[网络协议]计算机网络概述

计算机网络

第一章—计算机网络体系结构

1.1计算机网络概述

计算机网络的基本概念

广义观点：实现远程信息处理的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

组成单元：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

组成部分角度

硬件：主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）以及通信处理机（网卡等）

软件：实现资源共享的软件以及方便用户使用的各种工具软件（网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序）

协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据遵循的规定

工作角度

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（传输数据、音频或者视频和资源共享）

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

功能组成角度

通信子网：传输介质、通信设备、相应的网络协议 使得网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信

资源子网：实现资源共享功能以及软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机硬件、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，提高硬件、软件和数据资源的利用率

分布式处理：将某个计算机负载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：各台计算机可以通过网络互为替代机

负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机

计算机网络的分类

分布范围分类

广域网

范围：提供长距离通信，运送主机发送的数据

距离：几十千米到几千千米

地位：广域网是因特网的核心部分，连接广域网的各节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

范围：跨越几个街区甚至几个城市

距离：5~5km

地位:多采用以太网技术

个人区域网

范围：微机或者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

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

按照拓扑结构分类

星形网络

每个终端或者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，中心节点对故障敏感

总线型网络

用单根传输线把计算机连接起来

优点：建网容易，增减节点方便，节省线路

缺点：重负载时通信效率不高，总线任意处对故障敏感

环形网络

所有计算机接口设备连接成一个环

典型：令牌局域网

网状型网络

每个结点至少有两条链路与其他节点相连，形成一个网状结构

优点：可靠性高

缺点：成本高 控制复杂

按使用者分类

公用网

公众使用的网路

专用网

为满足某个部门特殊业务建立的网络（军队、电力、铁路）

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该数据的能力，单位：比特/每秒

时延

数据从网络的一端传送到另一端所需要的总时间

发送时延

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

如：分析分组首部，从分组中提取数据部分，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

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重点时，发送端已将发出的比特数

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

单位时间内通过某个网络的数据量

受到网络带宽或者网络额定速率的限制

速率

连接到计算机网络上主机在数字信道上传送数据的速率（数据率或者比特率），最高的数据率即为带宽。

网络分层

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，上层单向使用下层提供的服务

整个分层结构能促进标准化工作

基本概念

实体：任何可以发送或者接受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）：对等层次之间的传送的数据单元称为该层的PDU n-PDU

层次结构含义

第N层的实体不仅要使用第N-1C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综合

最底层只提供服务，是整个层次结构的基础，中间各层即是下一层的服务使用者，又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通信，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

控制两个或者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：规定了执行各种操作的条件、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

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

证实：由服务提供者发往服务用户，作为请求的证实

只有本层的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，结束后释放连接于资源（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（不可单服务）

尽最大努力交付（IP协议 UDP协议）

可靠服务和不可靠服务

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、可靠的传送，不能保证数据的正确、可靠的传送到目的地

可靠性由应用或者用户来保障

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

接受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

目的：支持异构网络系统的互联互通

应用层

表示层

会话层

传输层

承上启下

网络层

数据链路层

物理层

物理层

传输单位：比特流

任务：透明传输的比特流

功能：物理媒体上为数据端设备透明的传输原始比特流

定义数据端设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法 接口的机械形状和尺寸，交换电路的数量和排列

接口协议 EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X2.1等

数据链路层

传输单位：帧

任务：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、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

介质访问子层控制共享信道的访问

典型协议：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（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

功能：流量控制 拥塞控制 差错控制 网际互连

拥塞控制：对网络中因为来不及接收导致大量丢失的情况，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

典型协议：IP IPX ICMP ARP RARP OSPF

传输层

传输单位：报文段（TCP）或者用户数据报（UDP）

任务：主机之间两个进程的相互通信

功能：端到端传输 流量控制 差错控制 服务质量 数据传输管理等服务

典型协议: TCP UDP

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表示方式

功能：数据压缩 加密和解密 数据表示变换

应用层

任务：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

典型协议：FTP SMTP HTTP

TCP/IP类型

应用层

对应OSI的会话层 表示层和应用层

包含所有高层协议（TeIent FTP DNS SMTP HTTP）

传输层

对应OSI的传输层

实现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）

无连接（不可靠交付）

传输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，有序交付交给高层负责

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

指出主机必须使用某种协议与网络连接

作用：从主机或者结点接收IP分组，并把他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，实现不同厂家的计算机的相互通信

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，但是不适用于其他非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

传输层

OSI支持面向连接的通信

TCP/IP支持面向连接和无连接通信

信息传输过程

用户发送数据报

应用层：将自然语言转化为通信数据

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