第一章：计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

简而言之：计算机网络就是，一些互联的、自治的计算机系统的集合，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

• 广义观点：能实现资源共享或远程信息处理的系统（计算机网络的初级阶段）

• 资源共享观点：相互共享资源互联起来的计算机系统集合。包含以下三层含义：（计算机网络目前阶段）

  • 目的：资源共享

  • 组成单元：分布在不同地理位置的多台、独立的“自治计算机”

  • 网络中计算机遵守的规则：协议

• 用户透明性观点：分布式的网络操作系统（计算机网络未来发展目标）

1.1.2 计算机网络的组成

• 从组成部分：硬件、软件、协议

• 从工作方式：

  • 核心部分：网络和连接网络的路由器

  • 边缘部分：主机

• 从功能组成：

  • 通信子网：传输介质、通信设备、网络协议

  • 资源子网：其他计算机的硬件资源、软件资源、数据资源

1.1.3 计算机网络的功能

• 数据通信：微信等

• 资源共享：进程，软件等

• 分布式处理：一条任务分布给其他计算机，减轻主机的压力，提高效率

• 提高可靠性：计算机通过网络互为替代机。

• 负载均衡：将工作任务分布给计算机网络中的各台计算机

1.1.4 计算机网络的分类

• 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）

• 按传输技术分类

  • 广播式：一个公共通信信道连接多台设备

  • 点对点：一条线连接一对设备

• 按拓扑结构分类

  • 总线型

  • 星型

  • 环型

  • 网状

• 按使用者

  • 公用网

  • 专用网

• 按交换技术

  • 电路交换网络：包括建立连接、传输数据、断开连接。

  • 报文交换网络：封装成报文，源地址、目标地址、校验码等。也称储存—转发网络。

• 按传输介质

  • 有线

  • 无线

1.1.5 计算机网络的标准化工作及相关组织（了解）

因特网的所有标准都以RFC(Request For Comments)的形式在因特网上发布，但并非每个RFC都是因特网标准。

RFC要上升为因特网要经过四个阶段：

1. 因特网草案

2. 建议标准

3. 草案标准

4. 因特网标准

在国际上，制定标准的机构主要有：

1. 国际标准化组织（ISO）

2. 国际电信联盟（ITU）

3. 国际电气电子工程师协会（IEEE）

1.1.6 计算机网络的性能指标

1. 带宽（BandWidth）：在计算机网络中表示传输数据的能力，单位比特/秒（b/s）。

2. 时延（Delay）：表示从发送端开始发送数据到接收端完全接收所需要的全部时间。由4部分构成：

   2.1 发送时延：表示分组的所有的比特推向数据链路所需的时间，即，发送分组的第一个比特到最后一个比特所花费的时间。

   发送时延 = 分组长度 / 信道宽度

   2.2 传播时延：顾名思义，电磁波在信道中传播的时间。

   传播时延 = 信道长度 / 传播速率

   2.3 处理时延：数据在交换节点为储存转发而进行一系列操作而花费的必要时间，例如，某个站点分析一个报文下目标地址等一系列操作所花费的时间。

   2.4 排队时延：分组在进入路由器后先在输入队伍中排队等待处理。

     总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

1. 时延带宽积：一个比特从发送端到接收端，发送端一共发出了多少比特。

2. 往返时延：顾名思义，发送端发送一个数据，到接收到接收端的确认信息，所花费的时间。

3. 吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。例如，地铁的吞吐量，早高峰某条线路的上下客流量的和。

4. 速率：俗称网速。单位b/s、Kb/s、Mb/s、Gb/s，最高的网速称为带宽。

5. 信道利用率：ratio = 有数据通过的时间 / （有+无）数据通过的时间。

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

为什么要对计算机网络分层？

1. 为了降低协议设计和调试过程的复杂性 2. 便于对网络进行研究、实现和维护 3. 促进标准化工作

分层的基本原则：

1. 每层都实现独立的功能，降低整个系统的复杂度 2. 各层之间界面自然清晰，易于理解 3. 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法 4. 上下层保持独立性，上层单向使用下层提供的服务 5. 整个分层有利于标准化

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1. 协议（Protocol）：就是规则的集合。可以理解为规范，数据以某种规范传输、接收。

2. 接口：指相邻两层交换信息的连接点，不同与物理上的接口，也不同于Java中的接口，Java中的接口相当于这里的协议。

3. 服务：在计算机网络分层结构中，下层为上层提供的功能称为服务。上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令（命令也称为服务源语），这些命令在OSI（下一小节说明OSI参考模型）参考模型中分为4类：

   3.1 请求：上层告诉下层给我按个摩——>“请求完成某项工作”

   3.2 指示：下层告诉上层没空，等等吧 ；或者， 下层告诉上层好的，马上到——>“接收到请求后确认是否开始工作”

   3.3 响应：上层告诉下层，“有空好啊，开始按吧”——>“作为接收到指示的回应”

   3.4 证实： 上层给下层发打赏200块，表示“小下，这次按的不错，下次还点你”——>“完成工作的结束动作”

计算机提供的服务可以分为3类：

1. 面向连接与无连接服务：TCP面向连接；IP/UDP无连接服务 2. 可靠服务与不可靠服务：可靠服务指传输+校验等；不可靠服务只管传输 3. 有应答服务与无应答服务：顾名思义，接收到信息后做出响应，表示“我收到了~”；FTP（文件传输协议）属于有应答服务；WWW属于无应答服务

1.2.3 OSI参考模型和TCP/IP模型

国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构，简称：开放系统互联参考模型（OSI/RM）通常称为OSI参考模型

注意ISO是个组织，OSI是模型的名字

OSI参考模型各层的功能（先记住它七层结构的名字）

1. 物理层：传输单位是比特。主要工作是决定使用什么接口标准、规程。

2. 数据链路层：传输的单位是帧。主要功能有成帧（将网络层传来的IP数据报组装成帧）、差错控制、流量控 制、传输管理等。点到点通信（两个主机之间通信）。

3. 网络层：传输单位是数据报。概括的说就是，网络层关心的是运行子网的运行控制，主要任务是把网络层的数 据单元（分组）从源端传到目的端。关键是路由选择，举个例子，A—B传输数据，网络层决定分组应该采用的路由，分配一个最合适的路径，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制、和网际互联等问题。

   1. 流量控制：A的发送速率和B的接收速率一样

   2. 拥塞控制：网络层缓解数据传输中的拥塞

   3. 差错控制：比如奇偶校验，能纠错就纠错，不能就丢弃

   4. 网络互联：大量异构网络通过路由器连接起来

4. 传输层：传输的单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP）；将数据报由源头端进程传到目的端进程。也提供了差错控制，流量控制等服务。端到端的通信（两个主机的进程之间通信）。

5. 会话层：会话层在传输层提供的端到端的服务上，向表示层提供它的增值服务（什么是提供它的增值服务，我不知道？），这种增值服务主要为表示层实体或用户进程建立连接，并在连接上有序的传输数据，这就是会话。也称建立同步（SYN）。

6. 表示层：主要处理两个通信系统中交换信息的表示方法。比如使用统一编码、解码方式。

7. 应用层：用户与网络的界面，应用层使用的协议最多，典型的协议有FTP、SMTP、HTTP等。

TCP/IP 模型 （先记住它四层结构的名字）

ARPA在研究ARPnet时提出了TCP/IP模型，就是，美国国防部研究他们内网时提出了TCP/IP模型。

1. 网络接口层：功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层，作用是从主机或节点收发IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上去。

2. 网际层：是TCP/IP的核心部分，网际层将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由。它不保证每个分组有序的到达，每个分组的有序交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP。目前采用的IP协议由IPv4和IPv6。

3. 传输层：主要有两个协议

   1. 传输控制协议：TCP，面向连接，提供可靠交付。

   2. 用户数据报：UDP，无连接，不保证可靠性。

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

1.3 小结

本章主要介绍了OSI七层模型，和TCP/IP四层模型，大概先记一下后面章节会详细介绍；关于计算机网络的几个性能指标需要掌握。