[系统运维]计算网络 - 计算机网络体系结构知识点总结

第一章. 计算机网络体系结构
一. 计算机网络基本概述

1. 计算机网络
   由若干节点和连接这些结点的链路组成。（结点：计算机，集线器，交换器，路由器等）。也可以理解为是
   互联的、自治的计算机系统的结合。
2. 计算机网络的组成
   从工作方式上分为:
3. 边缘部分（所有连接在互联网上的主机，用于通信与资源共享）；
   网络边缘的两个端系统（主机）的通信方式分为：
   ? 客户-服务器方式（C/S）：客户是服务请求方，服务器是服务提供方
   ? 对等连接方式（P2P）：每一台主机既可以是客户端，也可以是服务端
4. 核心部分（大量的网络以及连接这些网络的路由器，为边缘部分提供连通性与交换服务）
   从功能组成上分为：
5. 资源子网（实现资源共享功能的设备及其软件的集合）；
6. 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，实现联网计算机之间数据通信）
7. 计算机网络的功能
   1.数据通信：计算机网络最基本和最重要的功能；
   2.资源共享:可以是软件共享，数据共享，也可以是硬件共享
   3.分布式处理：某个计算机烯体负荷过重时，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，从而利用空闲的计算机资源以提高整个系统的利用率。
   4.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
   5.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
8. 计算机网络的分类
   按网络的作用范围
9. 广域网（WAN wide area network）：作用范围为几十到几千公里，其实互联网的核心部分，连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。（基于交换技术，采用点对点技术）
10. 城域网（MAN metropolitan）：作用范围为5-50千米，用于将多个局域网进行互联，其采用以太网交换技术
11. 局域网（LAN local）：作用范围几十米到几千米，其一般用微机或工作站通过高速线路相连，一般采用广播技术
12. 个人局域网（PAN personal）：作用范围10m左右，通过无线技术连接起来的网络
    按传播技术分类：
13. 广播式网络：所有联网计算机都共享一个网络。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他用户到会“收听”到这个分组（包括发送结点），计算机按照检查其目的地址的方式选择是否接受该分组。局域网，以及广域网中的无线、卫星通信都是采用广播式通信技术。
14. 点对点网络：每条物理线路连接一对计算机。（如果两台主机之间没有直接连接的线路，其通过路由器中的分组存储转发机制，直至目的结点）。广域网基本上都数与点对点网络。
    按传播介质：
15. 有线网络：双绞线网络，同轴电缆网络，光纤网络
16. 无线网络：蓝牙，微波，无线电
    按网络的使用者分类：
17. 公用网：电信公司出资建造的大型网络。付费
18. 专用网：网络不向本单位以外的人提供服务
    按网络拓扑结构分类：（简单点说：就是路由器，主机与网线之间的几何关系）
19. 星行网络：每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备（现在一般是交换机或者路由器）相连。（成本高，中心节点对故障敏感）
20. 总线形网络：用单根传输线把计算机连接起来（重负载时通信效率不高）
21. 环形网络：所有计算机接口设备连接成一个环（环中信号是单向传输的）
22. 网状形网络：每个节点至少有两条路径与其他结点相连（控制复杂，线路成本高），多用于广域网中
    按交换技术分类：（各个设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式）
23. 电路交换网络：在源结点与目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，经过建立连接 -> 传送数据 -> 断开连接三个阶段。
    主要特点是将整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一条管道中传送。
    ? 优点：直接传送，时延小。
    ? 缺点：线路利用率低，不能充分利用线路容量，不便于差错控制。如：传统电话网络，在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
24. 报文交换网络（存储-转发网络）：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，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点，重复这一过程直到到达目的节点。每一个报文可以单独选择到达目的结点的路径。
    ? 优点：充分利用线路容量，实现不同链路之间不同数据率的转换，格式转换，以及实现一对多，多对一的访问与差错控制。
    ? 缺点：增大资源开销（辅助信息），增加了缓冲时延，需要格外控制机制保证多个报文的顺序不乱序，缓存区难以管理（报文大小不一）
25. 分组交换网络（包交换网络）：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（这些就称为包头）组成分组（包），以存储转发方式传输。将单个分组（他只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。
    ? 优点：除了具备报文交换网路的优点外。其缓冲易于管理：包的时延更小，网络占用的平均缓冲区更小；更易于标准化；更适用于应用。
26. 计算机网络的性能指标
27. 速率（数据率/比特率）：连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。(一个比特就相当于二进制数字中的一个1或0)，单位为(b/s)bit/s,Kbit/s,Mbit/s,Gbit/s，通常将中最高数据率成为带宽
28. 带宽：本来是指通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（HZ），计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位为b/s
29. 吞吐量：指单位时间内通过为某个网络（或信道，接口）的数量。其受网络带宽和网络额定速率的限制。
30. 时延：指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，他由四个部分组成：
    a) 发送时延：主机或者路由器将分组的所有比特传输到链路所需要的时间。（发生在机器内部）
    ? 计算公式：发送时延 = 分组长度（bit）/发送速率 (bit/s)
    b) 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传送到另一端所需的时间（发生在机器外部的传输信道媒体上）
    ? 计算公式：传播时延 = 信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）
    c) 处理时延：数据在交换节点为存储转达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，进行能差错检验或查找适当的路由表等。（发生在转发设备中）
    d) 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。如果网络的通信量很大时会发生队列溢出，造成分组丢失此时排队时延无穷大（发生在转发设备-路由器中）
    对于高速链路，只是提高了数据的发送速率，即减少了发送时延，而没有影响传播实验。
31. 时延带宽积：指发送端连续发送数据且发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出的比特数。即时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 信道宽度(bit/s)
32. 往返时延(RTT)：指从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经过的时延。
33. 利用率：信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的；网络利用率则是全网络的信道的加权平均值。（利用率并非越高越好，参考堵车）
    二. 计算机网络体系架构与参考模型
34. 计算机网络分层结构
35. 体系结构：将计算机网络各层及其协议的集合统称为体系结构。换言之，他是计算机网络中的层次，各层的协议及层间的集合。
36. N层实体：计算机网络分层结构中，第n层中的活动元素通常称为n层实体。实体指任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
37. 对等层：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。
38. 数据单元：每一层都有自己传送的数据单元，其名称，大小，含义各不相同。每个报文分为两个部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI，它们共同组成PDU。
39. 服务数据单元（SDU）：未完成用户所要求的功能而应传送的数据。
40. 协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。
41. 协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单元成为本层的PDU。应用层的数据，运输层的PDU成为报文，网络层的PDU称为分组，链路层的PDU称为帧，物理层中的PDU称为比特。
42. 层次结构的含义：
    第n层实体要使用第n-1层的服务来实现自身的功能，还要向第n+1层提供本层的服务。
    最底层只提供服务，是整个层次结构的基础；中间层即使下一层服务的提供者，又是上一层服务的提供者；最高层面向用户提供服务。
    上一层只能通过相邻层间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道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。
43. 计算机网络协议，接口，服务的概念
44. 协议：规则的集合。主要有三个要素组成：
    a) 语法：数据与控制信息的结构和格式
    b) 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及做出何种响应。
    c) 同步：事件实现顺序的详细说明。
45. 接口：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点。是一个逻辑上的接口（类比邮政信箱）
46. 服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。对等实体在协议的控制下，使得 本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。
    ? 协议和服务在概念上是不一样的。首先，只有本层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，即下面的协议对上层的服务 用户是透明的。其次，协议是"水平的"，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是"垂 直的"，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。另外，并非在一层内完成的全部功能都称 为服务，只有那些能够被高一层实体"看得见"的功能才称为服务。
    ? 计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类：
    ? 面向连接服务与无连接服务
    ? 面向连接服务中，通信前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所占用的资源。因此这种服务可以分为连接建立、数据传 输和连接释放三个阶段。例如 TCP 就是一种面向连接服务的协议
    ? 在无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有 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。这是一种不可靠的服务。 这种服务常被描述为"尽最大努力交付"（Best-Effot-Delivery），它并不保证通信的可靠性。例如 IP、UDP 就是一种无连接服务的协议。
    ? 可靠服务和不可靠服务
    ? 可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
    ? 不可靠服务是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。
    注意∶在一层内完成的全部功能并非都称为服务，只有那些能够被高一层实体"看得见"的 功能才能称为服务。
    ? 有应答服务和无应答服务
    ? 有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动 实现，而不由用户实现。所发送的应答既可以是肯定应答，也可以是否定应答，通常在接收到的 数据有错误时发送否定应答。例如，文件传输服务就是一种有应答服务.
    ? 无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则由高层实现。例如，对 于 WWW 服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答.
47. ISO/OSI七层参考模型和TCP/IP四层参考模型
48. OSI参考模型有7层，低三层统称为通信子网，它是为了联网而附加的通信设备， 完成数据的传输功能∶高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。 传输层承上启下。
    （1） 物理层（Physical Layer） 物理层的传输单位是比特，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。物理层接口标准很多，如EIA-232C、EIATILARS-449、CCITT的X21等。
    注意，传输信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、光缆、无线信道等，并不在物理层协议 之内而在物理层协议下面。因此，有人把物理媒体当作第0层。
    （2） 数据链路层（Data Link Layer） 数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的 IP 数据报组装成帧。数据链路层的功 能可以概括为成帧、差错控制、流量控制和传输管理等。典型的数据链路层协议有 SDLC、HDLC、PPP、STP 和帧中继等。
    （3） 网络层（Network Layer） 网络层的传输单位是数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要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、差错控制和网际互联等功能。网络层的协议有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP 和 OSPF等。
    （4） 传输层（Transport Layer） 传输层也称运输层，传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），传输层负责主机中两 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，为端到端连接提供流量控制、差 错控制、服务质量、数据传输管理等服务。传输层的协议有 TCP、UDP。
    数据链路层提供的是点到点的通信，传输层提供的是端到端的通信，两者不同。通俗地说， 点到点可以理解为主机到主机之间的通信，一个点是指一个硬件地址或IP地址，网络中参与通信 的主机是通过硬件地址或IP地址标识的;端到端的通信是指运行在不同主机内的两个进程之间的 通信，一个进程由一个端口来标识，所以称为端到端通信。
    （5） 会话层（Session Layer） 会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务， 向表示层提供它的增值服务。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）。
    （6） 表示层（Presentation Layer） 表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码和表示方法不 同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽 象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密和解密也是表示层可提供 的数据表示变换功能。
    （7） 应用层（Application Layer） 应用层是 OSI参考模型的最高层，是用户与网络的界面。应用层为特定类型的网络应用提供 访问 OSI参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用 协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。典型的协议 有用于文件传送的FTP、用于电子邮件的SMTP、用于万维网的 HTTP等。
49. TCP/IP 模型
    1). 网络接口层：具体的物理网络既可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌 总线网等，也可以是诸如电话网、SDH、X.25、帧中继和 ATM 等公共数据网络。网络接口层的 作用是从主机或结点接收 IP 分组，并把它们发送到指定的物理网络上。
    2). 网际层（主机-主机）是 TCP/IP 体系结构的关键部分。网际层将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由，但它不保证各个分组有 序地到达，各个分组的有序交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP。当前 采用的IP协议是第 4版，即IPv4，它的下一版本是 IPv6。
    3). 传输层（应用-应用或进程-进程）使得发送 端和目的端主机上的对等实体进行会话。传输层主要使用以下两种协议∶
    a) 传输控制协议（Transmission ControlProtocol，TCP）。它是面向连接的，数据传输的单位 是报文段，能够提供可靠的交付。
    b) 用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。它是无连接的，数据传输的单位是用 户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供"尽最大努力交付"。
    4). 应用层（用户-用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、 域名解析服务（DNS）、电子邮件协议（SMTP）和超文本传输协议（HTTP）。
    提供流量控制的层次有：网络层，传输层，数据链路层。