计算机网络体系结构

OSI七层模型与TCP/IP四层模型

计算机网络体系结构

• OSI最大贡献就是精确定义了：服务、协议和接口，与面向对象程序设计思想十分吻合。TCP/IP模型没有明显区分它们。
• TCP/IP模式是对已有协议的描述，不适用于任何其他非TCP/IP协议栈。
• TCP/IP在设计时考虑了多种异构网络的互联问题，将网际层作为一个单独的层次。OSI最初只考虑用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互联。
• OSI在网络层支持面向连接和无连接通信，在传输层仅有面向连接的通信；TCP/IP在网际层只有无连接通信，在传输层支持面向连接和无连接通信（TCP/IP认为可靠性是端到端的问题）。

协议

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。
不水平的实体之间没有协议。
协议由以下三部分组成：

• 语法：传输数据的格式
• 语义：要完成的功能（要发出什么控制信息、完成什么动作、做出什么应答）
• 同步：执行各种操作的条件与时序关系

一个完整的协议应有线路管理、差错控制、数据转换等功能

接口

同一结点相邻两层交换信息的连接点。
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，是一个逻辑接口。

服务

下层为相邻上层提供的功能调用，是垂直的。
上层使用下层所提供的服务时必须提供一些命令，也称为服务原语。

• 请求（Request）：用户->提供者，请求完成某项工作。
• 指示（Indication）：提供者->用户，指示用户做某件工作。
• 相应（Response）：用户->提供者，对指示的响应。
• 证实（Confirmation）：提供者->用户，对请求的证实。

四类原语用于不同的功能，如建立连接、传输数据和断开连接等。
有应答服务包括全部原语。无应答服务只有请求和指示原语。

只有本层协议的实现才能向上一层提供服务。
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上层的服务用户是透明的。
并非在一层内实现的所有功能都成为服务，而是只有被上层看见的功能才叫服务。

计算机网络提供的服务分为以下三类：

1. 面向连接服务与无连接服务：是否实现建立连接，如TCP与UDP。
2. 可靠服务与不可靠服务：是否纠错、检错和应答机制来保证数据正确，而不是尽最大努力交付（Best-Effort-Delivery）
3. 有应答服务和无应答服务：收到数据后是否给出应答，如文件传输服务与www服务。

网络分类

分布范围

• 广域网（WAN）：长距离通信（直径几十千米到几千千米），是因特网的核心部分。
• 城域网（MAN）：几个街区或城市（直径5~50km），大多采用以太网技术，所以也常并入局域网。
• 局域网（LAM）：几十米到几千米，在计算机数量上没有太多限制，2台到几百台。
• 个人局域网（PAN）：直径约10m。

传统上，局域网使用广播技术，广域网使用交换技术。

传输技术

• 广播式网络

所有结点共享一个通信信道。
局域网基本上都是广播式通信。
广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信。

• 点对点网络

每条物理线路连接一对计算机。如果两个结点之间没有直接连线的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储和转发，直至目的结点。
大多采用分组存储转发和路由选择机制。
广域网基本上是点对点通信。

拓扑结构

• 总线型网络

用单根线路把计算机连接起来。
优：建网容易、增减结点方便、节省线路。
缺：重负载时通信效率不高，总线对故障敏感。

• 星形网络

每个计算机都以单独的线路与中央设备（早期是计算机、现在一般是交换机或路由器）连接。
优：便于集中管理和控制。
缺：成本高，中央设备对故障敏感

• 环形网络

所有计算机连成一个环。可以是单环或多环，环中是单向传输的。

• 网状网络

每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用于广域网中。
优：可靠性高。
缺：控制复杂，线路成本高。

使用者

• 公用网：电信公司出资建设的大型网络。
• 专用网：某个部门为满足需要建立的专属网络，不向外人提供服务，如铁路、电力、军队等。

交换技术

交换技术是指各节点之间交换数据的方式。

• 电路交换网络

在源结点和目的结点间建立一条专属通路。
包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段。
典型：电话网络。
优：数据直接传送，时延小。
缺：线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便进行差错控制。

• 报文交换网络

数据封装成报文，在相邻结点上传输，每个结点单独地选择目的结点的路径。
也称存储转发网络。整个报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：较为充分的利用线路容量、实现不同链路间的速率转换、格式转换、可以实现一对多访问、可以实现差错控制。
缺：增大了资源开销（辅助信息处理时间、存储空间资源），增加了缓冲时延，需要额外机制保证多个报文不乱序，缓冲区难以管理（因为报文大小不确定，接收方不能预知报文大小）

• 分组交换网络

将报文分成较短的固定长度的数据块。也称包交换网络。
优：报文交换网络的优点；缓冲易于管理、包的平局时延更小、网络占用的平均缓冲区更少、更易于标准化、更适合应用。

网络功能

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理 （多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分，如Hadoop）
• 提高可靠性 （计算机网络中的各台计算机可以互为替代机）
• 负载均衡 （将工作均衡地分配给网络中的计算机）

组成

组成部分

• 硬件：主机（端系统）、链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机等）和通信处理机（网卡）
• 软件：实现资源共享的方便使用的工具（网络操作系统、FTP程序、邮件收发程序、网络聊天程序）
• 协议：计算机网络的核心。

工作方式

• 边缘部分：供用户直接使用的主机，用来进行通信与资源共享。
• 核心部分：大量网络和连接到这些网络的路由器，为边缘部分提供连通性和交换服务。

功能组成

• 通信子网：传输介质、通信设备与协议。
• 资源子网：实现资源共享功能的设备和软件的集合。

性能指标

带宽

最高速度传输速率

时延（Delay）

指数据从网络发送到另一端的总时间
包括：

• 发送时延：将所有比特推向链路的时间，也叫传输时延。

分组长度 / 信道宽度

• 传播时延：在信道中传播的时间。

信道长度 / 电磁波传输速率

• 处理时延：在交换结点处花费的时间。
• 排队时延：分组在进入路由器后排队的时间。

对于高速链路，提高的只是发送时延。

时延带宽积

以比特为单位的链路长度，表示信道可以容纳的比特数量。
传播时延 / 信道带宽

往返时延（RTT）

从发送出分组到接收到确认的总时延（不包括发送时延）。

吞吐量

单位时间通过某个信道、接口的数据量，受网络带宽和网络额定速率的限制。

速率

数据传输速率、比特率、数据率。bit/s、bps、b/s。
最高速率叫带宽。

信道利用率

信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

网络利用率

网络中的信道利用率加权平均。