第 1 章 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

• 计算机网络的概念
  • 定义
    • 将众多分散的、自治的计算机系统，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
  • 组成
    • 节点(Node)
      • 计算机
      • 集线器
      • 交换机
      • 路由器
    • 链路(Link)
  • 互连网(internet)
    • 网络之间通过路由器互连
    • 构成覆盖范围更广的计算机网络
  • 名词区分
    • internet(互连网)
      • 通用名词
      • 多个计算机网络互连而成
      • 可使用任意通信协议
    • Internet(互联网/因特网)
      • 专用名词
      • 全球最大、开放的特定计算机网络
      • 采用TCP/IP族作为通信规则

1.1.2 计算机网络的组成

• 从组成部分看
  • 硬件
    • 主机(端系统)
    • 通信链路
      • 双绞线
      • 光纤
    • 交换设备
      • 路由器
      • 交换机
    • 通信处理机
      • 网卡
  • 软件
    • 资源共享软件
    • 工具软件
      • E-mail程序
      • FTP程序
      • 聊天程序
  • 协议
    • 网络传输数据规范
• 从工作方式看(Internet)
  • 边缘部分
    • 用户直接使用的主机
    • 功能
      • 通信
        • 数据传输
        • 音频/视频
      • 资源共享
  • 核心部分
    • 网络和路由器
    • 功能
      • 提供连通性
      • 交换服务
• 从功能组成看
  • 通信子网
    • 组成
      • 传输介质
      • 通信设备
      • 网络协议
    • 功能
      • 数据传输
      • 交换
      • 控制
      • 存储
  • 资源子网
    • 组成
      • 资源共享设备
      • 软件
    • 功能
      • 提供硬件资源共享服务
      • 提供软件资源共享服务
      • 提供数据资源共享服务

1.1.3 计算机网络的功能

• 数据通信
  • 最基本和最重要的功能
  • 实现联网计算机之间各种信息的传输
  • 应用示例
    • 文件传输
    • 电子邮件
• 资源共享
  • 共享类型
    • 软件共享
    • 数据共享
    • 硬件共享
  • 优势
    • 互通有无、分工协作
    • 提高资源利用率
• 分布式处理
  • 定义
    • 将复杂任务分配给网络中空闲计算机
  • 优势
    • 提高系统利用率
• 提高可靠性
  • 定义
    • 各台计算机互为替代机
• 负载均衡
  • 定义
    • 均衡分配工作任务给各台计算机
• 其他功能
  • 电子化办公与服务
  • 远程教育
  • 娱乐功能
  • 社会效益
    • 满足社会需求
    • 方便学习、工作和生活
    • 巨大经济效益

1.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

• 电路交换
  • 特点
    • 建立连接、传输数据、释放连接
    • 物理通信路径独占
  • 优点
    • 通信时延小
    • 有序传输
    • 没有冲突
    • 实时性强
  • 缺点
    • 建立连接时间长
    • 线路利用率低
    • 灵活性差
    • 难以实现差错控制
• 报文交换
  • 特点
    • 存储转发技术
    • 报文为单位传输
  • 优点
    • 无建立连接时延
    • 灵活分配线路
    • 线路利用率高
    • 支持差错控制
  • 缺点
    • 转发时延高
    • 缓存开销大
    • 错误处理低效
• 分组交换
  • 特点
    • 存储转发技术
    • 将报文划分为分组
  • 优点
    • 方便存储管理
    • 传输效率高
    • 减少出错概率和重传代价
  • 缺点
    • 存在存储转发时延
    • 需要传输额外信息量
    • 可能出现失序、丢失或重复分组
• 三种交换方式比较
  • 电路交换适合连续大量数据传输
  • 报文交换和分组交换信道利用率更高
  • 分组交换更适合突发式数据传送

1.1.5 计算机网络的分类

• 按分布范围分类
  • 广域网 (WAN)
    • 任务: 提供长距离通信
    • 覆盖范围: 几十米到几千千米
    • 特点: 互联网核心部分, 高速链路
  • 城域网 (MAN)
    • 覆盖范围: 5～50km
    • 技术: 以太网技术
  • 局域网 (LAN)
    • 覆盖范围: 几十到几千米
    • 特点: 主机高速线路相连, 广播技术
  • 个人区域网 (PAN)
    • 定义: 个人电子设备无线连接
    • 别名: 无线个人区域网 (WPAN)
• 按传输技术分类
  • 广播式网络
    • 特点: 共享公共通信信道
    • 应用: 局域网, 无线/卫星通信
  • 点对点网络
    • 特点: 物理线路连接一对计算机
    • 传输方式: 存储转发
• 按拓扑结构分类
  • 总线形网络
    • 特点: 单根传输线连接
    • 优点: 建网容易, 节省线路
    • 缺点: 重负载效率低
  • 星形网络
    • 特点: 单独线路连接中央设备
    • 优点: 便于集中控制
    • 缺点: 成本高
  • 环形网络
    • 特点: 接口设备连接成环
    • 例子: 令牌环局域网
  • 网状网络
    • 特点: 每个节点多条路径
    • 应用: 广域网
    • 优点: 可靠性高
    • 缺点: 控制复杂
• 按使用者分类
  • 公用网 (Public Network)
    • 特点: 电信公司建造, 付费使用
  • 专用网 (Private Network)
    • 特点: 单位专用, 不对外开放
• 按传输介质分类
  • 有线网络
    • 类型
      • 双绞线
      • 同轴电缆
  • 无线网络
    • 类型
      • 蓝牙
      • 微波
      • 无线电

1.1.6 计算机网络的性能指标

• 1)速率 (Speed)
  • 定义:节点在数字信道上传送数据的速率
  • 别名:数据传输速率/数据率/比特率
  • 单位:b/s(bit/s/bps)
  • 高数据率表示:kb/s(10³)/Mb/s(10⁶)/Gb/s(10⁹)
• 2)带宽(Bandwidth)
  • 原义:通信线路允许通过的信号频率范围(Hz)
  • 网络定义:通信线路传送数据的能力(最高数据传输速率)
  • 单位:b/s
• 3)吞吐量(Throughput)
  • 定义:单位时间通过网络的实际数据量
  • 用途:实际网络测量
• 4)时延(Delay)
  • 定义:数据从网络一端传送到另一端的总时间
  • 组成:
    • 发送时延(传输时延)
      • 公式:分组长度/发送速率
    • 传播时延
      • 公式:信道长度/电磁波传播速率
    • 处理时延
    • 排队时延
  • 总时延公式:发送+传播+处理+排队
• 5)时延带宽积
  • 定义:传播时延×信道带宽
  • 物理意义:链路可容纳的比特数量
• 6)往返时延(RTT)
  • 定义:发送分组到收到确认的总时间
  • 包含:中间节点处理/排队/发送时延
• 7)信道利用率
  • 定义:信道有数据通过的时间百分比
  • 公式:有数据时间/(有数据+无数据时间)
  • 注意事项:过高会导致时延增大

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

• 网络体系结构的定义
  • 计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构
  • 体系结构是抽象的，实现是具体的
• 分层的基本原则
  • 1)每层实现相对独立的功能
  • 2)各层接口清晰，交流少
  • 3)功能定义独立于实现方法
  • 4)下层对上层的独立性
  • 5)促进标准化工作
• 分层结构中的概念
  • 实体
    • 第n层的活动元素
    • 对等层和对等实体
  • 服务关系
    • 第n层向第n+1层提供服务
    • 服务提供者与服务用户
• 数据单元
  • 协议数据单元(PDU)
    • n-PDU = n-SDU + n-PCI
    • 各层PDU名称
      • 物理层：比特流
      • 数据链路层：帧
      • 网络层：分组
      • 传输层：报文段
  • 服务数据单元(SDU)
  • 协议控制信息(PCI)
• 层次结构的含义
  • 1)第n层使用n-1层服务，并向n+1层提供服务
  • 2)最低层只提供服务，最高层面向用户
  • 3)上层只能通过相邻层接口使用下层服务
  • 4)对等层在逻辑上有直接信道

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

• 协议
  • 定义
    • 控制对等实体之间通信的规则的集合
    • 是水平的
  • 组成
    • 语法
      • 数据与控制信息的格式
    • 语义
      • 需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答
    • 同步(时序)
      • 执行各种操作的条件、时序关系
• 接口
  • 定义
    • 同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口(SAP)
  • 特点
    • 只能在紧邻层之间定义
    • 第n层SAP是第n+1层访问第n层服务的入口
• 服务
  • 定义
    • 下层为紧邻上层提供的功能调用
    • 是垂直的
  • 服务与协议的区别
    • 协议是水平的，服务是垂直的
    • 只有本层协议实现才能向上层提供服务
    • 下层协议对上层服务用户透明
  • 服务分类
    • 面向连接服务与无连接服务
      • 面向连接服务
        • 三个阶段：连接建立、数据传输、连接释放
      • 无连接服务
        • 直接发送数据包
    • 可靠服务和不可靠服务
      • 可靠服务
        • 具有纠错、检错、应答机制
      • 不可靠服务
        • 尽力而为的服务
    • 有应答服务和无应答服务
      • 有应答服务
        • 传输系统内部自动实现应答
      • 无应答服务
        • 需要应答由高层实现

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和TCP/IP模 型

• OSI 参考模型
  • 层次结构
    • 物理层
      • 传输单位:比特
      • 功能:透明传输原始比特流
      • 研究内容
        • 电路接口参数
        • 信号意义和电气特征
    • 数据链路层
      • 传输单位:帧
      • 功能
        • 差错控制
        • 流量控制
        • 广播信道访问控制
    • 网络层
      • 传输单位:数据报
      • 功能
        • 路由选择
        • 流量控制
        • 拥塞控制
        • 差错控制
        • 网际互联
    • 传输层
      • 传输单位:报文段/用户数据报
      • 功能
        • 端到端通信
        • 流量控制
        • 差错控制
        • 连接管理
    • 会话层
      • 功能
        • 建立/管理/终止会话
        • 同步机制
    • 表示层
      • 功能
        • 数据表示转换
        • 数据压缩
        • 加密解密
    • 应用层
      • 功能:用户与网络接口
      • 协议:多种应用协议
• TCP/IP 模型
  • 层次结构
    • 网络接口层
      • 对应OSI:物理层+数据链路层
    • 网际层
      • 核心协议:IP
      • 功能:分组路由选择
    • 传输层
      • 协议
        • TCP:面向连接可靠传输
        • UDP:无连接不可靠传输
    • 应用层
      • 协议
        • Telnet
        • FTP
        • DNS
        • SMTP
        • HTTP
• TCP/IP模型与OSI参考模型比较
  • 相似之处
    • 分层体系结构
    • 独立协议栈
    • 解决异构网络互联
  • 差异
    • 概念区分
      • OSI明确区分服务/协议/接口
      • TCP/IP未明确区分
    • 层次数量
      • OSI:7层
      • TCP/IP:4层
    • 设计顺序
      • OSI:先模型后协议
      • TCP/IP:先协议后模型
    • 通信模式
      • OSI网络层:无连接+面向连接
      • TCP/IP网际层:仅无连接