计算机 络-第一章 计算机 络体系结构（详细知识点总结）

目录

• 第一章 计算机 络体系结构
• • 【大纲】
  • 1.1 计算机 络概述
  • • 1.1.1 计算机 络的概念
    • 1.1.2 计算机 络的组成
    • 1.1.3 计算机 络的功能
    • 1.1.4 计算机 络的分类
    • 1.1.5 计算机 路的标准化工作及相关组织
    • 1.1.6 计算机 络的性能指标
  • 1.2 计算机 络体系结构与参考模型
  • • 1.2.1 计算机 络分层结构
    • 1.2.2 计算机 络的协议、接口、服务的概念
    • 1.2.3 ISO/OSI 参考模型和TCP/IP模型

第一章 计算机 络体系结构

【大纲】

（一）、计算机 络概述
计算机 络的概念、组成与功能、计算机 络的分类
计算机 络的标准化工作及相关组织

（二）、计算机 络体系结构与参考模型
计算机 络分层结构；计算机 络协议、结构、服务等概念
ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1.1 计算机 络概述

1.1.1 计算机 络的概念

      一般认为，计算机 络是将一个分散的、具有独立功能的计算机系统，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。简而言之，计算机 络就是一些互联的、自治对的计算机系统的集合。

人们对计算机 络鬼畜不同的定义，可以大致分为这三类：

1. 广义观点
   直言能实现远程信息处理的系统或能进一步打到资源共享的系统，都是计算机 络。广义的观点定义了一个计算机通信 络，它在物理结构上具有计算机 络的雏形，但是资源共享能力弱，是计算机 络发展的低级阶段。
2. 资源共享观点
   计算机 络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。
   该定义包含三层含义：
   （1）目的：资源共享
   （2）组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
   （3） 络中的计算机必须遵循的统一规则—- 络协议
   该定义符合目前计算机的基本特征。
3. 用户透明性观点
   存在一个能为用户自动资源管理的 络操作系统，它能够调用用户所需要的的资源，整个 络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。用户使用 络就像使用一台单一的超级计算机，无需了解 络的存在，资源的位置信息。用户透明性观点的定义描述了一个分布式系统，它是 络未来发展追求的目标。

1.1.2 计算机 络的组成

 计算机 络的组成分为如下几类：
（1）从组成部分上看，一个完整的计算机 络主要由硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。硬件主要由主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机等）和通信处理机（如 卡）等组成。软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如 络操作系统、邮件收发系统、FTP程序、聊天程序等）。软件部分多属于应用层。协议是计算机 络的核心，协议规定 络传输数据是所遵循的规范。

（2）从工作方式上看，计算机 络（这里主要指Internet）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，用来进行通信（如传输数据、音频或视频）和资源共享；核心部分由大量的 络和连接这些 络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

（3）从功能组成上看，计算机 络由通信子 和资源子 组成。通信子 由各种传输介质、通信设备和响应的 络协议组成，他使 络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联 计算机之间的数据通信。资源子 是时效件资源共享功能的设备及其软件的结合，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。

1.1.3 计算机 络的功能

计算机 络主要有以下五大功能：

1. 数据通信
   它是计算机 络最基本和最重要的功能，用来实现联 计算机之间的各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来进行统一的调配、控制和管理。比如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机 络将无法实现。
2. 资源共享
   资源共享可以使软件共享、数据共享，也可以是硬件共享。使计算机 络中的资源互通有无、分工协作，从而极大地提高硬件资源，软件资源和数据资源的利用率。
3. 分布式处理
   当计算机 络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给 络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源可以提高整个系统的利用率。
4. 提高可靠性
   计算机 络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。

1.1.4 计算机 络的分类

1. 按分布范围分类

（1）广域 （WAN）
广域 的任务是提供部分长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常是几十千米到几千千米的区域，有时也称远程 。广域 是因特 的核心部分。链接广域 的各结点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。

（2）城域 （MAN）
城域 的覆盖范围可以跨越几个街区甚至几个城市，覆盖范围约为5-50km。城域 大多采用以太 技术，因此有时也并入局域 的范围进行讨论。

（3）局域 （LAN）
局域 一般用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常为几十米到几千米的区域。局域 在计算机配置的数量上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。传统上，局域 使用广播技术，而广域 使用交换技术。

（4）个人局域 （PAN）
个人局域 指在个人工作的地方将消费电子设别（平板电脑，智能手机等）用无线技术连接起来的 络，也称为无线个人区域 （WPAN），覆盖区域直径约为10m。

注： 若中央处理器之间的距离非常近（如仅1m的数量级甚至更小），则一般就称之为多处理器系统，而不是称它为计算机 络。

2. 按传输技术分类

（1）广播式 络
所有联 计算机都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。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接受该分组。

（2）点对点 络
每条物理线路连接一对计算机。如果通信的两台主机之间没有直接连接的线路，那么他们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储和转发，直至目的节点，是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式 络与广播式 络的重要区别，广域 基本都属于点对点 络。

3. 按拓扑结构分类

络拓扑结构是指由 中节点（路由器、主机等）与通信线路（ 线）之间的几何关系（如总环形、环形）表示的 络结构，主要指通信子 的拓扑结构。

按 络的拓扑结构，主要分为总线形，星形，环形和 状形 络等。

总线形和环形多用于局域 ， 状形 络对用于广域 。

（1）总线形 络

用单根传输线把计算机连接起来。
优点：建 容易，增减结点方便、节省线路。
缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。

（2）星形 络

每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器。
优点：便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。
缺点：成本高，中心结点对故障敏感。

（3）环形 络

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

（4） 状形 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 中。有规则型和非规则型两种。
优点：可靠性高。
缺点：控制复杂、线路成本。

以上四种基本的 络拓扑结构可以互连为更复杂的 络。

4. 按使用者分类

（1）公用 （Public Network）

（2）专用 （Private Network）

指某个部分为满足本单位特殊业务的需要而建造的 络。这种 络不向本单位以外的人提供服务。例如铁路、电力、军队等部门的专用 。

5. 按交换技术分类

      交换技术是指各主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为减缓信息所采用的的数据格式和交换装置的方式。按交换技术可将 络分为如下几种。

（1）电路交换 络
在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换 络是传统电话 络。

特点：是整个保温的比特流连续地从源点直达终点，好像是在一条管道中传送。
优点：数据直接传送、延时小。
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

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。整个 文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点，重复这一过程直到达到目的结点。每个 文可以单独选择达到目的结点的路径。
文交换 络也称存储-转发 络
特点：整个 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：可以较为充分地利用线路容量，可以实现不同链路之间不同速率的转换，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：增大了资源开销（如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销），增加缓冲实验，需要额外的控制机制来保证多个 文的顺序不乱序，缓冲区难以管理（因为 文的大小不确定，接收方在接收到保温之前不能预知 文的大小）。

（3）分组交换 络，也称包交换 络

原理是蒋书记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。
特点：单个分组（它是整个 文的一部分）传送到相邻结点，存储查找转发表，转发到下一个结点。
优点：除具备 文交换 络的优点之外，分女足交换 络还具有缓冲易于管理；包的平均延时更小， 络占用的平均缓冲区更少；更易于标准化；更适合应用。现在的主流 络基本上都可视为分组交换 络。

6. 按传输介质分类

传输介质分类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 络又分为双绞线 络、同轴电缆 络等。无线 络又可以分为蓝牙、微波、无线电等类型。

1.1.5 计算机 路的标准化工作及相关组织

      因特 的标准都以RFC（Request For Comments）的形式在因特 上发布，但并非每个RFC都是因特 标准，RFC要上升为因特 的正式标准需要经过以下四个阶段。
（1）因特 草案（Internet Draft）。这个阶段还不是正式RFC文档。
（2）建议标准（Proposed Standard）。从这个阶段开始就成为RFC文档。
（3）草案标准（Draft Standard）。
（4）因特 标准（Internet Standard）。
各种RFC关系如图：

（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，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供的服务总和。

（2）最低层只提供服务，是整个层次结构的基础；中间层即是下一层的服务使用者，有时上一层的服务提供者；最高层面向用户提供服务。

（3）上一层只能通过相邻层的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务；CIA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。

1.2.2 计算机 络的协议、接口、服务的概念

1. 协议

      协议，就是规则的集合。这些规则明确规定了所交换的数据的格式及有关的同步问题。这些为进行 络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为 络协议（Network Protocol），它是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。

      不对等实体之间是没有协议的，比如用TCP/IP协议栈通信的两个结点，结点A的传输层和结点B的传输层之间存在协议，但结点A的传输层和结点B的 络层之间不存在协议。 络协议也简称为协议。

协议由语法、语义和同步三部分组成。
（1）语法规定了传输数据的格式；

（2）语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及作出何种应答；

（3）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、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间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
      每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，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。
      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。每个SAP都有一个能够标识它的地址，SAP是一个抽象的概念，它实际上是一个逻辑接口，但和通常所说的两个设备之间的硬件接口是很不一样的。

3. 服务

      服务是下层为紧邻的上层提供的调用功能，它是垂直的。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。
上层使用下层所提供的的服务时还必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。

OSI将原语划分为四类：
（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，指示用户做某件事情。

（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。

四类原语的关系如下所示：

计算机 络提供服务可以按以下三种方式分类：
（1）面向连接服务与无连接服务

      在面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。因此这种服务可以分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。
      例如TCP就是一种面向连接服务的协议。

      在无服务连接中，通信双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的包（ 文分组）传送到线路上，由系统选定线路进行传输。这是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”（Best-Effort-Delivery），它并不保证通信的可靠性。
      例如IP、UDP就是一种无连接服务的协议。

（2）可靠服务和不可靠服务

      可靠服务是指 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。

      不可靠服务是指 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，是一种尽力而为的服务。

对于提供不可靠服务的 络，其 络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障。例如，用      户收到信息后要判断信息的正确性，如果不正确，那么用户要把出错信息 告给信息的发送者，以便发送者采取纠正措施。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。

（3）有应答服务和无应答服务

      有应答服务是指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。所发送的应答既可以是肯定应答，也可以是否定应答，通常在接收到的数据有错误时发送否定应答。例如，文件传输服务就是一种有应答服务。

      无应答服务是指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。例如，对于WWW服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答。

1.2.3 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，称为开放系统互联参考模型（OSI/RM），通常简称OSI参考模型。

      OSI有7层，自上而下为物理层、数据链路层、 络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子 ，它是为了联 而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子 ，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。传输层承上启下。

OSI的层次结构如下图所示：

       际层（主机-主机）是TCP/IP体系结构的关键部分。
      它和OSI 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的到达，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。
      当前采用的IP是第四版，即IPv4，下一版本是IPv6。

      传输层（应用-应用或进程-进程）的功能同样和OSI中的传输层类似，即使得发送端和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：

（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，只能提供“尽最大努力交付”。

      应用层（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）。

3. TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

相似之处：
（1）二者都采取分层的体系结构，将庞大而复杂的问题划分为若干较容易处理的、范围较小的问题，而且分层的功能也大体相似。
（2）二者都是基于独立的协议栈的概念。
（3）二者都可以解决异构 络的互联，实现世界上不同厂家生产计算机之间的通信。

他们之间的比较如下：

通信协议栈进行通信的结点的数据传输过程

      每个协议栈的最顶端都是一个面向用户的接口，下面各层是为通信服务的协议。用户传输一个数据 时，通常给出用户能够理解的自然语言，然后通过应用层，将自然语言转化为用于通信的通信数据。
      通信数据到达传输层，作为传输层的数据部分（传输层SDU），加上传输层的控制信息（传输层PCI），组成传输层的PDU，然后交到 络层，传输层的PDU下方到 络层后，就成为 络层的SDU，然后加上 络层的PCI，有组成了 络层的PDU，下放到数据链路层，这样层层协防，层层包裹，在最后形成的数据 通过通信线路传输，到达接收方结点协议栈，接收方再逆向地逐层把“包裹”拆开，然后把收到的数据提交给用户。

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