第1章 计算机网络体系结构

王道学习
【考纲内容】
（一）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；
           计算机网络的性能指标
（二）计算机网络体系结构与参考模型
           计算机网络分层结构；计算机网络协议、接口、服务的概念；
           ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
【复习提示】
本章主要介绍计算机网络体系结构的基本概念，读者可以在理解的基础上适当地记忆。重点掌握网络的分层结构（包括5层和7层结构），尤其是ISO/OSI参考模型各层的功能，以及相关协议、接口和服务等概念。熟悉有关网络的各种性能指标，特别是时延、带宽、速率等的计算。

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

1.1.2 计算机网络的组成与功能

1.1.2.1 计算机网络的组成

1.1.2.2 计算机网络的功能

（1）数据通信
        数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并联系分散在不同地理位置的计算机，进行统一的调配、控制和管理。例如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络就无法实现。

（2）资源共享
        资源共享既可是软件共享、数据共享，又可是硬件共享。它使计算机网络中的资源互通有无、分工协作，从而极大地提高了硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

（3）分布式处理
        当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源来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代机。

（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。

1.1.3 电路交换、报文交换与分组交换

1.1.3.1 电路交换

1.1.3.2 报文交换

1.1.3.3 分组交换

1.1.3.4 性能分析

1.1.4 计算机网络的分类

        1、按分布范围分类
        1）广域网(WAN)。广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常是直径为几十到几千千米的区域。广域网是互联网的核心部分。连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
        2）城域网(MAN)。城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市，覆盖区域的直径为5～50km。城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围讨论。
        3）局域网(LAN)。局域网一般用主机通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常是直径为几十到几千米的区域。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。注：如今的局域网几乎都是采用“以太网交换技术”实现，因此“以太网”几乎成了“局域网”的代名词。
        4）个人区域网(PAN)。个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网(WPAN)。
        2、按传输技术分类
        1）广播式网络。所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会“收听”到这个分组。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播通信技术。
        2）点对点网络。每条物理线路连接一对计算机。若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行存储和转发，直至目的结点。
        3、按拓扑结构分类
        星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

        4、按使用者分类

        5、按传输介质分类

1.1.5 计算机网络的性能指标

1）速率



2）带宽





3）吞吐量

4）时延





5）时延带宽积



6）往返时延


7）信道利用率

1.1.6 本节习题精选

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

        计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(Architecture)。换言之，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其所应完成的功能的精确定义。要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件和软件完成的，是一个遵循这种体系结构的实现(Implementation)问题。体系结构是抽象的，而实现规则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。计算机网络体系结构通常是具有可分层的特性，它将复杂的大系统分成若干较容易实现的层次。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

        1、协议

        2、接口

        3、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，但要实现本层协议，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。

        计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类：

1.2.3 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

        1、OSI参考模型

        下面详述OSI参考模型各层的功能。
        （1）物理层(Physical Layer)

        （2）数据链路层(Data Link Layer)

        （3）网络层(Network Layer)

        （4）传输层(Transport Layer)

        （5）会话层(Session Layer)

        （6）表示层(Presentation Layer)

        （7）应用层(Application Layer)

        2、TCP/IP模型

        3、TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

1.2.4 本节试题精选

1.3 本章小结及疑难点

        1、互联网使用的IP协议是无连接的，因此其传输是不可靠的。这样容易使人们感到互联网很不可靠。为什么当初不把互联网的传输设计为可靠的呢？
        传统电信网的主要用途是电话通信，且普通电话机不是智能的，因此电信公司必须花费巨大的代价将电信网设计得非常可靠，以保证用户的通信质量。
        数据的传送显然必须可靠。当初设计ARPnet时，很重要的讨论内容之一是“谁应当负责数据传输的可靠性？”一种意见是主张像电信网那样，由通信网络负责数据传输的可靠性(因为电信网的发展史及技术水平已经证明，人们可将网络设计得相当可靠)。另一种意见则主张由用户主机负责数据传输的可靠性，理由是这样可使计算机网络便宜、灵活。
        计算机网络的先驱认为，计算机网络和电信网的一个重大区别是终端设备的性能差别很大。于是，他们采用了“端到端的可靠传输”策略，即在传输层使用面向连接的TCP协议，这样既能使网络部分价格便宜且灵活可靠，又能保证端到端的可靠传输。

        2、端到端通信和点到点通信有什么区别？
        本质上说，由物理层、数据链路层和网络层组成的通信子网为网络环境中的主机提供点到点的服务，而传输层为网络中的主机提供端到端的通信。
        直接相连的结点之间的通信称为点到点通信，它只提供一台机器到另一台机器之间的通信，不涉及程序或进程的概念。同时，点到点通信并不能保证数据传输的可靠性，也不能说明源主机与目的主机之间是哪两个进程正在通信，这些工作都由传输层来完成。
        端到端通信建立在点到点通信的基础上，由一段段点到点通信信道构成,以完成应用程序(进程）之间的通信。“端”是指用户程序的端口，端口号标识了应用层中的不同进程。

        3、如何理解传输速率和传播速率？