计算机网络基本概念
定义
三种观点定义网络
- 广义观点
- 定义：能实现远程信息处理甚至资源共享的系统
- 评价：资源共享能力弱，处于计算机网络发展低级阶段
- 资源共享观点
- 定义：以资源共享方式互联的自治计算机系统集合
- 评价：资源共享、由独立自治计算机组成、遵循网络协议，符合目前计算机的基本特征
- 用户透明观点
- 定义：存在一个网络操作系统管理资源，用户无需关心网络的存在、资源位置
- 评价：未来的网络发展目标
组成
有三种组成的说法
- 由边缘和核心组成
- 边缘指的是用户主机（端系统）
- 作用是通信和资源共享
- 核心指的是大量的网络和路由器
- 作用是提供连通和交换服务
- 边缘指的是用户主机（端系统）
- 由硬件、软件和协议组成
- 硬件：主机、通信链路（比如双绞线和光纤）、交换设备（比如交换机和路由器）、通信处理机（比如网卡）
- 软件：如网络操作系统，邮件软件，FTP程序，聊天软件
- 协议：网络传输数据时的规范
- 由通信子网和资源子网组成
- 通信子网：包括传输介质、传输设备、协议
- 资源子网：包括资源共享设备和软件
功能
主要的功能有五个
- 数据通信
- 最基本和重要的功能
- 资源共享
- 软件、数据、硬件的共享
- 分布式处理
- 分解分配，解决复杂任务
- 提高可靠性
- 各计算机互为替代机
- 负载均衡
- 任务均衡的分配给各计算机
分类
- 按分布范围
- 广域网WAN：长距离跨城市的范围
- 城域网MAN：覆盖城市的范围
- 局域网LAN：百到千米，比如教学楼
- 个人区域网PAN：约10米，比如手机热点
- 按传输技术
- 广播式网络
- 举例：局域网、广域网的无线卫星通信
- 点对点网络
- 采用分组存储转发和路由选择机制（和广播式的重要区别）
- 举例：大部分的广域网
- 广播式网络
- 按拓扑结构
- 总线结构：单根线串主机，局域网使用
- 星形结构：各主机直接连中央设备（交换机或路由器），局域网使用
- 环形结构：计算机串成环，局域网使用
- 网状结构：大部分结点都有多个边，广域网使用
- 按使用者
- 公用网：电信建造的大型网络，付费使用
- 专用网：部门内部自建的网络，不对外开放
- 按交换技术
- 电路交换网
- 电路交换：源点和目标点建立专用通路，需要建立连接、传输、断开几个阶段
- 举例：传统的固定电话网络
- 报文交换网（存储转发网）
- 报文交换：数据整体打包为报文，加上源地址、目的地址等信息，存储转发到相邻结点
- 特点：报文长度不固定，缓冲难管理
- 分组交换网（包交换网）
- 分组交换：数据划分为多个等长的分组，各自加上源地址、目的地址等信息，存储转发到相邻结点
- 特点：分组长度固定，缓冲好管理
- 举例：目前主流的网络都是分组交换
- 电路交换网
- 按传输介质
- 有线网：如双绞线网络、同心电缆网络
- 无线网：如蓝牙网、无线电网
性能指标
- 带宽
- 在通信领域指频带范围，单位Hz
- 在网络领域指最高数据传输速率，单位b/s
- 时延
- 发送时延（传输时延）
- 从分组第一个比特开始传送，到最后一个比特发送完毕的时间
- 等于分组长度/信道带宽
- 传播时延
- 电磁波传播需要时间
- 等于信道长度/电磁波在信道上的速度
- 处理时延
- 存储转发时的处理耗时，默认情况忽略
- 排队时延
- 输入和输出路由器时，数据需要排队的时间，默认情况忽略
- 发送时延（传输时延）
- 时延带宽积
- 信道可容纳的比特数
- 等于信道的带宽
传播时延
- 往返时延（RTT）
- 包括发送方传播时延、中间结点的处理、排队时延、转发数据的发送时延
- 注意，不包括发送方传输时延和接收方确认的传输时延
- 吞吐量
- 单位时间通过某网络的实际数据量
- 速率（数据传输率）
- 信道中的实际数据传送速度，单位b/s
- 信道利用率
- 某信道被使用的时间占总时间的比例
计算机网络体系结构
分层结构
有关概念
- 网络体系结构：各层和各层协议的集合
- 网络分层不需要考虑具体的功能实现，这由设备厂家确定
- 实体：可发送、接收信息的硬件或软件进程
- 对等层：不同机器的同一层
- 报文组成
- 服务数据单元SDU：某层的原始数据
- 协议控制信息PCI：某层的控制信息
- 协议数据单元PDU：由该层的SDU和PCI打包而成，并作为下层的SDU
- n-PDU=n-SDU+n-PCI=(n-1)-SDU
层次结构含义
- 同主机：高层使用低层提供的服务，但注意只能调用相邻低层的接口
- 不同主机：对等层逻辑上直接通信，下层的服务是透明的
协议、接口、服务
- 协议：对等实体通信的规则
- 包括语法格式、语义功能、同步时序
- 接口：同主机的相邻层交换信息的连接点
- 典型的接口比如服务访问点SAP，每层的SAP是相邻上层能直接访问服务的位置
- 物理层SAP：网卡接口
- 数据链路层SAP：MAC地址
- 网络层SAP：IP地址
- 传输层SAP：端口号
- 应用层SAP：用户界面
- 典型的接口比如服务访问点SAP，每层的SAP是相邻上层能直接访问服务的位置
- 服务：同主机的下层为相邻上层提供服务
- 服务是垂直的，协议是水平的
- OSI模型的服务原语（设A是用户主机，B是服务器主机）
- 请求：A的高层发送给A的低层
- 指示：B的低层发送给B的高层
- 响应：B的高层发送给B的低层
- 证实：A的低层发送给A的高层
- 分类
- 面向连接服务和无连接服务（最大努力交付）：通信前是否需要建立连接
- 可靠服务和不可靠服务：是否通过检错、纠错、应答来保证数据正确
- 有应答服务和无应答服务：接收方是否应答
ISO/OSI模型
- 协议栈共7层，低3层是通信子网，高3层是资源子网
- 物理层
- 传输单位：比特
- 功能：传输原始比特流
- 协议举例：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21
- 数据链路层
- 传输单位：帧
- 功能：提供点到点的通信（主机之间）
- 成帧、差错控制、流量控制、传输管理
- 协议举例：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继
- 网络层
- 传输单位：数据报或分组（包）
- 功能：分组路由、流量控制、拥塞控制、差错控制、网络互联
- 协议举例：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
- 传输层
- 传输单位：报文段TCP或用户数据报UDP
- 功能：提供端到端的可靠通信服务（跨主机的进程之间）
- 数据传输和管理、流量控制、差错控制
- 协议举例：TCP、UDP
- 会话层
- 功能：建立同步，管理各主机的会话进程，设置校验同步点以在通信失效时恢复通信
- 表示层
- 功能：数据压缩、加密、解密等
- 应用层
- 传输单位：报文
- 功能：用户和网络的界面，应用多种多样
- 协议：文件传送FTP、电子邮件SMTP、万维网HTTP、域名解析DNS
TCP/IP模型
- 协议栈共4层，国际广泛使用的标准
- 网络接口层：类似于OSI的物理层和数据链路层
- 网际层：类似于OSI的网络层
- 协议举例：IPV4和IPV6
- 传输层：类似于OSI的传输层
- 应用层：类似于OSI的会话层、表示层、应用层
- 与OSI模型的区别
- OSI的网络层支持无连接或连接通信，TCP/IP的网际层只支持无连接通信
- 网络层无法同时支持无连接和连接的通信（数据报方式和虚电路方式二选一）
- OSI的传输层只有面向连接的通信，TCP/IP的传输层支持无连接和连接通信
- OSI的网络层支持无连接或连接通信，TCP/IP的网际层只支持无连接通信
折中模型
- 协议栈5层，学习网络时常用的模型
- 物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层
