导图社区 计算机网络体系结构
计算机网络第一章的思维导图，讲述了计算机网络的基本概念、组成及功能、计算机网络的分类、OSI参考模型、信息传输过程等内容。
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第一章 计算机网络体系结构
计算机网络概述
计算机网络的基本概念
广义观点：实现远程信息处理系统或者能进一步达到资源共享的系统
资源共享观点
以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合
目的：资源共享
组成单位：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
网络协议：网络中计算机必须遵循的统一规则
用户透明性观点：能为用户自动管理资源的网络操作系统，能够调用用户所需要的资源，整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的
计算机网络的组成
从组成部分上看
硬件:主机（端系统）、通信处理机（网卡）、通信链路（双绞线和光纤）和交换设备（路由器、交换机）
软件:实现资源共享的软件和方便用户使用的工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）
协议:计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范
从工作方式上看
边缘部分：所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（如数据传输、音频或视频）和资源共享
用户直接使用：C/S方式、P2P方式
核心部分：大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务
从功能组成上看
通信子网：由传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，使得网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力
资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向用户提供共享其它计算机硬件、软件和数据的服务
计算机网络的功能
数据通信：最基本最重要的功能，实现联网计算机之间的信息传输，将分散的计算机联系起来
资源共享：实现软件、硬件、数据的共享，使得计算机网络中的资源互通有无、分工协作，提高了硬件、软件、数据资源的利用率
分布式处理：将某个计算机负荷过重的任务分散到多台计算机上，提高整个系统的利用率
提高可靠性：计算机网络中的各台计算机通过网络互为替代机
负载均衡：将工作任务均衡的分配给各台计算机
计算机网络的分类
按分布范围分类
广域网（WAN）
任务：提供长距通信，运送主机发来的数据
距离：几十千米到几千千米
地位：是因特网的核心部分，连接广域网的各结点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量
采用交换技术
城域网（MAN）
范围：跨越几个街区甚至几个城市
距离：5~50千米
多采用以太网技术
局域网（LAN）
范围：用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围小
距离：几十米到几千米
地位：对计算机配置数量没有太多限制
采用广播技术
个人区域网（PAN）
范围：个人工作的地方将电子设备用无线技术连接起来的网络
距离：直径为10米
按传输技术分类
广播式网络
所有联网计算机共享一个公共通信信道
一台计算机发送报文分组，其他计算机也能收听这个分组
根据报文目的地址进行接收
采用广播通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术
点对点网络
每个物理线路连接一对计算机
计算机通过直接或者中间结点对分组进行接收，存储和转发直到目的地
采用分组存储转发机制
按拓扑结构分类
总线形网络
用单根传输线把计算机连接起来
优点：建网容易、增减结点方便、节省线路
缺点：重负载时通信效率不高，总线任意一处对故障敏感
星形网络
每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连
优点：便于集中控制和管理
缺点：成本高、中心设备对故障敏感
环形网络
所有计算机接口设备连接成一个环
典型例子：令牌环局域网
网状网络
每个结点至少有两条链路与其它结点相连，多用在广域网中
优点：可靠性高
缺点：成本高、控制复杂
按使用者分类
公用网：公众使用的网络
专用网：为满足某个部门特殊业务建立的网络（铁路、电力、军队）
按交换技术分类
电路交换网络
源结点和目的结点之间建立一条传送数据的专用通路，包括建立、传输数据和断开连接三个阶段
典型例子：传统电话网络
优点：数据直接传送、时延小
缺点：线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制
报文交换网络（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，然后封装成报文
优点：较为充分地利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据传输速率的转换，可以格式转换，可以一对多、多对一的访问、可以实现差错控制
缺点：增大了资源开销，增加了缓冲时延，缓冲区难以管理
分组交换网络（包交换网络）
将数据分成较短的固定长度的数据块，并给数据块加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储—转发方式运输
优点：缓冲易于管理，包的平均时延更小，占用平均缓冲区更少，更易于标准化，更适合应用
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
计算机网络的标准化工作及相关组织
生成RFC的过程
因特网草案→建议标准→草案标准→因特网标准
国际组织
国际标准化组织（ISO）：OSI参考模型、HDLC
国际电信联盟（ITU）：远程通信标准
国际电气电子工程师协会（IEEE）：802标准
计算机网络的性能指标
带宽：网络在通信线路中传送数据的能力，单位：比特/秒（b/s）
时延
数据从网络一端传送到另一端所需要的时间
发送时延（传输时延）
发送分组的第一个比特开始，到最后一个比特发送结束的时间
发送时延=分组长度/信道带宽
传播时延
一个比特从链路一端到另一端需要的时间
传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
处理时延
数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间
例子：分析分组的首部、从分组中提取的数据部分、差错检验、寻找适当的路由器
排队时延：分组在进入路由器后，像排队一样等待被转发的时间
总时延是以上四中时延之和，但是排队时延和处理时延一般忽略不计（除非题目说明）
时延带宽积
发送端连续发送数据且发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出的比特数
时延带宽积=传播时延✖信道带宽
往返时延：从发送数据到接收到接收端的确认经历的时延
吞吐量:单位时间内通过某网络或信道、接口的数据量，受网络带宽或网络额定速率的限制。
速率:连接到计算机网络上的主机在数字信道上传输数据的速率（数据率或者比特率），最高数据率即为带宽
利用率
信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间。
网络利用率:全网络信道利用率的加权平均值。
计算机网络体系结构与参考模型
计算机网络的分层结构
原则
每层实现一种相对独立的功能，降低系统的复杂度
各层之间界面清晰，易于理解，相互交流少
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，上层单项使用下层提供的服务
整个分层结构应促进标准化工作
基本概念
实体：任何可以发送或者接收信息的硬件或者软件进程
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
n层实体实现的服务为n+1层所利用
服务数据单元（SDU）：完成用户所要求的功能而应传送的数据，第n层为n-SDU
协议控制信息（PCI）：控制层协议操作的信息，n-PCI
协议数据单元（PDU）：对等层次之间传递数据的单位，n-PDU
层次结构含义
第N层的实体不仅要使用第N-1层的服务来实现自身定义的功能，还要向第N+1层提供本层的服务，该服务是第N层及下面各层提供的服务总和
最底层只提供服务，是整个层次结构的基础，中间各层既是下一层的服务使用者，也是上一层的服务提供者，最高层面向用户提供服务
上一层只能通过邻近层的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务，下一层所提供的服务的实现细节对上一层透明
两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方
计算机网络协议、接口、服务的概念
协议
控制两个或多个对等实体进行通信的规则集合，是水平的
不对等实体之间是没有协议的
组成
语法：规定了传输数据的格式
语义：规定了要完成的功能
同步：规定了执行各操作的条件时序关系
协议是水平的，是控制对等实体之间通信的规则
接口
同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定
每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口
服务
下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的
服务原语
由服务用户发往服务提供者，请求完成某项任务
由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情
由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应
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
服务的分类
面向连接服务和无连接服务
面向连接服务
通信双方必须建立连接，分配相应资源，结束后释放连接与资源（可靠服务）
阶段：连接建立、数据传输、连接释放
代表协议：TCP协议
无连接服务
通信双方不需要建立连接，直接发送数据（不可靠服务）
尽最大努力交付（IP协议、UDP协议）
可靠与不可靠服务
可靠服务：网络具有纠错、检错、应答机制，保证数据正确可靠的传送到目的地
不可靠服务：网络尽可能正确，可靠性由应用或者用户来保障，不能保证数据的正确、可靠的传送到目的地
有应答服务和无应答服务
有应答服务：接收方在收到数据后向发送方发出相应的应答，传输系统自动实现
无应答服务：接收方收到数据后不会自动给出应答，如果需要应答就由高层实现
OSI参考模型
物理层
传输单位:比特流
任务:透明的传输比特流
功能:在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流
设备:集线器、中继器
定义数据终端设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法
接口标准：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等
数据链路层
传输单位:帧
任务:将网络层传下来的IP数据报组装成帧
功能:成帧、差错控制、流量控制和传输管理
差错控制：对传输中受到干扰的信号进行检错，并对其丢弃
流量控制：控制发送方的速度
设备:网桥、交换机
协议:SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继
网络层
传输单位:数据报
任务:把网络层的协议数据单元从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供服务
功能:流量控制、拥塞控制、差错控制、网际互联
拥塞控制：对网络中因来不及接收分组而要丢弃大量分组的情况，网络层采取一定的措施对拥塞进行缓解
网际互连：将大量异构网络通过路由器相互连接起来
设备:路由器
协议:IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
传输层（运输层）
资源子网和通信子网的桥梁
资源子网：应用层、表示层、会话层
通信子网：网络层、数据链路层、物理层
传输单位:报文段（TCP）或用户数据报（UDP）
任务: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服务、流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理
协议:TCP、UDP
注意:传输层具有复用和分用的功能
会话层
任务：允许不同主机上的各个进程之间进行通话
功能：建立会话同步、管理主机间的会话进程（建立、管理及终止）
使用校验点恢复通信，实现数据同步
表示层
任务：处理两个通信系统中交换信息的方式
功能：数据压缩、加密和解密、数据表示转换
应用层
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:文件传送的FTP、电子邮件的SMTP、万维网的HTTP、POP3
TCP/IP模型
对应OSI的会话层、表示层和应用层
包含所有高层协议（HTTP、SMTP等等）
传输层
对应OSI的传输层
是得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话
传输控制协议（TCP）
面向连接（可靠交付）
数据传输的基本单位是报文段
用户数据报协议（UDP）
面向无连接（不可靠交付）
基本单位是用户数据报（尽最大努力交付）
网际层
对应OSI的网络层
将分组发送到任何网络上，选择合适的路由
不能保证有序到达，有序交付给高层负责
定义了IP协议：IPV4、IPV6
网络接口层
对应OSI的数据链路层和物理层
指出主机必须使用的某种协议与网络连接
作用：从主机或结点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上
TCP/IP模型与OSI模型的比较
相同
都采用分层结构
都是基于独立的协议栈的概念
都可以解决异构网络的互联，实现不同厂家生产的计算机之间的通信
不同
OSI精确的定义了服务、接口和协议，TCP/IP没有明确区分
OSI通用性良好，TCP/IP协议是对已有协议的描述，但是不适用于其它非TCP/IP的协议栈
OSI没有考虑多种异构网络的互联问题
网络层（网际层）
OSI中支持无连接和面向连接
TCP/IP只有无连接
OSI支持面向连接的通信
TCP/IP支持面向连接和无连接的通信
信息传输过程
用户发送数据报
应用层将自然语言转换为通信数据
然后开始每层都会加上SDU和PCI进行包裹包装
到达目的主机又会进行包裹拆包，将SDU和PCI一层层拆开，最终获得数据
