第 1章 计算机网络体系结构
计算机网络概述
计算机网络的概念
计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，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。
计算机网络 (简称网络)由若干结点(node，或译为节点)和连接这些结点的链路 (link) 组成。
计算机网络的组成
- 从组成部分看
计算机网络主要由硬件、软件、协议 三大部分组成。
- 从工作方式看
计算机网络(这里主要指Internet，即互联网)可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到互联网上的供用户直接使用的主机组成，用来进行通信(如传输数据、音频或视频)和资源共享;核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。
- 从功能组成看
计算机网络由通信子网（下三层）和资源子网（上三层）组成。
计算机网络的功能
数据通信
資源共享
分布式处理
提高可靠性
负载均衡
电路交换、报文交换与分组交换
- 电路交换
电路交换分为三步:连接建立、数据传输和连接释放。 在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立 一条专用 (双方独占)的物理通信路径 (由通信双 方之间的交换设备和链路逐段连接而成)，该路径可能经过许多中间结点。
优点：
1️⃣ 通信时延小。因为通信线路为通信双方专用，数据直达，所以传输时延非常小。
2️⃣ 有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
3️⃣ 没有冲 突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
4️⃣ 适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。
5️⃣ 实时性强。通信双方之间的物理通路 一旦建立，双方就可随时通信。
6️⃣ 控制简单。电路交换的交换设备 (交换机等)及控制均较简单。
缺点：
1️⃣ 建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
2️⃣ 线路利用率低。物理通路被通信双方独占，即使线路空闲，也不能供其他用户使用。
3️⃣ 灵活性差。物理通路中的任何 一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接。
4️⃣ 难以规格化。不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。
5️⃣ 难以实现差错控制。中间结点不具备存储和检验数据的能力，无法发现并纠正错误。
- 报文交换
数据交换的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，后封装成报文(message)。报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点
优点：
1️⃣ 无须建立连接。通信前无须建立连接，没有建立连接时延，用户可随时发送报文。
2️⃣ 动态分配线路。交换设备存储整个报文后，选择一条合适的空闲线路，转发报文。
3️⃣ 线路可靠性高。若某条传输路径发生故障，则可重新选择另 一条路径传输数据。
4️⃣ 线路利用率高。报 文在哪段链路 上传送时才占用这段链路的通信资源。
5️⃣ 提供多目标服务。一 个报文可以同时发送给多个目的地址。
缺点：
1️⃣ 转发时延高。 交换结点要将报 文整体接收完后，才能查找转发表转发到下 一个结点。
2️⃣ 缓存开销大。报文的大小没有限制，这就要求交换结点拥有较大的缓存空间。
3️⃣ 错误处理低效。报文较长时，发生错误的概率相对更大，重传整个报文的代价也很大。
- 分组交换
分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文交换中报文过长的问题。
优点：
1️⃣ 无建立时延。通信前无须建立连接，没有建立连接时延，用户可随时发送分组。
2️⃣ 线路利用率高。分组在哪段链路 上传送时才占用这段链路 的通信资源。相比采用电路交 换传送突发式的计算机数据，分组交换的通信线路利用率大大提高。
3️⃣ 简化了存储管理(相对于报文交换)。因为分组的长度固定，相应缓冲区的大小也固定， 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
4️⃣ 加速传输。分组是逐个传输的，可以使后 一个分组的存储操作与前 一个分组的转发操作并 行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组比传输 一次报文所需的 缓冲 区小得多，这样，因缓冲区不足而等待发送的概率及时间必然也少得多。
5️⃣ 减小 了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错概 率必然减小，所以每次重发的 数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，而且减小了传输时延。
缺点：
1️⃣ 存在存储转发时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延小，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
2️⃣ 需要传输额外的信 息量。每 个小数据段都要加 上控制信息以构成 分组，这使得传送的信 息量增大了5%~~10% ，进而使得控制复杂，降低了通信效率，增大了处理的时延。
3️⃣ 当分组交换网采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组的情况，分组到达目 的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，而这些工作很麻烦。若采用虚电路服务， 则虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放 三个过程
流水线分组传输：传输m个分组需要的时间t = 3r + (m-1) x r
计算机网络的分类
- 按分布范围分类
广域城网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)、个人区域网(PAN)
- 按传输技术分类
1️⃣ 广播式网络。局域网基本上都采用广播 式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术。
2️⃣ 点对点网络
- 按拓扑结构分类
星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网
1️⃣ 总线形网络。用单根传输线把计算机连接起来。优点是建网容易、增/减结点方便、节省 线路。缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。
2️⃣ 星形网络。每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备一般是交换机 或路由器。优点是便 于集中控制和管理。缺点是成本高、中央设备对故障敏感。
3️⃣ 环形网络。所有计算机接又设备连接成一个环。环形网络最典型的例 子是令牌环局域网。 环既可以是单环， 又可以是双环，环中信号是单向传输的。
4️⃣ 网状网络。一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用在广域网中。 其有规则型和非规则型两种。优点是可靠性高 。缺点是控制复杂、线路成本高。
- 按使用者分类
公用网(PublicNetwork)、专用网(Private Network)
- 按传输介质分
传输介质可分为有线和无线两大类，因此网络可分为有线网络和无线网络。
计算机网络的性能指标
1️⃣ 速率(Speed)。指连接到网络上的结点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据传输率、数据率或比特率，单位为b/s(比特/秒)或bit/s(有时也写为bps)。当数据率较高时，可用kb/s(k=10^3)、Mb/s(M=10^6)或Gb/s(G=10^9)表示。
2️⃣ 带宽(Bandwidth)。带宽原本表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹(Hz)。但在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是比特/秒(b/s)
3️⃣ 吞吐量(Throughput)。指单位时间内通过某个网络(或信道、接又)的实际数据量。吞吐量常用在对实际网络的测量中，受网络带宽的限制。
4️⃣ 时延(Delay)。指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的总时间，它由4部分构成:发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
- 发送时延，也称传输时延。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 一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延=分组长度/发送速率
- 传播时延。电磁波在信道(传输介质)中传播一定的距离所花的时间，即一个比特 从链路的一端传播到另一端所需的时间。
传播时延= 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
处理时延。数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要处理所花的时间。例如， 分析分组的首部、从分组中提取数据、差错检验或查找合适的路由等。
排队时延。分组在进入路由器后要先在输入队列 中排队等待处理。路由器确定转发 端又后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
5️⃣ 时延带宽积。指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出了多少比特， 又称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积= 传播时延x信道带宽。
6️⃣ 往返时延(Round-TripTime, RTT)。指从发送端发出 一个短分组，到发送端收到来自接 收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认)总共经历的时延。
7️⃣ 信道利用率。用以指出某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的
信道利用率= 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
计算机网络体系结构与参考模型
计算机网络分层结构
第n层中的活动元素通常称为第n层实体。具体来说，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是某个特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称对等实体。第n层实体实现的服务为第n+1层所用。在这种情况下，第n层称为服务提供者，第n+1层则服务于用户
对等层之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元(PDU)，第n层的PDU记为n-PDU。各层的PDU都分为数据和控制信息两部分。
计算机网络协议、接口、服务的概念
- 协议
1️⃣ 语法。数据与控制信息的格式。例如，TCP报文段格式就是由TCP协议的语法定义的。
2️⃣ 语义。即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，在建立TCP连接的三次握手时所执行的操作就是由TCP协议的语义定义的。
3️⃣ 同步(或时序)。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。例如，建立TCP连接的三次握手操作的时序关系就是由TCP协议的同步定义的。
- 接口
同一结点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接又称 服务访问点 (Service Access Point， SAP)
- 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。
1️⃣ 面向连接服务与无连接服务
2️⃣ 可靠服务和不可靠服务
3️⃣ 有应答服务和无应答服务
ISO/OSI 参考模型和TCP/IP模型
- OSI参考模型
1️⃣ 物理层(PhysicalLayer)
2️⃣ 数据链路层(DataLinkLayer）
3️⃣ 网络层(NetworkLayer)
4️⃣ 传输层(TransportLayer)
5️⃣ 会话层(SessionLayer)。会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。这种服务主要为表示层实体或用户进程建立连接，并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步 (SYN)。会话层负责管理主 机间的会话进程，包括建立、管理和终止进程间的会话
6️⃣ 表示层(PresentationLayer)。表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式
7️⃣ 应用层(ApplicationLayer)
- TCP/IP模型
1️⃣ 网络接口层
2️⃣ 网际层
3️⃣ 传输层
4️⃣ 应用层
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。而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。