计算机网络体系结构

1.1_1 计算机网络的概念

计算机网络

将众多分散的、自治的计算机系统，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。

计网，互联网，互连网的区别

计算机网络：由若干结点和连接这些结点的链路构成

  • 结点：集线器，计算机，交换机，路由器等
  • 链路：有线链路，无线链路

互连网：多个计算机网络通过路由器互相连接

互联网（因特网）：把全球范围的计算机网络连接起来

  • 互联网必须使用TCP/IP协议通信，互连网可使用任意协议（因为后者一般是小范围使用）
  • 互联网是世界上最大规模的互连网

其它

  • 家用路由器 = 交换机 + 路由器 + 其他功能

  • 路由器用于连接不同的网络

1.1_2 计算机网络的组成、功能

组成

从组成部分看

硬件

  • 主机（端系统，end system）， 如电脑，手机

  • 通信设备，如集线器，路由器

  • 通信链路，如网线，光纤

软件

实现资源贡献。如聊天软件，网盘软件

协议

规定计算机网络的通信规则，由硬件和软件共同实现，如：网络适配器+软件 实现网络通信协议

从工作方式看

边缘部分

工作方式：直接为用户服务（通信，资源共享）

主要由连接到互联网上的主机及其软件组成

核心部分

工作方式：为边缘部分服务（连通性，交换服务）

由大量网络和连接这些网络的路由器组成

从逻辑功能看

资源子网

向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的部分

主要由连接在互联网上的主机组成

通信子网

把计算机和其他用户装置连接在一起的所有通信设备和介质的总称

主要由通信链路+通信设备+协议构成

功能

  • 数据通信

  • 资源共享

  • 分布式处理 将复杂任务分派给网络中的多台计算机 例如mapreduce

  • 提高可靠性 网络中各台计算机互为替代机 例如将数据备份在网盘

1.1_3 电路交换，报文交换，分组交换

电路交换

通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源

过程

建立连接 -> 通信 -> 释放连接

优点

  • 会建立一条专用的线路，传输效率高

缺点

  • 建立和释放连接需要额外的时间开销

  • 线路被双方独占，利用率低

  • 灵活性差

  • 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中的发生的数据错误）

报文交换

把传送的数据单元先储存进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点

优点

  • 通信前无需建立连接

  • 通信线路可以灵活分配

  • 用户无需独占一整条物理线路，线路利用率高

  • 支持差错控制（通过校验技术）

缺点

  • 报文不定长，不方便储存转发管理

  • 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大

  • 长报文容易出错，重传代价高

分组交换

将数据分割为较小的分组进行存储转发

分割后的首部要素

源地址，目的地址，分组号等

优点

  • 无需建立连接

  • 分组长度小，节点缓存压力小，转发速度快。

  • 分组不易出错，重传代价低

缺点

  • 相比于报文交换，控制信息占比增加

  • 相比于电路交换，仍然存在储存转发时延

  • 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现丢失等问题，增加处理的复杂度

三种方式性能对比

电路交换性能分析

1.1_4 计算机网络的分类

按分布范围分

广域网（WAN）

跨国，跨省，跨洲

城域网(MAN)

几个或几个相邻城市

通信技术：常采用“以太网技术”

局域网(LAN)

范围：学校，企业，工作单位，家庭

通信技术：以太网技术

由于局域网如今几乎都是采用以太网技术实现，因此以太网几乎成了局域网的代名词

个域网(PAN)

范围：几十米以内

通常是通过无线技术将个人设备连接起来的网络，也称为无线个域网

按传输技术分

广播式网络

一对多，通过检查分组的目的地址确定是否接收该分组

点对点网络

一对一

按拓补结构分类

  • 总线形结构

数据广播式传输，存在总线争用的问题

  • 环形结构

数据广播式传输，通过“令牌”解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可以传递数据

  • 星形结构

由中央设备实现数据的点对点传输，不存在总线争用的问题

以太网交换机连接的设备

  • 网状结构

数据通过各中间节点逐一存储转发，属于点到点传输

众多路由器构架的广域网

按使用者分类

  • 公用网

  • 专用网

按传输介质分类

  • 有线网络

  • 无线网络

1.1_5 计算机网络的性能指标 （高频考点）

1，速率

windwos用户可以在任务管理器中查看

信道：某一方向传送信息的通道（不等于通信线路）。一条通信线路在逻辑上对应一条发送信道和一条接收信道

1B = 8b , B是字节，b是比特

速率：连接到网络上的节点在信道的传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输速率。单位为bit/s,b/s,bps(三者表示的意思一样)

2, 带宽

带宽：某信道所能传输的最高数据率

节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制

光猫：将光信号转化为电信号

在通信领域，带宽表示某信道允许通过的信号频带范围

信道带宽越大，传输数据的能力越强

3，吞吐量

吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量

吞吐量受宽带限制、受复杂的网络负载情况影响

4，时延

时延：数据从网络的一段传送到另一端所需的时间

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

  • 发送时延：节点将数据推向信道所花的时间
  • 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所花的时间
  • 处理时延：被路由器处理所花的时间
  • 排队时延：数据排队进入、排出所花的时间

5，时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

表示的意义是一条链路中，已从发送端发出来但尚未到达接收端的最大比特数

6，往返时延（RTT）

从发送方发送完数据，到发送方接收到来自接收方的确认总经历的时间

RTT = 传播时延 + 处理时延 + “确认”的发送时延 + “确认” 的传播时延

注：发送方发送数据的时延不计入发送时延

7， 信道利用率

有数据通过的时间/（有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间）

太高或太低都不好

1.2.1 计算机网络分层结构

分层的设计思想

将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题

  • 将复杂的快递网络在逻辑上划分为多个层次，不同层次实现不同功能

  • 不同类型的节点，实现的功能层次可能不一样

  • 分层结构的设计并不唯一，可以根据实际需求增加或减少层次

  • 同一个功能可以在多个层次中重复出现

三种常见的计算机网络体系结构

OSI参考模型 （法律上的标准）

应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，数据链路层，物理层

TCP/IP模型（事实上的标准）

应用层，传输层，网际层，网络接口层

五层模型（教学用标准）

应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层

网络体系结构的概念

网络的体系结构

计网的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络极其构件所应完成的功能的精确定义

实现

遵循这种体系的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题

  • 体系结构是抽象的，而实现是具体的

各层间的关系

实体

在计网的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体

协议

网络协议，对控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的

接口

同一节点内两个相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称服务访问点

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

数据的传输过程

压缩传输协议（YSCS）

发送方将数据压缩之后需要增加“首部”说明采用了哪种压缩算法

  • 首部的大小、具体格式等都需要子啊协议中明确规定

接收方根据“首部”信息选择解压缩算法将数据解压

PDU、SDU、PCI的概念

协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。第n层的PDU记为n-PDU

服务数据单元（SDU）：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的SDU记为n-sDU

协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。n-PCI

三者的关系为 n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

协议的三要素

语法

数据和控制信息的格式

语义

需要发送何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答

同步（或时序）

执行各种操作的条件、时序关系等，即事件顺序的详细说明

1.2.3_1 OSI参考模型

物联（链）网叔（输）会使（示）用

层次 任务 功能 单位
应用层 实现特定网络功能 解决不同主机上信息表示不一致的问题，数据格式转换 报文
表示层 解决不同主机上信息表示不一致的问题 数据格式转换
会话层 管理进程间会话 会话管理
传输层 实现端到端通信 复用和分用、差错控制、流量控制、连接管理、可靠传输管理 报文段
网络层 把分组从源节点转发到目的节点 路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互连、差错控制、流量控制、连接管理、可靠传输管理 数据报（分组）
数据链路层 确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错 差错控制、流量控制 帧
物理层 实现节点之间的比特传输 需定义电路接口参数、信号的含义/电气特性等 比特

1.2.3_2 TCP/IP模型

TCP/IP模型 任务 功能
#4 应用层 实现特定网络应用 略
#3 传输层 实现端到端（进程到进程）通信 复用和分用、差错控制、流量控制、连接管理、可靠传输管理
#2 网络层 把分组从源结点转发到目的结点 路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互联、差错控制、流量控制、连接管理、可靠传输管理
#1 网络接口层 实现相邻结点之间的数据传输（为网络层传输“分组”） 无具体规定

OSI和TCP/IP之间的区别类似于vs和vscode之间的区别

2.1.1 通信基础的基本概念

1. 基本概念

  • 信源：信号来源，即数据的发送方。
  • 信宿：信号的“归宿”，即数据的接收方。

2. 信号与信道

  • 信号：数据的载体。
    • 模拟信号：值是连续的（如正弦波）。
    • 数字信号：值是离散的（如方波）。
  • 信道：信号的通道（传输介质）。
    • 模拟信道：适用于传输模拟信号。
    • 数字信道：适用于传输数字信号。

3. 码元

  • 定义：每一类信号就是一个码元。一个“信号周期”内的波形对应一个码元。
  • 码元宽度：指一个“信号周期”的持续时间长度。
  • 进制（K进制）：若一个周期内可能出现 K 种不同的信号（状态），则称为 K进制码元。
  • 信息量计算：1个码元携带的信息量为 (\log_2 K) （单位：比特，bit）。

4. 速率（核心指标）

  • 波特率（调制速率）：
    • 定义：每秒传输几个码元。
    • 单位：码元/秒 或 波特（Baud）。
  • 比特率（信息传输速率）：
    • 定义：每秒传输几个比特。
    • 单位：bit/s（或 b/s， bps）。

5. 内在联系（重点公式）

比特率 = 波特率 × 每个码元携带的比特数

即：
[
\text{比特率} = \text{波特率} \times \log_2 K
]
（其中 (K) 为码元的进制数，即一个码元携带 (\log_2 K) 个比特）

2.1.2 信道的极限容量