计算机网络第一章

计网体系结构

2022第一章大纲

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一、概述

• 概述

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一、基础结构的三个发展阶段

• 从单个网络ARPAnet向互连网发展的过程
• 形成三级结构的互联网
  • 主干网
  • 地区网
  • 校园网（企业网）
• 多层次ISP结构的互联网
  • 主干ISP
  • 地区ISP
  • 本地ISP
  • 互联网交换点IXP：提高效率

二、组成和分类

• 组成：核心部分为边缘部分提供服务
  • 边缘部分：所有连接在互联网上的主机，实现数据通信和资源共享
    • 端系统之间的通信方式：
      • C/S方式（客户-服务器方式）：最常用的，传统的方式 应用举例：发邮件 客户和服务器都是通信中涉及的进程（进程间地通信，描述进程间的服务与被服务之间的关系） 客户：服务请求方 服务器：服务提供方 二者使用网络核心部分提供的服务 客户程序和服务器程序的特点
        • 客户程序：
        • 用户调用后运行
        • 不需要特殊的硬件和复杂的操作系统
        • 需要知道服务器程序的地址
        • 服务器程序：
        • 启动后一直运行，被动等待被请求服务
        • 可同时处理多个请求
        • 需要有强大的硬件和高级的操作系统

        通信建立后，双向通信，客户和服务器均可发送和接收数据

      • P2P方式（对等连接方式）：peer-to-peer 运行了对等连接软件的主机可以进行平等的、对等连接通信。 本质上仍是客户-服务器方式，但对等连接中的主机可以既是客户又是服务器。
  • 核心部分：由网络和路由器组成，实现连通性和交换
    • 起特殊作用的路由器：实现分组交换的重要构件，转发接收到的分组（核心部分最重要的功能）

    1、电路交换

    • 必须经过 **“建立链接（占用通信资源）——通话（一直占用通信资源）——释放连接（归还通信资源）” ** 三个步骤的交换方式称为电路交换。
    • 特点：在通话过程中，通话用户始终占用端到端的通信资源。
    • 使用电路交换传输计算机数据时，线路的传输效率往往很低：计算机数据突发式在线路上出阿叔，且用户占用线路资源但未传输数据时导致线路占用却空闲造成资源浪费。

    2、分组交换：采用存储转发技术

    • 将报文划分若干个分组后转发。
    • 相关定义：
      • 报文：要发送的完整数据段
      • 首部：含有一些必要的控制信息，诸如目的地址、源地址等
      • 包：分组加上首部后的名称，首部又称包头
    • 分组暂存在路由器的存储器中（内存中），而不是磁盘中，提高转发速率。
    • 为了提高分组转发的可靠性，网络的核心部分采用网状拓扑结构，可灵活选择通信线路避免导致通信中断或者全网的瘫痪。

    分组交换优缺点： 优点缺点灵活：为分组独立选择最合适转发路由转发需要排队，产生时延高效：动态分配传输带宽，逐段占用链路不建立连接，无法确定通信带宽可靠：保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网分组首部造成一定的资源开销迅速：无需建立连接，分组转发分组交换网需要专门的管理和控制机制 电路交换报文交换分组交换整个报文比特流连续传送直达终点整个报文先到达相邻结点，存储后转发分组转发下一结点，根据转发表转发传送大量数据，且传送时间大于建立连接时间时传输速率较快无需预先分配带宽，传输突发数据时可提高信道利用率无需预先分配带宽，传输突发数据时可提高信道利用率，且分组长度远小于原报文长度，时延更小，灵活性更好

• 分类
  • 根据网络的作用范围划分 广域网WAN城域网MAN局域网LAN个人区域网PAN作用范围大几十公里到几千公里，又称远程网5KM-50KM，多采用以太网技术1KM左右，一般用于微型计算机或者工作站通过高速线路连接，个人工作的地方，把个人的电子设备连接起来的网络，但当设备距离小于1m时看做多系统设备，而不是个人区域网
  • 根据使用者划分
    • 专用网：通过支付费用就可使用的公共网络
    • 公用网：具有特定用途的指定适用人群的专用网络，如军事专用网等
  • 接入网：把用户连接到互联网，用户终端到互联网中的第一个路由器之间的网络。
• 计算机网络的性能指标 指标名称描述速率：bit/s数据的传送速率，又称数据率、比特率（常指额定速率或标称速率）带宽：bit/s单位时间内某信道能通过的最高数据率吞吐量：bit/s单位时间内信道通过的实际数据率时延发送时延：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间 传播时延：在信道传播一定距离的时间 处理时延：路由器接收分组处理时间 排队时延：分组排队等待时间时延带宽积带宽×传播时延，又称为：以比特为单位的链路长度往返时间RTTRTT包含各中间结点的处理时延、排队时延、以及转发数据时的发送时延，可以用于计算数据的有效数据率，即有效数据率=数据长度÷（发送时间+RTT） 卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个指标。利用率信道利用率：信道有百分之几的时间是被利用的 网络利用率：是全网络的信道利用率的加权平均值 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延
• 计算机网络的非性能特征
  • 费用
  • 质量：构建的质量和组装利用方式影响网络的质量；网络的质量影响网络的可靠性、管理的简易性。以及网络的一些性能。
  • 标准化：遵循一定的通用标准，便于操作和管理
  • 可靠性：与网络的质量和性能有关
  • 可拓展性和可升级性：便于后续拓展和升级。
  • 易于管理和维护

计算机网络的体系结构

体系结构：计算机网络的各层和其协议的集合称为体系结构。或者说，是计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

• OSI
  • 开放系统互连基本参考模型（OSI/RM）：试图是各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，系统排除不参与互连的部分，是一个抽象的概念。具有七层协议的体系结构。
  • OSI失败的原因： 1、专家们缺少实际经验，缺乏商业驱动力 2、制定周期过长，导致符合OSI标准的产品进入市场晚，无竞争力（TCP/IP抢先在世界相当大的范围内运行） 3、实现复杂，运行效率低 4、OSI层次划分不太合理，部分层次间功能重复
  • 相关定义： 1、网络协议：为进行网络中的数据交换而指定的标准、约定、规则。 ​ 协议的组成 ​ 语法：数据与控制信息的结构或格式 ​ 语义：协议的具体作用或者意义，实现某种功能 ​ 同步：完成的时序 协议的两种形式：一种给人看的文字描述；一种给机器的程序代码 2、七层由上到下：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层
• 分层各层应实现的功能：
  • 差错控制
  • 流量控制
  • 分段和重装
  • 复用和分用
  • 连接建立和释放

  分层缺点：由于层间某些功能重复，造成额外开销

• 既简洁又能将概念阐述清楚地五层协议的体系结构：（综合OSI和TCP/IP的优点） 层次划分描述协议数据单元应用层通过应用进程间的交互来完成特定网络应用定义的是应用进程间通信和交互的规则。报文运输层向两台主机的进程之间提供通用的数据传输服务。具有复用和分用功能，即多个应用进程可同时使用运输层的服务，而运输层也可将数据分别交付上层进程。1、传输控制协议TCP：提供面向连接的，可靠的数据传输服务 2、用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务。（不保证数据传输的可靠性）1、报文段 2、用户数据报网络层向网络交换网上的不同主机提供通信服务。选择合适的路由，找到目标主机。IP协议IP数据报（分组）数据链路层将网络层传输的IP数据报组装成帧，将帧在链路中传送。帧包括数据和控制信息（地址信息、同步信息、控制信息等）。加上首部和尾部帧物理层利用物理媒体传送数据比特比特互联网是由大量异构的网络通过路由器连接形成，互联网的网络层又称为网际层或者IP层。互联网的的网络层协议包括网际交换协议和路由选择协议。
• TCP/IP常表示TCP/IP协议族（protocol suite） 1、everything over ip：TCP/IP协议可以为各式各样的应用进程提供服务 2、ip over everything：TCP/IP协议可以在各式各样的网络上运行。
• 对等层 1、对等层：传送的数据单位是协议数据单元PDU
• 实体、协议、服务、服务访问点 1、实体：任何可发送或者接收信息的硬件或软件进程。（通常是一个特定的软件模块） 2、协议：控制两个对等实体（多个实体）进行通信的规则的集合 3、服务：由下层向上层通过层间接口提供的，能被上层“看见的”功能。 4、服务访问点：相邻两层进行交互的地方 5、服务原语：上层使用下层服务的命令 6、服务数据单元SDU：层与层之间交换的数据单位
• 协议与服务的区别 区别特点协议1、水平的 2、透明的1、协议的实现保证了能够向上层提供服务，使用本层服务的实体无法看见下面的协议，即下面的协议对上面的实体是透明的 2、协议是控制对等实体之间通信的规则服务1、垂直的 2、看得见的由下层向上层通过层间接口提供的，能被上层“看见的”功能