第一章：计算机网络体系结构

王道计算机网络考研思维导图,第一章：计算机网络体系结构

第一章：计算机网络体系结构

• 计算机网络概述
  • 概述
    • 主体：分散的、具有独立功能的计算机系统
    • 链接：通过通信设备与 “线路” 链接起来
    • “软件” 实现功能
      • 资源共享
      • 信息传递
  • 功能
    • 1数据通信：连通性
    • 2资源共享：硬件、软件、数据
    • 3 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作的不同部分（提高整个系统利用率）
      • eg：Hadoop平台
      • 提高可靠性：替代机
      • 负载均衡：各个计算机均衡分配任务
  • 因特网发展阶段
    • APARnet->internet->Internet
    • 三级结构因特网
    • 多层次ISP结构的因特网
  • 组成
    • 组成部分
      • 硬件
      • 软件
      • 协议（核心）
    • 工作方式
      • 边缘部分：用户直接使用（主机）
        • - 端和端通信: 进程之间的通信
        • C/S方式
        • B/S方式
        • P2P方式
          • peer-to-peer 既是服务器也是客户机
      • 核心部分：为边缘部分服务（网络、路由器）
    • 功能组成
      • 通信子网（OSI下三层）
        • 实现 “数据通信
        • 各类传输介质、通信设备、相应的网络协议
          • 物理层：集线器、中继器
          • 链路层：交换机、网桥
          • 网络层：路由器
      • 资源子网（OSI上三层）
        • 实现 “资源共享 / 数据处理”
        • 实现资源共享功能的设备和软件的集合
          • 应用层
          • 表示层
          • 会话层
  • 分类
    • 按分布范围
      • 1广域网WAN（因特网的核心部分）
        • 交换技术（点对点，涉及下三层）
        • 高速链路
      • 2 城域网MAN
        • 以太网技术
      • 3 局域网LAN
        • 广播技术（一对多，涉及下两层）
      • 4 个人局域网PAN
        • 无线技术
    • 按使用者
      • 1公用网
      • 2 专用网
    • 按交换技术
      • 独占电路
        • 1电路交换网
          • eg：电话网
      • 非独占电路（不同单位）
        • 2 报文交换网
          • 单位：整个报文
        • 3 分组交换网（主流）
          • 单位：单个分组（整个报文的一部分）
    • 按（通信子网）拓扑结构
      • 局域网
        • 1总线形
          • 单根传输线
        • 2 星形
          • 连 “中央设备”
        • 3 环形
          • 环中信号 “单向传输”
            • eg：令牌环局域网
      • 广域网
        • 4 网状形
          • 每个结点至少有两条路径与其他结点相连
    • 按传输技术
      • 1广播式网络（一对多）
        • 共享 “公共通信新到”
      • 2 点对点网络（一对一）
        • 使用 “分组转发” 和 “路由选择” 机制
    • 按传输介质
      • 1有线网
        • 双绞线网络
        • 同轴电缆网络
      • 2 无线网
        • 蓝牙
        • 微波
        • 无线电
  • “标准化” 工作及其相关组织
    • 标准
      • 分类
        • 法定标准
          • eg：OSI
        • 事实标准
          • eg：TCP/IP
      • 发布形式：RFC（RFC ≠ 标准）
        • Request For Comments
        • 成为 “标准” 的过程
          • 第一步： 因特网草案
            • 还不是RFC文档
          • 第二步：建议标准
            • 开始成为RFC文档
          • （第三步：草案标准）
            • IETF、IAB审核
          • 第四步：因特网标准
    • 相关组织
      • 国际标准化组织 ISO
        • OSI参考模型、HDLC协议
      • 国际电信联盟 ITU
        • 制定通信规则
      • 国际电气电子工程师协会 IEEE
        • 学术机构、IEEE 802系列标准、5G
      • Internet工程任务组 IETF
        • 负责因特网相关标准制定（RFC XXXX）
  • 性能指标
    • 1、速率 / 数据率 / 数据传输率 / 比特率（指的是 “发送/传输速率” 🌟） —— bit/s
      • 速率（通信领域）：10的n次方
        • 10的3次方
      • 存储容量：2的n次方
        • 2的10次方
    • 2、带宽（理想最高数据率 / 网络设备所支持的最高速度）—— Hz 或 bit/s
      • “链路带宽”：指的是 “<font color="#f15a23">发送速率</font>”（不是在链路上的传播速率）—— 单位时间向链路上发送多少比特
        • 结论：带宽增大时
          • 单位时间向链路上发送数据量 “变多”
          • 但 “传播速度” 不变
    • 3、吞吐量（单位时间内通过某个网络/信道/接口的数据量）—— bit/s
      • 即 “实际传输速率“
        • 限制条件
          • 本机：网络带宽
          • 与之交换的网络：额定速率 或 带宽
    • 4、时延 / 延迟 / 迟延（数据从网络一端传到另一端所需的时间）—— s
      • 🌟 1发送时延 / 传输时延 ——（发生在发送机器内部）
        • = 数据长度 / 信道带宽（发送速率）
        • 概念辨析：“高速链路”
          • 指的是 “发送速率” 提高（发送时延减小）
          • 而不会影响电磁波的传播速度（传播时延）
      • 🌟 2 传播时延 ——（发生在信道上）
        • = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
          • 电磁波（光）的传播速度：“3 * 10的8次方” 米/s
      • （可忽略）3 排队时延 ——（发生在路由器）
        • 输入队列：等待处理
        • 输出队列：等待转发
      • （可忽略）4 处理时延 —— （发生在路由器）
        • 为存储转发而进行的必要处理
          • 分析分组首部
          • 提取分组数据部分
          • 差错检验
          • 查找适当路由
      • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 （+ 处理时延 + 排队时延）
    • 5、时延带宽积（发送端连续发送数据且第一个比特到达终点时，发送端已发送的 “比特数” / 链路的比特容量）—— bit
      • （bit）= 传播时延（s） * 信道带宽（b/s）
        • 即 “高 * 底面积”
    • 6、往返时延 RTT（从 “发送” 第一个数据开始，一去一回）
      • key：忽略 “发送时延/传输时延”
        • 原因：“第一个” bit 的来回时间
      • 计算
        • 往返传播时延 = 传播时延 * 2
        • （可忽略）
          • （路由器 / 接收端）处理时延
          • 排队时延
      • 特点
        • RTT越大，在收到确认之前，可发送的数据越多 ✅
    • 7、利用率
      • 1信道利用率（具体）
        • = “有” 数据通过的时间 / （有 + 无）数据通过的时间
        • 特点：“时延” 随 “信道利用率” 趋近于1而急剧增大（类比：高速公路）
      • 2 网络利用率（总）
        • = “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
  • 体系结构（各层及其协议的集合，从“功能”上描述，抽象）
    • “分层”
      • 概念
        • 实体
          • 对等实体
        • 协议（水平）
          • 1语法
            • 传输数据的格式
          • 2 语义
            • 所要完成的功能
          • 3 同步
            • 执行条件、时序关系
        • 接口 / 界面（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
        • 服务（垂直）：下层为 “相邻上层” 提供的功能调用
      • 基本原则：按 “功能” 分
        • 1各层相互独立，每层仅实现一种 “相对独立” 的功能
        • 2 通过 “相邻” 的（层间） “接口” 通信
          • 透明性
        • 3 上层 “单向” 使用下层服务（下层对上层的独立性）
    • “报文” 的组成
      • 协议数据单元（PDU）—— “对等层次” 间传送
        • 组成
          • 服务数据单元（SDU）
            • 数据部分
          • 协议控制信息（PCI）
            • 控制信息部分
        • 包含关系
          • 发送：自上至下
            • （n+1）- PDU = n-SDU
              • “上一层的 PDU” 作为 “下一层的 SDU”
            • n-SDU + n-PCI = n-PDU
          • 接收：自下至上
  • 参考模型
    • OSI（7层）——法定标准
      • 通信子网：数据处理
        • 1物理层（点到点 / 主机到主机）
          • 传输单位：bit
          • 作用：在 “物理媒体” 上实现比特流 “透明传输”
            • 物理媒体：不属于物理层协议 🌟（协议是抽象的）
            • 透明传输：不管数据是什么比特组合，都能在链路上传输
          • 功能
            • （1）定义接口特性
              • eg：机械特性、电气特征
            • （2）定义传输模式
              • 单工
                • 单向
              • 半双工
                • 双向，不能同时
              • 全双工
                • 双向，可同时
            • （3）定义传输速率（发送速率）
            • （4）比特同步（时钟同步）
            • （5）比特编码
          • 协议
            • 802.3（局域网）
            • Rj45
            • EIA-232C
            • CCITT的X.21
        • 2 链路层（点到点 / 主机到主机）
          • 传输单位：帧
          • 作用：将 “网络层（上层）” 的数据报 “组装成帧”
          • 功能
            • （1）组帧
              • 定义帧开始和结束
            • （2）差错控制
              • 帧错
              • 位错
            • （3）流量控制
            • （4）访问（接入）控制
              • 控制对 “共享信道” 的访问（广播）
                • 保证 “数据正确”
                • 保证 “按序到达”
              • 实现：介质访问子层
        • 3 网络层（点到点 / 主机到主机）
          • 传输单位：数据报 / 分组
          • 作用：不同 “主机间” 通信
          • 功能
            • （1）路由选择
              • 最佳路径
            • （2）流量控制（限制发送速率，某个主机）
            • （3）差错控制
            • （4）拥塞控制（整个网络，宏观）
          • 协议
            • IP
            • ICMP
            • IGMP
            • ARP
            • RARP
            • OSPF
      • 4 传输层（端到端）
        • 传输单位：报文段（TCP）/ 用户数据报（UDP）
        • 作用：两个 “进程间（端口到端口）” 的通信
          • 屏蔽 “通信子网” 的变化
        • 功能
          • （1）可靠传输、不可靠传输
          • （2）差错控制
          • （3）流量控制
          • （4）复用分用
            • 复用（发送时）：多个应用层 ---> 一个传输层
            • 分用（接收时）：一个传输层 ---> 多个应用层
      • 资源子网：数据通信
        • 5 会话层（端到端）
          • 作用：向 “表示层（上层）” 的进程提供
            • “有序”传输（建立 “会话/同步SYN”）
              • 使每个会话 “独立”（对A会话的操作不会影响到B会话）
          • 功能
            • （1）管理主机间的 “会话” 进程
            • （2）“校验点/同步点” 实现会话（在通信失效重连时）的数据同步——从 “校验点” 恢复通信
              • 应用于：传输大文件
        • 6表示层（端到端）
          • 作用：处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
          • 功能
            • （1）数据格式变换
              • eg：比特流--->图片
            • （2）数据加密解密
            • （3）数据压缩和解压缩
              • eg：JPEG
        • 7应用层（端到端）
          • 协议
            • FTP：文件传输
            • HTTP：万维网
            • SMTP：电子邮件
          • “应用”：能和用户交互产生网络流量的程序（单机的不算）
    • TCP/IP（4层）——事实标准
      • 1网络接口层（物理+链路）
      • 2 网际层
        • IP（核心）
      • 3 传输层
        • TCP
        • UDP
      • 4 应用层（会话+表示+应用）
        • HTTP
        • FTP
        • DNS
        • SMTP
        • Telent（虚拟终端协议）
    • OSI与TCP的区别
      • （1）OSI定义了：服务、协议、接口
      • （2）OSI：“参考模型” 先于 “协议” 发明，不偏向特定协议（通用性好）
        • TCP/IP：协议先于参考模型，不会出现 “协议不能匹配模型”
      • （3）TCP/IP设计之处就考虑到了 “异构网络” 互联
      • （4）
        • OSI
          • 网络层：无连接 + 面向链接
          • 传输层：面向链接
        • TCP/IP
          • 网络层：无连接
          • 传输层：无连接 + 面向链接
    • 学习时使用（5层，综合OSI和TCP/IP优点）
      • 1物理层（比特流）
      • 2 链路层（帧）
      • 3 网络层（数据报 ---> 分组）
      • 4 传输层（报文段 / 用户数据报）
      • 5 应用层（报文）