「计算机网络」预习：（一）计算机网络体系结构

计算机网络

1、计算机网络体系结构

2、物理层

3、数据链路层

4、网络层

5、传输层

6、应用层

一、计算机网络体系结构

（一）计算机网络概述

1.概念：3种观点，由低级到高级

1. 广义观点：强调物理层面的网络连通。——计算机网络发展低级阶段

   • 计算机网络是“用通信线路（如光纤、网线、微波）将分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机系统（以及终端、外设）连接起来，以功能完善的网络软件（网络协议、操作系统等）实现数据通信的系统”

2. 资源共享观点：强调共享资源（软件、硬件、数据）——当前计算机网络的基本特征

   • “以相互共享资源（硬件、软件、数据）为目的而连接起来的、具有各自独立功能的计算机系统的集合”

3. 用户透明性观点：分布式系统，强调服务与抽象——计算机网络未来发展理想状态

   • “存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需要的资源，而整个网络就像一个虚拟的巨型计算机系统，对用户是透明的”
   • 比如你使用百度网盘时，你不需要关心你的文件存在哪个机房的哪块硬盘上，系统自动帮你完成了这一切，这即是“透明性”的体现。

2.组成：3种角度

1. 从组成部分角度来看：计算机网络由硬件、软件、协议三大部分组成。
2. 从工作方式角度来看：计算机网络分为边缘部分和核心部分。
3. 从功能组成角度来看：计算机网络由通信子网和资源子网组成。

3.功能：5大功能

1. 数据通信
2. 资源共享
3. 分布式处理
4. 提高可靠性
5. 负载均衡

4.分类：6种角度

1. 按分布范围分类

   (1) 广域网(远程网)（WAN）

   (2) 城域网（MAN）

   (3) 局域网 （LAN）

   (4) 个人局域网（PAN）

   注：若中央处理器之间的距离非常近(如<=1m)，一般称为多处理器系统，而不称为计算机网络。

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

   (2) 星形

   (3) 环形

   (4) 网状

4. 按使用者分类

   (1) 公用网

   (2) 专用网

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

6. 按传输介质分类

   传输介质可以分为有线和无线两大类，因此网络可以分为：

   (1) 有线网络

   (2) 无线网络

5.性能指标：7个指标

1. 带宽：最高数据传输速率，单位：比特/秒。

2. 时延：数据从网络的一段传送到另一端的总耗时。包括4部分：

   (1) 发送时延（传输时延）：发送时延 = 分组长度/信道宽度

   (2) 传播时延：传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率

   (3) 处理时延

   (4) 排队时延：在输入队列中排队、在输出队列中排队

   总时延计算：总时延 = (1) + (2) + (3) + (4)

   注1：计算时，(3)(4)一般忽略不计。

   注2：高速链路减少了发送时延而非传播时延。

3. 时延带宽积：链路管道可以容纳的比特数量。

   时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽

4. 往返时延：从发送端发出一个短分组，到收到确认的总时延。
5. 吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。
6. 速率：数据传输速率。最高传输速率称为带宽。

7. 信道利用率：信道有数据通过的时间所占总时间的比例。

   信道利用率 = 有数据通过的时间/总时间

（二）计算机网络体系结构与参考模型

1.计算机网络分层结构

• 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。
• 第n层使用第n-1层的服务，向第n+1层提供服务，称为服务提供者。
• 最高层向用户提供服务。
• 下一层提供服务的实现细节对上一层透明；两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。

2.计算机网络协议、接口、服务

1. 协议：网络协议只存在于对等层。协议由语法、语义、同步三部分组成。

   • 一个完整的协议通常具有线路管理、差错控制、数据转换等功能。

2. 接口：同一结点内，相邻两层之间交换信息的连接点。

   • 在典型的接口上，相邻两层的实体通过SAP（服务访问点）进行交互。

3. 服务：下层为上层提供的功能调用。

   • 上层使用下层提供的服务时，必须交换一些命令，在OSI参考模型中称为服务原语。

     OSI将服务原语分为4类：请求、指示、响应、证实。

   • 服务可以按照3种角度分类：

     (1) 面向连接服务与无连接服务

     (2) 可靠服务和不可靠服务

     (3) 有应答服务和无应答服务

3.ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型

ISO提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），简称OSI参考模型。

OSI参考模型有7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。其中，低三层统称为通信子网，高三层统称为资源子网。

(1) 物理层

(2) 数据链路层

(3) 网络层

(4) 传输层

(5) 会话层

(6) 表示层

(7) 应用层

TCP/IP模型

TCP/IP模型从低到高依次为网络接口层（对应物理层和数据链路层）、网际层、传输层、应用层（对应会话层、表示层、应用层）。

比较

• 相同点

  (1) 二者都采取分层的体系结构，将庞大且复杂的问题划分为若干较容易处理的、范围较小的问题，而且分层的功能也大体相似。

  (2) 二者都是基于独立的协议栈的概念。

  (3) 二者都可以解决异构网络的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。

• 不同点

  (1) OSI 参考模型精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口；

  TCP/IP 模型在这三个概念上却没有明确区分。

  (2) OSI 参考模型：先有模型，后有协议，通用性强，但因设计者经验不足，功能分层不够合理。

  TCP/IP 模型：先有协议，后有模型，协议与模型匹配度高，但通用性差，仅适用于自身协议栈。

  (3) TCP/IP 模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互连问题，并将网际协议（IP）作为一个单独的重要层次。

  OSI 参考模型最初只考虑到用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连。OSI 参考模型认识到 IP 的重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似于 TCP/IP 模型中的 IP 的功能。

  (4) OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。

  TCP/IP 模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

无论是 OSI 参考模型还是 TCP/IP 模型，都不是完美的，对二者的讨论和批评都很多。学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，采用只有 5 层协议的体系结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。