计算机网络之计算机网络结构（一）

抓重点：

• 网络体系结构
• 经典网络（以太网）
• 协议
• 网络设备

– 计算机网络的概念

计算机网络:是一个将分散的（跨区域）、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。

计算机系统:IOS Androd Windows macOS等操作系统

计算网络是互连的、自治的计算机集合。

互连-相联互通 通信链路

所有的计算机直接通过通信链路（光纤）连接

自治-无主从关系，计算机之间相互独立，不能直接控制对方

1. 数据通信（连通性）

数据在信道之间可以传输

2. 资源共享

• 硬件资源共享（打印机，传真机）
• 软件资源共享（应用商店的软件下载）
• 数据资源共享（百度文库）

3. 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（Hadoop平台：数据加工和存储）

4. 提高可靠信

假如一台电路荡机，该链路走不通，另外一台计算机可以成为替代机

5. 负载均衡

分布式达到的效果

– 计算机网络的组成

1. 组成部分

分为硬件、软件和协议三部分

2. 工作方式

1. 边缘部分

用户直接使用，分为C/S方式和P2P方式

2. 核心部分

为边缘部分服务

3. 功能组成

分成数据通信和资源共享两大功能，按照功能分类实现通信子网和资源子网

1. 通信子网

实现数据通信，且是由各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成

范畴层：

• 物理层(集成器,中继器)
• 数据链路层（交换机，网桥）
• 网络层（路由器)

2. 资源子网

实现资源共享/数据处理，是实现资源共享的设备和软件的集合

范畴层：

• 应用层
• 表示层
• 会话层

其中传输层是资源子网和通信子网的通信的接口

举例：

假如在淘宝买个口红给自己或者给自己女朋友叫淘宝店家按照你的要求包装加一张小卡片，在封装的过程，对应了我们资源共享和数据处理过程，而邮递时就是就是数据通信的过程

– 计算机网络的分类

1. 按分布范围分广域网WAN（交换技术）、城域网MAN（广播技术）、局域网,个人区域网PAN
2. 按使用者区分：公用网（中国电信）、专用网（军事网）
3. 按交换技术分：电路交换、报文交换、分组交换
4. 按拓扑结构分（网络架子）：总线型、星型、环形、网状型

其中注意网状型用于广域网（因特网），星型有六个节点当然有5条链路

5. 按传输技术分：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）

两种网络的区别：是否使用分组存储转发和路由选择机制

– 标准化工作

标准分类：法定标准和实施标准

法定标准：由权威机构制定正式的、合法的标准的标准 OSI

事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，TCP/IP时间长了，这些产品的协议和技术就成了标准

RFC（Request For Comments）——因特网标准形式

RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

1）因特网草案（Internet Draft）这是阶段开始成为RFC文档

2）建议标准（Proposed Standard）从这个阶段开始成为RFC文档。

3）草案标准（Draft Standard）（2013年已取消）

4）因特网标准（Internet Standard）

– 标准化工作的相关组织*

国际化标准化组织ISO:OSI参考模型、HDLC协议

国际电信联盟ITU：制定通信规则

国际电气电子工程师协会IEEE:学术机构、IEEE802系列标准、5G

Internet工程任务组IETF:负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX

– 性能指标

1. 速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率

比特：计算机发送的信号以数据的形式发送，而比特就是发送数据量的单位 例：1/0 位

连接在计算机网络上的主机信道上传数据位数的速率

单位是b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s

千 1kb/s = 10^3b/s

兆 1Mb/s = 10^3kb/s = 10^6b/s

吉 1Gb/s = 10^3Mb/s = 10^6kb/s = 10^9b/s

太 1Tb/s = 10^3Gb/s = 10^6Mb/s = 10^9kb/s = 10^12b/s

2. 带宽

（1）”带宽“原本是指某个具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹

（2）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。网络设备所支持的最高速度

电磁波在介质的传播速率2 X 10^8 m/s

3. 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,即一条链路下的数据总量。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。

4. 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

时延的分类：发送时延（传输时延）、传播时延、排队时延、处理时延

发送时延:从发送分组的第一- 个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

公式：发送时延 = 数据长度 / 信道带宽（发送速率）

传播时延：取决于电磁波传播速度和链路长度

公式：传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率

排队时延：等待输出 / 入链路可用

处理时延：检错找出口

补充：高速链路是指发送速率的提高

5. 时延带宽积

时延带宽积(bit) = 传播时延(s) X 带宽(b/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”（容量）

6. 往返时延RTT

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。

ping www.baidu.com
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RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数字越多

RTT包括：往返传播时延 = 传播时延 * 2和末端处理时间

7. 利用率

利用率：信道利用率和网络利用率

信道利用率：有数据通过的时间 / （有+无）数据通过的时间

网络利用率：信道利用加权平均值

关系：

总结图：

– 计算机网络分层结构

1. 为什么要分层？

发送文件前要完成的工作:
(1)发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
(2)要告诉网络如何识别目的主机。
(3)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。
(4)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已经做好准备工作。
(5)确保差错和意外可以解决。

2. 怎么分层？

分为实体，且同一层的实体为对等实体,其次是协议,对等实体才有协议，再其次的关节为接口，最后的话是服务，且是自上而下

分层的基本原则

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。

2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少，

3. 结构上可分割开。每层都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. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

3. 正式认识分层结构

1. 实体:第n层中的活动元素称为n层实体。同-层的实体叫对等实体。

2. **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】

协议的三大要素：语法（规定传输的格式）、语义（规定所要完成的功能）、同步（规定各种操作的顺序）
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3. 接口(访问服务点SAP) :上层使用下层服务的入口。

4. 服务:下 层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

服务传输过程：

4. 总结

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。

• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。

• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层级及其功能和协议的集合。

• 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。

• 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一-些软件和硬件。

– 浅聊OSI参考模型

1. ISO/OSI参考模型——怎么来的？

为了解决计算机网络的大问题 分层结构（按功能）

目的:支持异构网络系统的互联互通。
国际标准化组织(ISO) 于1984年提出开放系统互连(OSI) 参考模型。

但是！理论成功，市场失败。

2. ISO/OSI参考模型

顺口溜：物联网淑慧试用

3. ISO/OSI参考模型解释通信过程

其中中间系统只有通信子网的三层，上四层端到端，下三层点到点

传输过程:

– OSI参考模型的结构

1. 应用层

定义：所有能和用户产生网络流量的程序

经典应用层服务：

​ 文件传输（FTP）

​ 电子邮件（SMTP）

​ 万维网（HTTP）

​ ……

2. 表示层

定义：用于处理在两个通信系统交互信息的表达方式（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

3. 会话层

定义：向表示层实体/用户进程提供建立连接并且在连接上有序地传输数据。这就是会话，也是**建立同步**（SYN）

功能一：建立、管理、终止会话

功能二：使用效验点可使会话在通信失效时效验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。

适用于传输大文件。主要的协议：ADSP、ASP

4. 传输层

定义：主要负责两个进程的通信，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、不可靠传输

功能二：差错控制

功能三：流量控制（控制发送方的速度）

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。

大家对分用看的比较模糊的话，下面举一个例子

发送qq信息发给你朋友时，你手机占用的端口号4000，发送信息给你朋友的手机的分给端口4000，你朋友看到消息也是在端口4000取，这就是复用和分用的过程

主要协议：TCP、UDP

5. 网络层

主要任务把分组从源端传到目的的端，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（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

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。
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6. 数据链路层

定义：主要任务是把网络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

主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP

7. 物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流透明传输。

物理层传输单位是比特

透明传输: 指不管所传数据是什么样的比特组合都应当能够在链路上传送。

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

功能五：比特编码

总结：

– OSI参考模型与TCP/IP参考模型

1. 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

2. 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

• 计算机网络分层结构的差异

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。

3. 5层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点

支持各种网络应用：FTP、SMTP、HTTP

进程-进程的数据传输：TCP、UDP

原主机到目的主机分组路由与转发：IP、ICMP、OSPF等

把网络层传下来的数据报组装成帧 Ethernet、PPP

比特传输

4. 5层参考模型的数据封装与解封装

工作流

全篇总结