计算机网络-1 层次结构

计算机网络第一章，层次结构 ISO七层和TCP/IP四层，内容分为 计算机网络概述、网络工作方式、体系结构 /参考模型，欢迎一起来学习。

1 体系结构

• 计算机网络概述
  • 概念/功能
    • 概念和发展
      • 计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，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
      • 简而言之，计算机网络就是一些互联的（通过通信链路互联互通）、自治的（无主从关系的）计算机系统的集合。
      • 发展
        • 阿帕网（ARPAnet)——互联网internetTCP/IP——因特网Internet
        • 国家科学基金网NSFNET：校园网——地区网——主干网
        • 多层次ISP结构
          • ISP：因特网服务提供者
    • 功能
      • 数据通信
      • 资源共享
        • 软件共享、数据共享，也可以是硬件共享
      • 分布式处理
        • 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分
      • 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
      • 负载均衡
        • 将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机
  • 组成/分类
    • 组成部分
      • 组成部分
        • 硬件、软件、协议（一系列规则和约定的集合）
      • 功能组成
        • 通信子网——各种传输介质，通信设备，相应的网络协议组成，实现数据通信
          • 对应下三层
          • 主要包括；中继器、集线器、网桥，路由器，网关等硬件设备
        • 资源子网——实现资源共享/数据处理的设备和软件的集合
          • 对应上三层
          • 网络的服务器、用户计算机、网络存储系统、网络终端、共享的打印机和其他设备及相关软件所组成
          • 资源子网的主体为网络资源设备
      • 按工作方式
        • 边缘部分
        • 核心部分
    • 分类
      • 按分布范围分
        • 广域网WAN，城域网MAN，局域网LAN，个人区域网PAN——看使用的技术，不看距离
      • 按使用者
        • 公用网，专用网
      • 交换技术
        • 电路交换，报文交换，分组交换
      • 按（通信子网）拓扑结构
        • 总线、星型、环形、网状型（常用于广域网）
      • 传播技术分
        • 广播式网络：共享公共通信信道
          • 局域网基本使用广播式技术
            • 广域网使用交换技术
        • 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制
          • 广域网基本属于点对点网络
  • 性能指标
    • 速度相关
      • 速率（信道上）
        • 连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，也称为数据传输速率，或称为数据传输率或比特率
        • 单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
          • 在形容速率时是1000
          • 在形容存储容量时是1024
      • 带宽（发送端）
        • 原本指的是某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹Hz
        • 计算机网络中指的是网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
        • 即，网络设备所能支持的最高速度，物理极限
          • 单位
            • 比特每秒
              • b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s
        • 链路带宽是在发送端最高能够发送的数据率，理想中的极限传输数据率
          • 不影响数据在链路上的传播速度
      • 吞吐量（实际的）
        • 单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的数据量
        • 单位
          • 比特每秒
            • b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s
        • 是实际上传输的数据率
          • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
    • 时间相关
      • 时延
        • 定义
          • 指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间
        • 4部分
          • 发送时延/传输时延
            • 从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间
            • 发送时延=分组长度（数据长度）/信道带宽（发送速率）
            • 发生在主机/交换机/网络适配器内
          • 传播时延
            • 一个比特从链路（信道）的一端传播到另一端所需的时间
            • 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率（一般都是2×10^8)
            • 发生在信道上
          • 排队时延
            • 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
            • 路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
          • 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
            • 例如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等
        • 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
          • 高速链路指的是信道带宽大，发送时延短，传播时延是不变的
      • 时延带宽积
        • 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度
        • 时延带宽积=传播时延×带宽
          • • 同一时刻在链路上有多少比特
      • 往返时延RTT
        • Round-Trip Time
        • RTT指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
        • 往返时延包括
          • 往返传播时延
            • =传播时延×2
          • 末端处理时间
          • 中间结点的处理时延、排队时延、转发数据的发送时延
        • RTT越大，在收到确认前，可以发送的数据越多
    • 利用率
      • 信道利用率
        • 指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的
        • 信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间
        • 利用率越大，时延D会急剧增大
      • 网络利用率
        • 信道利用率的加权平均值
• 网络工作方式
  • 边缘部分
    • 边缘部分：用户直接使用，可用于通信、资源共享等
      • （端系统）：主机
      • 端系统之间的通信是进程之间的通信
        • B/S方式：Browser/sever
    • 客户/服务器模型 C/S
      • 基本概念
        • 客户/服务器（Client/Server，C/S）模型中，有一个总是打开的主机称为服务器，它服务于许多来自其他称为客户机的主机请求
        • 工作流程
          • 服务器处于接收请求的状态
            • 客户机发出服务请求，并等待接收结果
          • 服务器收到请求后，分析请求，进行必要的处理，得到结果并发送给客户机
      • 客户/服务器
        • 客户机（请求服务的主机）
          • 与服务器通信，使用服务器提供的服务
          • 特点
            • 间歇性接入网络
              • 可能使用动态IP地址
            • 不和其他客户机直接通信
              • 客户程序必须知道服务器程序的地址
            • 一般不需要特殊的硬件和复杂的操作系统
        • 服务器（提供计算服务的设备）
          • 服务器上的程序是专门为提供服务的，可同时处理多个请求
          • 特点
            • 永久地提供服务
              • 永久性访问地址/域名
            • 服务器程序不需要知道客户程序的地址
      • 特征
        • 客户是服务请求方，服务器是服务提供方
        • 各计算机的地位不平等
          • 服务器可以通过对用户权限的限制来达到管理客户机的目的，使它们不能随意存储/删除数据，或进行其他受限的网络活动。
          • 整个网络的管理工作由少数服务器担当，因此网络的管理非常集中和方便
        • 客户机相互之间不直接通信
          • 例如，在Web应用中两个浏览器并不直接通信
        • 可扩展性不佳
          • 受服务器硬件和网络带宽的限制，服务器支持的客户机数有限
          • 服务器性能的好坏决定了整个系统的性能
      • 应用
        • web、文件传输协议FTP、远程登陆、电子邮件等
    • 对等网络模型 P2P
      • 基本概念
        • P2P（peer to peer）没有固定的客户、服务器划分，任何一对计算机（对等方peer）可以直接相互通信
        • 本质上仍是C/S，但每个主机既可以提供服务，也可以请求服务
          • 不存在永远在线的服务器
            • 节点是间歇性接入网络
              • 可能会改变IP地址
          • 每个结点都同时有下载、上传的功能，地位是平等的
          • 任意端系统/结点之间可以直接通讯
      • 特点
        • 优点
          • 减轻了服务器的计算压力，可以将任务分配给各个结点，大大提高了系统效率和资源利用率
            • 流媒体常用P2P模型
          • 任意端系统/节点之间可以直接通讯
            • 网络健壮性强，单个结点失效不影响其他的
          • 可拓展性好，传统服务器只能接收一定数量的请求
        • 缺点
          • 主机在获取服务的同时要提供服务，内存占用大，影响整机速度
          • 经常P2P下载对硬盘的损伤较大
      • 应用
        • PPlive、Bittorrent等
  • 核心部分
    • 核心部分：为边缘部分服务（连通和交换）、由大量网络和路由器等组成
      • 三种交换方式
    • 数据交换方式的选择
      • 交换是通过某些交换中心将数据集中和传送，交换设备的传输线路为各个用户所共用，节省通信线路，降低系统费用
      • 1.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间，选择电路交换。电路交换传输时延最小
      • 2.当端到端的通路有很多段的链路组成时采用分组交换传送数据较为合适
      • 3.从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信，
    • 电路交换
      • 原理：
        • 在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路会一直保持使用
      • 交换阶段：
        • 建立连接（呼叫/电路建立）——通信（数据传输）——释放连接（拆除设备）
      • 特点：
        • 独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。
        • 适用于远程批处理信息传输，或系统间实时性要求高、大量数据传输的情况
      • 优缺点
    • 报文交换
      • 报文：
        • 报文（message）是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块
        • 报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变
      • 报文交换的原理
        • 无需在两个站点之间建立一条专用通路，
        • 其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。
      • 优缺点
    • 分组交换
      • 分组
        • 大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet）
      • 分组交换的原理
        • 与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。
        • 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文
      • 优缺点
        • 各分组之间的重新组装
          • 每个分组除了数据块外，还需要加上源地址，目的地，分组编号等控制信息，确保数据报文的完整性
• 体系结构 /参考模型
  • 体系分层结构
    • 网络体系结构
      • 网络体系结构是从功能上描述计算机网络
        • 每层都遵循某个/某些网络协议，以完成本层功能
      • 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
        • 体系结构是抽象的，实现是指能运行的一些软件和硬件
      • 分层基本原则
        • 1、各层之间相互独立，每层只实现相对独立的功能
          • 2、各层之间界面自然侵袭，易于理解，相互交流尽可能少
        • 3、结构上可以分割开，每层都采用最合适的技术来实现
          • 4、保证下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
        • 5、整个分层结构应该能促进标准化工作
    • 分层结构
      • 实体
        • 第n层中的活动元素称为n层实体
          • 指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块
      • 对等实体
        • 同一层实体称为对等实体
          • 不同机器上的同一层称为对等层
            • 第n层实体实现的服务为第n+1层所利用
            • 第n层称为服务提供者，第n+1层则服务于用户。
      • 每层的报文
        • PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位
          • SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应该传送的数据
          • PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
          • PCI+SDU=PDU
        • 注意
          • n+1层的PDU会作为第n层的SDU
            • n-SDU+n-PCI=n-SDU=(n-1)-SDU
          • 物理层：比特
            • 数据链路层：帧
              • 网络层：分组
                • 传输层：报文段
      • • 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层功能，还包括下层服务提供的功能
        • 最底层只提供服务，基础，中间各层既是服务使用者，也是提供者，最高层向用户提供服务
        • 仅仅在相邻层间有接口，上一层只能通过接口使用下一层服务，且下层所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽（透明）
        • 对等层逻辑上有一条直接信道
  • 协议接口服务
    • 接口
      • 同一个结点相邻两层间交换信息连接点
        • 是一个逻辑接口
      • （访问服务点SAP）
        • 上层使用下层服务的入口
    • 协议
      • 为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议
        • 语法：规定传输数据的格式
        • 语义：规定所要完成的功能
        • 同步：规定各种操作的顺序
      • 不对等实体间没有协议
        • 水平
      • 一个完整协议一般应具有线路管理，差错控制，数据转换等功能
    • 服务
      • 下层为相邻上层提供的功能调用
        • 垂直
      • 服务原语
        • 请求、指示、响应、证实
          • 发送端A，接收端B
        • A上层请求下层，给B发送指示，B响应，A对响应证实
    • 服务的类型
      • 面向连接服务（TCP）/无连接服务（IP、UDP）
      • 可靠服务/不可靠服务
      • 有应答服务FTP/无应答服务WWW
  • ISO/OSI模型
    • OSI模型
      • 1984年，ISO提出开放系统互联OSI参考模型
        • 目的：支持异构网络系统的互联互通
          • 上四层：，下三层：
      • 层次划分：7层
        • 高三层：资源子网——数据处理
        • 传输层
        • 端到端
        • 低三层：通信子网——数据通信
          • 点到点
      • ISO/OSI参考模型解释通信过程
        • 打包，拆包的过程
      • 补充
        • 复用分用
          • 复用
            • 多个应用层进程可以同时使用下面运输层的服务
          • 分用
            • 传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程
  • TCP/IP模型
    • TCP/IP模型（4层）
      • 应用层
      • 表示层
      • 会话层
      • 应用层
      • 传输层
        • 传输层
      • 网络层
        • 网际层
      • 链路层
      • 物理层
      • 网络接口层
    • 相同点
      • 都分层
        • 都基于独立的协议栈的概念
          • 可以实现异构网络互联
    • 不同点
      • OSI定义了服务、协议、接口，符合对象程序设计思想
      • 通用性
        • OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
        • TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联的问题，将IP作为重要层次，不适用于非TCP/IP的协议栈
      • 面向连接？