第 1 章网络体系结构

女爷i 2023-01-01 02:56 139阅读 0赞

# 第 1 章 网络体系结构 #

## 1、思维导图 ##

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## 2、计算机网络的概念和功能 ##

### 2.1、计算机网络的定义 ###

> **计算机网络需要干什么？然后实现什么功能？**

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。

1.  各种电话设备、电视设备、计算机设备、电网设备组成的网络
    
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2.  每台设备之间通过通信线路，实现设备之间的互联
    
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> **计算机网络是互连的、自治的计算机集合**

1.  互连：每台设备通过通信链路互联互通
2.  自治：每台设备之间无主从关系

### 2.2、计算机网络的功能 ###

> **数据通信 & 资源共享 & 分布式处理**

1.  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~
    
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2.  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~~~
    
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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，比如 Hadoop 分布式系统
    
    1.  提高可靠性：不怕有一两台机器 down 掉，因为还有替代机
    2.  负载均衡：将任务平分给各个机器执行
    
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### 2.3、计算机网络的发展 ###

> **计算机网络发展的第一阶段**

1.  美国政府害怕苏联老大哥把他们的指挥部给炸了，于是美国国防部高级研究计划局（ARPA）设计一个分散的指挥系统，这就是最初的 ARPAnet（阿帕网）
    
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2.  为了实现不同网络之间的互联，外国大佬们又提出了 internet(interconnected network) 互联
    
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3.  1983 年阿帕网接受 TCP/IP，选定Internet为主要的计算机通信
    
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4.  internet 与 Internet 的区别：网络把许多计算机连接在一起，而互联网（Internet）则把许多网络连接在一起，因特网（internet）是世界上最大的互联网。

> **计算机网络发展的第二阶段**

1985 年起，美国国家科学基金会 NSF 围绕 6 个大型计算机中心建设计算机网络， 即国家科学基金网 NSFNET，这个三层模型是是现今网络分层模型的前身

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> **计算机网络发展的第三阶段**

1.  随着因特网的发展，主干网的规模越来越大，于是将主干网交由一些运营厂商管理和维护
2.  ISP：因特网服务提供者/因特网 服务提供商，是一个向广大用户 综合提供互联网接入业务、信息 业务、和增值业务的公司，如中 国电信、中国联动、中国移动等。 分为主干ISP、地区ISP和本地ISP
3.  如果每次同级的设备通信都需要经由主干 ISP，显示通信效率不会很高，于是在某些地区 ISP 之间搭建了 因特网交换点(IXP)

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### 2.4、本节课总结 ###

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## 3、计算机网络的组成和分类 ##

### 3.1、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

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> **2、按工作方式分类：由边缘部分和核心部分组成**

1.  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
    
    1.  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)
    2.  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
2.  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

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> **3、按功能组成分类：由通信子网和资源子网组成**

1.  通信子网：实现数据通信
2.  资源子网：实现资源共享（数据处理）

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### 3.2、计算机网络的分类 ###

> **1、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**

1.  广域网技术使用交换技术，局域网技术使用广播技术
2.  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

> **2、按使用者分类：公用网、专用网**

1.  公用网：电信、移动、联通提供的网络服务
2.  专用网：军队、政府专门搭建的网络

> **3、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

> **4、按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型**

1.  总线型：常用于局域网（都在一条线上方便广播）
    
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2.  星型
    
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3.  环型
    
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4.  网状型：常用于广域网（分成小段方便数据转发）
    
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> **5、按传输技术分类：广播式网络、点对点网络**

1.  广播式网络共享公共通信信道
2.  点对点网络使用分组存储转发和路由选择机制

### 3.3、本节课总结 ###

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## 4、计算机网路的标准化 ##

### 4.1、标准化的意义 ###

> **实现异构网络互连呗**

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。

### 4.2、计算机网络的标准 ###

> **法定标准 & 事实标准**

1.  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
2.  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

### 4.3、自定义计算机网络标准 ###

> **跟小论文投稿一样的步骤。。。**

RFC（Request For Comments）： 因特网标准的形式，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)：给编辑发邮件（rfc-editor@rfc-editor.org），你们可以试试哦，这个阶段还不是RFC文档。
2.  建议标准(Proposed Standard)：编辑同意你的草案，从这个阶段开始成为RFC文档。
3.  请求评论(Request For Comments)：将草案放到因特网上，接收大家的意见和评论
4.  因特网标准(InternetStandard)：论文录用通知发下来了。。。

### 4.4、标准化工作的相关组织 ###

> **都是大佬组织。。。**

1.  国际标准化组织ISO：负责制定OSI模型、HDLC协议
2.  国际电信联盟ITU：负责制定通信规则
3.  电气和电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G
4.  Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的制定，比如RFC xxx Version

### 4.5、本节课总结 ###

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## 5、计算机网络的性能指标 ##

### 5.1、速率 ###

> **速率的定义**

速率（数据率、数据传输率、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

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假如说发送端在 1s 给接收端发送了 10b 的数据，则速率为 10b/s

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> **解答一波多年的疑惑：关于电信办网 20M 带宽**

1.  一般在速率方面，Kb 代表 103 比特，Mb 代表 103 Kb，且为小写 b
2.  一般在存储容量方面，KB 代表 210 比特，MB 代表 210 KB，且为小写 B
3.  运营商说的下行流量 20M 指的是 20Mb，折算为存储容量约为 19M

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### 5.2、带宽 ###

> **带宽的定义**

1.  “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
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
3.  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
4.  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，则：

**链路带宽 = 1Mb/s，主机在 1us 内可向链路发 1bit 数据**

1.  第 1us 的传输情况
    
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2.  第 2us 的传输情况
    
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3.  第 3us 的传输情况
    
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**链路带宽 = 2Mb/s，主机在 1us 内可向链路发 2bit 数据**

1.  第 1us 的传输情况
    
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2.  第 2us 的传输情况
    
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3.  第 3us 的传输情况
    
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### 5.3、吞吐量 ###

> **吞吐量的定义**

1.  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
2.  吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制，

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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

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### 5.4、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：

1.  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
2.  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
3.  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
4.  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。

### 5.5、时延带宽积 ###

> **时延带宽积的定义**

1.  时延带宽积(bit) = 传播时延(s) \* 带宽 (bit/s)
2.  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

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### 5.6、往返时间RTT ###

> **往返时间 RTT 的定义**

1.  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
2.  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
3.  RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
4.  RTT 包括两个部分：
    
    1.  往返传播时延，= 传播时延 \* 2，占 RTT 的大头
    2.  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

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`ping` 指令中 time 字段表示 RTT

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### 5.7、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

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一般来说，当利用率接近 1 时，时延急剧上升，导致通信速率下降

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### 5.8、本节课总结 ###

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## 6、计算机网络的分层结构 ##

### 6.1、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：

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己经做好准备工作。
5.  确保差错和意外可以解决。
6.  。。。

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说白了，还是将一个大问题分割为一系列的小问题，然后逐个击破各个小问题，就完事儿。。。

### 6.2、如何进行分层 ###

> **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.  每层之间界线自然清晰，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。

### 6.3、正式认识分层结构 ###

> **分层的术语**

1.  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。
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。【水平方向】
    
    1.  语法：规定传输数据的格式
    2.  语义：规定所要完成的功能
    3.  同步：规定各种操作的顺序
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】

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**SDU & PCI & PDU**

1.  SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
2.  PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。
3.  PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

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上一层的PDU会作为下一层的SDU，再加上下一层的PCI信息，构成下一层的PDU

### 6.4、分层概念总结 ###

> **总结**

1.  网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
2.  计算机网络体系结构简称网络体系结构，是一种分层的结构。
3.  每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
4.  计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。
5.  第n层在向n+l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。
6.  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。
7.  体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

### 6.5、本节课总结 ###

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## 7、OSI 参考模型 ##

### 7.1、为什么提出 OSI 参考模型 ###

> **提出 OSI 参考模型的背景**

1.  为了解决计算机网络复杂的大问题，需要使用分层结构（按功能）来解决如此复杂的问题
2.  背景：各个公司提出的网络架构不一致，导致不同公司的系统相互之间无法完成通信
3.  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。

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最终演变成了常用的 4 层或 5 层体系结构

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### 7.2、OSI 七层参考模型 ###

七层参考模型

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### 7.3、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

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> **举个栗子：以“你吃了吗？”为例，进行讲解**

1.  发送方
    
    1.  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
    2.  数据链路层除了加头部信息，还加了尾部信息呦~
    3.  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
2.  接收方：
    
    1.  每一层脱一件衣服，脱到第七层得到了“你吃了吗？”
    2.  裤子都脱了，就给我看这个？？？

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### 7.4、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

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> **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）

### 7.5、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）

1.  功能一：数据格式变换（翻译官）
2.  功能二：数据加密解密
3.  功能三：数据压缩和恢复

> **表示层的协议**

主要协议：JPEG、ASCII

### 7.6、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）

1.  功能一：建立、管理、终止会话
2.  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**

1.  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
    
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2.  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

### 7.7、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。

1.  功能一：可靠传输和不可靠传输
2.  功能二：差错控制
3.  功能三：流量控制（控制发送方速率）
4.  功能四：复用分用
    
    1.  复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
    2.  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

### 7.8、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。

1.  功能一：路由选择（选取最佳路径）
2.  功能二：流量控制
3.  功能三：差错控制
4.  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。）

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数据包过大会分割为一个一个的分组

> **网络层的协议**

主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

### 7.9、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。

1.  功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
2.  功能二：差错控制（帧错+位错）
3.  功能三：流量控制
4.  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

### 7.10、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。

1.  功能一：定义接口特性
2.  功能二：定义传输模式（单工、半双工、双工）
3.  功能三：定义传输速率
4.  功能四：比特同步（通信时钟）
5.  功能五：比特编码

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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。

这是一个傻瓜层，它只需要将比特流转换为电信号发送出去就行

> **物理层的协议**

主要协议：Rj45、802.3

### 7.11、本节课总结 ###

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## 8、TCP/IP & 5层参考模型 ##

### 8.1、TCP/IP 参考模型 ###

> **TCP/IP 参考模型所做的改动**

1.  将应用层、表示层、会话层合并为表示层
2.  将数据链路层和物理层合并为网络接口层
3.  每一层都有自己对应的协议

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> **OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点**

1.  都分层
2.  基于独立的协议栈的概念
3.  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**

1.  OSI定义三点：服务、协议、接口
2.  OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
3.  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
4.  对于网络层和传输层的连接方式
    
    ![image-20201211221152000][]

> **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。

### 8.2、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

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> **5 层参考模型的数据封装与解封装**

1.  应用层封装成报文
2.  传输层封装成报文段
3.  网络层封装成数据报
4.  数据链路层封装成帧
5.  物理层转换为比特流

![image-20201211221346037][]

## 9、本章总结 ##

![image-20201211221608900][]

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[image-20201210132603094]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/49ed53246e9a38349f7f394fe2f72bd1.png
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