【計算機網絡】體系結構

目錄

• 概述
  • 組成
  • 功能
  • 分類
  • 性能指標
• 體系結構與參考模型
  • 計算機網絡分層結構
  • 網絡體系結構模型
    • OSI參考模型
    • TCP/IP模型

概述

注意：紅色為路由選擇協議。
記憶方法：（因為偶愛你，所以才有了粉絲排行榜和打人（狂熱粉））
網絡層：AIO開頭（偶O愛AI你）
應用層：
基於TCP：FSPHB（粉F絲S排P行H榜B）（很可靠）；
基於UDP：DR（打D人R）（不可靠）

層次	協議	名稱	英文	備注
應用層	FTP	文件傳輸協議	File Transfer Protocol	傳輸當然要可靠的TCP
	SMTP	簡單郵件傳輸協議	Simple Mail Transfer Protocol	傳輸當然要可靠的TCP
	POP	郵局協議	Post Office Protocol	傳輸當然要可靠的TCP
	HTTP	超文本傳輸協議	HyperText Transfer Protocol	傳輸當然要可靠的TCP
	BGP	邊界網關協議	Border Gateway Protocol	傳輸信息量大當然要可靠的TCP
	DNS	域名系統	Domain Name System	一個域名多個訪問，單個數據量不大，信息數目大，當然要UDP提高效率
	RIP	路由信息協議	Routing Information Protocol	每個周期都要傳播路由信息，信息數目大，當然要UDP提高效率
	DHCP	動態主機配置協議	Dynamic Host Configuration Protocol	一對多，單個數據量不大，當然要UDP提高效率
傳輸層	TCP	傳輸控制協議	Transmission Control Protocol
	UDP	用戶數據報協議	User Datagram Protocol
網絡層	ICMP	Internet控制報文協議	Internet Control Message Protocol
	OSPF	開放最短路徑優先	Open Shortest Path First
	IGMP	網際組管理協議	Internet Group Management Protocol
	IPv4	網際協議版本4	Internet Protocol version 4
	ARP	地址解析協議	Address Resolution Protocol
鏈路層	CSMA/CD	載波偵聽多路訪問/沖突檢測	Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
	CSMA/CA	載波偵聽多路訪問/沖突避免	Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

組成

• 從組成成分上看，主要由硬件、軟件、協議
• 從工作方式上看，可分為邊緣部分和核心部分
• 從組成功能上看，由資源子網與通信子網構成，與上面的邊緣、核心一一對應

功能

• 數據通信：（最基本的功能）
• 資源共享
• 分布式處理
• 提高可靠性
• 負載均衡

分類

• 按分布范圍分類：
  • 廣域網(WAN, Wide Area Network)：使用點對點等交換技術（范圍大）
  • 城域網(MAN, Metropolitan Area Network)
  • 局域網(LAN, Local Area Network)：使用廣播技術（范圍小）
  • 個人區域網(PAN, Personal Area Network)
• 按傳輸技術分類：
  • 廣播式網絡
  • 點對點網絡

• 按拓撲結構分類：

  網絡拓撲結構是指由網中結點（路由器、主機等）與通行線路（網線）之間的幾何關系表示的網絡結構，主要指通信子網的拓撲結構。

  • 星形網絡
  • 總線型網絡
  • 環形網絡
  • 網狀形網絡

  

  星形、總線型和環形網絡多用於局域網，網狀形網絡多用於廣域網

• 按使用者分類：
  • 公用網(Public Network)
  • 專用網(Private Network)
• 按交換技術分類
  
  • 電路交換網絡：
    • 特點：
      • 交換信息的兩個主機之間建立專用通道
      • 傳輸時延小、實時性強
      • 效率低、無法糾正錯誤（兩個人占用了，所以效率低）
    • 優點：
      • 數據直接傳送、時延小
    • 缺點：
      • 線路利用率低、不能充分利用線路容量、不便於進行差錯控制
  • 報文交換網絡：
    • 特點：
      • 信息拆分成報文，大小無限制，有目的/源等信息
      • 提高利用率
      • 有轉發時延、要求網絡結點有緩存空間（等待報文全部到達后，才能繼續轉發）
    • 優點：
      • 可以較為充分地利用線路容量
      • 可以實現不同鏈路之間不同數據率的轉換
      • 可以實現格式轉換
      • 可以實現一對多、多對一的訪問
      • 可以實現差錯控制
    • 缺點：
      • 增大了資源開銷（如輔助信息導致處理時間和存儲資源的開銷）
      • 增加了緩沖時延，需要額外的控制機制來保證多個報文的順序不亂序
      • 緩沖區難以管理（因為報文的大小不確定，接收方在接收到報文之前不能預知報文的大小）。
  • 分組交換網絡，也稱包交換網絡
    • 特點：
      • 信息拆分成分組，大小有限制
      • 不需要等待分組全部到達后再轉發，可以到達一個轉發一個
    • 優點：
      • 具備報文交換網絡的優點
      • 緩沖易於管理；
      • 包的平均時延更小，網絡占用的平均緩沖區更少；
      • 更易於標准化；
      • 更適合應用。（主流）
• 按傳輸介質分類：
  • 有線
  • 無線

性能指標

一般都考慮線路速度，所以單位一般都是b/s，B記得×8。

• 帶寬(Bandwidth)：在計算機網絡中，表示網絡的通信線路所能傳送數據的能力，是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是比特/秒(b/s)

  注意：（KMGT，昆明高鐵，不要漏掉其中一個，不然換算會錯誤）
  此處通信領域，表示速率(如 b/s)時，K=\(10^3\)，M=\(10^6\)，G=\(10^9\)，T=\(10^{12}\)。
  而計算機領域，表示存儲容量(如 b)或文件大小時，K=\(2^{10}\)，M=\(2^{20}\)，G=\(2^{30}\)，T=\(2^{40}\)。

• 時延(Delay)：指數據（一個報文或分組）從網絡（或鏈路）的一段傳送到另一端所需要的總時間，它由4部分構成：發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延。（總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延）
  • 發送時延也稱傳輸時延：\[發送時延=分組長度/信道寬度\]
  • 傳播時延：\[傳播時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速率\]
  • 處理時延

  • 排隊時延

    注意：做題時，排隊時延和處理時延一般可忽略不計（除非題目另有說明）。

另外，對於高速鏈路，提高的僅是數據發送速率，而非比特在鏈路上的傳播速率。提高數據的發送速率只是為了減少數據的發送時延。

• 時延帶寬積=傳播時延*信道帶寬（即 管道體積=長度*橫截面面積）
• 往返時延(Round-Trip Time, RTT)
• 吞吐量(Throughput)：指單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量受網絡帶寬或網絡額定速率的限制。
• 速率(Speed)：指連接到計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，也稱數據率或比特率，單位為b/s（比特/秒）（或bit/s，有時也寫為bps）。通常把最高數據率稱為帶寬。
• 最大吞吐率=一個RTT傳輸的有效數據/一個RTT的時間

體系結構與參考模型

計算機網絡分層結構

計算機網絡的各層及其協議的集合稱為網絡的體系結構(Architecture)。

• 在計算機網絡體系結構的各個層次中，每個報文都分為兩部分：一是數據部分，即SDU；而是控制信息部分，即PCI，他們共同組成PDU。
• 服務數據單元(SDU, Service Data Unit)：指為完成用戶所要求的功能而應傳送的數據（即 層與層之間交換的數據的單位）
• 協議控制信息(PCI, Protocol Control Information)：控制協議操作的信息（即 協議）

• 協議數據單元(PDU, Protocol Data Unit)：對等層次之間傳送的數據單位稱為該層的PDU（PCI(協議)+SDU(數據)=PDU(報文)）

  在實際的網絡中，每層的協議數據單元都有一個通俗的名稱，如物理層的PDU稱為比特，鏈路層的PDU稱為幀，網絡層的PDU稱為分組，傳輸層的PDU稱為報文。

• 三者關系：（n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU）
  在各層間傳輸數據時，把從第n+1層收到的PDU（報文）作為第n層的SDU（數據），再加上第n層的PCI（協議），就變成了第n層的PDU。

網絡體系結構模型

• OSI，TCP/IP，五層協議的體系結構，以及各層協議

OSI分層 （7層）	物理層	數據鏈路層	網絡層	傳輸層	會話層	表示層	應用層
TCP/IP分層（4層）	網絡接口層	--	網際層	傳輸層	--	--	應用層
五層協議（5層）	物理層	數據鏈路層	網絡層	傳輸層	--	--	應用層

OSI參考模型

國際標准化組織(ISO)提出的網絡體系結構模型。
巫術網傳會表演（物數網傳會表應）：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。

• 物理層(Physical Layer)：（物理傳輸）
  • 傳輸單位：比特(bit)

  • 服務訪問點(SAP)：網卡接口

    服務訪問點是相鄰層實體之間的邏輯接口。

  • 任務：
    透明的傳輸比特流（注意這個透明的意思，是表示“看不見”的意思，而不是一覽無余）
    負責將數據報通過鏈路從一個節點傳輸到相鄰的節點
  • 功能：
    在物理媒體上為數據段設備透明地傳輸原始比特流

  • 作用：
    通過媒介傳輸比特,確定機械及電氣規范（比特Bit）

    注意：傳輸信息所利用的一些媒體，如雙絞線、光纜、無線信道等，並不在物理層協議之內，而在物理層協議下面。因此，有人把物理媒體當作第0層。

• 數據鏈路層(Data Link Layer)：（無線-有線）（數據的交通工具）（邏輯傳輸）

  說它是數據的交通工具是因為，在路由轉發時，網絡地址不變，鏈路層地址變化。（即 IP源、目的地址不變，只是交通工具MAC地址改變了）

  • 傳輸單位：幀（唯一一個有頭有尾）(Frame)
  • 服務訪問點(SAP)：MAC地址
  • 任務：
    將網絡層傳來的IP數據報組裝成幀（提供點到點的通信）（即 主機到主機）
  • 功能：
    成幀、差錯控制、流量控制和傳輸管理等。
  • 三大基本功能：（墳頭草，封透差）
    封裝成幀，透明傳輸和差錯檢測。
    > 注意：這里沒有擁塞控制，因為擁塞控制是涉及整個網絡是否擁塞的問題，而不是單獨的數據鏈路。

  • 作用：
    將比特組裝成幀和點到點的傳遞（幀Frame）

    從本質上說，由物理層、數據鏈路層和網絡層組成的通信子網為網絡環境中的主機提供點到點的服務，而傳輸層為網絡中的主機提供端到端的通信。

• 網絡層(Network Layer)：（主機-主機）
  • 傳輸單位：數據報(Packet)（分組）（包）
  • 服務訪問點(SAP)：IP地址
  • 任務：
    它關心的是通信子網的運行控制，主要任務是把網絡層的協議數據單元（分組）從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務
  • 功能：
    對分組進行路由選擇，並實現流量控制、擁塞控制、差錯控制和網際互聯等功能
  • 作用：
    負責數據包從源到宿的傳遞和網際互連（包Packet）
• 傳輸層(Transport Layer)：也稱運輸層（進程-進程）
  • 傳輸單位：報文段（TCP）(Segment)或用戶數據報（UDP）（報文）
  • 服務訪問點(SAP)：端口號
  • 任務：
    負責主機中兩個進程之間的通信（提供端到端的通信）（即 運行在不同主機內的兩個進程之間的通信）
  • 功能：
    為端到端連接提供可靠的傳輸服務，為端到端連接提供流量控制、差錯控制、服務質量、數據傳輸管理等服務

  • 作用：
    提供端到端的可靠報文傳遞和錯誤恢復（段Segment）

    點到點是數據鏈路層的說法，因為數據鏈路層只負責直接相連的兩個結點之間的通信，一個結點的數據鏈路層接受網絡層數據並封裝之后，就把數據幀從鏈路上發送到與其相鄰的下一個結點。
    端到端是傳輸層的說法，因為無論TCP還是UDP協議，都要負責把上層交付的數據從發送端傳輸到接收端，不論其中間跨越多少結點。只不過TCP比較可靠而UDP不可靠而已。所以稱之為端到端，也就是從發送端到接收端。

• 會話層(Session Layer)：
  • 任務：
    允許不同主機上的各個進程之間進行會話
  • 功能：
    主要為表示層實體或用戶進程建立連接並在連接上有序地傳輸數據，這就是會話，也稱為建立同步（SYN）
  • 作用：
    建立、管理和終止會話（會話協議數據單元SPDU）
• 表示層(Presentation Layer)：
  • 任務：
    主要處理在兩個通信系統中交換信息的表示方式，表示出用戶看得懂的數據格式
  • 功能：
    • 為使不同表示方法的數據和信息之間能相互交換，表示層采用的抽象的標准方法定義數據結構，並采用標准的編碼格式。
    • 數據壓縮、加密、解密也是表示層可提供的數據表示變換功能
  • 作用：
    對數據進行翻譯、加密和壓縮（表示協議數據單元PPDU）
• 應用層(Application Layer)：（用戶-用戶）
  • 服務訪問點(SAP)：用戶界面
  • 任務：
    應用層是用戶與網絡的界面。為特定類型的網絡應用提供訪問OSI環境的手段
  • 作用：
    允許訪問OSI環境的手段（應用協議數據單元APDU）
  • 特點：最復雜的一層

• 數據→（分割成）報文→（封裝成）分組→（封裝成）數據幀→比特流

• 每一層的協議如下：
  • 物理層： RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中繼器，集線器，網關）
  • 數據鏈路層： PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC （網橋，交換機）
  • 網絡層： IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、 （路由器）
  • 傳輸層： TCP、UDP、SPX
  • 會話層： NFS、SQL、NETBIOS、RPC
  • 表示層： JPEG、MPEG、ASII
  • 應用層： FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

TCP/IP模型

ARPA在研究ARPAnet時提出的TCP/IP模型。（實際執行的國際標准）

• 網絡接口層：
  • 功能：
    類似於OSI的物理層和數據鏈路層
  • 作用：
    從主機或結點接收IP分組，並把它們發送到指定的物理網絡上
• 網際層：（主機-主機）
  • 功能：
    類似於OSI網絡層，但它不保證各個分組有序地到達，各個分組的有序交付由高層負責
  • 定義了標准的分組格式和協議，即 IP
• 傳輸層：（應用-應用 或 進程-進程）
  • 功能：
    類似於OSI中的傳輸層
  • 協議：
    • 傳輸控制協議(Transmission Control Protocol, TCP)：
      • 面向連接，能夠提供可靠的交付
      • 傳輸單位：報文段
    • 用戶數據報協議(User Datagram Protocol, UDP)：
      • 無連接，不保證提供可靠的交付，只能提供“盡最大努力交付”
      • 傳輸單位：用戶數據報

• 應用層：（用戶-用戶）

• 注意：
  • OSI參考模型：
    • 網絡層：
      • 無連接
      • 面向連接
    • 傳輸層：
      • 面向連接（只有這一個）
  • TCP/IP模型：（我們常用的）
    • 網絡層：
      • 無連接
    • 傳輸層：
      • 無連接
      • 面向連接

注意：OSI參考模型在網絡層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅有面向連接的通信。
而TCP/IP模型認為可靠性是端到端的問題，因此它在網際層僅有一種無連接的通信模式，當在傳輸層支持無連接和面向連接兩種模式。