第一章：计网体系结构

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OVERVIEW

• 第一章：计网体系结构
• • • 一、计网概述
    • • 1.定义：
      • 2.功能：
      • 3.组成：
      • • （1）组成部分
        • （2）工作方式
        • （3）功能组成
      • 4.分类：
      • • （1）分布范围
        • （2）按拓扑结构分类
        • （3）按交换技术分类
        • （4）传输技术
      • 5.性能指标：
      • • （1）速率Speed
        • （2）带宽Bandwidth
        • （3）吞吐量Throughput
        • （4）时延
        • （5）时延带宽积
        • （6）往返时延RTT
        • （7）利用率
      • 6.因特网的发展
      • • （1）ARPAnet/internet/Internet：
        • （2）三层结构的因特网：
        • （3）多层ISP结构的因特网：
    • 二、体系结构与参考模型
    • • 1.分层结构
      • • （1）层次的划分：
        • （2）分层结构相关概念：
        • • 协议：
          • 接口/访问服务点SAP：
          • 服务：
      • 2.分层参考模型
      • • （1）OSI：
        • • 应用层
          • 表示层
          • 会话层
          • 传输层
          • 网络层
          • 数据链路层
          • 物理层
        • （2）TCP/IP：
        • • 应用层
          • 传输层
          • 网际层
          • 网络接口层
        • （3）5层参考模型：

一、计网概述

1.定义：

计算机网络是一个分散的、具有独立功能的、通过通信设备（Switch交换机、Router路由器）与线路（双绞线、光纤）连接起来，由功能完善的软件在相应通信协议的支持下实现资源共享和信息传递的计算机系统。

在计算机网络发展的不同阶段，主要给出了3类定义如下：

总结：计算机网络就是一个互联的、自治的计算机集合

1. 互联：通过通信链路实现互联互通
2. 自治：无主从关系

2.功能：

1. 数据通信：数据通信是计算机网络最基本、最重要的功能，实现了联网计算机之间的信息传输。
2. 资源共享：资源共享可以是硬件、软件、数据共享。使计算机网络中的各种资源分工协作、提高资源利用率。
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。
4. 提高可靠性：计网中的各台计算机可以通过网络互为替代机。
5. 负载均衡：通过网络和应用程序的调控，将任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机。

3.组成：

（1）组成部分

按照组成部分划分，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三部分组成。

组成部分	说明
硬件	主要由端系统（主机）、交换设备（路由器、交换机）、通信链路（双绞线、光纤）和通信处理机（网卡）组成
软件	主要包括资源共享软件和用户工具软件（例如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序）多属于应用层
协议	是计算机网络的核心（如同交通规则），协议规定了网络传输数据时所遵循的规范

（2）工作方式

按照工作方式划分，计算机网络可分为边缘部分与核心部分

工作方式	说明
边缘部分	由所有连接到因特网上供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享
核心部分	由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务

（3）功能组成

按照功能组成划分，计算机网络由通信子网和资源子网组成

功能组成	说明
通信子网	由传输介质、通信设备和网络协议组成，使网络具有数据传输交换控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
资源子网	是实现资源共享的设备及其软件的集合，向用户提供其他计算机上的共享硬件资源、软件资源和数据资源。

4.分类：

（1）分布范围

按分布范围	说明
广域网WAN	广域网是因特网Internet的核心部分，连接广域网的各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量
城域网MAN	可为多个单位提供服务，可将多个局域网进行互联。大多采用以太网技术，因此有时也将MAN归入到LAN中讨论
局域网LAN	用微机/工作站通过高速线路相连，按照采用的技术、应用范围和协议标准不同可细分为共享局域网和交换局域网
个人区域网	将个人电子设备平板电脑、智能手机等用无线技术连接起来，WPAN/PAN（10m）

广域网特点：

1. 网络覆盖范围较大
2. 网络成本高
3. 安全系数低
4. 传输速度慢、误码率高

局域网特点：

1. 网络覆盖范围较小
2. 组建简单
3. 网络私有性
4. 传输速度快、误码率低

补充：关于以太网技术（Ethernet）：以太网是一种工业技术标准，主要用于LAN中

（2）按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指网中结点与通信线路之间的几何关系，主要是指通信子网的拓扑结构。

按拓扑结构	说明
总线型网	单根传输线连接网络，其优点是建网容易、增减结点方便、节省路线。缺点是重负载时通信效率不高、对故障较敏感
星状网络	终端以单独的线路与中央设备连接，优点是便于集中控制&管理。缺点是成本高、中心结点对故障敏感
环形网络	接口设备连接成环形，最典型的是令牌环局域网，可以是单/双环且环中的信号是单向传输的。
网状网络	每个结点至少有两条路径与其他结点连接，多用于广域网中。优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高。

（3）按交换技术分类

交换技术是指各主机、通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。

线/电路交换网：在源节点与目标结点间占用一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据、断开连接3个过程：

线路交换网	说明
特点	整个报文的比特流Bit Torrent连续的从源点直达终点，好像是在一条管道中传送
优点	数据直接传送、时延小
缺点	线路利用率比较低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制

注：传统的电话网络就是典型的电路交换网

报文交换网/存储转发网：是指用将用户数据加上源地址、目标地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。整个报文传送到相邻结点，全部存储后再转发给下一个结点，重复直到到达目的结点。

报文交换网	说明
特点	整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点
优点	较为充分的利用线路容量，实现不同链路之间不同数据率的转换，实现格式转换，一对多、多对一访问，差错控制
缺点	增大了资源开销、增加了缓冲时延、需要额外机制来保证多个报文的顺序、缓冲区难以管理（报文大小不确定）

注：报文交换网的全部报文统一进行路径选择、存储转发

分组交换网/包交换网（主流技术）：其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组/包，以存储转发的方式进行传输。

分组交换网	说明
特点	单个分组（报文的一部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点
优点	除了具备报文转换的优点之外，还具有缓冲易于管理、包的平均时延更小、网络占用的平均缓冲区更小、易于标准化
对比	报文交换网与分组交换网，都是基于存储转发技术而出现的

注：分组交换网将报文进行分组，每一个分组独立的进行路径选择、存储转发

（4）传输技术

按传输技术	说明
广播式网络	所有计算机共享公共信道，局域网多采用广播式通信技术，广域网中的无线卫星通信网也采用广播式通信技术
点对点网络	每条物理线路连接一对计算机，广域网基本都属于点对点网络
区别与不同	是否采用分组存储转发、路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别

5.性能指标：

（1）速率Speed

速率/数据率/比特率Speed：是指连接到网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，单位为b/s（bit/s、bps）

在数据率较高时，也可用kb/s、Mb/s、Gb/s表示：

注：通常把最高数据率称为带宽

（2）带宽Bandwidth

1. 指通信线路允许通过的信号频带范围（最高频率与最低频率之差，单位为赫兹）
2. 在网络中表示网络通信线路传输数据的能力（即最高数据率，单位为比特/秒b/s）

（3）吞吐量Throughput

吞吐量Throughput：指单位时间内通过某个网络/信道/接口的数据量，吞吐量受网络带宽/网络额定速率的限制

（4）时延

时延Delay：是指数据在网络中传输需要的总时间，由4部分构成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延

时延Delay	说明
发送时延/传输时延	结点将分组的所有比特推向链路所需的时间，即从发送分组的第1个比特起，到该分组的最后1个比特发送完毕所需要的时间，计算：发送时延 = 分组长度 / 信道宽度
传播时延	电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间，即1个比特在链路上传递所需的时间，计算：传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
排队时延	分组在进入router后要先在输入队列中排队等待处理，router确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
处理时延	数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间；如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验 or 查找适当的router

1. 排队时延与处理时延一般可忽略不计。
2. 对于高速链路：提高的仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率，而提高数据的发送速率只能减少数据的发送时延。

（5）时延带宽积

时延带宽积：是指发送端发送的第1个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少个比特bit，即时延带宽积 = 传播时延 * 信道带宽

注：时延带宽积又被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

往返时延Round-Trip Time：是指从发送端发送数据开始直到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。

往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。

注：RTT越大在收到确认之前可以发送的数据越多。

（7）利用率

利用率可被分为信道利用率与网络利用率。

信道利用率：指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的，即 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：将信道利用率加权后求平均值即可得到网络利用率。

6.因特网的发展

（1）ARPAnet/internet/Internet：

注意：网络把许多的计算机连接在一起，而互联网则是把许多的网络连接在一起（因特网是世界上最大的互联网）

（2）三层结构的因特网：

（3）多层ISP结构的因特网：

二、体系结构与参考模型

1.分层结构

（1）层次的划分：

注：网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构的

为了降低协议设计和调试过程的复杂性，便于进行研究实现与维护并促进标准化工作，需要对计算机网络的体系结构进行分层建模。

计算机网络的各层、各层的协议、层间接口的集合称为计算机网络的体系结构(Architecture)。

计算机网络体系结构分层原则：

1. 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度
2. 每层之间界面自然清晰易于理解，相互交流尽可能少
3. 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，都可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. 整个分层结构应能促进标准化

注意：对于分层数量应考虑层次的清晰程度与运行效率的折中、层次数量的折中

1. 分层的层次越多，有些功能在不同层中难免重复出现，产生额外的开销、整体运行效率降低
2. 分层的层次越少，导致每层的协议太复杂

概念	说明
n层实体	在计算机网络分层结构中，第n层中的活动元素被称为n层实体；实体指任何可发送/接收信息的硬件或软件进程。
对等实体	不同机器上的同一层称为对等层，同层的实体被称为对等实体。

PDU协议数据单元：

在计算机网络体系结构的各层次中，每个报文都可分为两部分：SDU数据部分 与 PCI控制信息部分，组成的整体为 PDU协议数据单元。

概念	说明
服务数据单元（SDU）	为完成用户所要求的功能而应能够传送的数据，第n层的服务数据单元记为n-SDU
协议控制信息（PCI）	控制协议操作的信息，第n层的协议控制信息记为n-PCI
协议数据单元（PDU）	对等层之间传送的数据单位称为该层的PDU，第n层的协议数据单元记为n-PDU。

在实际的网络中，每一层的协议数据单元PDU都有一个通俗的名称：

计算机网络层	PDU名称
应用层	data数据
传输层	segment报文段
网络层	datagram数据报、package数据包/分组
链路层	frame数据帧
物理层	bit比特

注：数据传输是一个不断封装的过程：n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

1. 在1次封装过程结束之后，交给第n-1层作为SDU发送继续进行循环封装，同理当接收方接收数据时作相反的解封装处理
2. 封装过程：在各层间进行传输数据时，把从第n+1层收到的PDU作为第n层的SDU，在加上第n层的PCI之后就变成了第n层的PDU

（2）分层结构相关概念：

协议：

为实现网络中不同系统对等实体之间的数据交换、通信而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Network Protocal）。

不对等实体之间不存在协议，传输层与网络层之间不存在协议（只有接口）。

协议由语法、语义和时序三部分组成：

概念	说明
语法	是指规定通信双方彼此的操作方式，确定协议中各个元素的格式（传输数据的格式）
语义	协调通信完成某些动作/操作而指定的控制应答信息，完成何种动作、发出何种控制信息、及作出何种响应
时序（定时/同步）	规定了执行各种操作的条件、时序关系等（即事件实现顺序的详细说明）

一个完整的协议通常应具有线路管理建立、线路释放连接、差错控制、数据转换等功能。

注意：1个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合，组织复杂的计算机网络协议的最好方式是层次结构

接口/访问服务点SAP：

接口是指同1结点内相邻两层间（不允许跨层次定义接口）交换信息的连接点、上层使用下层服务的入口是一个系统内部的规定。

1. 同一结点相邻两层的实体通过服务访问点SAP（Service Access Point）进行交互
2. 服务是通过SAP提供给上层使用的，第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层服务的地方，
3. 每个SAP都有一个能够标识它的地址。

注意：SAP是一个抽象的概念（非硬件接口），实际上是一个逻辑接口（类似邮政信箱）

服务：

服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用是垂直的。

对等实体在协议的控制下使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。

1. 透明性：下层的协议对上层的服务用户是透明的。
2. 单向性：服务是由下层通过层次之间的接口向上层提供的。
3. 部分性：并非在1层内完成全部功能都称为服务，只有能够被高1层实体看得见的功能才称为服务。

是否连接	说明
面向连接服务	通信前必须先建立连接分配响应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释占用的资源。
面向无连接服务	通信前无需建立连接、可直接发送数据。把每个带有目的地址的包传送到线路上，系统选定路线进行传输。

1. 面向连接服务可以分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。TCP就是一种面向连接服务的协议
2. 面向无连接服务是不可靠的服务，尽最大努力交付Best-Effort-Delivery,并不保证通信可靠性。UDP/IP就是一种无连接服务的协议。
3. 面向连接与无连接服务的区别为，在进行通信前是否进行连接的建立（核心），及服务的可靠性

是否可靠	说明
可靠服务	网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
不可靠服务	网络只是尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是以一种尽力而为的服务。

注：对于提供不可靠服务的网络，其网络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障。

例如用户收到信息后要验证信息的正确性，若不正确用户要把出错信息报告给发送者，以便发送者进行纠错。通过用户的这些措施，可以把不可靠的服务变成可靠的服务。

是否应答	说明
有应答服务	接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。
无应答服务	接收方收到数据后不自动给出应答，若需要应答则由高层实现。

1. 文件传输服务就是一种有应答的服务。
2. 所发送的应答既可以是肯定的应答、也可以是否定的应答（在收到的数据有错误时发送否定的应答）
3. www服务客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答

2.分层参考模型

（1）OSI：

OSI/RM参考模型是由ISO国际标准化组织提出的开放系统互联参考模型。

1. OSI低三层统称为通信子网，负责网络通信连接的链路，是为了联网而附加的通信设备、完成数据的传输。
2. OSI传输层是承上启下的连接层，从低到高中的第一个端到端的层次。
3. OSI高三层统称为资源子网，负责端到端P2P的数据通信、加密/解密、会话控制，相当于计算机系统完成数据的处理等功能。

注意：不是每个通信都要经过OSI模型中的全部7层，如物理接口之间的连接、中继器与中继器之间的连接只需要在物理层中进行；
路由器与路由器之间的连接只需要经过网络层以下的三层（通信子网）。

应用层

应用层：是用户与网络的界面，为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。

1. 用户的实际应用多样，这要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用需求。

应用层功能
文件传输FTP
电子邮箱SMTP
万维网HTTP

应用层协议：文件传输的FTP、电子邮件的SMTP、万维网HTTP等

表示层

表示层：用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）。

表示层功能
数据格式转换（翻译官），由于不同主机采用的表示和编码方式不同使用的数据结构也不同，为了使不同表示方法的数据/信息之间也能互相交换，表示层均采用标准的编码形式（抽象的标准方法定义数据结构）
数据加密与解密
数据压缩与恢复

表示层协议：不是一个特别单独的层次（可被纳入应用层规划层中），故其没有单独的协议（JPEG\ASCII）

会话层

会话层：用于向表示层实体/用户进程提供建立连接，并在连接上有序的传输数据（建立同步SYN的过程）。

会话层功能
建立、管理、终止会话
使用校验点/同步点实现SYN数据同步（解决大文件传输中断问题）

会话层协议：ADSP、ASP，协议都是为功能设计而服务的

传输层

传输层/运输层：用于主机中两个进程之间的通信/端到端通信（传输单位是TCP报文段segment或UDP用户数据报）。

1. 使用传输层服务，高层用户可以直接进行端到端数据服务从而可以忽略通信子网的存在。
2. 传输层的屏蔽，使高层用户看不到子网的交替和变化。
3. 复用是指多个应用层进程可同时使用传输层的服务，分用是指传输层把收到的信息分别交付给应用层中相应的进程。

传输层功能
可靠传输TCP、不可靠传输UDP
差错帧错/位错控制（检错segmet数据错误）
流量控制（发送方与接收方的速度协调）
复用与分用

传输层协议：TCP、UDP

网络层

网络层：用于通信子网的运行控制、将网络层的package分组从源端传到目的端（传输单位是datagram数据报）

1. 网络层为分组交换网上的不同主机提供通信服务/网际互联，数据报过长时就会被切割为分组。
2. 网络层关键问题是对分组进行路由选择、流量控制、用塞控制、差错控制

网络层功能
路由选择（选择最佳路径/路由方式）
差错帧错/位错控制（检错package分组数据错误）
流量控制（发送方与接收方的速度协调）
拥塞控制（全局性速度控制）

网络层典型协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF等

数据链路层

数据链路层：用于将网络层传下来的IP数据报package组装成帧（传输单位为帧frame）

数据链路层功能
成帧（定义帧的开始与结束）
差错帧错/位错控制（检错/纠错）
流量控制（发送方与接收方的速度协调）
访问接入access控制（控制对信道的访问/解决信道占用问题）

数据链路层协议：SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等。

物理层

物理层：用于在物理媒体上实现原始比特流的透明传输（传输单位为比特bit）

1. 物理层主要定义DTE数据终端设备和DCE数据通信设备的物理与逻辑连接方法，所以物理层协议也称物理层接口标准。
2. 传输信息所利用到的一些物理媒体，如双绞线、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而在物理层之下。
3. 关于透明传输的概念：不管所传输的数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上进行传送。

物理层功能
定义传输速率
定义接口特性（如电缆插头接触点数量）
定义传输模式（单工、半双工、双工）
比特同步
比特编码

物理层协议：RJ45、802.3

物理层接口标准：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等

（2）TCP/IP：

ARPA在研究ARPAnet时提出了TCP/IP模型，其层次结构及各层的主要协议如下：

TCP/IP模型
应用层（OSI模型中的会话层、表示层与应用层）
传输层
网际层
网络接口层（OSI模型中的物理层与数据链路层）

应用层

应用层（用户-用户）包含所有最高协议：

如Telnet虚拟终端协议、FTP文件传输协议、DNS域名解析服务、SMTP电子邮箱协议和HTTP超文本传输协议。

传输层

传输层：使发送端和目的端主机上的对等实体进行会话（类似于OSI中的传输层）

传输层主要使用以下两种协议：

传输层协议	说明
传输控制协议TCP	是面向连接的，数据传输单位是用报文段，能够提供可靠的交付
用户数据报协议UDP	是无连接的，数据传输单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只提供尽最大努力交付

网际层

网际层（主机-主机）：将IP分组发往任何网络，并为之独立选择合适的路由器（不保证各个分组有序的到达），各个分组有序交付由高层负责。（与OSI的网络层在功能上非常相似，是TCP/IP体系结构的关键部分）

1. 网际层定义了标准的分组格式和协议IP（当前采用的IP版本是IPv4）

网络接口层

网络接口层：从主机/结点接收IP分组，并发送到指定物理网络上（类似于OSI的物理层和数据链路层表示与物理网络的接口）

1. 实际上TCP/IP本身并没有真正描述这一功能，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接以便在其上传递IP分组
2. 具体的物理网络可以是各种类型的局域网（如以太网、令牌环网、令牌总线网等）也可以是电话网、SDH、X.25、帧中继和ATM等公共数据网络

（3）5层参考模型：