• 第一章 计算机网络体系结构


    第一章 计算机网络体系结构

    综述 1.1

    1.1.1 计算机网络的概念

    对计算机网络的观点主要有以下三种:

    1.广义的观点

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

    2.资源共享

    计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自制计算机系统的集合”,其有三层含义:1.目的是资源共享 2.组成单元是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机” 3.网络中的计算机必须要遵循统一的规则——网络协议

    3.用户透明性观点

    1.1.2 计算机网络的组成

    从不同角度,计算机网络的组成可以分为以下几类:

    1. 从组成部分上来看,一个完整的计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组层,缺一不可。
    2. 从工作方式上来看,计算机网络可以分为边缘部分核心部分,边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成,他们相互通信;网络的核心部分是由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,他们为边缘部分提供连通性和信息交换服务。
    3. 从功能上来说,分为通讯子网资源子网。通讯子网由各种传输介质、通讯设备和相应的网络协议组成。资源子网是实现资源共享的设备及其软件组合。

    1.1.3 计算机网络功能

    1.数据通信

    计算机网络的最基本功能,用来实现联网计算机的各种信息的传递

    2.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。可以提高资源的利用率。

    3.分布式处理

    计算机网络的某个计算机系统负荷过重的时候,可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他空闲计算机系统,从而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换机。

    5.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。

    1.1.4 计算机网络的分类

    1. 按照分布范围分类
    • 广域网(WAN):提供长距离通信,其覆盖范围通常是指经几十千米到几千千米的区域,是因特网的核心部分。
    • 城域网(MAN):城域网的覆盖范围是几个街区到一个城市,城域网大多是采用以太网技术
    • 局域网(LAN)
    • 个人区域网(PAN)
    1. 按传输技术分类
    • 广播式网络:所有联网计算机共享一个通信信道。

    • 点对点网络:每一条物理链路连接一对计算机。

    1. 按拓扑结构分类
    • 总线型网络
    • 星型网络
    • 环形网络
    • 网状网络
    1. 按使用者分类
    • 公用网
    • 专用网
    1. 按交换技术分类
    • 电路交换网络
    • 报文交换网络
    • 分组交换网络
    1. 按传输介质分类

    分为有线和无线两大类。有线网络分为双绞线网络、同轴电缆等。无线网络分为蓝牙、微波和无线电等。

    1.5 计算机网络标准化工作

    因特网标准都以RFC的形式在因特网上发布,但是并非每一个RFC都是因特网标准。

    • 国际标准化组织(ISO)
    • 国际电信联盟(ITU)
    • 国际电气电子工程师协会(IEEE)

    1.6 计算机网络的性能指标

    • 带宽:物理上表示通信线路允许通过的信号频带范围,单位是Hz。在计算机网络中表示网络通信链路所能够传输数据的能力,是数字信道所能传输的“最高数据传输速率

    • 时延:指的是数据从网络的一端传输到另一端所需的时间,由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延组成

      • 发送时延:指的是将一个分组推向链路所需要的时间,又称传输时延

        发送时延 = 分组长度/信道宽度

      • 传播时延:指的是电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间,计算公式为

        传播时延 = 信道长度/电磁波传播速率

      • 处理时延:数据在交换节点为存储转发进行的一些必要处理所花费的时间

      • 排队时延:分组进入路由器后在输入队列中等待发送的时间

    • 时延带宽积:指的是发送端的第一个比特到达终点时,发送端发送了多少个比特,时延带宽积=传播时延x信道带宽

    • 往返时延(RTT)

    • 吞吐量:吞吐量受网络带宽或者网络额定速率的限制。

    • 速率:指连接到网络上的主机在数字信道上传输数据的速率

    • 信道利用率:某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

    1.2 计算机网络体系结构和参考模型

    1.2.1 协议、接口和服务

    1.协议
    协议是规则的集合,为进行网络中的数据交换建立的规则和标准称之为网络协议。一个协议一般是在两个或者多个对等方之间的。
    比如说TCP协议是存在于运输层的,是在运输层设备之间起作用的协议,不会存在于网络层。同样,网络层的设备(路由)和运输层的设备(主机)之间是不存在协议的
    协议由语法、语义和同步三部分组成。语法规定传输数据的格式,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,事件先后次序等等。

    2.接口
    接口是同一个节点内相邻两层交换信息的连接点,是一个系统的内部规定。每层只能为相邻的层次定义接口而不能跨层定义。同一节点相邻两层的实体使用服务访问点SAP进行交互。而服务正是通过SAP提供给上层使用的。
    上述的结点可以理解为一台电脑,在一台连接到互联网的电脑上,会有若干个网络层级,他们相互交换信息,比如说一台主机的网络层和运输层之间会存在SAP,网络层通过SAP向位于它上层的运输层提供信息

    3.服务
    服务时下层为紧邻的上层提供的功能调用,是一种垂直的概念。上层使用下层提供的服务需要一些指令,这些指令在OSI中被称为服务原语,主要有4类:请求、指示、响应和证实。计算机能够可以提供的服务主要分为三种:

    1. 面向连接服务和无连接服务
      面相链接服务在通信前双方需要先建立连接,典型的就是TCP/IP的三次握手;与之对应的无连接服务则不需要建立连接,比如说UDP协议
    2. 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,能够保证数据可靠并正确地传送在目的地。不可靠服务是指网络知识尽量正确可靠地传输,而不保证正确
    3. 有应答服务和无应答服务
      有英大服务是指接受双方在收到数据后给发送发给出相应的应答,这种应答是对用户透明的。

    1.2.3 OSI参考模型和TCP/IP模型

    OSI模型

    该模型包含以下各层
    1.物理层

    • 传输单位:比特
    • 功能:透明传输比特流,在物理媒体上为数据段设备透明传输原始比特流。
    • 协议:EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等

    物理层规定了通信链路和通信节点之间电路接口的参数,比如机械形状和尺寸等,例子就是RJ45网线口。物理层也规定了通信链路上传输的信号的意义和电器特征
    2.数据链路层

    • 传输单位:数据帧
    • 功能:透明传输、差错控制、流量管理和传输管理
    • 协议:SDLC、HDLC、PPP、STP等

    3.网络层

    • 传输单位:数据报、分组(数据报是经过切分后的分组)
    • 功能:把网络层的数据单元从源传输到目的端,负责对通信子网的运行和控制。关键问题是对分组进行路由选择。并且实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。
    • 别名:网际层、IP层
    • 协议:IP

    4.传输层(运输层)

    • 传输单位:报文段(tcp)或用户数据报(utp)
    • 功能:负责主机中两个进程之间的通信,功能是提供端到端的传输服务。和数据链路层不同的是,数据链路层是点到点的,指的是主机之间的通信。
    • 协议:TCP和UDP

    使用传输层的服务,可以使得高层用户在不考虑通信子网的具体结构的情况下, 进行端对端的传输

    5.会话层
    会话层负责管理不同主机上各个进程之间的会话。主要提供的服务是为上层进程建立连接并且在连接上有序的传输数据,也称为建立同步。

    6.表示层
    表示层主要处理两个通信系统中交换信息的表示方式,通过采用标准方法定义数据结构,使得不同的格式的信息可以相互传输。数据压缩、加密和解密也是在这一层中实现的。

    7.应用层
    OSI模型最高层,是用户和网络直接交互的层次,应用层需要采用各种不同的协议来满足用户不同的需求。

    TCP/IP模型

    该模型主要采用四层:网络接口层、网际层、传输层和应用层。

    两者比较
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