计算机网络体系结构

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计算机网络体系结构

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、TCP/IP模型

tips

注意分层结构以及各性能指标计算

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

• 计算机网络 ：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。即 一些互联的、自洽的计算机系统的集合。
• 定义：
  • 1. 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。定义了一个计算机通信网络，是计算机网络发展的初级阶段。
  • 2. 资源共享观点： 以能够相互共享资源的方式连接起来的自治计算机系统的集合。 符合目前计算机网络的基本特征
       • 目的：资源共享
       • 组成单元： 分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
       • 遵循规则： 网络协议 （必须遵循的统一规则）
  • 3. 用户透明性观点： 一种能够使用户透明地访问远程信息资源的系统，无需了解网络存在和资源的位置信息。描述了一个分布式系统，是网络未来发展追求的目标。
    • 透明性： 用户不必关心资源的物理位置、访问方式、存储结构、数据格式等细节
    • 透明性的实现： 通过网络软件
  • 4. 一些其他定义方式:
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1.1.2 计算机网络的组成

1.根据组成部分

• 组成部分 ： 由硬件、软件、协议三大部分组成
  • 硬件 ： 主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）、通信处理机（网卡）等
  • 软件 ： 主要为实现资源共享的软件、用户的各工具软件（网络管理系统、FTP查询、聊天程序等）。 (该部分多属于应用层)
  • 协议 ： 规定了网络传输数据时所遵循的规范，是计算机网络的核心。

2.根据工作方式

• 工作方式 ：分为边缘部分和核心部分
  • 边缘部分 ： 由所有连接在网络上的、供用户直接使用的主机组成，用于通信与资源共享。
  • 核心部分 ： 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（连通性与交换）。
    
    
  • ps: 更多内容参见谢书P9

3.根据功能组成

• 功能组成 ： 由通信子网和资源子网组成
  • 通信子网 ： 有各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，使网络拥有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机间的数据通信。
  • 资源子网 ： 实现资源贡献功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

1.1.3 计算机网络的功能

1. 数据通信

• 最基本和最重要的功能，负责实现联网计算机间的信息传输，将计算机联系起来进行统一调配、控制与管理。

2. 资源共享

• 包括软件共享、数据共享、硬件共享等。

3. 分布式处理

• 当计算机网络中某个系统负荷过重或出现故障，可将其任务分配给网络中的其他计算机系统，利用空闲计算机资源提高整个系统利用率。

4. 提高可靠性

• 计算机网络中的各台计算机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

PS

上述功能中，4、5可由分布式处理推导而来。

1.1.4 计算机网络的分类

1. 根据分布范围

• 1. 广域网 WAN ：提供长距离通信，覆盖范围从几十公里到几千公里，也称远程网。是因特网的核心部分。连接广域网的各节点交换机为高速链路，具有较大的通信容量。
• 2. 城域网 MAN ：覆盖范围为多个街区到整个城市，覆盖直接范围是5-50km。城域网大多采用以太网技术，故可归入局域网讨论。
• 3. 局域网 LAN ：使用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围小，一般为几十米到几千米。对计算机配置数量无严格限制（2~数百台）。传统上。局域网使用广播技术、广域网使用分组交换技术。
• 4. 个域网 PAN ：指在个人工作空间内建立的小型网络，覆盖范围一般在10m内，采用无线技术，故也称无线个人区域网（WPAN），常见的有蓝牙技术。
• PS: 若中央处理器间的距离非常近( <1m ),则称多处理器系统

2. 根据传输技术

• 1. 广播式网络 ： 所有联网计算机共享一个公共信道。通过检查目的地址决定是否接受数据。局域网、广域网中的无线、卫星通信网络一般采用此技术。
• 2. 点对点网络 ： 每条物理线路连接一对计算机。若通信的两台主机间没有直连线路，其分组传输要通过中间结点进行接受、存储和转发。
• PS：是否采用分组存储转发和路由选择机制是点对点网络和广播式网络的重要区别，广域网基本属于点对点网络。

3. 根据拓扑结构

• 网络拓扑结构 ：指网中结点（路由器、主机等）和通信线路（网线）间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的网络结构。一般可分为总线形、环形、星形、树形、网状形等。星形、环形一般用于局域网，网状形多用于广域网。
  
  
• 1. 总线形 ： 用单根传输线连接计算机。优点是建网容易、增减结点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率低、总线任意一处对故障敏感（一处故障影响全局）。
• 2. 星形 ： 每个终端、计算机以单独线路和中央设备（计算机\交换机\路由器）相连。便于集中控制和管理（端用户间的通信必须经过中央设备）。缺点是成本高、中央设备对故障敏感。

4. 根据使用者

• 1. 公用网 ： 由国家或地区的通信管理机构建立和管理，为社会各单位提供通信服务。如中国电信、中国移动等。即“公网”。
• 2. 专用网 ： 由某个单位或个人建立和管理，为该单位或个人提供通信服务。如某公司内部的局域网。

5. 根据交换技术

• 交换技术 ： 各主机间、各通信设备间或主机与设备间为交换信息采用的数据格式和交换装置的方式。
• 1. 电路交换 ： 在源结点和目的结点间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。是面向连接的物理连接。优点是直接传送、时延小。缺点在于线路利用率低，不能充分利用线路容量、不便进行差错控制。
• 2. 报文交换 ：即存储-转发网络。用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。 整个报文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。主要特点是整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点。优点是可以较为充分地利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据传输速率的转换，可以实现宿式转换，可以实现一对多、多对一的访问，可以实现差错控制。缺点是增大了资源开销（如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销），增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序，缓冲区难以管理（因为报文的大小不确定，接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小）。
• 3. 分组交换 ：也称包交换。将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。 其主要特点是单个分组（它只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。除具备盘文交换网络的优点外，分组交换网络还具有自身的优点：缓冲易于管理；包的平均时延更小，网络占用的平均缓冲区更少；更易于标准化； 更适合应用。现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。
• PS: 分组和报文的区别：报文交换需要整个报文都到达后才能转发，而分组交换只需要分组到达后就可以转发。

6. 根据传输介质

• 传输介质 ： 用于连接计算机的物理媒体，可分为有线传输介质和无线传输介质。故网络可以分为有线网络和无线网络。
• 1. 有线网络 ： 采用有线传输介质的网络，如双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络等。
• 2. 无线网络 ： 采用无线传输介质的网络，如无线局域网、蓝牙网络、微波、无线电等。

1.1.5 计算机网络的的标准化（该部分已从考纲删除）

RFC标准化过程

（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）。从这个阶段开始就成为RFC文档。
（3） 草案标准（Draft Standard）。
（4） 因特网标准（Internet Standard）。

网络标准化机构

• 国际标准化组织（ISO）。eg:OSI参考模型、HDLC等。
• 国际电信联盟（ITU）,前身CCITT
• 国际电气电子工程师协会（IEEE）。eg:802标准。

1.1.6 计算机网络的性能指标

1. 带宽（Bandwidth）

• 原指通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。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，单位是比特/秒（b/s）。

2. 时延（Delay）

• 指数据由网络一段传送到另一端需要的总时间，由四部分组成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
  • 发送时延 ：分组内所有比特进入链路所需时间，也称传输时延。
    • 发送时延 = $\frac{分组长度}{信道宽度（带宽）}$
  • 传播时延 ： 一个比特从链路端传播到另一端所需时间。
    • 传播时延 = $\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$
  • 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。例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。
  • 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。
  • 总时延 ：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  • PS: 排队时延和处理时延一般可忽略不计（除非题目另有说明）。对于高速链路，提高的仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是为了减少数据的发送时延。带宽$\neq$传播速度。

3. 时延带宽积

• 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此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

4. 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。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

5. 吞吐量（Throughput）

• 指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。

6. 速率（Speed）

• 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，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为b/s （比特/秒）,或者kb/s,mb/s。在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

7. 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，即
  • 信道利用率 = $\frac{有数据通过时间}{（有+无）数据通过时间}$

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