[网络协议]计算机网络——计算机网络体系结构

1.1.1 概念、组成、功能、分类

计算机网络的概念

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。

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

计算机网络的功能

• 数据通信（连通性）
• 资源共享（硬件、软件、数据）
• 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
• 负载均衡

计算机网络的组成

**组成部分：**硬件、软件、协议

工作方式：

边缘部分：用户直接使用

C/S方式，P2P方式

核心部分：为边缘部分服务

**功能组成：**数据通信、资源共享

通信子网：实现数据通信

资源子网：实现资源共享/数据处理

计算机网络的分类

按分布范围为：

广域网WAN（交换技术）、城域网MAN、局域网WAN（广播技术）、个人局域网PAN

按使用者分：

公用网和专用网

按交换技术分：

电路交换、报文交换、分组交换

拓扑结构分：

总线型、星型、环型、网状型（常用于广域网）

传输技术分：

广播式网络：共享公共通信信道

点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制

1.1.2 标准化工作及相关组织

标准化工作

标准的分类：

法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准（OSI）

事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准（TCP/IP）

标准化工作的相关组织

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

国际电气电子工程协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G

Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的指定

1.1.3 性能指标之速率、带宽、吞吐量

速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率

比特1/0位

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送位数的速率。

单位是b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

1Byte(字节)=8bit(比特)

带宽

带宽原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

在计算机网络中，带宽用来表示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格中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。（网络设备所能支持的最高速度）。

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s，kb/s，Mb/s等。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

1.1.4 时延、时延带宽积、RTT和利用率

时延

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的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。

• 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。

$$发送时延=\frac{数据长度}{信道带宽(发送速率)}$$

• 传播时延：取决于电磁波的传播速度和链路长度

$$传播时延=\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$$

• 排队时延：等待输出/输入链路可用
• 处理时延：检错找出口

高速链路只是减少了发送时延

时延带宽积

时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 带宽 (b/s)

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，即某段链路现在有多少比特（容量）

往返时延（RTT）

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据立即发送确认），总共经历的时延。

RTT包括往返传播时延（传播时延*2），末端处理时间

利用率

信道利用率

有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间

网络利用率

信道利用率加权平均值

1.2.1 分层结构、协议、接口、服务

为什么要分层

发送文件前要完成的工作：

• 发送通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活
• 告诉网络如何识别目的主机
• 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常
• 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作
• 确保差错和意外可以解决

怎么分层

分层的基本原则：

• 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
• 结构上可分隔开，每层都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。同一层的实体叫对等实体

**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。

**接口（访问服务点SAP）：**上层使用下层服务的入口

**服务：**下层为相邻上层提供的功能调用

1.2.2 OSI参考模型（1）

ISO/OSI参考模型

ISO/OSI参考模型解释通信过程

1.2.3 OSI参考模型(2)

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序

表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）

• 功能一：数据格式变换
• 功能二：数据加密解密
• 功能三：数据压缩和恢复

会话层

向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据

这是会话，也是建立同步（SYN）

• 功能一：建立、管理、终止会话
• 功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步

传输层

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

• 功能一：可靠传输、不可靠传输
• 功能二：差错控制
• 功能三：流量控制
• 功能四：复用分用

网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供信息服务。网络层传输单位是数据报。

• 功能一：路由选择，最佳路径
• 功能二：流量控制
• 功能三：差错控制
• 功能四：拥塞控制

数据链路层

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧

数据链路层/链路层的传输单位是帧

• 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
• 功能二：差错控制，帧错+位错
• 功能三：流量控制
• 功能四：访问（接入）控制 控制对信道的访问

物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，传输单位是bit

透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送

• 功能一：定义接口特性
• 功能二：定义传输模式
• 功能三：定义传输速率
• 功能四：比特同步
• 功能五：比特编码

1.2.4 TCP、IP参考模型和5层参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

相同点

• 1、都分层

• 2、基于独立的协议栈的概念

• 3、可以实现异构网络互联

不同点

• OSI定义三点：服务、协议、接口

• 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问题，将IP作为重要层次

• 

  

5层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点

5层参考模型的数据封装与解封装

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