Gauss Zhou

# 计算机网络体系结构

知识结构

  • 计算机网络概述
    • 计算机网络的概念、组成与功能；计算机网络的分类
    • 计算机网络的标准化工作及相关组织
  • 计算机网络体系结构与参考模型
    • 计算机网络分层结构；计算机网络协议、接口、服务等概念
    • ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

# 1.1 计算机网络概述

# 1.1.1 基本概念

在计算机网络发展的不同阶段，人们对计算机网络给出了不同的定义，这些定义反映了当时网络技术发展的水平。这些定义可分为以下三类：

  1. 广义观点。只要是能实现远程信息处理的系统都是计算机网络
  2. 资源共享观点。以能够相互共享资源的方式互联起来的计算机系统的集合
  3. 用户透明性观点。存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，是网络未来发展追求的目标。

# 1.1.2 组成

从不同的角度，可以将计算机网络的组成分为以下几类：

  1. 从组成成份上看，一个完整的计算机网络主要有硬件、软件、协议三大部分组成。
  2. 从工作方式上看，计算机网络可分为边缘部分和核心部分。
  3. 从功能组成上看，计算机网络有通信子网和资源子网组成。

# 1.1.3 功能

计算机网络主要有以下五大功能：

  1. 数据通信。最基本也是最重要的功能
  2. 资源共享。提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率
  3. 分布式处理。可以将复杂任务分配给其他计算机，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相替代
  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 分类

  1. 按分布范围分类
    1. 广域网
    2. 城域网
    3. 局域网
    4. 个人区域网
  2. 按传输技术分类
    1. 广播式网络
    2. 点对点网络
  3. 按拓扑结构分类
    1. 星型网络。每个设备都以单独的线路和中央设备相连。常用于局域网
    2. 总线型网络。用单根传输线链接所有节点
    3. 环型网络。连接成环
    4. 网状型网络。每个节点至少有两条路径和其他节点相连。常用于广域网
  4. 按使用者分类
    1. 公用网
    2. 专用网
  5. 按交换技术分类
    1. 电路交换网络。举例：传统电话网络
    2. 报文交换网络。
    3. 分组交换网咯。现在的主流网络基本都可视为分组交换网络。
  6. 按传输介质分类
    1. 有线：双绞线、同轴电缆、光纤等
    2. 无线：蓝牙、微波、无线电等

# 1.1.5 标准化

RFC 上升为因特网正式标准的 4 个阶段

  • 因特网草案
  • 建议标准(RFC)
  • 草案标砖
  • 因特网标准(正式标准)

# 1.1.6 性能指标

常用性能指标如下：

  • 带宽
  • 时延。 总时延 = 发送 + 传播+ 处理 + 排队
  • 时延带宽积 传播时延 x 信道带宽
  • 往返时延
  • 吞吐量。
  • 速率。单位比特每秒

# 1.2 计算机网络系统结构与参考模型

# 1.2.1 分层结构

两个系统中实体间的通信是一个很复杂的过程，为了降低协议设计和调试过程的复杂性，为了便于对网络进行研究、实现和维护，促进标准化工作，通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。

我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。

分层的基本规则如下：

  1. 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂性
  2. 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
  3. 各层功能的精确定义独立于具体的实现方式，可以采用最合适的技术来实现
  4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  5. 整个分层结构应能促进标准化工作

# 1.2.2 网络协议，接口，服务

  1. 协议

协议，就是规则的集合。在网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些实现约定好的规则。

协议有语法、语义和同步三部分组成。

  • 语法规定了传输数据的格式；
  • 语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答
  • 同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等
  1. 接口

接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。

  1. 服务

服务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，单要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。

计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类

  • 面向连接服务和无连接服务
  • 可靠服务和不可靠服务
  • 有应答服务和无应答服务

# 1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

ISO/OSI 参考模型

国际标准化组织提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型，通常简称为 OSI 参考模型。OSI 有 7 层，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网，高三层统称为资源子网，传输层承上启下。

  1. 物理层

物理层的传输单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理提没上为数据端设备透明地传输原始比特流。

  1. 数据链路层

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。

  1. 网络层

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、差错控制和网际互连等功能。

网络层的协议有 IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF 等。

  1. 传输层

传输层也称运输层，传输单位是报文段或用户数据报，传输层负责主机进程之间的通信，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 等。

  1. 会话层

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用户或用户进程建立连接并在连接上有序的传输数据，这就是会话，也称建立同步。

会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理和终止进程间的会话。

  1. 表示层

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交换能力。

  1. 应用层

应用层使 OSI 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 环境的手段。

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。

TCP/IP 模型

ARPA 在研究 APRAnet 时提出了 TCP/IP 模型，模型从低到高依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。

TCP/IP 模型与 OSI 参考模型的比较

第一，OSI 参考模型精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口，这与面向对象程序设计思想非常温和，而 TCP/IP 没有。

第二，OSI 参考模型产生在协议发明之前，没有偏向于特定的协议，通用性良好

第三，TCP/IP 模型在设计之初就考虑了多种异构网络的互联问题，并将网际协议 IP 作为一个单独的重要层次

第四，OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。而 TCP/IP 模型认为可靠性时端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模型，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

1.1 计算机网络概述
1.1.1 基本概念
1.1.2 组成
1.1.3 功能
1.1.4 分类
1.1.5 标准化
1.1.6 性能指标
1.2 计算机网络系统结构与参考模型
1.2.1 分层结构
1.2.2 网络协议，接口，服务
1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型