计算机 络体系结构

目录

计算机 络概念 

计算机 络的功能

计算机 络的分类

计算机 络的性能指标

计算机 络体系结构与参考模型

分层的基本原则

计算机协议、接口、服务的概念

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型

TCP/IP模型

TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

计算机 络概念 

        一般认为是一些互联的，自治的计算机系统集合。

广义观点

        实现远程信息处理的系统或进一步达到资源共享的系统。

资源共享观点

        相互共享资源方式互联的自治计算机集合

用户透明性观点

        能为用户自动管理资源的 络操作系统，能为调用用户所需要的资源

计算机 络的组成

        组成部分主要由硬件、软件、协议三大部分组成

•         硬件：主机，通信链路，交换设备
•         软件：工具软件（操作系统，邮件收发程序，FTP程序）
•         协议：规定了 络传输数据时所遵循的规范

        工作方式可分为边缘部分和核心部分

                边缘部分由所有连接到因特 上，供用户直接使用的主机组成，进行通信和资源共享。

                核心部分由大量的 络和连接这些 络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。

        功能组成由通信子 和资源子 组成。

                通信子 由各种传输介质、通信设备和相应 络协议组成，为 络提供数据传输、交换、控制和存储的能力。

                资源子 是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向 络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

计算机 络的功能

1. 数据通信

   实现联 计算机之间各种信息传输，将分散不同位置的计算机联系起来。

2. 资源共享

   使计算机 络中的资源互通有无，分工协作，提高硬件资源，软件资源和数据资源的利用率。

3. 分布式处理

   将复杂任务分配给 络中的其他计算机，充分利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率。

4. 可靠性提高

   计算机 路中的各台计算机可以通过 络互为替代机。

5. 负载均衡

   将工作任务均衡地分配给计算机 络中的各台计算机。

计算机 络的分类

按分布范围分类

• 广域 （WAN）直径几十千米~几千千米

• 城域 （MAN）范围5-50km

• 局域 （LAN） 直径几十米~几千米

• 个人局域 （PAN）直径约10m

按传输技术分类

• 广播式 络

  所有联 计算机共享一个公共通信信道，当一台计算机利用共享通信信道发送 文分组时，所有其他的计算机都会收听到这个分组。由收到分组计算机检查目的地址决定是否接收分组。

  适用范围：局域 ，广域 中的无线，卫星通信 络。

• 点对点 络

  每条物理线路连接一对计算机。若通信两台主机没有直接连接的线路，则他们之间的分组传输需要通过中间结点进行接收、存储和转发，直到目的地。

  适用范围：广域

按拓扑结构分类

• 总线型

  单根传输线将计算机连接起来，优点是建 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，对故障敏感。

• 星型

  每个终端或计算机有单独的线路与中央设备相连。优点是便于集中控制和管理，缺点成本高，中心设备对故障敏感。

• 环形

  所有计算机接口设备连接成一个环。环可以是单环，也可以是双环，环中信 是单向传输，典型例子是令牌环局域 。

• 状

每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用在广域 ，具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

1. 公用

2. 专用

   满足某部门特殊业务需要而建造的 络。

按交换技术分类

各台主机之间、通信设备之间或主机与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。

1. 电路交换 络

   建立专用的通路用于传输数据。包括建立连接，传输数据和断开连接三个阶段。

   主要特点是整个 文的比特流连续地从源点直达终点。

   优点数据之间传送，时延小。缺点线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制

2. 文交换 络

   将用户数据加上源地址，目的地址，校验码等辅助信息，然后封装成 文。

   文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点，重复过程直到到达目的结点。

   优点是较为充分地利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据传输速率的转换，可以实现格式转换，可以实现一对多，多对一的访问，可以实现差错控制。

   缺点是增大了资源开销，缓冲时延，需要格外的控制机制来保证多个 文的顺序不乱序， 文大小不确定，接收方不能预知接受前 文的大小，缓冲区难以管理。

3. 分组交换 络

   又称包交换 络。通过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-转发方式传输。

   主要特点是整个 文的一部分以分组形式传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。

   具有 文交换 络的优点，此外自身优点：缓冲易于管理；包的平均时延更小， 络占用的平均缓冲区更少；更易于标准化和应用。

按传输介质分类

        传输介质可分为有线和无线两大类。因此 络可分为有线 络和无线 络。

        有线 络：双绞线 络，同轴电缆 络

        无线 络：蓝牙、微波、无线电类型

计算机 络的性能指标

1. 带宽

   一般表示通信线路允许通过的信 频带范围（Hz）。在计算机 络中，带宽表示 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”的同义词，单位是比特/秒（b/s）

2. 时延

   指数据（ 文或分组）从 络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间。

   分别由发送时延，传播时延，处理时延和排队时延4部分构成。

   – 发送时延：结点将分组的所有比特推向传输链路所需的时间，也叫传输时延。

     ?                    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的距离需要花费的时间，即一个比特从链路一端传播到另一端需要的时间

     ?                    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的处理所花费的时间。

   – 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产生的时延。

     总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

3. 时延带宽积

   发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少个比特，因此又称比特为单位的链路长度，即时延带宽积 = 传播时延*信道带宽 （管道可以容纳的比特数量）

4. 往返时延

   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。

5. 吞吐量

   单位时间内通过某个 络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受 络带宽或 络额定速率的限制。

6. 速率

   络中的速率是指连接到计算机 络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率，数据率或比特率，单位为b/s（比特/秒）（bit/s 有时也写为bps）。数据率较高时，可用kb/s ，Mb/s，Gb/s表示。

7. 信道利用率

   指出某一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 络体系结构与参考模型

        计算机 络的各层及其协议的集合称为 络的体系结构。

分层的基本原则

1. 每层都实现一种相对独立的功能，减少大系统的复杂度

2. 各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，可采用最合适的技术实现

4. 保证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工作

要点：

1. 不同机器上的同一层称为对等层 
2. 同一层的实体称为对等实体
3. 第n层实体实现的服务为第n+1层所利用 n层是服务提供者 n+1层服务于用户
4. 每个 文都分为两部分：数据部分SDU；信息控制部分PCI  两者共同组成PDU

• SDU（服务数据单元）：完成用户要求功能而传送的数据
• PCI（协议控制信息）：控制协议操作的信息。
• PDU（协议数据单元）：对等层之间传送的数据单位为该层的PDU。即物理层为比特；数据链路层为帧； 络层为分组；传输层为 文段。

注：

1. 第n层的实体不仅要使用第n-1层的服务来实现自身定义的功能，还要向n+1提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供的服务综合。
2. 最低层只提供服务，是整个层次结构的基础。最高层面向用户提供服务。中间层即是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者。
3. 上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其它层的服务；下一层所提供服务的实现细节对上一层透明。
4. 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。

计算机协议、接口、服务的概念

1. 协议

   即 络协议，简称协议，是规则的集合。为进行 络中的数据交换而建立的规则，明确规定了所交换数据的格式及有关的同步问题。

   它是控制两个（或多个）对等实体（水平）进行通信的规则的集合。不对等层实体之间没有协议。

   协议由语法，语义，同步三部分组成。语法规定了传输数据的格式；语义规定了所要完成的功能，（发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种问答）；同步规定了执行各种操作的条件、时序关系，即时间实现顺序的详细说明。除此之外一个完成的协议通常具有线路管理（建立，释放连接）、差错控制，数据转换等功能。

2. 接口

   接口是同一结点内相邻两层之间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。

   每层只能为相邻层次之间定义接口，不能跨层定义。

   同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point）SAP进行交互。

   SAP是一个抽象概念，实际上是一个逻辑接口。

   服务通过SAP提供给上层，每个SAP都有标识它的地址。

3. 服务

   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，使得本层能为上层服务，但实现本层服务还要使用下一层所提供的服务。

   上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，在OSI参考模型中称为服务原语，划分为4类：

   1. 请求：（Request）由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。

   2. 指示：（Indication）由服务提供者发往服务用户，提示用户做某些事情。

   3. 响应：（Response）由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。

   4. 证实：（Confirmation）：由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。

   用于建立连接、传输数据和断开连接等不同的功能。

   有应答服务包括全部4种原语，而无应答服务则只有请求和指示两类原语。

   注：

   1. 只有本层协议的实现才能保证上一层提供服务。下面的协议对上层的服务用户是透明的（本层服务用户只能看见服务，无法看见下面的协议）。

   2. 协议是“水平”的，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直”的，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。

   3. 只有能够被高一层实体“看得见”的服务才称为服务。

   计算机 络提供的服务可按以下三种方式分类

   1. 面向连接服务与无连接服务

      面向连接服务中，通信前双方需建立连接，分配相应的资源如缓冲区等以保证通信能够正常进行。

      面向连接服务分为建立连接、数据传输和连接释放连接三个阶段。在传输结束后释放占用的资源。例如TCP协议。

      无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，可按需要直接发送，将每个带有地址的包（ 文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。

      这是一种不可靠的服务，并不保证通信的可靠性。例如UDP、IP协议。

   2. 可靠服务和不可靠服务

      可靠服务即 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。

      特点：尽量正确、可靠地传送，不保证数据正确。

      不可靠服务 络，其 络正确性、可靠性要由应用或用户来保障。收到信息后用户要判断信息的正确性。

      若不正确，需要发送错误信息 告给信息发送者，以便发送者采取纠正措施。

   3. 有应答服务和无应答服务

      应答服务即接收方收到数据后向发送方发出相应的应答（由传输系统内部自动实现）例如文件传输服务就是一种应答服务。

      无应答服务是指接收方接受数据后不自动给出应答。若需应答，则由高层实现。例如WWW服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答。

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1. OSI参考模型

   国际化标准组织（ISO）提出的 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、 络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

   低三层称为通信子 ，是为联 而附加的通信设备而完成数据的传输功能；高三层称为资源子 ，相当于计算机系统而完成数据处理等功能。

   传输层承上启下。

   1. 物理层（Physical Layer）

      物理层的传输单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理媒体上位数据端设备透明地传输原始比特流。

      物理层主要定义数据终端设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法，所以物理层协议也成为了物理层接口标准。早期阶段通信规则称为规程，因此物理层协议也称为物理层规程。

      物理层接口标准很多，如ELA-232C、EIA/TIA RS-449等。

      通信链路与通信结点的连接需要一些电路接口，物理层规定了这些接口的一些参数，如机械形状和尺寸、交换电路的数量和排列等。

      物理层也规定了通信链路上传输的信 的意义和电气特性。

      注：传输信息所利用的一些物理媒体，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协议下面。因此，有人将物理媒体当做0层。

   2. 数据链路层（Data Link Layer）

      数据链路层的传输单位是帧，任务是将 络层传来的IP数据 组装成帧。

      数据链路层的功能可以概括为封装成帧、差错控制、流量控制、传输管理等。

      差错控制能够检测出物理连接传输比特流时由于外界干扰等因素而产生的差错，并将这些错误信息丢弃。

      流量控制能够协调两个结点的速率，在某些情况下，由于两个结点性能的不同，结点之间的速率不同，导致传输信息来不及接受，造成传输线路效率下降。

      广播式 络在数据链路层还要处理新的问题，即如何控制对共享信道的访问。数据链路层的一个特殊的子层——介质访问子层就是专门处理这个问题的。

      典型的数据链路层协议有SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等。

   3. 络层（Network Layer）

      络层的传输单位是数据 ，它关心通知子 的运行控制。主要任务是把 络层的协议数据单元（分组或包）从源端传送到目的端，为分组交换 上的不同主机提供通信服务。

      关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和 络互联等功能。

      路由选择是利用相应的路由算法计算出一条合适的路径，使分组可以顺利到达目标结点。

      流量控制与数据链路层的流量控制含义一样，协调两个结点之间的发送速率和接受速率。

      差错控制是通信两结点之间约定的特定检错规则，如奇偶校验码，接收方根据这个规则检查接收到的分组是否出现差错，若出错，能纠错就纠错，不能纠错就放弃，确保向上层提交的数据都是无误的。

      拥塞控制是当 络的两个结点无法正常通信时（结点都处于来不接受分组而要丢弃大量分组的情况）， 络层则要采取一定的措施来缓解这种拥塞。

      络层的协议由IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF等。

      因特 由大量异构 络通过路由器（Router）相互连接起来。因特 的主要 络层协议是无连接的 际协议（IP Internet Protocol）和许多路由选择协议，因此因特 的 络层也称为 际层或IP层。

   4. 传输层（Transport Layer）

      传输层也称运输层，传输单位是 文段（TCP）或用户数据 （UDP）。传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。

      数据链路层提供的是点到点的通信，而传输层提供的是端到端的通信，两者不同。点到点可理解为一个硬件地址或IP地址到另一个硬件地址或IP地址之间的通信；端到端的通信是指运行在不同主机之间两个进程之间的通信，一个进程由一个端口来标识，称为端到端通信。

      使用传输层的服务，高层用户可直接进行端到端的数据传输，从而忽略通信子 的存在。通过传输层的屏蔽，高层用户看不到子 的替代和变化。由于一台主机可同时运行多个进程，因此传输层具有服用和分用的功能。复用是指多个应用层进程可同时使用下面传世层的服务，分用是指传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

      传输层的协议有TCP、UDP。

   5. 会话层（Session Layer）

      会话层允许不同主机上的各个进程进行会话。

      会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供它的增值服务。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、管理及终止进程间的会话。会话层可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步。

   6. 表示层（Presentation Layer）

      表示层主要处理两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码和表示方法不同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法之间的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密和解密也是表示层可提供的数据表示交换功能。

   7. 应用层（Application Layer）

      应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与 络的界面。应用层为特定类型的 络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。

      典型的协议由用于文件传送的FTP、用于电子邮件的SMTP、用于万维 的HTTP等

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2. TCP/IP模型

   TCP/IP由于广泛应用而成为事实上的国际标准。其模型从低到高依次为 络接口层（对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层）、 际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层、应用层）。

   络接口层的功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。 络接口层的作用是从主机或结点接收IP分组，并把他们发送到指定的物理 络上。

   际层（主机-主机）是TCP/IP体系结构的关键部分。与OSI参考模型的 络层在功能上非常相似。

   际层将分组发往任何 络，并为之独立地选择合适的路由，但它不保证各个分组有序地到达，各个分组的有序交付由高层负责。

   际层定义了标准的分组格式和协议即IP。

   传输层（应用-应用或进程-进程）的功能同样和OSI参考模型中的传输层类似，使得发送端主机与目的端主机上的对等实体进行会话。

   传输层主要使用以下两种协议：

   用户层（用户-用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（Telnet），文件传输协议（FTP），域名解析服务（DNS），电子邮件协议（SMTP）和超文本传输协议（HTTP)

   1. 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。它是面向连接的，数据传输的单位是 文段，能够提供可靠的交付。

   2. 用户数据 协议（User Datagram Protocol，UDP）。它是无连接的，数据传输的单位是用户数据 ，不保证提供可靠的交付，只提供“尽最大努力交付”。

3. TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

   相似点：

   1. 两者采用分层的体系结构，分层的功能也大体相似。

   2. 二者基于独立协议栈的概念

   3. 都可以解决异构 络的互联，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。

   差异：

   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，这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。TCP/IP在这三个概念上却没有明确区分，不符软件工程的思想。

   2. OSI参考模型产生在协议发明之间，没有偏向于特定的协议，通用性良好。TCP/IP模型正好相反，改模型实际上是对已有协议的描述，因此因此不会出现协议不能匹配模型的情况，但该模型不适合与任何其他非TCP/IP的协议栈。

   3. TCP/IP很好地考虑到了多种易购 的互联问题，并将 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一种标准的公用数据 络将各种不同的系统互联。

   4. OSI参考模型在 络层中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 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。

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