第一章 計算機網絡體系結構
文章目錄
1.1計算機網絡的概述
1.1.1 計算機網絡的概念
計算機就是將分散的、具有獨立功能的計算機系統，
通過通信設備與線路連接起來，由功能完善的軟件實現資源共享和信息傳遞的系統。
簡而言之：計算機網絡就是一些互聯的、自治的計算機系統的集合。
在計算機網絡發展的不同階段，人們對計算機由三類不同的定義：
1.廣義觀點：
能夠實現遠程信息處理的系統或能進一步達到資源共享的系統，都是計算機網絡。
2.資源共享觀點：
以能夠相互共享資源的方式互聯起來的自治計算機系統集合。
3.用戶透明性觀點：
能夠爲用戶自動管理資源的網絡操縱系統，它能夠調用用戶所需要的資源，而整個網絡就像一個大的計算機一樣對用戶是透明的。
1.1.2 計算機網絡的組成
1.從組成部分上看：
由硬件、軟件、協議三大部分組成。
2.從工作方式上看：
邊緣部分 ： 主機 用來進行通信和資源共享
核心部分 ： 網絡、路由器 爲邊緣部分提供連通性和交換服務。
3.從功能組成上看：
通信子網：傳輸介質、通信設備、網絡協議 --> 實現計算機之間的數據通信。
資源子網：實現資源共享功能的設備及其軟件的集合。
1.1.3 計算機網絡的功能
1.數據通信（最基本功能）：
實現互聯網計算機之間的各種信息的傳輸，並將分散在不同地理位置的計算機聯繫起來，進行統一的調配、控制和管理。如：文件傳輸。
2.資源共享：
使計算機網絡中的資源互通有無、分工協作、從而提高硬件資源、軟件資源和數據資源的利用率。
3.分佈式處理：
分配任務給網絡中的其他計算機系統，提高整個系統的利用率。
4.提高可靠性：
計算機網絡中的各臺計算機可以通過網絡互爲替代機。
5.負載均衡：
將工作任務均衡地分配給計算機網絡中的各計算機。
1.1.4 計算機網絡的分類
1.按分佈範圍分類
- 廣域網
- 城域網
- 局域網
- 個人區域網
2.按傳輸技術分類：
- 廣播式網絡：所有計算機都共享一個公共通信信道。
- 點對點網絡：每條物理線連接一對計算機。（可由中間結點接收、存儲和轉發，直至目的結點）
3.按拓撲結構分類：
- 總線形網絡
- 星形網絡
- 環形網絡
- 網狀形網絡
4.按使用者分類:
- 公用網
- 專用網
5.按交換技術分類：
- **電路交換網絡：****優：**直接傳送，時延小；**缺點：**線路利用率低、不能充分利用線路容量、不便於差錯控制。
- **報文交換網絡（**也稱存儲-轉發網絡）：**優：**較爲充分利用線路容量、可實現差錯控制；**缺：**增大了資源開銷、增加了緩衝時延。
- 分組交換網絡：**優點：**緩衝易於管理、時延更小。
1.1.5 計算機網絡標準化工作及相關組織
1. RFC(Request For Comments)上升爲因特網正式標準需經過以下4個階段。
1.因特網草案（Internet Draft）。這個階段還不是RFC文檔。
2.建議標準（Proposed Standard）。從這個階段就成爲RFC文檔。
3.草案標準（Draft Standard）。
4.因特網標準（Internet Standard）。
2. 相關組織
1.國際標準化組織（ISO）。制定的主要網絡標準或規範有OSI參考模型、HDLC等。
2.國際電信聯盟（ITU）。其前身爲國際電話電報諮詢委員會（CCITT）,其下屬機構(ITU-T)制定了大量有關遠程通信的標準。
3.國際電氣電子工程師協會（IEEE）。世界上最大的專業技術團體，由計算機和工程學專業人士組成。IEEE在通信領域最著名的研究成果是802標準。
1.1.6 計算機網絡的性能指標
1.帶寬
- 本來表示通信線路允許通過的信號頻帶範圍，單位是赫茲（Hz）。
- 在計網中，表示網絡的通信線路所能傳送的數據能力，是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是比特/秒（b/s）。
2. 時延
指數據（一個報文或分組）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的總時間。由四部分構成：
2.1 發送時延
計算公式 ： 發送時延 = 分組長度/信道寬度
1.結點將分組的所有比特推向（傳輸）鏈路所需的時間，
2.即從發生分組第一個比特算起，到該分組的最後一個比特發送完畢所需時間，
3.因此也稱爲傳輸時延。
2.2 傳播時延
計算公式 ： 傳播時延 = 信道長度/電磁波在信道上的傳播速率
電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間，即一個比特從鏈路一端到另一端所需的時間。
2.3 處理時延
數據在交換結點爲存儲轉發而進行的一些必要的處理所花費的時間。
如：分析分組的首部、提取數據、進行差錯檢驗和查找適當路由等...
2.4 排隊時延
分組進入路由器後要先在輸入隊列、輸出隊列中排隊等待處理。
3.時延帶寬積
時延帶寬積 = 傳播時延 * 信道帶寬
指發送端發送第一個比特即將到達終點時，發送端已經發出了多少個比特。
4. 往返時延（Round-Trip Time RTT）
指發送端發送數據開始，到發送端收到來自接收端的確認(接收端收到數據後立即發送確認)，總共經歷的時延。
5. 吞吐量
指單位時間內通過某個網絡的數據量。受到網絡帶寬或網絡額定速率的限制。
6. 速率
1.網絡中的速率是指連接計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，也稱數據率或比特率，單位爲b/s（比特/秒）。
2.數據率較高時，可用kb/s、Mb/s或Gb/s表示。
3.在計網中，通常把最高數據率稱爲帶寬。
7.信道利用率
1.指出某一信道有百分之多少時間是有數據通過的。
2.信道利用率 = 有數據通過數據時間/（有+無）數據通過時間。
1.2 計算機網絡體系結構語參考模型
1.2.1 計算機網絡分層結構
1. 爲什麼要分層？
1.爲了降低協議設計和調試過程的複雜性、
2.爲了方便於網絡進行研究、實現、促進標準化工作。
2. 什麼網絡體系結構？
1.計網的各層及其協議的集合稱爲網絡體系結構（Architecture）。
2.換言之，就是這個計算機網絡及其對應所完成的功能的精確定義，
它是計網中的層次、各層的協議及層間接口的集合。
3. 分層的基本原則?
1.每層都實現一種相對獨立的功能，降低大系統的複雜度。
2.各層之間界面自然清晰，易於理解，相互交流儘可能少。
3.各層功能的精確定義獨立於具體的實現方法，可以採用最適合的技術來實現。
4.保持下層對上層的獨立性，上層單向使用下層提供的服務。
5.整個分層結構應能促進標準化工作。
在計網分層結構中，第n層的活動元素通常稱爲n層實體，
不同機器上的同一層稱爲對等層，同一層實體稱爲對等實體。
4.各層次的報文分爲兩部分組成？
1.數據部分(服務數據單元)（SDU） n-SDU
2.控制信息部分（協議控制信息）（PCI） n-PCI
3.共同組成協議數據單元（PDU） n-PDU
不同層的協議數據單元有不同名稱。
三者關係：
n-SDU + n-PCI = n-PDU = （n-1）SDU
5.層次結構的含義？
1.第n層使用第n-1服務，同時爲第n+1層提供服務。
2.上一層只能通過相鄰層間的接口使用下一層的服務；下一層所提供的服務實現細節對上一層透明。
3.兩臺主機通信時，對等層在邏輯上有一條直接信道。
1.2.2 計算機網絡協議、接口、服務的概念
1.協議
協議：就是規則的集合。（網絡協議）
這些規則明確規定了所交換的數據的格式及有關的同步問題。（不對等實體之間沒有協議）
1.1 協議的組成
1.語法：規定傳輸數據的格式
2.語義：規定所要完成的功能。
3.同步：規定了執行各種操作的條件、時序關係等，即實現順序的詳細說明。
一個完整的協議:
具有線路管理、差錯控制、數據轉換等功能。
2.接口
接口時是同一結點內相鄰兩層交換信息的連接點，是一個系統內部的規定。
同一結點相鄰兩層實體通過服務訪問點（SAP)進行交互。
3. 服務
1.是指下層爲緊鄰的上層提供的功能調用，是垂直的。
2.上層使用下層提供的服務時必須與下層交換一些命令（服務原語）
1.請求
2.指示
3.響應
4.證實
計算機網絡提供的服務可按以下三種方式分類
1.面向連接服務（如TCP）和無連接服務（如UDP）
2.可靠服務和不可靠服務
3.有應答服務和無應答服務
1.2.3 ISO/OSI參考模型與TCP/IP模型
1. OSI 參考模型（7層）
國際標準化組織（ISO）提出的網絡體系結構模型。
- 低三層：通信子網
- 高三層：資源子網
1.物理層
物理層的傳輸單位是比特，任務是透明的傳輸比特流，功能是在物理媒介上爲數據端設備透明地傳輸原始比特流。
2.數據鏈路層
數據鏈路層的傳輸單位是幀，任務是將網絡層傳來的IP數據包組裝成幀。數據鏈路層的功能可以概括分爲成幀、差錯控制、流量控制、和傳輸管理等。
3.網絡層
網絡層的傳輸單位是數據報，它關心的是通信子網運行控制，主要任務把網絡層的協議數據單元（分組）從源端到目的端，爲分組交換網上不同主機提供通信服務。
4.傳輸層
傳輸單位是報文段或用戶數據報，傳輸層負責主機中兩個進程之間的通信，功能爲端到端連接提供可靠的傳輸服務，爲端到端連接提供流量控制、差錯控制、服務質量、數據傳輸管理服務。
5.會話層
會話層允許不同主機上各進程之間進行會話。
6.表示層
主要處理兩個通信系統中交換信息的表示方式。
7.應用層
應用層是OSI 模型的最高層，是用戶與網絡的界面。應用層爲特定類型的網絡應用提供訪問OSI環境的手段。
2. TCP/IP 模型
1.網絡接口層
功能類似於OSI的物理層和數據鏈路層。
2.網際層
是TCP/IP體系結構的關鍵部分。它和OSI網絡層功能相似。
3.傳輸層
4.應用層
3. TCP/IP模型與OSI參考模型的比較
3.1 相似點
1.都採取分層結構。
2.都是基於獨立的協議棧的概念。
3，都可以解決異構網絡的互聯。
3.2 不同點
1.OSI參考模型精確定義了：服務、協議和接口三個主要概念。TCP/IP模型卻沒有明確區分。
2.OSI參考模型產生在協議發明之前，沒有偏向於任何特定協議，通用性好。TCP/IP正好相反。
3.TCP/IP模型在設計之初考慮到了多種異構的互聯問題，並將網際協議（IP）作爲一個單獨的重要層次。OSI參考模型最初只考慮用一種標準的公用數據網將不同的系統互聯。
4.OSI參考模型在網絡層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅有面向連接的通信，
TCP/IP模型認爲可靠性是端到端的問題，因此它在網際層僅有無連接的通信模式，但傳輸層支持無連接和面向連接兩種模式。
1.2.4 五層體系結構
採取折中原則，即綜合OSI和TCP/IP的優點。
1.物理層
2.數據鏈路層
3.網絡層
4.傳輸層
5.應用層