计算机网络体系结构

1.计算机网络概述

1.1 计算机网络概念

​ 计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

注意：

（1）区分internet（互连网）和Internet（互联网或因特网）

​ internet：是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

​ Internet：是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络。

（2）网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起。因特网是世界上最大的互联网。

1.2 计算机网络的组成

从不同角度看，计算机网络有不同分类。

（1）从组成部分看可分为：硬件、软件、协议

（2）从工作方式看可分为：边缘部分、核心部分

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-边缘和核心.png

（3）从功能组成看可分为：通信子网、资源子网

1.3 计算机网络的功能

  1. 数据通信
  2. 资源共享
  3. 分布式处理
  4. 提高可靠性
  5. 负载均衡

1.4 电路交换、报文交换与分组交换

参考我的CSDN：三种分组交换方式

其余可参考资料：计算机网络–湖科大–三种交换方式

1.5 计算机网络分类

  1. 按分布范围分类：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人区域网（PAN）
  2. 按传输技术分类：广播式网络、点对点网络
  3. 按拓扑结构分类：总线形网络、星形网络、环形网络、网状网络
  4. 按使用者分类：公用网、专用网
  5. 按传输介质分类：有线、无线
  6. 按交换技术分类：电路交换、报文交换、分组交换

1.6 计算机网络性能指标

1.6.1 速率

​ 速率：指连接到网络上的结点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据传输率、数据率或比特率。单位为b/s（比特/秒）或bit/s（有时也写为bps）。当数据率较高时，可用kb/s（k=103）、Mb/s（M=106）或Gb/s（G=109）表示。

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-速率.png

1.6.2 带宽

​ 带宽：在计算机网络中，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“最高数据传输速率”的同义语，单位是比特/秒（b/s）。

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1.6.3 吞吐量

​ 吞吐量：指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。吞吐量常用在对实际网络的测量中，受网络带宽的限制。

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-吞吐量.png

1.6.4 时延

​ 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的总时间，它由4部分构成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

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1.6.5 时延带宽积

​ 时延带宽积：指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出了多少比特，又称以比特为单位的链路长度。即时延带宽积=传播时延×信道带宽。

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1.6.6 往返时延

​ 往返时延：指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认）总共经历的时延。在互联网中，往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-往返时延.png

1.6.7 信道利用率

​ 信道利用率：用以指出某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

​ 信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-利用率.png

1.6.8 丢包率

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-丢包率.png

2. 计算机网络体系结构

2.1 常见的计算机网络分层结构

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-常见分层结构.png

分层的基本原则：

  1. 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
  2. 各层之间的接口自然清晰，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法，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。

2.2 计算机网络分层的必要性

  1. 计算机网络是个非常复杂的系统。
  2. 分层可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。

（下面是计算机网络面临的主要问题，以及这些问题划分的层次）

2.2.1 物理层解决的主要问题

  1. 采用怎样的传输媒体（介质）
  2. 采用怎样的物理接口
  3. 使用怎样的信号表示比特0和1

需要注意的是：严格来说，传输媒体不属于物理层，它不包含在体系结构中。

举例：在A电脑上使用QQ发送信息给B电脑上的QQ。物理层解决的就是将这组信息转换可在链路上传播的比特流。

2.2.2 数据链路层解决的主要问题

  1. 如何标识网络中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）
  2. 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据（分组的封装格式问题）
  3. 如何协调各主机争用总线

举例：在一段网络上有A、B、C三台电脑。想让A电脑上QQ发送的信息传给B电脑上的QQ。数据链路层解决的就是将这组信息传送到B电脑而不是C电脑。同时保证此时A传给B的消息不会跟C传给B的消息在总线上产生碰撞堵塞。

2.2.3 网络层解决的主要问题

  1. 如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）
  2. 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

举例：想让网络N1上的A电脑上QQ发送的信息传给网络N2上B电脑上的QQ，但这中间还包含着网络段N3、N4，所以传输路径不止一条。而网络层就是解决这组信息走那一段网络中的链路进行传输，路由器将分组转发到哪一标识IP地址的设备上。

2.2.4 传输层解决的主要问题

  1. 如何解决进程之间基于网络的通信问题
  2. 出现传输错误时，如何处理

举例：A电脑有QQ，B电脑上有微信和QQ。想让A电脑上QQ发送的信息传给B电脑上的QQ。传输层就是解决A上的信息传给B上的QQ，而不是B上的微信。当然如果数据出现误码，则会被处理。至于怎样处理就是传输层解决的问题。

2.2.5 应用层解决的主要问题

  1. 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

举例：使用什么样的协议进行数据传输。例如使用http协议进行网页访问。应用层的作用就是指定应用层协议，并根据协议编写应用程序，通过应用进程间交互完成网络应用。

2.2.6 原理体系结构分层解决问题的总结

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-分层处理问题.png

2.3 计算机网络分层体系结构的相关术语及其概念

2.3.1 实体

实体：指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是某个特定的软件模块。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。

2.3.2 协议数据单元（PDU）

协议数据单元（PDU）：对等层之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元。

2.3.3 服务数据单元（SDU）

服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而传送的数据。第n层的SDU记为n-SDU。

注意：当在各层之间传输数据时，将从第n+1层收到的PDU作为第n层的SDU。加上第n层的PCI，就封装成了第n层的PDU，交给n-1层后作为SDU发送。

2.3.4 协议控制信息（PCI）

协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的PCI记为n-PCI。

2.3.5 协议

协议：在网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。网络协议是控制在对等实体之间进行通信的规则的集合、是水平的。

协议由语法、语义和同步三部分组成：

  1. 语法：数据与控制信息的格式。
  2. 语义：即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。
  3. 同步(或时序)：执行各种操作的条件、时序关系等，即时间实现顺序的详细说明。

2.3.6 接口

接口：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点就是接口。而同一结点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（SAP）。每层只能为紧邻的层之间定义接口，而不能跨层定义接口。

2.3.7 服务

服务：是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。对等实体在协议的控制下，使得本层能为上层提供服务，但要实现本次协议，还需要使用下层提供的服务。

当上层使用下层提供的服务时，必须与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

OSI模型将原语划分为四类：请求、指示、响应、证实。

服务的三种分类方式：

  1. 面向连接服务与无连接服务

    面向连接服务：通信前双方必须先建立连接。

    无连接服务：通信前双方不需要先建立连接。

  2. 可靠服务和不可靠服务

    可靠服务：网络具有纠错、检错、应答机制。

    不可靠服务：网络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障。

  3. 有应答服务和无应答服务

    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：接收方在收到数据后不自动给出应答，如需应答，则由高层实现。

2.3.8 总结

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-术语总结.png

3. OSI模型与TCP/IP模型

3.1 OSI参考模型

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-OSI七层模型.png

国际标准化组织（ISO）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。

3.2 OSI模型各层应用

3.2.1 物理层

物理层主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理传输单位是比特。

透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

物理层功能：

  1. 定义接口特性
  2. 定义传输模式（单工、半双工、双攻）
  3. 定义传输速率
  4. 比特同步
  5. 比特编码

主要协议：Rj45、802.3

3.2.2 数据链路层

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（实现点到点传输）。数据链路层/练练车的传输单位是帧。

数据链路层功能：

  1. 物理寻址
  2. 成帧（定义帧的开始和结束）
  3. 差错控制（帧错+位错）
  4. 流量控制（相邻结点间）
  5. 访问（接入）控制（控制对信道的访问）

主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP

3.2.3 网络层

网络层主要任务是分组把源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务（实现主机到主机的通信）。网络层的传输单位是数据报。

网络层的功能：

  1. 路由选择（最佳路径）
  2. 流量控制（整个网络中）
  3. 差错控制
  4. 拥塞控制

注意：若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。

主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

3.2.4 传输层

传输层主要任务是负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信（实现主机的进程之间的通信）。传输单位是报文段或用户数据报。

传输层功能：

  1. 可靠传输、不可靠传输
  2. 差错控制
  3. 流量控制（端到端）
  4. 复用分用（复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

主要协议：TCP、UDP

3.2.5 会话层

会话层的主要任务是向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。这是会话，也是建立同步。

会话层功能：

  1. 建立、管理、终止会话
  2. 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。

主要协议：ADSP、ASP

3.2.6 表示层

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）

表示层的功能：

  1. 数据格式变换
  2. 数据加密解密
  3. 数据压缩和恢复

主要协议：JPEG、ASCLL

3.2.7 应用层

应用层：所有能和用户交换产生网络流量的程序。

典型的应用层服务：

  1. 文件传输（FTP）
  2. 电子邮件（SMTP）
  3. 万维网（HTTP）

3.3 OSI模型通信过程

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-OS通信.png

3.4 TCP/IP参考模型

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-TCP.png

3.5 TCP/IP模型层次结构及各层的主要协议

计算机网络（一）——计算机网络体系结构-TCP各层协议.png

注意：

  1. TCP/IP体系结构的网络接口层并没有规定具体的内容，这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口。因此本质上TCP/IP体系结构只有上面的三层。
  2. TCP向应用层提供可靠传输的服务；UDP向应用层提供不可靠传输服务。

3.6 OSI与TCP/IP模型的比较

3.6.1 相同之处

  1. 二者都采取分层的体系结构，且分层功能大体相似。
  2. 二者都是基于独立的协议栈的概念。
  3. 二者都可解决异构网络的互连，实现不同厂家生产的计算机之间的通信。

3.6.2 不同之处

  1. OSI参考模型精确定义了服务、协议和接口。而TCP/IP模型在这三个概念上没有明确区分。
  2. TCP/IP模型将OSI参考模型的表示层和会话层的功能合并到了应用层，还将数据链路层和物理层合并为网络接口层。
  3. OSI参考模型先有模型，后有协议规范，通用性良好，适合各种网络。TCP/IP模型先有协议栈，后有模型，因此不适合其他的非TCP/IP网络。
  4. OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，而在传输层仅有面向连接的通信。而TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

3.7 补充

补充一个写的挺好的大佬博客（详细且慷慨！）：OSI七层模型、TCP/IP四层模型（超详细！！！！！）-CSDN博客