第一章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

1. 广义观点
   只要是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，都是计算机网络。
2. 资源共享观点
   这种观点认为，计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合＂。该定义包含三层含义：①目的一资源共享；②组成单元一分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机"；③网络中的计算机必须遵循的统一规则——网络协议。
3. 用户透明性观点

1.1.2 计算机网络的组成

1） 从组成部分上看，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。
2） 从工作方式上看，计算机网络（这里主要指 Internet， 即因特网）可分为边缘部分和核心部分。

3）从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。资源子网是实现资源共享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：它是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。
2. 资源共享：资源共享可以是软件共享、数据共享，也可以是硬件共享。提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。
3. 分布式处理：当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中
   的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率。
4. 提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以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。

1.1.4 计算机网络的分类

1. 按分布范围分类：1）广域网（WAN）、2）城域网（MAN）、3）局域网（LAN）、4）个人区域网（PAN）

2. 按传输技术分类：1）广播式网络、2）点对点网络。

3. 按拓扑结构分类：1）总线形网络、2）星形网络、3）环形网络4）网状网络
   

4. 按使用者分类：1）公用网（Public Network）、2）专用网（Private Network）

5. 按交换技术分类：1） 电路交换网络、2）报文交换网络、3）分组交换网络，也称包交换网络

6. 按传输介质分类：传输介质可分为有线和无线两大类，因此网络可以分为有线网络和无线网络。

*1.1.5 计算机网络的标准化工作

RFC 要上升为因特网的正式标准需经过以下4个阶段。
1）因特网草案（Internet Draft）
2）建议标准（Proposed Standard）3）草案标准（Draft Standard）
4）因特网标准（Internet Standard）

1.1.6 计算机网络的性能指标

1）带宽（Bandwidth）：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（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所而
要的总时间，它由4部分构成发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
发送时延＝分组长度／信道宽度
传播时延＝信道长度／电磁波在信道上的传播速率
总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延
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（Round-Trip Time， RTT） 。指从发送端发出 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。
5）吞吐量（Throughput）：指单位时间内通过某个网络（或信道、按口）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，也称数据传轮速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特／秒）。
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＝ 有数据通过时间／（有＋无）数据通过时间。

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

网络的体系结构 (Architecture)：计算机网络的各层及其协议的集合。
体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
分层的基本原则：
1）每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
2）各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3）各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以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）整个分层结构应能促进标准化工作。
在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为第n层实体。
实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。
服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。
协议数据单元 （PDU）：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1. 协议
   协议，就是规则的集合。在网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式及有关的同步问题。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Network Protocol），它是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。
   协议由语法、语义和同步三部分组成。
   。一个完整的协议通常应具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。
2. 接口
   接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
3. 服务
   服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。
   协议、接口、服务三者之间的关系：
   

（1）面向连接服务与无连接服务
在面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。例如 TCP 就是一种面向连接服务的协议。
在无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。这是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付"（Best-Effort-Delivery）， 它并不保证通信的可靠性。例如IP、UDP就是一种无连接服务的协议。
（2）可靠服务和不可靠服务
可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。对于提供不可靠服务的网络，其网络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障。
（3）有应答服务和无应答服务

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

1. OSI 参考模型
   OSI 参考模型有 层，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。
   

2. TCP/IP 模型
   TCP/IP模型从低到高依次为网络接口层（对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层）。
   

1）传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。它是面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
2）用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。它是无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付"。
应用层（用户－用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议 (Telnet) 、文件传输协议 (FTP)、域名解析服务 (DNS) 、电子邮件协议 (SMTP) 和超文本传输协议 (HTTP)
五层协议的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。