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31计算机网络体系结构

计算机网络概述

计算机网络，Computer networking：

  • 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，有功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统
  • 不同于多处理器系统，计算机系统尤其是中央处理器相距距离往往很远，因而被称为计算机网络

计算机网络从简单的定义上看

  • 由若干节点node和连接这些节点的链路link组成
  • 节点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等网络设备
  • 链路可以是有线链路、无线链路

集线器Hub：

  • 将多个节点连接起来，组成一个计算机网络的硬件设备
  • 集线器主要工作在物理层，民用领域很少使用集线器

交换机Switch：

  • 也是将多个节点连接起来，组成一个计算机网络的硬件设备
  • 交换机主要工作在数据链路层，家庭、公司、学校通常用交换机组件内部网络

路由器router：

  • 可以把两个或多个计算机网络相互连接起来的硬件设备
  • 路由器主要工作在网络层，路由器量多个计算机网络相互连接，形成规模更大的计算机网络，即"互连网"

市面上出售的家用路由器，不同于此处路由器概念，家用路由器 = 路由器+ 交换机+ 其他功能，功能更加丰富

互联网Internet：又称因特网

计算机网络是computer networking，互连网是internet，互联网/因特网是Internet

  • 由各大ISP和国际机构组建的，把全球范围的计算机网络连接起来，覆盖全球范围的互连网internet，即世界上最大的互连网
    • ISP，Internet Service Provider：
      • 互联网服务提供商，如中国电信/移动/联通
  • 互联网必须使用TCP/IP协议通信，互连网课使用任意协议通信
  • 互联网是开放的，只要按时交网费，你家就可以接入"互联网"
    • 家用路由器通常不会直连运营商路由器，中间会经过更复杂的链路连接

计算机网络组成

计算机网络从组成部分看，可分为：

  • 硬件：
    • 主机：即端系统end system，如电脑、手机、物理网设备
  • 软件：
    • 通信设备：如集线器、交换机、路由器
  • 协议：
    • 通信链路：如网线、光纤、同轴电缆

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硬件主机通过内部安装网络适配器，即网卡，完成通讯过程中协议的保证

  • 负责将主机数据发到网络上，以及接受来自网络的数据
  • 无线网络适配器通常集成在计算机主板中，高性能的有线/无线网卡可能会采用独立供电和并独立占用总线通道，保证其性能

计算机网络从工作方式看，可分为：

  • 边缘部分：
    • 工作方式：直接为用户服务，提供通信、资源共享
    • 边缘部分主要由连接到互联网商的主机及其软件组成
  • 核心部分：
    • 工作方式：为边缘部分提供服务，提供连通性、交换服务
    • 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成

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计算机网络从逻辑功能看，可分为：

  • 资源子网：
    • 计算机网络中运行应用程序，向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的部分
    • 资源子网主要由连接到互联网上的主机组成
  • 通信子网：
    • 计算机网络中负责计算机间信息传输的部分，即把计算机和其他用户装置互连在一起的所有通信设备和介质的总称
    • 通信子网主要由 通信链路 + 通信设备 + 协议 组成
    • 主机内部实现信息传输的网络适配器、底层协议都属于通信子网的范畴

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计算机网络分类

计算机网络按分布范围，可分为：

  • 广域网WAN，Wide Area Network：
    • 又称作远程网，分布范围在几十~几千公里
    • 一般指跨省、跨国、跨洲网络，覆盖范围最大，是因特网的核心部分，使用交换技术（点对点网络）进行通信
  • 城域网MAN，Metropolitan Area Network：
    • 分布范围在几~几十公里
    • 一般指一个或几个相邻城市网络，采用以太网技术进行通信
    • 因此城域网MAN常会并入局域网中进行讨论
  • 局域网LAN，Local Area Network：
    • 分布范围在几十米~几公里
    • 一般指学校/企业/工作单位/家庭网络，通信技术同样采用以太网技术
  • 个域网PAN，Personal Area Network：
    • 分布范围在几十米以内
    • 一般指家庭、个人网络，通常通过 无线技术讲个人设备连接起来，因此也成为无线个域网WPAN

计算机网络按传输技术，可分为：

  • 广播式网络：
    • 当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组
      • 所有联网计算机共享一条公共通信信道
    • 所有无线网络都是广播式网络，广播式网络采用广播技术进行通信
      • 以太网技术也属于广播技术，其数据包的传播方式是广播
      • 但以太网的数据包中包含目标主机MAC地址，只有目标计算机会接受数据包，其他计算机会忽略，因而能够实现点到点通信
  • 点对点网络：
    • 数据只会从发送方"点对点"发到接收方，精准送达
      • 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，则他们之间的分组传输就会通过中间结点进行接收、存储和转发，直到分组传到目的结点
    • 广域网基本属于属于点到点网络，"是否采用分组存储转发和路由选择"是点对点网络和广播式网络的重要区别
      • 路由器转发的数据分组就是点对点网络

计算机网络按(通信子网的)拓扑结构，可分为：

  • 总线型结构网络：
    • 数据"广播式"传输，但存在"总线争用"问题
      • 如，集线器连接的设备
    • 优点：建网，增/减节点容易，节省线路
    • 缺点：高负载时，通信效率低，总线任意一处故障敏感
  • 环形结构网络：
    • 数据"广播式"传输
    • 通过"令牌"解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线
      • 如，令牌环网，流行于2000年以前的局域网技术

      扩展：
      1980年代，主流局域网网络采用令牌环网技术，少部分通过集线器实现以太网技术
      1990年代，出现了以太网交换机
      2000年代，以太网技术取得统治地位，令牌环网技术逐步退出舞台

    • 优点：只有当节点获得令牌时才能传输数据，避免了多个节点同时发数据造成冲突和碰撞
    • 缺点：环路故障敏感，同时搭建和维护成本高
  • 星形结构网络：
    • 由中央设备实现数据的"点对点"传输，且不存在"总线争用"问题
      • 如，以太网交换机连接的设备
    • 优点：便于集中控制与管理
    • 缺点：成本高，中央设备故障敏感
  • 网状结构网络：
    • 数据通过各中间节点逐一存储转发，属于点到点传输
      • 如，由众多路由器构建的广域网
    • 优点：可靠性高
    • 缺点：控制复杂，线路成本高

计算机网络按使用者，可分为：

  • 公用网：向公众开放的网络，也叫做公众网
    • 如：办宽带、交手机话费即可使用的互联网
  • 专用网：仅供某个组织内部使用的网络
    • 如：政府、军队、电力、银行的内部网络

计算机网络按传输介质，可分为：

  • 有线网络：如网线、光纤
  • 无线网络：如5g，wifi，卫星

数据交换技术

交换方式：各主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式

  • 计算机网络按照交换方式可分为电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络

其中分组交换网络还引申出虚电路交换网络，将电路交换技术和分组交换技术相结合

电路交换Circuit Switching：

  • 电路交换技术，通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源，链路中通过电话交换机进行链路连接

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电路交换过程：

  • 建立连接。申请占用通信资源，若不存在可用的通信资源则拒绝其请求
  • 通信。期间一直占用通信资源
  • 释放连接。归还通信资源

电路交换特点：

  • 优点：
    • 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源
    • 数据直送，传输速率高。因此电路交换更适用于低频次、大量地传输数据
  • 缺点：
    • 建立/释放连接，需要额外的时间开销
      • 计算机之间数据往往是"突发式"传输，即往往会高频次、少量地传输数据
      • 建立/释放的时延会直接影响通信的效率
    • 线路被通信双方独占，利用率低
    • 线路分配的灵活性差
    • 交换节点不支持"差错控制"，无法发现传输过程中的发生的数据错误

报文交换：

  • 报文交换技术主要采用存储转发的思想，把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点

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报文交换特点：

  • 优点：
    • 通信前无需建立连接
    • 数据以"报文"为单位被交换节点间"存储转发"，通信线路可以灵活分配
    • 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
    • 通过校验技术，使得交换节点支持"差错控制"
  • 缺点：
    • 报文不定长，不方便存储转发管理
    • 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
    • 长报文容易出错，重传代价高

分组交换：

  • 分组交换技术在报文交换的基础上，将不定长的报文拆分成了若干个定长的分组
  • 分组中包含首部和数据两部分
    • 首部包含分组的控制信息，如源地址、目的地址、分组号等信息
    • 数据即为从报文中拆分的部分
    • 报文拆分乘若干分组，原先的控制信息被复制到了每个分组中，因此输出的实际数据量比原先要多

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  • 相比于报文交换，分组交换做了如下改进：
    • 分组定长，方便存储转发管理
    • 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
    • 分组不易出错，重传代价低

分组交换特点：

  • 优点：
    • 通信前无需建立连接
    • 数据以"分组"为单位被交换节点间"存储转发"，通信线路可以灵活分配
    • 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
    • 通过校验技术，使得交换节点支持"差错控制"
  • 缺点：
    • 相比于报文交换，控制信息占比增加
    • 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
    • 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度

虚电路交换：

  • 虚电路交换技术是基于分组交换技术，同时固定了传输分组的链路

虚电路交换的过程：

  • 建立虚拟电路连接。寻找一条目前比较优质的传输链路
  • 通信。分组按顺序，按已建立好的既定线路发送，通信双方不独占线路，且通信过程中不更换线路，如出现异常释放连接
  • 释放连接

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数据交换技术性能分析

电路交换技术：
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  • 左图中每个小格子代表1ms，A、B、C、D分别代表传输过程中的4个节点
  • 电路交换过程中，每进行一跳，即切换一个节点，需要1ms的时延，因此三跳的传输时延为3ms
  • 电路交换过程中，连接建立共花费10ms，数据传送共花费8ms，连接释放共花费6ms
  • 由于数据以连续的比特流进行传输，因此整个报文从第1个bit到最后一个bit的传输是连续接收

报文交换技术：
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  • 每个报文在进行中间节点的转发时，要求要接受完整报文后才能解析并转发
  • 报文交换过程，传输的单位是报文，一旦传输过程中出现数据异常会导致报文无法解析，从而无法转发存储转发下去，重传代价大

分组交换技术：
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  • 分组转发和报文转发类似，中间节点一定要接受完整个分组后才能解析并转发
  • 但由于分组足够小，如果出现数据异常，重传代价小。并且每个节点可以并发传输多个分组，增加了传输效率

三种交换方式对比

对比项目 电路交换 报文交换 分组交换
完成传输所需时间 排除建立/释放连接耗时，传输时间最少 最多 较少
存储转发时延 无 较高 较低
通信前是否需要建立连接 是 否 否
缓存开销 无 高 低
是否支持差错控制 不支持 支持 支持
报文数据是否有序到达 是 是 否
是否需要额外的控制信息 否 是 是，控制信息在传输的数据中占比最大
线路分配灵活性 不灵活 灵活 非常灵活
线路利用率 低 高 非常高

计算机网络性能指标

信道Channel：

  • 表示向某一方向传送信息的通道（信道≠通信线路）一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道

速率（Speed）：也称数据率或比特率、数据传输速率

  • 指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率
  • 速率单位包括bit/s，b/s，bps

有时候也会使用B/s，即8b/s

关于数量单位
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带宽bandwidth：

  • 某信道所能传送的最高数据率
  • 节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制
  • 带宽单位包括bit/s，b/s，bps

通信学科中对带宽有不同的定义描述

  • 表示某信道允许通过的信号频带范围，单位为Hz，读作赫/赫兹
  • 两种定义本质是一样，信道带宽越大，传输数据的能力越强
    • 电磁波具有波长、频率hz两种特性，其中频率表示每秒的震动次数
    • 电磁波信号可以额携带数据，常用的信道传输数据基本都是通过电磁波信号进行传播的
    • 带宽在这一范畴中可以比作，信道中最大可用的信号频率~最低可用的信号频率的范围大小
    • 因此，信道带宽越大，意味着可以在更多的频率范围内传输数据，从而传输更多的数据

吞吐量Throughput：

  • 指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量
  • 吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响，但一般吞吐量 ≤ 网络带宽

时延Delay：有时也称为延迟或迟延

  • 指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间
  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
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    • 发送时延：又名传输时延
      • 节点将分组的所有比特推向（传输到）链路所需的时间
      • 即从发送分组的第一个比特开始算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间
      • 发送时延 = 分组长度/信道带宽
    • 传播时延：
      • 电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
    • 处理时延：
      • 数据在交换节点时，为存储转发而进行的一些必要处理所话费的时间
      • 即从一个比特从链路一端传播到另一端所需的时间
      • 传播时延 = 信道长度（链路长度）/电磁波在信道上的传播速度

      在计算机网络中，一般规定电磁波在信道上的传播速度为2x10\(^8\)m/s

    • 排队时延：
      • 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理所花费的时间
      • 路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，从而产生了时延
  • 对于高速链路，提高的仅仅是传输速率，而非比特在链路中的传播速度，仅为了减少数据的发送时延

一般情况下，排队时延和处理时延题干中未说明可忽略不计

时延带宽积：

  • 一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数
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时延带宽积用于设计最短帧长

  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

往返时延RTT，Round-Trip Time：

  • 表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
  • 往返时延RTT = t\(_2\) + t\(_3\) + t\(_4\) + t\(_5\)
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    • t\(_1\)表示发送方发送数据的发送时延，该时延不记录在RTT
    • t\(_2\)表示数据的单向传播时延
    • t\(_3\)表示接收方收到数据后的处理时延
    • t\(_4\)表示确认的发送时延
    • t\(_5\)表示确认的传播时延，通常t\(_2\)和t\(_5\)相等
  • 游戏中的延迟速率指标正式客户端到服务器之间的往返时延RTT

信道利用率：

  • 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 = 有数据通过的时间 / (有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间)
  • 信道利用率不能太低，浪费资源；信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构Network Architecture：

  • 计算机网络的各层及其协议的集合，是寄望及其所应完成功能的精确定义
  • 体系结构是抽象的，不包含如何实现，实现由计算机硬件和软件进行，实现规则是具体的

实现implementation：

  • 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题

计算机网络分层结构

计算机网络体系结构采用分层的设计思想，将各个功能独立分开

  • 分层的设计思想：
    • 将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题
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OSI参考模型是法律标准，TCP/IP模型是事实标准，五层模型是方便学习所简化的标准

计算机网络各层间关系：

  • 每个层次负责实现一个或多个功能

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  • 实体：
    • 第 n 层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第 n 层实体
    • 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
  • 协议：即网络协议Network Protocol
    • 控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的

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  • 接口：
    • 即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点Service Access Point， SAP
  • 服务：
    • 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，类比于函数调用。它是垂直的

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  • 协议数据单元PDU：
    • 对等层次之间传送的数据单位
    • 第 n 层的 PDU 记为 n-PDU
  • 服务数据单元SDU：
    • 为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据
    • 第 n 层的 SDU 记为 n-SDU
  • 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
  • n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

协议

协议：即网络协议Network Protocol

  • 控制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（协议三要素）：

  • 语法：
    • 数据与控制信息的格式
    • 例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节。
  • 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
    • 例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要"应答"，以及"应答"的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）
  • 同步（或时序）：
    • 执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明
    • 例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到"传输成功"应答，则发送方会再次发送数据

一个完整的协议通常具有线路管理（建立、连接与释放）、差错控制和数据转换

接口

接口Interface：又称为服务访问点SAP，Service Access Point

  • 同一节点内相邻两层间交换信息的连接点，并通过该连接点进行交互，是系统的内部规定
    • SAP其实是抽象概念，实际是逻辑接口，与硬件接口不同
  • 服务是通过SAP提供给上层使用的，第n层的SAP就是n+1层可访问的第n层服务的地方

服务

服务Service：

  • 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，还需要使用下一层所提供的服务

服务包括以下几类：

  • 面向连接服务：
    • 通信前双方必须建立连接，分配相应的资源，以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用资源
    • 如，TCP是面向服务的协议
  • 无连接服务：
    • 通讯前双方不需要先建立连接，需要发送数据时直接发送，把每个带有目的地址的包（报文或分组）传送到线路中，由系统选定线路传输
    • 如，UDP，IP协议
  • 可靠服务：
    • 网络具有纠错、检错、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：
    • 网络只是尽量正确、可靠地传输，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务
  • 有应答服务：
    • 接收方收到数据后向发送方给出相应的应答，由传输系统内部自动实现，不由用户实现。包括肯定、否定应答
    • 如，文件传输服务FTP是有应答服务
  • 无应答服务：
    • 接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则需要高层实现
    • 如，常见WWW服务，客户端接受到页面文件后不用应答

服务与协议的关系：

  • 只有本层协议的实现才能保证向上一层提供服务
  • 本层的服务用户只能看到服务而无法看见下面的协议，即下面的协议对上层的服务用户透明
  • 协议是水平的，是控制对等实体之间通信的规则；服务是垂直的，是由下层通过层间接口向上层提供的。

并非在一层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能被高一层实体看见的功能才叫服务

  • 即只有相邻两层间下层为上层单向提供的叫服务
  • 下层为上层提供服务，上层使用服务，使用的服务包含了下面的所有服务

数据传输过程

从水平视角上分析
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  • 在用户看来，数据似乎是被原模原样传输的，感知不到数据被压缩、解压的过程
  • 水平视角下的对等实体：应用层实体制定了响应协议，实现了数据的压缩传输，提供给上层用户原始数据

从垂直视角上分析
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  • 数据经过应用层-传输层-网络层-数据链路层，向下层层分装，增加首部、尾部，最终在物理层以比特流在物理传输介质中传输
  • 中间路由器解析向上拆解数据包，分析得到发送地址和源地址之后，选择发送链路，并向下重新封装传回物理层传输介质
  • 最终传输到最终用户主机上，向上层层拆解，由应用层将数据提供给最终用户

OSI参考模型

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物理层任务：Physical Layer

  • 实现相邻节点之间比特（0或1）的传输
    • 需定义电路接口参数
      • 如：形状、尺寸、引脚数等
    • 需定义传输信号的含义、电气特征
      • 如：5V表示1，1V表示0；每比特电信号持续时间0.1ms
  • 传输基本单位是比特bit

数据链路层任务：Data Link Layer

  • 确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错
    • 差错控制：检错+纠错；或 检错+丢弃+重传
    • 流量控制：协调两个结点的速率
  • 传输基本单位是帧Frame

网络层任务：Network Layer

  • 把"分组"从源结点转发到目的结点
    • 路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径
    • 分组转发：将"分组"从合适的端口转发出去
    • 拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞
    • 网际互连：实现异构网络互联
    • 其他功能（基于分组为单位的功能）：差错控制、流量控制、连接建立与释放（确保分组有序、不重复到达）、可靠传输管理（接收方需返回分组确认消息）
  • 传输基本单位是分组Packet，或者叫数据报

传输层任务：Transport Layer

  • 实现端到端通信，即实现进程到进程的通信，"端"指"端口"
    • 复用和分用：发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端再进行分用
    • 其他功能（基于报文段为单位的功能）：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理
  • 传输基本单位是报文段Segment

会话层任务：Session Layer

  • 实现特定的网络应用。功能繁多，根据应用需求设计

表示层任务：Presentation Layer

  • 解决不同主机上信息表示不一致的问题
  • 主要功能为数据格式转换
    • 如，编码转换、压缩/解压、加密/解密

应用层任务：Application Layer

  • 管理进程间会话
  • 主要功能为会话管理
    • 采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信
  • 传输基本单位为报文Message
    • 并不是所有网络应用都需要数据格式转换、会话管理功能
    • 因此会话层、表示层传输的基本单元就不进行数据格式的规定

注：物理传输媒体不在网络分层结构模型中，它属于第0层

TCP/IP模型

TCP/IP模型中，传输层对应OSI模型中的传输层，网际层对应OSI模型中的网络层

  • 网络层为Network Layer，网际层为Internet Layer
  • 两层的名称不同，实际上实现的功能是类似的

应用层任务：

  • 实现特定的网路应用，功能复杂且多样
  • TCP/IP 的理念：如果某些应用需要数据格式转换、会话管理功能，就交给应用层的特定协议去实现

网络接口层任务：

  • 实现相邻结点间的数据传输（为网络层传输"分组" ），但具体怎么传输不作规定
  • TCP/IP 并未具体描述网络接口层的功能、协议（交给网络设备商自由发挥）
  • 网络硬件种类繁多，不应该有过多限制
    • 这使得TCP/IP 网络体系结构具有更强的灵活性、适应性

网际层任务：

  • 网际层只保证尽最大能力交付，数据传输是不可靠的
    • 舍弃了差错控制、流量控制、连接管理、可靠性管理功能，只实现路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互连功能
  • TCP/IP的网际层不考虑数据是否正确，即不判断局部是否正确，直接交给上层去判别数据是否（全局）正确，如果上层确认数据无误，那么说明网际层接收到的数据也是正确的
  • 在ISO模型中，数据链路层、网络层、传输层均实现了差错控制保证各层接收到的数据是正确的，因为单纯的保证单层（局部）的数据正确，并不能保证传输过来的数据完全（全局）正确
    • ISO模型这种设计，会导致网络核心部分的路由器的功能复杂，负载高，网络链路的搭建成本昂贵
    • 而TCP/IP模型，路由器的功能简单，负载低，网络链路的搭建成本低

传输层任务：

  • 负责保证数据传输的正确性、可靠性
    • 实现了复用和分用、差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理
  • 由于数据可靠性保证在传输层实现，因此数据传输的正确、可靠的算力压力移植到了网络边缘部分的主机上

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  • 当OSI模型中的网络层不提供差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理这些可靠性服务时，可向传输层提供无连接不可靠的服务，即分组交换/数据报
  • 当OSI模型中的网络层提供完整的功能时，可想传输层提供有链接可靠服务，虚电路功能
  • TCP模型只能向传输层提供无连接不可靠服务，即分组交换/数据报
  • OSI传输层仅可向上提供有链接的可靠服务；TCP/IP传输层可向上层提供有连接可靠服务（TCP协议），也可以提供无连接不可靠服务（UDP协议）

计算机网络发展历程（仅了解）

公元前5世纪起出现了邮政网络，作为通信的初期网络

1830~1960时期，出现了电报网络

1870~1960时期，出现了电话网络

1960前后，研发出了计算机网络ARPANET

因特网发展过程：

  1. 第一阶段：ARPAnet-internet-Internet
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  • 美国国防部高级研究计划局（ARPA）为了设计分散的军事指挥系统，创办了ARPAnet，采用分组交换技术进行数据传输
  • ARPAnet由最初建立在四个地区
    • 斯坦福研究所（SRI）
    • 加州大学洛杉矶分校（UCLA）
    • 加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）
    • 犹他大学（Utah）
  • 随着时间发展，无线分组交换网和卫星通信网的加入，为实现不同网段的网络互联发展出interconnected network（internet）互联网
  • 1983年ARPAnet接受TCP/IP网络模型，选定internet为主要计算机通信系统，更名为Internet因特网
  1. 第二阶段：三级结构网络
  • 1985年，美国国家科学基金会（NSF）围绕国家大气研究中心和5个NSF超级计算机中心建设了计算机网络，即国家科学基金网（NSFNET）
    • 普林斯顿大学约翰·冯·诺伊曼中心
    • 康奈尔大学康奈尔理论中心
    • 匹兹堡超级计算中心 （PSC），由卡内基梅隆大学、匹兹堡大学和西屋电气公司联合开发
    • 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校国家超级计算应用中心 （NCSA）
    • 位于加州大学圣地亚哥分校 （UCSD） 校园内的圣地亚哥超级计算中心 （SDSC）
    • 国家大气研究中心（NCAR），由NSF资助建立
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  • 国家科学基金网（NSFNET）连接了6大超级计算机，组成了三层结构的网络雏形，分别是"骨干网（Backbone Network）"、"地区网（Regional Network）"和"附属网（Attached Network）"
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  • 地区网由各地区的计算机中心或网络服务提供商（ISP）构成，负责连接附属网和骨干网，提供地区内的数据传输和互通服务
  • 附属网由各个大学、研究机构或企业的局域网（LAN）构成，是NSFNET的最末端用户。通过地区网连接到骨干网，实现了全球范围内的数据传输和互通服务
  1. 第三阶段：多层次ISP结构
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  • 由于接入网络用户量增多，之前建立的因特网Internet无法满足现有需求，政府将骨干网交给私人企业进行管理和运营，出现了多层次ISP的网络结构，一般包括核心ISP（Tier 1 ISP）、区域ISP（Tier 2 ISP）、接入ISP（Tier 3 ISP）
  • 因特网服务提供者/因特网服务提供商（ISP）向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务和增值业务的公司
    • 如国内的中国电信、中国移动
  • 同个层次之间的ISP一般都会进行对等互联（Peering）进行直接相连，从而避免用户需要通过上级ISP转发。有时可会使用互联网交换点（IXP）作为中立的交换平台，将不同的ISP连接起来
    • 虽然IXP可以实现不同层次之间的ISP的不对等互联，但一般情况下都是实现对等互联功能
    • 同层次之间的ISP不一定需要IXP进行对等互联，不同ISP可以通过链路直接相连达到对等互联
posted @ 2024-09-15 21:40  GK_Jerry  阅读(217)  评论(0)    收藏  举报