计算机网络-1-1计算机网络体系结构

第一章计算机网络体系结构

绪论

《计算机网络》学什么？——数据如何通过网络正确、可靠地从A传送到B

【考纲内容】

(一)计算机网络概述
        计算机网络的概念、组成与功能；计算机网络的分类；
        计算机网络的性能指标
(二)计算机网络体系结构与参考模型
        计算机网络分层结构；计算机网络协议、接口、服务的概念；ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1.1 计算机网络的概述

1.1.1 计算机网络的概念

计算机网络（Computer networking）是一个将众多分散的、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。

计算机网络（简称网络）：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

1.1.2 计算机网络的组成

从组成方式看，主要由硬件、软件、协议三个部分组成。
- 硬件：主机、通信链路、交换设备、通信处理机等
- 软件：各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）。很多都属于应用层。
- 协议：是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。

从工作方式看，可分为边缘和核心两部分。

边缘由主机组成，用来通信和资源共享；
核心由网络和路由器组成，提供连通和交换服务。

从功能组成看，由通信子网和资源子网组成。

通信子网：通信子网由通信控制处理机、协议、通信线路和其他通信设备组成，其任务是完成网络数据传输、转发等。
资源子网：主要由计算机系统、终端、联网外部设备、各种软件资源和信息资源等组成。资源子网负责全网的数据处理业务，负责向网络用户提供各种网络资源与网络服务。

1.1.3 计算机网络的功能

主要有数据通信（最基本、最重要）、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡等五大功能。

1.1.4 计算机网络的分类

按分布范围分类：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人区域网（PAN）
按传输技术分类：广播式网络、点对点网络；采用分组存储转发与路由选择机制是两个的重要区别，广域网使用点对点技术，局域网使用广播技术。
按拓扑结构分类：总线形网络、星形网络、环形网络、网状网络。
按使用者分类：公用网、专用网。
按传输介质分类：有线网络（双绞线网络、同轴电缆）和无线网络（蓝牙、微波、无线电）

1.1.5 电路交换、报文交换、分组交换：

由来：计算机网络应该使用什么技术完成数据交换？

电路交换网络：建立一条专用通路、包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。优点是数据直接传送、时延小。缺点是线路利用率低、不能充分利用线路容量，不便进行差错控制。
报文交换网络：也称存储-转发网络。用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，封装成报文。整个报文传送到相邻节点，全部存储后，再转发给下一个节点。一直重复下去直到达到目的节点；每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。优点是充分利用线路容量、数据传输速率的转换、格式转换、一点多、多对一的访问、差错控制等。缺点是增大资源开销、增加了缓存时延、需要额外控制报文顺序不乱、缓冲区难以管理。
分组交换网络：也称包交换网络。将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。其主要特点是单个分组（它只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。除具备报文交换网络的优点外，分组交换网络还具有自身的优点：缓冲易于管理;包的平均时延更小，网络占用的平均缓冲区更少：更易于标准化：更适合应用。现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。

做题时不清楚的知识点

中继器和桥接器通常是指用于局域网的物理层和数据链路层的联网设备。目前局域网接入广域网主要是通过称为路由器的互联设备来实现的。
广播式网络共享广播信道（如总线)，通常是局域网的一种通信方式（局域网工作在数据链路层)，因此不需要网络层，因而也不存在路由选择问题。但数据链路层使用物理层的服务必须通过服务访问点实现。
ARPAnet是最早的计算机网络，它是因特网(Internet）的前身。

1.1.6 计算机网络的性能指标

带宽（Bandwidth）：网络的通信线路所能传送数据的能力，单位是比特/秒（b/s）。
时延（Delay）：指数据从网络的一端到另一端所需要的总时间，由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延构成。
时延宽带积：发送端发的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少个比特。时延宽带积=传播时延*信道带宽。
往返时延（RTT）：指发送端发出一个短分组，到发送端收到接收端的确认，总共经历的时延。
吞吐量（Throughout）：指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，受到网络宽带或网络额定速率的限制。
速率（Speed）：数据传输速率，通常把最高数据传输速率称为带宽。
信道利用率：指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的，即信道利用率=有数据通过时间/(有+无)数据通过的时间。

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

为什么要分层？
两个系统中实体间的通信是一个很复杂的过程，为了降低协议设计和调试过程的复杂性，也为了便于对网络进行研究、实现和维护，促进标准化工作，通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。

网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，是计算机网络及其所应完成的功能的精确定义。

实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。在计算机网络的分层结构中，第 n 层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第 n 层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

体系是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

分层的基本原则：

每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
各层之间界面自然清新，易于理解，相互交流尽可能少。
各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。
保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
整个分层结构应能促进标准化工作。

在计算机网络体系结果的各个层次中，每个报文都分为SDU和PCI两个部分，共同组成了PDU。

服务数据单元(SDU)：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。
协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。在实际的网络中，每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的PDU称为比特，数据链路层的PDU称为帧，网络层的PDU称为分组，传输层的PDU称为报文段。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

协议：即网络协议（Network Protocol），是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。就是规则的集合。在网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式及有关的同步问题。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(Network Protocol)。只存在于对等的实体中，不对等实体没有。由**语法、语义、同步三部分组成。**
- 语法规定了传输数据的格式，比如：规定这个协议的控制信息，也就首部，总共几个字节，每个字节的含义是什么，以及协议的数据部分最多有几个字节。
- 语义规定了所要完成的功能，规定动作做什么？
- 同步（时序）规定了执行各种操作的条件、时序关系等。动作的发生顺序，触发条件
- 一个完整的协议通常具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。
接口：即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点（Service Access
Point， SAP）。每层只能为近邻的层次之间定义接口，不能跨层。同一节点相邻两层的实体通过服务访问点（SAP）进行交互。
服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。OSI参考模型将原语分为4类：
- 请求（Request)。由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
- 指示(Indication)。由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
- 响应(Response)。由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
- 证实(Confirmation)。由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。
  有应答服务包括全部4类原语，而无应答的只有请求和指示原语。

注意区分服务和协议：

只有本层协议的实现才能保证向上一层提供服务。
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，即下面的协议对上层的服务用户是透明的。
协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。
并非在一层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才称为服务。

1.2.3 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

ISO/OSI参考模型（记住：各层顺序和名称、了解：常见网络设备的功能层次、各层功能）

OSI参考模型有7层，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。传输层承上启下。

下面详述OSI参考模型各层的功能。

物理层：传输单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。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。物理层主要定义数据终端设备(DTE）和数据通信设备（DCE）的物理与逻辑连接方法；物理层接口标准很多，如 EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等。==集线器
数据链路层：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错；传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧。数据链路津的功能可以概括为成帧、差错控制、流量控制（协调两个结点的速率）和传输管理等。典型的数据链路层协议有SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等。===交换机
网络层(Network Layer)：传输单位是数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的协议数据单元（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。关键问题是对分组进行路由选择（构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径），并实现流量控制、拥塞控制（发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞）、差错控制和网际互联（实现异构网络互联）等功能。网络层的协议有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP和 OSPF等。===路由器

因特网是一个很大的互联网，它由大量异构网络通过路由器（Router）相互连接起来。因特网的主要网络层协议是无连接的网际协议（Internet Protocol，IP)和许多路由选择协议，因此因特网的网络层也称网际层或IP层。

传输层(Transport Layer)：也称运输层，传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP)，传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。数据链路层提供的是点到点的通信，传输层提供的是端到端的通信；具有复用和分用的功能，协议有TCP、UDP。
会话层(Session Layer)：会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供它的增值服务。
会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。会话层可以使校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步
表示层(Presentation Layer）：表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码和表示方法入同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密和解密也是表示层可提供的数据表示变化功能。
应用层（Application Layer)：应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的界面。应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。典型的协议有用于文件传送的FTP、用于电子邮件的SMTP、用于万维网的HTTP等。