第 1 章 网络体系结构
作者：互联网
一、计算机网络的概念、功能、组成和分类
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：每台设备通过通信链路互联互通
- 自治：每台设备之间无主从关系
2、计算机网络的功能
数据通信 & 资源共享 & 分布式处理
- 数据通信：我们使用微信、QQ等聊天工具，不就是在进行数据通信嘛~
- 资源共享：在图书馆，我们只要登录任意一台电脑，就能共享图书馆打印机啦~~~
- 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分，比如 Hadoop 分布式系统
- 提高可靠性：不怕有一两台机器 down 掉，因为还有替代机
- 负载均衡：将任务平分给各个机器执行
3、计算机网络的组成
1、按组成部分分类：由硬件、软件、协议组成
软件部署在各个设备上，并通过一定的协议在各个设备之间传输数据
2、按工作方式分类：由边缘部分和核心部分组成
- 边缘部分由一系列的端系统组成，端系统之间的通信为进程之间的通信，边缘部分的进程通信主要 C/S 和 P2P 两种方式
- C/S(Client Server)：我们常常使用的微信聊天就是这种方式，微信客户端安装在我们手机上。发送微信消息时会先将此消息发送到微信服务器上，再由微信服务器将消息转发到对方手机微信上。可以看出当聊天人数上来之后，微信服务器就可能会吃不消了，即客户端数量越少对服务器压力就越小。类似的方式有 B/S(Browser/Server)
- P2P(Peer to Peer)：对等连接，参照迅雷下载，没有严格意义上的客户端和服务器，因为每一台机器既有可能是客户端，也有可能是服务器。比如我想下载一部小电影，恰好小红已经下载好了这个电影，我就可以从小红那儿下载，同样，小蓝也想下载这部电影，他可以从我这儿下，我的机器从小明那儿获得了服务，又为小蓝提供了服务
- 核心部分为边缘部分提供连接服务，这样边缘服务才能实现端系统与端系统之间的通信
按功能组成分类：由通信子网和资源子网组成
- 通信子网：实现数据通信
- 资源子网：实现资源共享（数据处理）
4、计算机网络的分类
按分布范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN
- 广域网技术使用交换技术，局域网技术使用广播技术
- 世界上最遥远的距离不是我住在你隔壁，而是我们之间的微信聊天隔着一道广域网
按使用者分类：公用网、专用网
- 公用网：电信、移动、联通提供的网络服务
- 专用网：军队、政府专门搭建的网络
按交换技术分类：电路交换、报文交换、分组交换
- 电路交换需要独占一条线，所以经常听到：对不起，你拨打的用户正在通话中，请您稍后再拨
- 报文交换和分组交换采用存储转发的技术，将条长长的通信线路，切成好多小段，每一小段都有设备负责存储转发
按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型
按传输技术分类：广播式网络、点对点网络
- 广播式网络共享公共通信信道
- 点对点网络使用分组存储转发和路由选择机制
5、小结
二、计算机网路的标准化
1、标准化的意义
实现异构网络互连
- 要实现不同厂商的硬、软件之间相互连通，必须遵从统一的标准。
2、计算机网络的标准
法定标准 & 事实标准
- 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准，比如 OSI 参考问题
- 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，比如 TCP/IP 使用时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准
三、计算机网络的性能指标
1、速率
速率的定义
- 速率即数据率或称数据传输率或比特率
- 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，单位是 b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
2、带宽
带宽的定义
- “带宽”原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹为 Hz
- 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是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
- 带宽一般指发送方向通信链路中注入比特流的最高速率，用于描述通信的物理极限能力
- 带宽是一个理想速率，实际通信中速率肯定达不到带宽这么高啦
举个栗子
一般电磁波在固体介质上传输速率为 2*108m/s ，即电磁波在 1us 可在通信介质内向前传播 200m
链路带宽 = 1Mb/s，主机在 1us 内可向链路发 1bit 数据
- 第 1us 的传输情况
- 第 2us 的传输情况
- 第 3us 的传输情况
3、吞吐量
吞吐量的定义
- 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，kb/s，Mb/s 等
- 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制，
举个栗子
主机通过交换机访问两台服务器，主机发送速率与交换机接收速率均为 100Mb/s，其链路带宽为 100Mb/s，但是服务器的速率只能达到 20Mb/s 和 10Mb/s，所以该条链路的吞吐量为 30Mb/s，可以看到实际的吞吐量一般小于链路带宽
4、时延
时延的定义
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，时延分为四类：
- 发送时延（传输时延）：是指结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间
- 传播时延：是指电磁信号或光信号在传输介质中传播一定的距离所花费的时间，即从发送端发送数据开始，到接收端收到数据（或者从接收端发送确认帧，到发送端收到确认帧），总共经历的时间
- 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发
- 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错或查找适当的路由等等。
5、时延带宽积
时延带宽积的定义
- 时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 带宽 (bit/s)
- 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”，即链路管道的比特容量
6、往返时间RTT
往返时间 RTT 的定义
- 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
- 注意：从发送方第一个发送的比特位开始算起，以发送方接收到的第一个确认信号为结束
- RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
- RTT 包括两个部分：
- 往返传播时延，= 传播时延 * 2，占 RTT 的大头
- 末端处理时间，在接收方接收到第一个比特位之后，处理后发出确认信号需要时间
7、利用率
利用率的定义
利用率分为：信道利用率和网络利用率
8、小结
四、计算机网络的分层结构
1、为什么要分层
一句话：大事化小，小事好办
发送文件前要完成的工作：
- 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
- 要告诉网络如何识别目的主机。
- 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
- 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否己经做好准备工作。
- 确保差错和意外可以解决。
- 。。。
2、如何进行分层
分层的基本原则
- 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
- 每层之间界线自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
- 结构上可分割开。每层都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。
- 整个分层结构应该能促进标准化工作。
3、正式认识分层结构
分层的术语
- 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。【水平方向】
- 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】
五、OSI 参考模型
1、OSI 七层参考模型
2、OSI 参考模型通信过程
端系统与中间系统通信上的差异
- 各个端系统之间通过中间系统连接起来，端系统工作于上四层之中，中间系统工作于下三层之中，对于端系统来说，下三层的细节实现完成被隐藏
- 端系统之间是端到端通信，中间系统之间是点到点通信
举个栗子：以“你吃了吗？”为例
- 发送方
- 每一层打包（RUA）一下，加一个头部信息，每一层的 PDU 作为下一层的 SDU
- 数据链路层除了加头部信息，还加了尾部信息呦~
- 物理层就是来打黑工的，负责将数据链路层的数据转为比特流发送出去
- 接收方
- 每一层脱一件衣服，脱到第七层得到了“你吃了吗？”
3、应用层
应用层的功能
提供与用户与网络的界面，即所有能和用户交互产生网络流量的程序，比如 QQ，邮箱等
应用层的协议
典型的应用层服务有：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP）
4、表示层
表示层的功能
表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
- 功能一：数据格式变换（翻译官）
- 功能二：数据加密解密
- 功能三：数据压缩和恢复
表示层的协议
主要协议：JPEG、ASCII
5、会话层
会话层的功能
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。这是会话，也是建立同步（SYN）
- 功能一：建立、管理、终止会话
- 功能二：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。
举个栗子
- 会话与会话之间不会相互影响，彼此之间各自独立，比如电脑开着百度又开着视频，两者之间并不会相互干扰
- 设置校验点/同步点适用于传输大文件，将大文件分段，用同步点切割为一段一段的小文件，当传输失败时，无需从头再来，只需从同步点续传即可
会话层的协议
主要协议：ADSP、 ASP
6、传输层
传输层的功能
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。
- 功能一：可靠传输和不可靠传输
- 功能二：差错控制
- 功能三：流量控制（控制发送方速率）
- 功能四：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（通过端口号区分）
传输层的协议
主要协议：TCP、UDP
7、网络层
网络层的功能
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。
- 功能一：路由选择（选取最佳路径）
- 功能二：流量控制
- 功能三：差错控制
- 功能四：拥塞控制（相较于流量控制，拥塞控制侧重于全局控制：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。）
网络层的协议
主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
8、数据链路层
数据链路层的功能
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。
- 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
- 功能二：差错控制（帧错+位错）
- 功能三：流量控制
- 功能四：访问（接入）控制控制对信道的访问
数据链路层的协议
主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
9、物理层
物理层的功能
主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是比特。
- 功能一：定义接口特性
- 功能二：定义传输模式（单工、半双工、双工）
- 功能三：定义传输速率
- 功能四：比特同步（通信时钟）
- 功能五：比特编码
物理层的协议
主要协议：Rj45、802.3
六、TCP/IP & 5层参考模型
1、TCP/IP 参考模型
TCP/IP 参考模型所做的改动
- 将应用层、表示层、会话层合并为应用层
- 将数据链路层和物理层合并为网络接口层
- 每一层都有自己对应的协议
OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点
- 都分层
- 基于独立的协议栈的概念
- 可以实现异构网络互联
OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点
- 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
- 对于网络层和传输层的连接方式
面向连接与无连接
面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此 阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成 功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。 接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向 无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。
2、5 层参考模型
综合了 OSI参考模型和 TCP/IP 参考模型的优缺点
5 层参考模型的数据封装与解封装
- 应用层封装成报文
- 传输层封装成报文段
- 网络层封装成数据报
- 数据链路层封装成帧
- 物理层转换为比特流
标签：功能,参考模型,通信,带宽,发送,网络体系结构,时延 来源： https://blog.csdn.net/weixin_44751434/article/details/117229357