计算机网络

计算机网络绪论，osi 模型ip 模型

计算机网络体系结构

概述

概念

广义观点

只要是能实现远程信息处理的系统 或者能进一步达到资源共享的系统， 都是计算机网络

资源共享观点

以能够互相共享资源的方式互连起来 的自治计算机系统的集合

目的：资源共享

组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”

必须遵守的统一原则：网络协议

三层含义

用户透明性观点

存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统， 它能够调用用户所需要的资源，像一个计算机系统对用户是透明的。

组成

组成部分

硬件

主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、 交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等组成

软件（多用于应用层）

主要包括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）

协议（核心）

协议规定了网络传输数据时所遵循的规范

工作方式

边缘

由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（如传输数据、音频或视频）和资源共享

核心

由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

p

功能组成

通信子网

由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，是网络具有数据传输、交换、控制和储存的能力，实现联网计算机之间的数据通信

资源子网

是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

功能

数据通信

它是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间的各种信息的传输，并将将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。比如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络将无法实现。

资源共享

资源共享可以是软件共享、数据共享，也可以是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无、分工协作，从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

分布式处理

当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以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。

电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能

分类

按分布范围分

广域网（WAN）：因特网的核心部分

距离几十千米道几千千米，又称远程网，高速链路具有较大的通信容量

城域网（MAN）

几个街区甚至整个城市，5～50km，大多采用以太网技术，采用交换技术，有时也归入局域网范围

局域网（LAN）

由微机或工作站通过高速线路相连，范围小，几十米到几千米，采用广播技术

个人局域网（PAN）

指个人将电子设备用无线网连接起来的网络，也称个人无线局域网（WPAN），约10m

中央处理器之间的距离非常近，1m或更小，一般称为多处理器系统而不是计算机网络

按传播技术分 （是否采用点对点式是区分关键）

广播式网络

所有联网计算机都共享一个公共通信信道，局域网，广域网中的无线、卫星通信基本上都采用广播式

点对点网络

每条物理线路连接一对计算机，如果没有直接连接，就要通过中间节点接受、储存和转发，直至目的节点

按拓扑结构分 （网中节点如路由器、主机等与通信线路如网线之间的几何关系）

总线形

用单根传输线把计算机连接起来 p

优点：建网容易、增加节点方便、节省线路

缺点：重负载时通信效率不高、对总线任意一处故障敏感

星形

每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连 p

优点：便于集中控制和管理

缺点：成本高、中心节点对故障敏感

环形

所有计算机设备连接成一个环 p

可以是单环或者双环，环中信号单向传输

网状形

每个节点至少有两条路径与其他节点相连， 多用在广域网中，有规则和不规则两种 p

优点：可靠性高

缺点：控制复杂、线路成本高

按使用者分

公用网

指电信公司出资建造的大型网络，也称公众网

专用网

指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络

按交换技术分

电路交换网络

在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。

优点：数据直接传送、延迟小

缺点：线路利用效率低、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

报文交换网络。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。整个报文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。 也称储存-转发网络

优点：充分利用线路容量，可以实现不同链路间不同数据率的转换，可以实现格式转换，可以实现一对多、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、需要外控制机制保证报文顺序、缓冲区难以管理

分组交换网络（包交换网络）

其原理是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。（主流网络都是分组交换网络）

特点：单个分组、具备报文交换网络的优点、缓冲易于管理、包的平均时延更小、占用缓冲区更少、易于标准化、更适合应用

按传输介质分

有线

双绞线网络、同轴电缆网络等

无线

蓝牙、微波、无线电等

标准化工作及相关组织

RFC（Request For Comments）上升为正式标准的四个阶段

因特尔草案（Internet Draft）

还不是RFC文档

建议标准（Proposed Standard）

开始成为RFC文档

草案标准（Draft Standard)

因特网标准（Internet Standard）

实验的RFC和提供信息的RFC

p

制定标准的组织

国际标准化组织（ISO)

OSI参考模型，HDLC等

国际电信联盟（ITU）

前身为国际电话电报咨询委员会（CCITT)， 下属机构ITU-T制定了大量远程通信标准

国际电气电子工程师协会（IEEE)

世界上最大的专业技术团体，803标准

性能指标

带宽

通信线路传送数据的能力，比特/秒（b/s）

时延

数据一端传送到另一端所需的总时间

发送时延

=分组长度/信道宽度

传播时延

=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

处理时延

交换节点储存转发的必要操作所需花费的时间

排队时延

排队等待处理的时间

总时延

时延带宽积

=传播时延×信道带宽

往返时延

从发送端发送到到收到来自接收端确认所经历的时延

吞吐量

单位时间通过某个网络（或信道、接口）的数据量

速率

主机在数字信道上传送数据的速率，最高速率称为带宽

信道利用率

=有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间

计算机网络体系结构和参考模型

计算机网络分层结构

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，上层单项使用下层提供的服务

整个分层结构应能促进标准化工作

各个层次中，报文分为

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，第n层的服务数据单元称为n-SDU

协议控制信息（PCI）

控制协议操作的信息，第n层的记为n-PCI

协议数据单元（PDU）

对等层次之间传送的数据单位。第n层记为n-PDU 物理层：比特；链路层：帧；网络层：分组；传输层：报文

第n+1层收到的PDU作为第n层的SDU，再加上第n层的PCI组成第n层的PDU 接收方做相反的处理：n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

计算机网络协议、接口、服务的概念

协议（网络协议）

这些为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，它是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。 完整的协议应该具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。

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：规定了执行各种操作的条件、时序关系等，是事件实现顺序的详细说明

接口

同一节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，只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义。

通过服务访问点（SAP）进行交互，第n层的SAP就是第n+1层可以访问的第n层服务的地方。SAP是抽象的概念，是一个逻辑接口

服务

值下层为紧邻的上层提供的功能的调用，是垂直的。上层使用下层的服务必须与下层交换一些命令，在OSI中称为服务原语

请求（Request）

由服务用户发给服务提供者，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）

由服务用户法网服务提供者，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

p

计算机网络提供的服务的分类

面向连接服务于无连接服务

面向连接：通信双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和占用的资源。如TCP协议

无连接：通信双方不需要建立连接，需要发送时可以直接发送，把每个带目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。是不可靠的服务，这种服务常称为尽最大努力交付（Best-Eddort-Delivery），例如IP，UDP

可靠服务和不可靠服务

可靠：是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地

不可靠：指网络只是尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务

有应答服务和无应答服务

有应答：指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，由传输系统自动实现，可以是肯定应答也可以是否定应答，例如文件传输

无应答：指接收方收到数据后不自动给出应答，若需要应答由高层实现。例如对于WWW服务，客户端接收到服务器的文件后不给出应答

p

ISO/OSI参考模型

由国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI/RM），简称OSI参考模型

物理层

传输单位比特（B），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。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。物理层协议也成为物理层接口标准也称物理层规程。接口标准如：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等

数据链路层

传输单位是帧，任务是将网络层传来的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等；常见协议：SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等 介质访问子层：控制对共享信道的访问

网络层

传输单位是数据报，他关心的是通信子网的运行控制，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、并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互连等功能。主要协议是无连接的网际协议（Internet Protocol，IP）和许多路由选择协议。也称为网际层或IP层

资源子网

传输层

也称运输层，传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），负责主机两个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，为端到端提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。高层用户可以直接进行端到端的数据传输从而忽略资源子网的存在，一台主机可以有多个进程所以传输层具有复用和分用的功能。 复用：多个进程可以同时使用传输层的服务 分用：传输层可以把接收到的信息分别交付给相应的进程 传输协议：TCP、UDP

会话层

允许不同主机上的各个进程之间进行会话，利用的是传输层的端到端的服务，向表示层提供服务，这种服务主要为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步（SYN） 主要负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理和终止进程间的会话。可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续回复通信，实现数据同步

表示层

主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。表示层用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码方式。表示层也可以提供的数据表示变换功能：数据压缩、加密和解密

应用层

OSI模型的最高层，是用户与网络的界面。为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段，是最复杂的一层。 常用协议：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、基于万维网（HTTP）等

资源子网

p

TCP/IP模型

ARPA在研究ARPnet时提出

网络接口层（OSI的物理层和数据链路层）

网际层

传输层

应用层（OSI的会话层、表示层和应用层）

p

数据链路层是点到点：主机之间通过硬件地址或IP地址标识 传输层是端到端：不同主机内两个进程之间的通信，由端口标识

传输信息用到的物理媒体：双绞线、 光缆等在物理层协议下面，又当作第0层。