计算机网络--第一章 计算机网络体系结构

根据计算机网络王道408与湖科大教书匠，对学校选择的教材 谢希仁的《计算机网络》(第七版)，进行内容排序

1 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

  1. 计算机网络概念——互连的、自治的计算机系统的集合

  • ​ 广义观点：能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统。

  • ​ 资源共享观点：以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合。

    • 目的：资源共享；组成：多台自治计算机；规则：网络协议

  • ​ 用户透明性观点：整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。

  1. 计算机网络的组成

​ 组成部分：硬件、软件、协议。

​ 工作方式：边缘部分（用户主机）、核心部分（路由器、网络）

​ 功能组成：通信子网（物理层、数据链路层、网络层）、资源子网（会话层、表示层、应用层）

  1. 计算机网络的功能

​ 数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡

  1. 计算机网络分类
  • 范围分类：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）、个人局域网（PAN）
网络 范围 特点
广域网（WAN） 10km-1000km 互联网、交换技术
城域网（MAN） 5km-50km 以太网
局域网（LAN） 10m-5km 广播技术
个人局域网（PAN） 0-10m 无线技术
  • 传输技术：广播式网络、点对点网络
  • 拓扑结构：总线型、星型、环形、网状

  • 使用者：共用网、专用网

  • 交换技术：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络

网络 特点 应用/别称

电路交换网络		 专用通路；建立连接、传输数据、断开连接
优点：数据直接传送、时延小
缺点：是线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制
传统电话网络

报文交换网络		 数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，封装成报文
优点：充分利用线路容量、实现传输速率的转换、格式转换、差错控制
缺点：增加资源开销、缓冲延时、缓冲区难以管理
存储转发网络
分组交换网络 数据分成固定长度的数据块，数据块加上目的地址、源地址等组成分组
优点：缓冲易于管理；包的平均时延更小；更易于标准化		 包交换网络
  • 传输介质：有线网络、无线网络
  1. 计算机网络性能指标

  • 带宽（Bandwidth）：最高数据传输速率，表示网络的通信线路所能传送数据的能力，单位是比特/秒（b/s）。

  • 时延（Delay）：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要的总时间。

    • 发送时延：又称传输时延，主机或路由器发送数据帧所需的时间，从发送分组的第一个比特算 起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

    • 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离花费的时间，一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

    • 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。

    • 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。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
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  • 时延带宽积：又称以比特为单位的链路长度，指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特。

考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。

  • 往返时延（RTT）：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。

  • 速率（Speed）：数据传输速率、数据率或比特率，网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，单位为b/s （bps）。更常用的速率单位是千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特秒（Gb/s）、太比特/秒（Tb/s）。

    在计算机领域，表示存储容量或文件大小时，K=210=1024，M=220，G=230，T=240。这与通信领域中的表示方式不同。

    在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

    传播速率是指电磁波在信道中传播的速率，单位是米/秒（m/s），更常用的单位是千米/秒。电磁波在光纤中的传播速率约为2x10^8m/s。

  • 信道利用率：指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

例：假定一条链路的传播速率为2x10^8m/s,这相当于电磁波在该媒体上1μs可向前传播200m。若链路带宽为1Mb/s,则主机在1μs内可向链路发送1bit数据。

​ 当t=0时，开始向链路发送数据：当t=1μs时，信号传播到200m处，注入链路1比特：当t=2μs时，信号传播到400m处，注入链路共2比特：当t=3μs时，信号传播到600m处，注入链路共3比特。

可以看出，一段时间内，链路中有多少比特取决于带宽(或传输速率)，而1比特“跑” 了多远取决于传播速率。

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

​ 为了方便对网络进行研究、实现与维护，促进标准化，通常对对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。分层原则如下：

  • 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
  • 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
  • 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。
  • 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
  • 整个分层结构应能促进标准化工作。

​ 依据一定的规则，将分层后的网络从低层到高层依次称为第1层、第2层…第n层，通常还为每层取一个特定的名称，如第1层的名称为物理层。

​ 实体：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为第n层实体。具体来说，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。

​ 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。

​ 第n层实体实现的服务为第n+1层所利用。第n层称为服务提供者，第n+1层则称为服务用户。

​ 在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI,它们共同组成PDU。

报文:

  • 服务数据单元(SDU)：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第n层的服务数据单元记为n-SDU。
  • 协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCL。
  • 协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。

​ 层次结构的含义包括以下几方面：

  • 第n层的实体不仅要使用第n-1层的服务来实现自身定义的功能，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供的服务总和。
  • 最低层只提供服务，是整个层次结构的基础：中间各层既是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者：最高层面向用户提供服务。
  • 上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务；下一层所提供服务的实现细节对上一层透明。
  • 两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

  1. 协议

​ 为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（水平结构）；由语法、语义和同步三部分组成。

  • 语法：规定传输数据的格式
  • 语义：规定所要完成的功能
  • 同步：规定各种操作的顺序
  1. 接口

​ 接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点。同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point, SAP）进行交互。服务是通过SAP提供给上层使用的，第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。

  1. 服务

​ 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用（垂直结构），对等实体在协议的控制下，使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。

​ 上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中称为服务原语。OSI参考模型将原语划分为4类：

  • 请求（Request）由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
  • 指示（Indication）由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
  • 响应（Response）由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
  • 证实（Confirmation）由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。

​ 协议、接口、服务三者之间的关系如下图所示。

​ 服务类型可按以下三种方式分类：

  • 面向连接服务与无连接服务
    • 面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源(如缓冲区)，以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。如TCP。
    • 无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的包(报文分组)传送到线路上，由系统选定路线进行传输。是尽最大努力交付的服务，不可靠。如IP、UDP。
  • 可靠服务和不可靠服务
    • 可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
    • 不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送，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。
  • 有应答服务和无应答服务
    • 有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。
    • 无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。

1.2.3 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

  1. OSI参考模型

​ 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。

​ OSI参考模型有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，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。 传输层承上启下。

  • 物理层

​ 物理层的传输单位是比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。

​ 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。

​ 物理层主要定义数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)的物理与逻辑连接方法，物理层协议也称物理层接口标准。由于在通信技术的早期阶段，通信规则称为规程(Procedure)，因此物理层协议也称物理层规程。如EIA-232C、ElA/TIA RS-449、 CCITT的X.21等。

​ 物理层规定电路接口参数、通信链路上传输信号的意义和电气特征。

  • 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数据报组装成帧。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。

​ 两个主机之间，点对点传输需要数据链路层协议，将数据报组装成帧透明传输。

​ 典型的数据链路层协议有SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等。

  • 网络层

​ 网络层的传输单位是IP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。

数据链路层、网络层、传输层都具有流量控制功能，数据链路层是相邻结点之间的流量控制，网络层是整个网络中的流量控制，传输层是端到端的流量控制。

​ 因特网是一个很大的互联网，它由大量异构网络通过路由器（Router）相互连接起来。因特网的主要网络层协议是无连接的网际协议（Internet Protocol，IP）和许多路由选择协议，因此因特网的网络层也称网际层或P层。

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

  • 传输层

​ 传输层也称运输层，传输单位是报文段(TCP)或用户数据报(UDP)，传输层负责主机中两个进程之间的通信。

​ 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。

数据链路层提供的是点到点的通信，传输层提供的是端到端的通信。

点到点可以理解为主机到主机之间的通信，一个点是指一个硬件地址或IP地址，网络中参与通信的主机是通过硬件地址或IP地址标识的；
端到端的通信是指运行在不同主机内的两个进程之间的通信，一个进程由一个端口来标识，所以称为端到端通信。

​ 由于一台主机可同时运行多个进程，因此传输层具有复用和分用的功能。

​ 复用是指多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务，分用是指传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

​ 传输层的协议有TCP、UDP。

  • 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，为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步（SYN）。

​ 会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。会话层可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步。

  • 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。

​ 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。表示层的功能有实现数据格式变换、数据加密解密和数据压缩和恢复。

  • 应用层

​ 传输单位是报文。

​ 应用层是OSI参考模型的最高层，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参考模型环境的手段。

​ 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。

  1. TCP/IP模型

​ ARPA在研究ARPAnet时提出了TCP/IP模型，模型从低到高依次为网络接口层（对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层）。

​ TCP/IP由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCPP模型的层次结构如下图所示。

  • 网络接口层

​ 网络接口层的功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。它表示与物理网络的接口。

​ 具体的物理网络既可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌总线网等，也可以是诸如电话网、SDH、X.25、帧中继和ATM等公共数据网络。网络接口层的作用是从主机或结点接收P分组，并把它们发送到指定的物理网络上。

  • 网际层

​ 网际层(主机-主机)一是TCP/IP体系结构的关键部分。它和OSI参考模型的网络层在功能上非常相似。

​ 网际层将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由，但它不保证各个分组有序地到达，各个分组的有序交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP。

  • 传输层

​ 传输层（应用-应用或进程-进程）的功能同样和OSI参考模型中的传输层类似，即使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话。主要使用TCP、UDP协议。

​ 传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）。它是面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

​ 用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）。它是无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。

  • 应用层

​ 应用层（用户-用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、域名解析服务（DNS）、电子邮件协议（SMTP）和超文本传输协议（HTTP）。

  1. TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

  • 相同点

    • 二者都采取分层的体系结构
    • 二者都是基于独立的协议栈的概念
    • 二者都可以解决异构网络的互连

  • ​ 不同点

    • OSI参考模型的最大贡献就是精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口，这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。
      而TCP/IP模型在这三个概念上却没有明确区分，不符合软件工程的思想。

    • OSI参考模型产生在协议发明之前，没有偏向于任何特定的协议，通用性良好。但设计者在协议方面没有太多经验，不知道把哪些功能放到哪一层更好。
      TCP/IP模型正好相反，首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述，因此不会出现协议不能匹配模型的情况，但该模型不适合于任何其他非TCP/IP的协议栈。

    • TCP/IP模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互连问题，并将网际协议(IP)作为一个单独的重要层次。OSI参考模型最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连。OSI参考模型认识到IP的重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似于TCP/IP模型中的IP的功能。

    • 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模型认为可靠性是端到端的问题，因此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。

OSI参考模型 TCP/IP模型
网络层 无连接+面向连接 无连接
传输层 面向连接 无连接+面向连接
  1. 5层协议体系结构

​ 学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合OSI参考模型和TCP/IP模型的优点，采用一种如图所示的只有5层协议的体系结构，即我们所熟知的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

层次		 协议
应用层 路由选择协议：距离向量路由算法（RIP）、边界网关协议（BGP）；动态主机配置协议（DHCP）；
域名系统（DNS）；文件传输协议（FTP）；超文本传输协议（HTTP）；
电子邮件协议：简单邮件传输协议（SMTP）、邮局协议（POP3）、互联网消息访问协议（IMAP）、多用途
网际邮件扩充（MIME）
传输层 传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）
网络层 网际协议：IPv4、IPv6；地址解析协议（ARP）；网络地址转换协议（NAT）；
互联网控制报文协议（ICMP）；网际组管理协议（IGMP）；
路由选择协议：链路状态路由算法（OSPF）；无分类编址（CIDR）
数据链路层 组帧协议：字符计数法、字符填充法和比特填充法
差错控制协议：奇偶校验码、循环冗余校验码（CRC）、海明码
流量控制与可靠传输协议:停止-等待协议、后退N帧协议（GBN）、选择重传协议（SR）
介质访问控制协议:ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA
物理层 物理层接口标准（不需了解）
posted @ 2025-04-21 11:46  Ning0713  阅读(272)  评论(0)    收藏  举报