计算机网络与网络体系结构

如今,互联网越来越深入人们的生活了,而且, 越来越多的终端被接入互联网。比如,手机、冰箱、电视机、汽车,还有工作中的打印机、工作站、PC、服务器等等,通过网络我们可以实现文件的上传和下载,信息的传递和获取,实时设备信息的上报,网上购物,网上订票等等。那么终端之间是如何在互联网络中通信的呢?

我们平时的手机,电脑,电视等端系统是通过接入网与整个网络相连,接入网可以是有线的或者无线的局域网,如:同一个公司,学校,小区等。这些接入网络通过ISP(Internet Service Provider)与互联网其他部分相连,第一层ISP叫互联网骨干网,这些骨干网是国家批准的可以直接和国外连接的互联网,其他想要连到国外都需要通过骨干网;第二层ISP通信具有区域性,为了与全球互联网连接,第二层ISP需要引导流量通过它所连接的第一层ISP。其中,很多大公司和机构将他们的企业网直接与第一层或者第二层ISP相连。本地ISP可以直接给用户提供直接的服务,绝大多数用户都是接入到的本地ISP。所以,可以说是第一层ISP为第二层和部分大公司和机构提供服务。第二层ISP为一些公司,学校或者本地ISP提供服务,本地ISP为用户提供服务。

人们早期的信息通信是通过电话网络,电话通信是一种电路交换方式,通话的双方建立了一条专用的端到端连接,双方在建立起来的电路中进行传递;而互联网通信时主要是报文交换方式,也叫分组交换,就是将长报文分成较小的数据包,在网络链路中传递。电路交换采用的是预先传输链路,分组交换采用的是按需分配链路。两者相比,分组交换成本更低、能更好的利用共享的带宽。目前趋势是朝着分组交换方式方向发展,很多电路交换电话也缓慢的向分组交换方式迁移。

另外,对计算机网络性能有影响的指标包括几个重要的性能指标和非性能指标。

1、速率:计算机发送的信号都是数字形式的,比特(bit),一个比特就是二进制数字中的0或者1。计算机网络中速率是指数据的传输速率,是计算机网络中重要的性能指标。单位是bit/s(比特每秒,或者b/s,bps)。

2、带宽:带宽本来是指某个信号具有的频带宽度,单位是赫兹(Hz);在计算机网络中,表示某个通道传送数据的能力,这种意义下的带宽的单位是“比特每秒”。

3、吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量。

4、时延:指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间,有时也叫延迟。

发送时延:是主机或路由器发送数据帧所需要的时间,就是从第一个比特算起,到最后一个比特发送完毕的时间,也叫传输时延。

传播时延:指的是信号在信道中传播一定距离需要花费的时间。传播时延=信道长度/信号在信道的传播速率(m/s)

处理时延:主机或者路由器收到分组时,花费一定时间进行处理(分析分组数据,提取数据部分,进行差错校验等)。

排队时延:分组在经过网络传输时,在进入网络转发时,先入队进行等待处理,处理之后还需要进入输出队列等待转发。这时排队时延的长度取决于当时的通信量,当队列发生溢出时,分组将丢失,相当于排队时延无限大。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5、往返时间 RTT:互联网的信息不仅仅是单方面的传输,往往是双向的,也就是当A向B发送一定数据时,B接收完数据后,会给A一个确认消息。这个确认时间就是RTT。

6、利用率:信道利用率是指某信道在百分之几的时间是被利用过的(有数据通过)。网络利用率是指全网络的信道利用率的加权平均值。利用率过高将会导致网络拥堵,将产生非常大的时延,

非性能指标

1、费用:一般网络的性能与价格密切相关,网络的速率越高,价格就越贵。

2、质量

3、标准化

4、可靠性

5、可扩展性和可升级性

6、易于管理和维护

可见,计算机网络是一个及其复杂的系统,包括大量的应用程序,各种类型的端系统,各种类型的通信链路,各种协议等等。“分层”思想很早就被专家们提出来了,为了解决庞大而复杂的问题,“分层”可以将复杂问题简单化,并规范了每一层的硬件和应用的职责和工作标准。然而,全球经济的发展使得不同网络体系结构的出现,另一方面,不同用户迫切的需要能够彼此交换信息,为了使不同体系结构的计算机网络互连,国家标准化组织ISO提出来了开放系统互连基本参考模型(Open System Interconnection Reference Model)。

OSI网络模型主要分为七层网络体系结构,包括应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、链路层、物理层。每一层都包含对应硬件和软件进行数据交换的规则,即网络协议。OSI七层协议体系概念比较清晰,理论也比较完整,不过,不是特别实用。TCP/IP体系结构,只包含四层,但却得到了广泛的应用。不过,在理解网络时,一般采用一种五层协议的体系结构,将七层协议的表示层和会话层,交给了应用程序的开发人员,按照需要去构建这两层的功能。无论是七层、四层还是五层体系结构,他们划分的层级概念和层级都是基本相同的。其实,是因为OSI模型规定的范围更细化了一些,TCP/IP体系结构场景更具体一些。

每一层的功能和包含的协议,总结如下:

应用层:包含网络应用程序及其应用层协议。应用层包含的协议有很多,如互联网应用的HTTP协议;支持电子邮件的SMTP协议;支持文件传输的FTP协议,还包括DNS、Telnet等。应用层协议分布在多个端系统上,一个端系统中的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息分组,这个信息分组称为报文(message)。

运输层:提供了在两个端系统之间传送应用层报文的服务。主要包含传输控制协议-TCP(Transmission Control Protocol)和用户数据包协议-UDP(User Datagram Protocol),TCP提供面向连接的服务,具有可靠性和流量控制;UDP是无连接的,不提供可靠性保证,只能“尽最大努力交付”。TCP数据传输的单位为报文段(segment),UDP传输的单位是用数据报。

网络层:负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务,该层把运输层产生的报文段或者用户数据包封装成分组进行传送,分组叫数据报(datagram)。该层最重要的协议是IP协议,也包括ICMP(ping)、ARP、RARP等。

数据链路层:数据链路层将网络层交下来的数据报组装成帧(framing),将数据在两个相邻结点之间的链路上进行传递。链路层提供的服务取决于应用于该链路上的协议。包括PPP点到点(Point-to-Point Protocal);以太网(Ethernet);HDLC高级链路控制协议(High-Level Data Link Control Protocal)。

物理层:负责将整个帧数据以一个一个比特从一个节点移动到下一个节点。物理层上所传数据的单位就是比特。当然,解释比特代表的意思,就不是物理层的任务了。


1、《计算机网络 自顶向下方法》

2、《计算机网络 第七版》

3、https://zhuanlan.zhihu.com/p/32090927

4、https://mp.weixin.qq.com/s/OwY337QnmhtBtZJOaelYuA

原文发布于微信公众号 - BanzClub(banz-club)

原文发表时间:2019-02-20

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