计算机网络体系结构

(一)计算机网络概述

计算机网络的概念、组成与功能

概念：

计算机网络

三网融合：电信网络、有线电视网络、计算机网络
计算机网络是一个互连的，自治的计算机集合。
自治计算机:能够进行自我管理，配置和维护的计算机。

internet(互连网)指由多个计算机网络互连而成的网络，网络间的通信协议是可以任意的。

Internet(互联网)指当前全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的特定互连网采用TCP/IP协议族作为通信协议，其前身是美国ARPANET。

功能：

数据通信(连通性)

数据在信道上进行传输，保证不同主机之间的连通性。
是计算机网络最重要和最基本的功能。
包括：连续控制，传输控制，路由选择，流量控制，差错控制，多路复用等子功能。

资源共享

硬件资源共享 软件资源共享 数据资源共享

分布式处理 信息综合处理 提高可靠性 负载均衡

分布式处理 ：多台计算机各自承担同一任务的不同部分。

信息综合处理：将分散在各地计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理。

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。

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。

……

发展的三个阶段

1. 从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
2. 建立了三级结构的互联网
3. 逐渐形成了多层次ISP结构的互联网
   互联网服务提供者ISP：任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可以从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入到互联网。根据不同层次分为：主干ISP、地区ISP和本地ISP。

组成：

物理组成：

硬件

端系统 (主机)
通信处理机
通信链路 (光纤 双绞线… ）
通信设备( 路由器 交换机… )

软件

端系统上的各种应用软件。

协议

为进行网络中的数据交换而建立的一系列规则和约定的集合。

功能/逻辑组成：

通信子网

传输介质，通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输，交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。(实现数据通信)

资源子网

由主机，终端以及各种软件资源，信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向全网用户提供网络资源与服务。 (实现资源共享/数据处理)

工作方式：

边缘部分

由所有连接在互联网上的主机(端系统)组成。用户直接使用，主机进行资源共享和通信：传送数据、音频或视频
通信方式：客户/服务器方式(C/S方式)和 对等方式(P2P方式)

核心部分

由大量网络和连接这些网络的路由器组成
(为边缘部分提供服务，(提供连通性和交换)路由器按存储转发方式进行分组交换)
路由器：实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组。

分类：

按分布范围分类

广域网WAN：(交换技术)
城域网MAN：
局域网LAN：(广播技术)
个人区域网PAN：

按拓扑结构分类

总线型网络：
星型网络：
环形网络：
网状形网络：(常用于广域网)

按传输技术分类

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)

按使用者分类

公用网：中国电信，中国移动…
专用网：铁路，军队，银行…

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：

计算机网络的标准化工作及相关组织

实现不同厂商的硬件和软件之间互联互通，必须遵从统一的标准。

标准分类

法定标准:有权威机构制定的正式的，合法的标准。(7层OSI参考模型)
事实标准:某公司的产品在竞争中占据主流，这些产品中的技术和协议成为了标准。(4层TCP/IP参考模型)

计算机网络的标准化工作

需要经历以下四个步骤：
1 因特网草案(还不是RFC文档)
2 建议标准(RFC文档：因特网标准的形式)
3 草案标准(2011年起，取消该阶段)
4 互联网标准(达到正式标准，分配一个编号STDxx，可以和多个RFC文档关联)

除建议标准和互联网标准，还有历史的、实验的和提供信息的三种RFC文档。

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
美国电气和电子工程师协会(IEEE):学术机构 IEEE802系列标准 5G相关协议
Internet工程任务组IETF:负责因特网相关标准的制定

(二)计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构是计算机网络的各个层次及其协议的集合。

计算机体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

计算机网络体系结构简称网络体系结构(分层结构)。

每层遵循某个or某些网络协议完成本层的功能。

第n层向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层的服务，还包含由下层服务提供的功能。

仅仅在相邻层有接口，且提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

为什么分层

计算机网络是个非常复杂的系统，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而分层可以将庞大而复杂的问题，转化为若干个较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较容易研究和处理。

如何分层

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序。
典型应用层服务：文件传输(FTP) 电子邮件(SMTP) 万维网(HTTP)…

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：
数据格式交换
数据加密解密
数据压缩恢复
协议：JPEG ASCII

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。(建立同步SYN)
功能：
建立 管理 终止会话
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(适用传输大文件)
协议:ADSP ASP

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:
可靠传输，不可靠传输
差错控制
流量控制
复用分用
协议:TCP UDP

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通信服务，传输单位是数据报
功能:
路由选择
流量控制
差错控制
拥塞控制
协议:IP IPX ICMP IGMP ARP RARP OSPF

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。传输单位为帧。
功能:
成帧(定义帧的开始和结束)
差错控制(帧错 + 位错)
流量控制
访问(接入)控制 (控制对信道的访问)
协议:SDLC HDLC PPP STP

物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。传输单位为比特。
功能:
定义接口特性
定义传输模式(单工资半双工 双工)
定义传输速率
比特同步
比特编码
协议:Rj45 802.3

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。
灵活性好。除接口之外，任意一层发生变化，其上或其下层不受影响。
结构上可分隔开。每层采用最合适的技术实现。
易于实现和维护。
整个分层结构促进标准化工作。

实体

表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。(进程)

第n层中的活动元素称为n层实体，同一层次的实体称为对等实体。

不同机器上的同一层次称为对等层。

协议(水平)

控制网络中的两个对等实体进行通信的规则，标准或约定称为网络协议。
协议三要素：
语法：规定传输数据与控制信息的结构或格式。(怎么讲)
语义：规定需要发出何种控制信息，完成各种动作以及做出各种响应。(讲什么)
同步：规定各种操作的顺序。(时序)
两种形式：
文字描述、程序代码

接口(访问服务点SAP)

表示同一结点相邻层之间交换信息的连接点，下层提供接口向上层提供服务服务点。

SDU服务数据单元

为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

PCI协议控制信息

控制协议操作的信息。

ICI接口控制信息

控制接口操作的信息。

PDU协议数据单元

同等层对等实体之间传送的数据单元。
n-PCI + n-SDU = n-PDU

IDU接口数据单元

相邻层接口之间的数据单元。
n-ICI + n-SDU = n-IDU

服务（垂直)

各层向它的直接上层提供的功能调用(一组原语操作)。

下层向上层通过接口通过服务。

面向连接的服务

当通信双方通信时，要事先建立一条通信线路，该线路
面向无连接的服务包括建立连接，使用连接和释放连接三个过程。

电话系统是一个面向连接的模式。

面向无连接的服务

通信双方不需要事先建立一条通信线路，而是把每个目的地址的包(报文分组)传送到线路上，由系统选定线路进行传输，IP和UDP就是两种无连接服务的协议。
邮政系统是一个无连接的模式。

有应答服务

接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答。

无应答服务

接收方收到数据后不自动给出应答。

可靠服务

网络具有检错，纠错，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

网络不能保证数据正确，可靠地传送到目的地，只能尽量正确，可靠。

ISO/OSI参考模型 TCP/IP参考模型

为了解决计算机网络复杂的大问题，将之拆解成小问题，按功能分层解决。

IBM公司第一个参考模型 SNA网络体系结构
DEC公司提出DNA网络体系结构
美国国防部提出TCP/IP网络体系结构
……(均被各公司垄断)

为了支持异构网络系统的互联互通，国际标准化组织ISO于1984年提出开发(非垄断)系统互联(OSI)参考模型。

五层参考模型

易错问题

OSI/ISO参考模型的网络层 即有连接服务也有无连接服务。

TCP/IP协议的网络层只有无连接服务。
网络层传输采用IP分组，IP分组头部含有源IP地址和目的IP地址，不是虚电路号，采用数据报服务;IP分组头部没有多分组进行编号和提供校验字段，所以是不可靠服务;IP分组头部没有相关建立连接字段，所以网络层属于无连接服务。

OSI/ISO参考模型的传输层 只有面向连接服务，
TCP/IP协议的传输层 既有面向连接服务也有面向无连接服务。

计算机网络性能指标

速率

又称 数据率/数据传输率/比特率

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据位数的速率。

MB/s 指兆字节每秒 指每秒传输的字节数量。
Mbit/s 指兆比特每秒 指每秒传输的比特数(位数)。

一般家庭上网是2M宽带，默认为2Mbit/s，而2M=2000k，因此下载速度限制在250kB/s。

在描述磁盘容量时用KB，K=2¹⁰
在描述宽带或者数据传输率时，kbit/s，k=10³

速率单位：1Tbps (太)= 10³Gbps (吉)= 10⁶ Mkps (兆)= 10⁹kbps (千)= 10¹²bps

存储单位：1Byte(字节) =8 bit(比特)
1TB = 2¹⁰GB = 2²⁰MB= 2³⁰KB

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，单位为赫兹（Hz)。

计算机网络中，带宽表示网络通信线路传输数据的能力，通常指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s

或者可以说，网络设备所支持的最高速度。

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。

受到网络的带宽和额定速率的影响。

特殊记忆:链路带宽 > 吞吐量 = 速率和

时延

指数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位为s。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 一般排队时延和处理时延忽略不计。

发送时延/传输时延

主机或路由器从发送数据帧的第一个比特开始，到该帧最后一个比特发送完毕所需的时间。

发送时延 = 数据帧长度(bit 容量) / 信道带宽(bit/s 发送速率）

传播时延

电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间，取决于电磁波传播速度和链路长度。

电磁波速度在真空中与光速(3x10^{8m/s)一致，在链路中速度有所损耗，大致在2x10}8m/s。

传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

排队时延

分组在进入网络传输时，经过许多路由器，进入路由器后在输入队列等待处理，在路由器查找路由表确定转发接口后，在输出队列中排队等待转发。

处理时延

主机或路由器在接收到分组时进行处理所需要的时间。

分析分组首部，提取分组中数据部分，差错检验，和查找适当路由器。

易错问题

高速网络链路，提高的只是数据发送速率，减小了数据的发送时延。

接收时延包含在发送时延和传播时延中。

时延带宽积

又称：以比特为单位的链路长度，即“某段链路的数据容量”。
时延带宽积 (bit) = 传播时延 (s) x 带宽(发送速率 b/s)

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，接收方收到数据后立即发送确认，到发送方收到接收方到确认，总共经历的延时。

ping ip地址 / 域名 (如www.baidu.com)
time = 35.253 ms

RTT越大，在收到确认前，发送的数据越多。

往返时延RTT = 往返传播时延 + 末端处理时间 = 传播时延 x 2 + 末端处理时间

利用率

信道利用率

指某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有+无)数据通过的时间

网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均值。

信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
因此拥有较大主干网的ISP通常控制信道利用率不超过50%，否则就要准备扩容，增大线路的带宽。

计算机网络