第一章 计算机网络体系结构【王道】

第一章 计算机网络体系结构【王道】

第一章 计算机网络体系结构

一、计算机网络概述

1. 计算机网络的概念2. 计算机网络的功能3. 计算机网络的组成4. 计算机网络的分类5. 计算机网络的标准化工作及相关组织6. 计算机网络的性能指标

●速率●带宽●吞吐量●时延●时延带宽积●往返时间RTT●利用率 二、计算机网络体系结构与参考模型

1. 分层结构

分层的基本原则分层结构概念小结 2. ISO/OSI参考模型

OSI七层ISO/OSI参考模型解释通信过程

应用层：表示层会话层传输层 3. TCP/IP 参考模型

1.OSI参考模型与TCP/IP参考模型异同 4.五层参考模型

一、计算机网络概述 1. 计算机网络的概念

计算机网络：是一个将分散的、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。

计算机网络是 互连 的、 自治 的计算机集合

互连 - 互联互通 通信链路自治 - 无主从关系 2. 计算机网络的功能

 数据通信（连通性）资源共享 硬件 软件 数据分布式处理 多台计算机各自承担同意工作任务的不同部分 Hadoop平台提高可靠性 替代机负载均衡 各计算机之间更亲密 3. 计算机网络的组成

组成成分

硬件软件协议 工作方式

边缘部分 用户直接使用

C/S方式P2P方式 核心部分 为边缘部分服务 功能组成

通信子网

实现 数据通信 资源子网

实现 资源共享/数据处理

 

4. 计算机网络的分类

按分布范围分：

广域网WAN（交换技术）城域网MAN局域网WAN（广播技术）个人区域网PAN

按使用者分：

公用网 eg. 中国电信专用网 eg. 军用网等

按交换技术分：

电路交换报文交换分组交换

按拓扑结构分：

按传输技术分：

广播式网络 共享公共通信信道点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制 5. 计算机网络的标准化工作及相关组织 6. 计算机网络的性能指标 ●速率

概念：速率即 数据率 或称 数据传输率 或 比特率。

连接在计算机网络上的 主机 在数字信道上传送数据 位数的速率。

数据传输单位： bit 比特 位 表现形式 1 / 0

单位： b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

速率

千 1kb/s = 103 b/s

兆 1Mb/s = 103 kb/s = 106 b/s

吉1Gb/s = 103 Mb/s = 106 k/s = 109 b/s

太 1Tb/s = 103 Gb/s = 106 M/s = 109 k/s = 1012 b/s

存储容量 1Byte（字节）= 8 bit（比特）

1KB = 210 B =1024B = 1024*8b1MB = 210 kB =1024kB1GB = 210 MB =1024MB1TB = 210 GB =1024GB ●带宽

概念：

“带宽” 原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的 “最高数据率” 。单位是“比特每秒“， b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。

网络设备所支持的最高速度（数据从端口发送的最高速度）

●吞吐量

概念：表示在 单位时间 内通过 某个网络（或信道、接口） 的数据量。单位 b/s，kb/s，Mb/s等。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

吞吐量一般指实际传入数据的速率

●时延

概念：指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。也叫 延迟 或 迟延 。单位是s。

时延

发送时延（传输时延）

从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间

发 送 时 延 = 数 据 长 度 信 道 带 宽 （ 发 送 速 率 ） 发送时延=frac{数据长度}{信道带宽（发送速率）} 发送时延=信道带宽（发送速率）数据长度​

高速链路指的是 发送速率 提高 ，传播时延以及传播速率是不变的

传播时延

取决于电磁波传播速度和链路长度

传 播 时 延 = 信 道 长 度 电 磁 波 在 信 道 上 的 传 播 速 率 传播时延=frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率} 传播时延=电磁波在信道上的传播速率信道长度​

排队时延

等待输出/输入、链路可用

处理时延

检错、找出口 ●时延带宽积

概念：时延带宽积又称为以 比特为单位的链路长度 ，即“某段链路现在有多少比特”（ 容量 ）。

时 延 带 宽 积 = 传 播 时 延 × 带 宽 时延带宽积=传播时延×带宽 时延带宽积=传播时延×带宽

带宽是发送端在发送数据时所能达到的最高速率，单位 b/s传播时延单位 s时延带宽积 bit ●往返时间RTT

概念：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多

小示例：打开cmd

ping www.baidu.com

●利用率

信道利用率
信 道 利 用 率 = 有 数 据 通 过 时 间 （ 有 + 无 ） 数 据 通 过 实 践 信道利用率=frac{有数据通过时间}{（有+无）数据通过实践} 信道利用率=（有+无）数据通过实践有数据通过时间​

网络利用率

信道利用率加权平均值 二、计算机网络体系结构与参考模型 1. 分层结构

分层的基本原则

各层之间相互 独立，每层只实现一种相对独立的功能每层之间 界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少结构上可分割开。每层都采用 最合适的技术 来实现保持 下层 对 上层 的独立性，上层单向使用下层提供的服务整个分层结构应该能促进标准化工作 分层结构

 

实体：第n层中的活动元素称为 n层实体。同一层的实体叫 对等实体协议：为进行网络中的 对等实体 数据交换而建立的规则、标准或约称为网络协议。【水平】

语法：规定传输数据的格式语义：规定所要完成的功能同步：规定各种 *** 作的顺序 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据PCI协议控制信息：控制协议 *** 作的信息PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位 概念小结

网络体系结构是从 功能 上描述计算机网络结构计算机网络体系结构简称网络体系结构是 分层结构每层遵循某个/些 网络协议 以完成本层功能计算机网络体系结构 是计算机网络的 各层及其协议 的集合第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下次服务提供的功能仅仅在 相邻层间有接口 ，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽体系结构是 抽象 的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

2. ISO/OSI参考模型

目标： 支持 异构网络系统 的互联互通国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型理论成功，市场失败 OSI七层

每层完成特定功能

ISO/OSI参考模型解释通信过程

 

H是控制信息

应用层：

所有能和用户交互产生网络流量的程序

典型应用层服务：

文件传输 FTP电子邮件 SMTP万维网 HTTP 表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）功能：

数据格式变换数据加密解密数据压缩和恢复 会话层

向表示层实体/用户进程提供 建立连接 并在连接上 有序 地 传输 数据

这是会话，也是 建立同步 (SYN)

功能：

建立、管理、终止会话

使用校验点可使会话在通信失效时从 校验点/同步点 继续恢复通信，实现数据同步

适用于传输大文件

传输层

负责主机中 两个进程 的通信，即 端到端 的通信。传输单位是报文段或用户数据报 3. TCP/IP 参考模型

1.OSI参考模型与TCP/IP参考模型异同

相同点：

都分层基于独立的协议栈的概念可以实现异构网络互联

不同点：

OSI定义三点： 服务、 协议、 接口OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议TCP/IP设计之初就考虑到异构网 互联 问题，将IP作为重要层次表格如下 ISO/OSI参考模型TCP/IP模型网络层无连接+面向连接无连接传输层面向连接无连接+面向连接

面向连接：分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求，只有在连接成功建立之后，才开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。面向无连接：没有这么多阶段，它直接进行数据传输。 4.五层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点

应用层：支持各种网络应用 FTP、SMTP、HTTP传输层：进程-进程的数据传输 TCP、UDP网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发 IP、ICMP、OSPF等数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧 Ethernet、PPP物理层：比特传输

5层参考模型的数据封装与解封装