计算机网络-Part1——计算机网络体系结构

[TOC]

image-20211205131631404

408计算机网络大纲【考查目标】

  1. 掌握计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法。

  2. 掌握计算机网络的体系结构和典型网络协议，了解典型网络设备的组成和特点，理解典型网络设备的工作原理。

  3. 能够运用计算机网络的基本概念、基本原理和基本方法进行网络系统的分析、设计和应用。

计算机网络概述

概念及功能

image-20211204141800509

  • 计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，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。

  • 计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

    • 互连：通过通信链路互联互通
    • 自治：无主从关系

  • 功能：

    • 数据通信
      • 通信指的是两台主机各自的一个进程之间的通信
    • 资源共享（网络打印机）
    • 分布式处理（Hadoop）
      • 提高可靠性
      • 负载均衡

  • 发展：

    • 第一阶段：
      • ARPAnet 阿帕网（无线分组交换网&卫星通信网）
      • internet(interconnected network) 互联网（希望实现不同网络互联）
      • Internet 因特网（1983年阿帕网接受 TCP/IP 选定 Internet 为主要的计算机通信系统）
        • 因特网是世界上最大的互联网。
    • 第二阶段（三级结构）：
      • 国家科学基金网 NSFNET。
    • 第三阶段（多层次 ISP 结构）：
      • ISP：因特网服务提供者/因特网服务提供商，是一个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，如中国电信、中国联动、中国移动等。分为主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。
      • image-20211204141621780

组成与分类

image-20211204143531048

组成

  • 组成部分：硬件、软件、协议（一系列规则和约定的集合）
  • 工作方式：
    • 边缘部分：用户直接使用
      • C/S（client-server）方式：专门的的提供和被服务对象
      • P2P（peer-to-peer）方式：人人为我，我为人人
    • 核心部分：为边缘部分服务
  • 功能组成：
    • 通信子网：实现数据通信
    • 资源子网：实现资源共享 /数据处理
    • image-20211204143007160

分类

  • 按分布范围：广域网WAN（交换技术）、城域网MAN、局域网LAN（广播技术）、个人区域网PAN
    • 优先按传输技术来区分广域网、局域网
  • 按使用者：公用网、专用网
  • 按交换技术：电路交换（独享占线，结束释放资源）、报文交换（存储转发，整体）、分组交换（存储转发，切分）
  • 按拓扑结构：image-20211204143437137
    • 网状型常用于广域网
  • 按传输技术：广播式网络（共享公共通信信道，总线型）、点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制，网状型）

标准化工作及相关组织（大纲已删）

  • 标准分类：
    • 法定标准：由权威机构指定的正式、合法的标准（如，OSI）
    • 事实标准：公司产品在竞争中占据了主流（如，TCP/IP、NanoSIM卡）
  • RCP（Request For Comments）上升为因特网正式标准的四个阶段
    1. 因特网草案（Internet Draft）这个阶段还不是 RFC 文档。
    2. 建议标准（Proposed Standard）从这个阶段开始成为 RFC 文档。
    3. 草案标准（Draft Standard）现在已经无了
    4. 因特网标准（Internet Standard）
  • 标准化工作的相关组织
    • 国际标准化组织 ISO：OSI 模型、HDLC 协议
    • 国际电信联盟 ITU：制定通信规则
    • 电气和电子工程师协会 IEEE：学术机构、IEEE802 系列标准、5G
    • lnternet 工程任务组 ETF：负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX

性能指标（重要）

  • 速率
    • 速率（即数据率、数据传输率、比特率）。
    • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
    • image-20211204145448528
  • 带宽
    • 带宽，表示网络的通信线路传送数据的能力，指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。
  • 吞吐量（严格受速率、带宽影响）
    • 吞吐量，表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位 b/s
    • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
    • image-20211204161447674
  • 时延
    • 指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。
      • 发送时延是在主机上发生的，是打包数据的一个过程
    • image-20211204162252397
  • 时延带宽积
    • 时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。即“某段链路现在有多少比特”。
    • 时延带宽积（bit）=传播时延（s） X 带宽（b/s）
    • image-20211204162602897
  • 往返时间 RTT
    • 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
      • RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
    • RTT 包括：往返传播时延 = 传播时延 * 2 + 末端处理时间
  • 利用率
    • image-20211204162734961

计算机网络体系结构与参考模型

分层结构、协议、接口、服务

  • 分层的基本原则：
    1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
    2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
    3. 结构上可分割开。每层都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. 整个分层结构应该能促进标准化工作。
  • 分层结构：
    • 实体：第 n 层中的活动元素称为 n 层实体。同一层的实体叫对等实体。
    • 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）
      • 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
    • 接口（访问服务点 SAP）：上层使用下层服务的入口。
    • 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。（垂直）
    • image-20211204164510627
    • SDU 服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
    • PCI 协议控制信息：控制协议操作的信息。
    • PDU 协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。
  • 概念总结：
    • 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
    • 计算机网络体系结构，简称网络体系结构，是分层结构。
    • 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
    • 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
    • 第 n 层在向 n+1 层提供服务时，此服务不仅包含第 n 层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。
    • 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
    • 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

ISO/OSI 参考模型（重要）

  • 目的：支持异构网络系统的互联互通。
    • 国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。理论成功，市场失败。
  • 记忆技巧：
    • image-20211204165949730
  • ISO/OSI 参考模型解释通信过程
    • image-20211204170249416
    • 记忆：由于数据链路层是5个字，比其他的多2个字，因此不仅头部要加，尾部也要加。
    • image-20211204170440095
  • 应用层
    • 所有能和用户交互产生网络流量的程序
    • 典型应用层服务：
      • 文件传输（FTP）
      • 电子邮件（SMTP）
      • 万维网（HTTP）
  • 表示层
    • 功能
      • 数据格式变换
      • 数据加密解密
      • 数据压缩和恢复
    • 主要协议：JPEG、ASCII
  • 会话层
    • 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。适用于传输大文件。
    • 这是会话，也是建立同步（SYN）
    • 功能
      • 建立、管理、终止会话
      • 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
  • 传输层
    • 负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。
    • 传输单位是报文段或用户数据报。
    • 功能
      • 可靠传输、不可靠传输
        • 可靠：必须收到确认才发送下一段数据
        • 不可靠：直接尽可能快地发送
      • 差错控制
      • 流量控制
      • 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。
  • 网络层（重要）
    • 主要任务是把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。
    • 网络层传输单位是数据报。（将数据报切割成分组）
    • 功能
      • 路由选择
      • 流量控制
      • 差错控制
      • 拥塞控制
        • 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
  • 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。
    • 数据链路层/链路层的传输单位是帧。
    • 功能
      • 成帧（定义帧的开始和结束）
      • 差错控制（帧错+位错）
      • 流量控制
      • 访问/接入控制（控制对信道的访问）
    • 主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
  • 物理层
    • 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。
      • 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。
    • 物理层传输单位是比特。
    • 功能
      • 定义接口特性
      • 定义传输模式（单工、半双工、双工）
      • 定义传输速率
      • 比特同步
      • 比特编码
    • 主要协议：Rj45、802.3

TCP/IP 参考模型（重要）

  • image-20211205130054831
  • 相同点：
    • 都分层
    • 基于独立的协议栈的概念
    • 可以实现异构网络互联
  • 不同点：
    • OSI 定义三点：服务、协议、接口
    • OSI 先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
    • TCP/IP 设计之初就考虑到异构网互联问题，将 IP 作为重要层次
    • image-20211205130712299
      • 面向连接分为三个阶段：1. 建立连接，发出一个建立连接的请求；2. 只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输；3. 数据传输完毕时，必须释放连接。
      • 面向无连接：直接进行数据传输。
  • 5层参考模型
    • image-20211205130931484
    • image-20211205130951873