计算机网络体系结构

概念

计算机网络较好的定义：计算机网络主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，而这些硬件并非专门用来实现某一特定功能（例如：传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。（谢希仁版）
计算机网络：一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。 （王道版）
计算机系统：互联的 、自治的 （无主从关系）
三（四）网融合：电信网+有线电视网+计算机网络（+电网）
计算机网络（简称网络）把许多计算机连接在一起，而互连网把许多网络连接在一起，是网络的网络
internet（interconnected network）（互连网） 是通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络（局部），这些网络之间的通信规则可以是任意的
Internet （互联网）即因特网 是专有名词，前身是美国ARPANET，是世界上规模最大，增长速率最快的计算机网络（覆盖全球 ），采用TCP/IP 协议族作为通信规则
互联网的两个重要基本特点：
- 连通性
- （资源）共享 （软件、硬件、数据及通信信道）
计算机网络的主要功能：
- 数据通信
- 资源共享
- 分布式处理提高可靠性负载均衡

计算机网络的组成：

软件
硬件
协议：
- 语义（格式）
- 语法（功能）
- 同步（顺序）

计算机网络的功能组成（OSI）：
- 通信子网（数据通信） ：
  - 网络层
  - 数据链路层
  - 物理层
- 资源子网（数据处理） ：
  - 会话层
  - 表示层
  - 应用层

计算机网络的工作方式 ：

边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成用户直接使用
通信方式：
- P2P（主机越多速度越快）peer-to-peer
- C/S Client/Server （B/S Browser/Server）：
  - 客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程
  - C/S描述的是进程之间服务和被服务的关系
  - 客户程序必须知道服务器程序的地址 （不需要特殊的硬件和很复杂的OS）
  - 服务器程序自动调用并一直不断运行，被动接受来自客户的通信请求（不需要知道客户程序的地址） （需要强大硬件和高级OS的支持）
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成为边缘部分提供服务（路由器的分组转发）
工作方式：
- 路由器转发分组
- 路由器之间不断交换路由信息

互联网现在采用存储转发 和分组交换 技术，以及三级ISP结构

网络的体系结构 （OSI）：计算机网络的各层及其协议的集合

协议（水平）:控制两个对等实体进行通信的规则的集合 ，保证了向上一层提供服务，下面的协议对上面的实体是透明的
服务（垂直）：由下层向上层通过层间接口提供，只有那些能被高一层实体看得见的功能才能称之为服务
接口（SAP服务访问点(Service Accessing Point）：仅相邻层间有接口

互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段

ARPANET（第一个分组交换网）——> 互联网（TCP/IP成为ARPANET上的标准协议时）

第二阶段

三级结构的互联网：

主干网
地区网
校园网/企业网

第三阶段

多层次ISP（Internet Service Provider）互联网服务提供商 结构

上网：通过某ISP获得IP地址接入到互联网（IP地址不零售，只批发）

AN接入网（Access Network） ：用户与互联网的桥梁

互联网交换点IXP(Internet eXchange Point) ：允许两个网络直接相连并交换分组，不再需要通过第三个网络来转发(常用于数据链路层的网络交换机)

主干ISP
地区ISP
本地ISP（可以与地区ISP和主干ISP相连）

互联网的标准化工作

RFC(Requests For Comments) 因特网标准是RFC，但RFC不一定是因特网标准

互联网草案（Internet Draft）：有效期6个月，不算RFC
建议标准（Proposed Standard）：开始成为RFC
互联网标准（Internet Standard）：分配一个STDXX编号和多个RFC关联

IETF互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）制定RFC

ISO国际标准化组织（International Organization for Standardization)制定OSI模型、HDLC协议

ITU国际电信联盟(International Telecommunication Union)制定通信规则

IEEE电气电子工程师学会（the Institute of Electrical and Electronics Engineers）学术机构（IEEE802制定5G）

计算机网络的分类

一、作用范围

若中央处理机之间距离是1m数量级甚至更小则，一般称之为多处理机系统，而不是计算机网络
个人区域网PAN（Personal Area Network）
局域网LAN（Local Area Network） 广播技术
城域网MAN（Metropolitan Area Network）
广域网（Wide Area Network） 交换技术

有时距离很近但使用交换技术依旧为广域网

二、使用者

公用网（public network）
专用网（private network）

三、拓扑结构

总线
星型
环型
网状（常用于广域网）
树形（Internet）
蜂窝拓扑

四、传输技术

广播式：共享公共通信信道
点对点：使用分组存储转发和路由选择机制

五、分组交换

时延：报文交换>分组交换>电路交换

电路交换（Circuit Exchanging）

建立连接（占用通信资源）
通信（一直占用通信资源）
释放连接（归还通信资源）

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占有端到端的通信资源 整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送

若呼叫出现忙音表示电信网的资源不足以支持这次的呼叫

优点：

传输时延小
无失序 问题

缺点：

建立连接时间长（面向连接 ）
信道使用效率低
灵活性差，双方连接通路中的任何一点出现了故障，必须重新拨号建立连接，不适应突发性通信
数据直达，不同类型、规格、速率的终端难相互通信
难在通信过程中进行差错控制，无法发现纠正传输差错

电路交换时延：T=S（电路建立时间）+x/b(发送时延)+kd(总的传播时延)

报文交换（Message Exchanging）

采用存储转发技术

整个报文（message）先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表到下一个结点

优点：

无需建立连接，用户可随时发送报文
动态选择报文通过的最佳路径 （若某条传输路径发生故障，可重新选择另一条）
提高线路利用率，通信双方在一段时间内部分占有信道
提供多目标服务，一个报文可同时发给多个目的地址
在存储转发中易实现代码转换和速率匹配，便于类型、规格、速率不同的计算机进行通信

缺点：

实时性差，不适合传输实时和交互式业务数据
只适用于数字信号
要求网络中的每个结点有较大的缓冲区，为降低成本，有时把等待转发的报文存储在磁盘上，进一步增加传输时延

分组交换（Packet Exchanging）

采用存储转发技术

数据报 ：
- 为网络层提供无连接服务
- 每个分组在传输中都必须写携带源地址、目的地址和分组号
- 对故障适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信
- 不保证可靠性，可靠性由用户主机来保证
虚电路（逻辑连接） ：
- 将数据报和电路交换方式结合
- 为网络层提供连接服务
- 每个分组携带虚电路号、分组号等控制信息
- 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会出现乱序、重复、丢失
- 虚电路上每个结点只进行差错检测，不需要路由选择
- 当结点或链路出现故障而彻底失效，所有经过该结点或链路的虚电路将遭到破坏
- 可靠性由网络保证

报文（message）划分为等长数据块+控制信息组成的首部——>分组/包

路由器暂时存储的是一个个短分组（packet） 即内存中，而不是存储在磁盘中

每一个分组的首部 都含有地址等控制信息，单个分组（报文一部分）传送到相邻结点（每个分组独立选择传输路径 ），存储下来后查找转发表到下一个结点

优点：

简化存储管理，因为分组长度固定，相应缓冲区大小也固定

缺点：

每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加处理时间
若采用数据报服务时，可能出现失序、丢失、重复分组，分组到达目的结点后要对分组按编号进行排序，若采用虚电路则需要建立连接

分组交换时延：T=kd(传播时延)+一个分组经过k-1段链路的发送时延+n个分组的发送时延

计算机最常用的性能指标

速率（计算机网络最重要的性能指标）

单位：bit/s b/s bps

速率换算10^3，容量换算2^10

M（Mega）=10^6=兆 k（kilo）=10^3=千 G（Giga）=10^9=吉 T（Tera）=10^12=太

P（Petal）=10^15=拍 E（Exa）=10^18=艾 Z（Zetta）=10^21=泽 Y（Yotta）=10^24=尧
带宽（bandwidth）:

原指信号具有频带宽度

信号带宽：该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围 单位：HZ

网络带宽：单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率 单位：bit/s
吞吐量（throughput）：

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量

单位：bit/s 或 B/s 或每秒传送的帧数
时延（delay或latency）延迟、迟延：
- 发送时延（transmission delay）：也叫传输时延 ，从发送数据帧的第一个比特算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间
  
  发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）
- 传播时延（propagation delay）：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间
  
  传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）
- 处理时延：
  
  主机或路由器在收到分组时要花费一定时间进行处理，如分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验、查找适当路由等
- 排队时延：
  
  等待输入/出链路可用，排队时延长短往往取决于网络当时的通信量
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

在某些情况下，一个低速率、小时延的网络可能优于一个高速率但大时延的网络
时延带宽积：以比特为单位的链路长度 即某链路现有多少比特

时延带宽积=传播时延*带宽
往返时间RTT（Round-Trip Time）：

从发送方发送数据开始（从第一个比特位放到信道开始，不包括传输时间），到发送方收到接收方的确认（第一个比特位的确认为止）。

RTT越大，在收到确认前，可以发送更多数据

RTT = 传播时延 * 2，末端处理的时间
有效数据率：

有效数据率=数据长度/发送时间+RTT
利用率：
- 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（传输时间/总时延）
- 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值
网络当前时延=网络空闲的时延/1-利用率

M（Mega）=10^6=兆	k（kilo）=10^3=千	G（Giga）=10^9=吉	T（Tera）=10^12=太
P（Petal）=10^15=拍	E（Exa）=10^18=艾	Z（Zetta）=10^21=泽	Y（Yotta）=10^24=尧