错、应答机制，能保证数据正确、可靠的传送到目的地。

不可靠服务

网络不能保证数据正确、可靠的传送到目的地，网络只能是尽量正确、可靠。

1.2.5 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

5层结构模型

• 应用层（用户对用户）
  • 任务：提供系统与用户的接口
  • 功能：文件传输、访问和管理、电子邮件服务
  • 协议：FTP、SMTP、POP3、HTTP
• 传输层（应用对应用、进程对进程）
  • 传输单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）
  • 任务：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的服务
    • 为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量等管理服务
  • 协议：TCP、UDP、ARQ
• 网络层（主机对主机）
  • 传输单位：数据报
  • 所实现的硬件：路由器
  • 任务
    • 将传输层传下来的报文段封装成分组
    • 选择适当的路由，使传输层传下来的分组能够交付到目的主机
  • 功能
    • 为传输层提供服务
    • 组包和拆包
    • 路由选择
    • 拥塞控制
  • 协议：ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP
• 数据链路层（链路层）
  • 传输单位：帧
  • 所实现的硬件：交换机，网桥
  • 任务：将网络层传下来的IP数据报组装成帧
  • 功能
    • 链路连接的建立，拆除，分离
    • 帧定界和帧同步
    • 差错检测
  • 协议：PPP、HDLC
• 物理层
  • 传输单位：比特
  • 所实现硬件：集线器、中继器
  • 任务：透明的传输比特流
  • 功能：为数据端设备提供传送数据通路

补充

OSI模型

• 应用层
• 表示层
• 会话层
• 运输层
• 网络层
• 数据链路层
• 物理层

TCP/IP体系结构

• 应用层

• 传输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层

• 会话层

  • 功能：在两个节点之间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据的可靠传送。

• 表示层

  • 功能：负责处理在两个内部数据表示结构不同的通信系统间交换信息的表示格式（数据格式转换），为数据加密和解密以及为提高传输效率提供必需的数据压缩及解压等功能。

分层的优点

1. 各层之间相互独立
2. 灵活性好
3. 结构上可分开
4. 易于实现和维护
5. 能促进标准化工作

OSI模型和TCP/IP模型的区别

3个主要概念:服务、接口、协议
协议有很好的隐藏性
产生在协议发明之前
共有7层
网络层:连接和无连接
传输层:仅有面向连接

没有明确区分服务、接口、协议
产生在协议发明之后
共有4层(不是5层)

网络层:仅有无连接
传输层:面向连接和无连接

1.2.6 计算机网络性能指标

• 时延：数据从网络或链路的一端传送到另一端所需要的时间，有时也称为延迟或迟延。

  • 发送时延(或者称为传输时延:主机或路由器发送数据所需要的时间，即从发送数据帧的第一位算起到该帧的最后一位发送完毕所需要的时间。因此，发送时延也称为传输时延

    发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）

  • 传播时延:电磁波在信道中传播一定的距离所需要的时间。

    传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速度(m/s)

  • 处理时延:主机或路由器在接收到分组时进行处理所需要的时间

  • 排队时延，分组在进入网络传输时，要过许多路，但分组进人后先在输入队列中排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，还需要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

    总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

• 时延带宽积时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

  时延带宽积=传播时延x带宽

• 往返时间：从发送发送据开始，到发送方收到来自接方的确认消息（接收方收到数据后便立即发送确认)，总共经历的时间。

• 利用率：包括信道利用率和网络利用率两种

  • 信道利用率是指某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)完全空闲的信道的利用率为零。
  • 网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。但是需要注意一点，不是信道利用率与网络利用率越高越好，因为利用率越高，会导致数据在路由器中的转发时延过长。

练习题

下面两个结论，判断正误！

带宽1Mbit/s网络带为1kbit/s的网络的比特流在链路的传播速率要高很多。（×）

带宽为 1Mbit/s 的网络比带宽为 1kbit/s 的网络的数据传输率大得多。（×）

带宽越宽的含义就是发送一比特的速度变快，而不是每一比特在数据链路的传播速度变快

数据传输率是由总时延(总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延)决定的，而带宽仅决定了发送时延