第一章 体系结构

第一节 计算机网络概述

「计算机网络」概念

• 计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统集合。

「计算机网络」组成

• 从组成部分看：计算机网络由硬件、软件、协议构成。
• 从工作方式看：计算机网络分为边缘部分和核心部分。
  • 边缘部分：连接到因特网上的主机。
  • 核心部分：大量的网络和连接网络的路由器。

• 从功能组成看：计算机网络由通信子网和资源子网组成。
  • 通信子网：各种传输介质、通信设备、网络协议构成。
  • 资源子网：实现资源共享功能的设备和软件的集合。

「计算机网络」功能

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

「计算机网络」分类

按分布方式分类

1. 广域网（WAN）：直径几十千米到几千千米；交换技术；
2. 城域网（MAN）：几个街区或整个城市；5~50km；
3. 局域网（LAN）：几十米~几千米；广播技术；
4. 个人局域网（PAN）：约为10m；

按传输技术分类

• 广播式网络
• 点对点网络

按拓扑结构分类（通信子网）

• 总线型网络：建网容易；高负载通信效率不高；
• 星形网络：便于管理；成本高，中央设备故障敏感；
• 环形网络：所有接口设备连接成一个环，单向传输；令牌环局域网；
• 网状网络：多用在广域网；有规则型和非规则型；可靠性高；控制复杂，线路成本高；

按使用者分类

• 公用网（Public Network）
• 专用网（Private Network）

按交换技术分类

• 电路交换网络：直接传送，时延小；线路利用率低，难以进行差错控制；
• 报文交换网络（存储转发网络）：充分利用线路容量，可差错控制；增大资源开销，缓冲时延；
• 分组交换网络（包交换网络）：单个分组时整个报文的一部分；缓冲易管理，平均时延小；

按传输介质分类

• 有线网络：双绞线网络、同轴电缆网络；
• 无线网络：蓝牙、微波、无线电；

「计算机网络」性能指标

• 带宽
• 时延（总时延为4者之和）「计算用」
  • ${\displaystyle \mathrm{发}\mathrm{送}\mathrm{时}\mathrm{延}=\frac{\mathrm{分}\mathrm{组}\mathrm{长}\mathrm{度}}{\mathrm{信}\mathrm{道}\mathrm{宽}\mathrm{度}}}$
  • ${\displaystyle \mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{时}\mathrm{延}=\frac{\mathrm{信}\mathrm{道}\mathrm{长}\mathrm{度}}{\mathrm{电}\mathrm{磁}\mathrm{波}\mathrm{在}\mathrm{信}\mathrm{道}\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{速}\mathrm{率}}}$
  • $\mathrm{处}\mathrm{理}\mathrm{时}\mathrm{延}（\mathrm{交}\mathrm{换}\mathrm{节}\mathrm{点}\mathrm{存}\mathrm{储}\mathrm{转}\mathrm{发}\mathrm{等}）$
  • $\mathrm{排}\mathrm{队}\mathrm{时}\mathrm{延}（\mathrm{路}\mathrm{由}\mathrm{器}\mathrm{输}\mathrm{入}\mathrm{队}\mathrm{列}\mathrm{排}\mathrm{队}）$
• 时延带宽积
  • 发送端第一个比特到达终点时，一共发送了多少比特。
  • $\mathrm{时}\mathrm{延}\mathrm{带}\mathrm{宽}\mathrm{积}=\mathrm{传}\mathrm{播}\mathrm{时}\mathrm{延}\times \mathrm{信}\mathrm{道}\mathrm{带}\mathrm{宽}$
  • 
• 往返时延（Round-Trip Time，RTT）
  • 发送端发出一个短分组到发送端接受到接收端确认的时间。
• 吞吐量（Throughput）
  • 单位时间通过某个网络的数据量。
• 速率（Speed）
  • 单位 $b/s$ ，或 $bit/s,kb/s({10}^3),Mb/s({10}^6),Gb/s({10}^9)$
• 信道利用率
  • ${\displaystyle \mathrm{信}\mathrm{道}\mathrm{利}\mathrm{用}\mathrm{率}=\frac{\mathrm{有}\mathrm{数}\mathrm{据}\mathrm{通}\mathrm{过}\mathrm{时}\mathrm{间}}{(\mathrm{有}+\mathrm{无})\mathrm{数}\mathrm{据}\mathrm{通}\mathrm{过}\mathrm{时}\mathrm{间}}}$

第二节 计算机网络体系结构

「计算机网络」分层结构

• 网络的体系结构(Architecture)：计算机网络各层及其协议的集合。

分层的基本规则

• 每层一种相对独立的功能，解耦。
• 各层界面清晰，易理解，使得少交流。
• 各层功能定义精确。
• 保持下层对上层独立，上层单向使用下层提供的服务。
• 整个分层结构促进标准化工作。

每一层传送的数据单位

• $\mathrm{报}\mathrm{文}(PDU)=\mathrm{数}\mathrm{据}\mathrm{部}\mathrm{分}(SDU)+\mathrm{控}\mathrm{制}\mathrm{信}\mathrm{息}\mathrm{部}\mathrm{分}(PCI)$

• $\mathrm{协}\mathrm{议}\mathrm{数}\mathrm{据}\mathrm{单}\mathrm{元}(PDU)=\mathrm{服}\mathrm{务}\mathrm{数}\mathrm{据}\mathrm{单}\mathrm{元}(SDU)+\mathrm{协}\mathrm{议}\mathrm{控}\mathrm{制}\mathrm{信}\mathrm{息}(PCI)$

  • 物理层PDU：比特
  • 数据链路层PDU：帧
  • 网络层PDU：分组
  • 传输层PDU：报文段

• 各层传输数据时，会把第n+1层的PDU作为第n层的SDU，加上第n层的PCI，变成第n层的PDU，交给第n-1层的SDU发送。

层次结构的含义

• 第n层实体使用第n-1层提供的服务，向第n+1层提供服务。
• 最底层只提供服务，最高层向用户提供服务。
• 上一层通过相邻层的接口向下一层调用服务，不能调用其它层服务。
• 下一层向上一层所提供服务的细节对上一层透明（不可见）。
• 两台主机通信，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层传输信息。

「计算机网络」相关概念

协议

• 协议的构成
  • 语法：规定了传输数据的格式；
  • 语义：规定了所要完成的功能；
  • 同步：规定了操作的条件、时序关系等。
• 完整的协议：具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。

接口

• 同一结点内相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point，SAP）进行交互。

服务

• 下层对紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。
• 上层向下层调用服务时使用的服务原语
  • 请求 Request
  • 指示 Indication
  • 响应 Response
  • 证实 Confirmation

注意事项

• 协议是水平的，协议是控制对等实体之间通信的规则（比如两台电脑的数据链路层）。
• 服务是垂直的，只有能被高一层实体看见的功能才叫服务。

协议、接口、服务三者之间的关系

「计算机网络」服务分类

三种服务

• 面相连接服务与无连接服务
• 可靠服务与不可靠服务
• 有应答服务与无应答服务

第三节 ISO/OSI及TCP/IP参考模型

「参考模型」OSI系统分层

OSI七层模型

高三层统称为资源子网、第三层统称为通信子网；

数据链路层 Data Link Layer

• 传输单位：帧
• 任务：网络层传来的IP数据封装成帧
• 功能：成帧、差错控制、流量控制，传输管理
• 协议：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等

网络层 Network Layer

• 传输单位：数据报
• 任务：网络层的协议数据单元（分组）从源端传到数据端
• 功能：对分组进行路由选择，实现流量控制、拥塞控制、差错控制等
• 协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF等

传输层 Transport Layer

• 传输单位：报文段(TCP)或用户数据报(UDP)
• 任务：负责两个进程之间的通信
• 功能：提供端到端之间可靠的传输、流量控制、差错控制等服务
• 协议：TCP、UDP

会话层 Session Layer

• 功能：允许不同主机的各个进程之间进行会话，即建立同步(SYN)

表示层 Presentation Layer

• 功能：数据压缩、加密、解密、数据格式转换等

应用层 Application Layer

• 协议：文件传送 FTP、电子邮件 SMTP、万维网 HTTP等

「参考模型」TCP/IP系统分层

TCP/IP 四层模型

应用层（用户-用户）

• 包含所有协议；虚拟终端协议 Telnet、文件传输协议 FTP、域名解析服务 DNS、电子邮件协议 SMTP、超文本传输协议 HTTP。

传输层（应用-应用、进程-进程）

• 和OSI传输层类似，使主机对等实体进行对话
• 使用两种协议
  • 传输控制协议 (Transmission Control Protocol, TCP)
    • 面相连接，提供可靠交付
    • 传输单位：报文段
  • 用户数据报协议 (User Datagram Protocol, UDP)
    • 无连接，最大努力交付
    • 传输单位：用户数据报

网际层（主机-主机）

• TCP/IP体系结构的关键部分，与OSI网络层相似。
• 功能：将分组发往任何网络，独立选择合适路由，不保证分组有序到达，有序交付为高层负责。

「参考模型」TCP/IP与OSI比较

相似之处

• 采用分层体系结构
• 基于独立协议栈概念
• 解决异构网络互联

差异之处

OSI模型	TCP/IP模型
精确定义了服务、协议、接口的概念	没有明确区分
通用性良好，没有协议偏向	是对于TCP/IP模型的描述，不适用于非TCP/IP协议栈
网络层中划分出一个子层完成IP功能	考虑多种异构网互联问题，将IP作为单独重要的层次
网络层支持无连接和面相连接通信 传输层仅有面相连接通信	认为可靠性是端到端的问题 网际层只有无连接通信方式 传输层支持无连接和面向连接两种模式

「参考模型」五层协议结构

• 综合OSI模型和TCP/IP模型优点

第四节 疑难点

计算机网络和分布式计算机系统区别

• 分布式计算机系统
  • 整个系统中的计算机对用户透明；
  • 运行程序时，操作系统为用户选择一台最合适的计算机；
• 计算机网络
  • 用户必须登录想要运行程序的计算机，按照计算机地址，将程序通过计算机网络传送到计算机中运行；

端到端通信和点到点通信的区别

• 点到点通信：
  • 只提供一台机器到另一台机器的通信，不涉及进程和程序。
  • 可以理解为一个IP到另一个IP之间的通信。
• 端到端通信：
  • 建立在点到点通信的基础上，是由一段段点到点通信信道构成的。
  • 是进程的端口到端口之间的通信。