【计算机网络】计算机网络体系结构总结——基本知识要点汇总

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【更新日志】

最近更新：

• 新增内容——网络节点的通信方式（2020.7.23）
• 新增内容——部分模块增加历年真题摘录（2020.7.22）
• 更新部分概念理解（2020.7.22）
• 持续更新中……

结构导图

计算机网络概述

计算机网络的概念、组成、功能

计算机网络的概念

• 比较通用的定义：利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。
  
  简而言之，计算机网络就是利用通信线路和通信设备将地理位置分散的、具有独立功能的多台计算机连接起来，按照某种协议进行数据通信，实现资源共享的信息系统
• 最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合

目前较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（如传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件（包含有CPU）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。根据这个定义，有

• 计算机网络所连接的硬件并不限于一般的计算机，也包括智能手机和智能传感器等等
• 计算机网络并非专门用来传输数据，而是能够支持很多种的应用

• 计算机网络本质的活动是实现分布在不同地理位置主机之间的进程通信，以实现应用层的各种网络服务功能

概念区分

• 网络：多个计算机连接在一起
• 互连网(internet)：多个网络连接在一起
• 因特网(Internet，也称互联网)：当前全球最大的、开放的互连网，前身为ARPANET

计算机网络的组成

PS:

• 从主要构件上看也可以认为计算机网络由软件和硬件两大部分构成，此时 网络协议属于软件的一部分
• 通信子网包括OSI参考模型的物理层、数据链路层、网络层，网络层是通信子网的最高层

计算机网络的功能
计算机网络向用户提供的两个最重要的功能：数据通信与资源共享，除此之外主要还有负载均衡、分布式处理和提高系统可靠性等功能

• 数据通信：是计算机网络最基本的功能
• 资源共享：是计算机网络最主要的功能
• 负载均衡与分布式处理：指将网络中的工作负载均衡地分配给网络中的各台计算机
• 提高系统可靠性：在计算机网络中可以通过冗余构件提高可靠性

除以上主要功能外，计算机网络还有信息综合服务、远程诊断、购物娱乐等其他功能

真题摘录：

• 计算机网络最基本的功能是（） 【沈阳工业大学2016年】
  I.差错控制 II.路由选择 III.分布式处理 IV.传输控制
  A.I、II、IV B.I、III、IV C.I、IV D.III、IV
  答案：A

解析：计算机网络最基本的功能是数据通信，包括连接控制、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择和多路复用等子功能。分布式处理是计算机网络的功能之一，但不是最基本的功能

Internet发展简述
第一阶段：从单个网络Arpanet向互联网发展的过程（1983年TCP/IP协议称为Arpanet上的标准协议），1983年作为因特网的诞生时间
第二阶段：建成主干网、地区网、园区网（或企业网）三级结构的因特网
第三阶段：形成多层次ISP结构的因特网，出现了因特网服务提供者ISP

里程碑：1994.4.20中国与国际的64KInternet信道开通，标志着中国正式全功能连入国际互联网

计算机网络的分类

PS：

• 广域网是互联网的核心
• WiMAX技术：全球微波接入互操作性，是一项基于IEEE 802.16标准的宽带无线接入城域网技术
• RFID技术：无线射频识别即射频识别技术，是自动识别技术的一种，典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理
• 中国最大的三个ISP（互联网服务提供商）公用网：
  中国公用计算机互联网（中国电信 4.422Tbps）
  中国联通互联网（2.27Tbps）
  中国移动互联网（2.007Tbps）
• 服务于中国高校、科研单位的专业网：
  中国教育科研网cn net（61.4Gbps）
  中国科学技术网CSTnet（61.4Gbps）

真题摘录：

• 目前的100M/1000M以太网是最常见的网络，它采用的拓扑结构是（） 【南京大学2016年】
  A.树形拓扑 B.星形拓扑 C.总线拓扑 D.环形拓扑
  答案：B

解析：早期以太网采用总线结构（当时历史条件决定），现在大规模集成电路及专用芯片的发展，还有高可靠性且受干扰小的光纤在通信子网中普遍使用，使得星形结构的集中式网络可以既便宜又可靠

标准化工作及相关组织

• 所有的标准可分为两大类：事实标准和法定标准，事实标准往往演变成为法定标准（如HTTP）
• 互联网体系结构委员会IAB负责管理互联网有关协议的开发
• 互联网的所有标准都是以RFC的形式在网上发表
• 制定互联网的正是标准的三个阶段：互联网草案、建议标准、互联网标准
• 相关组织：国际标准化组织ISO、电气和电子工程师协会IEEE

计算机网络的性能指标

• 速率（也称数据率或比特率）：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，单位b/s，kb/s等
• 带宽：数据通信领域中，数字信道所能传送的最高数据率，用来表示通信线路传送数据的能力（也称信道容量），单位b/s，kb/s等（在模拟信号系统中又叫频宽，指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，单位Hz，kHz等）
• 时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  发送时延 = 数据帧长度(b)/发送速率或信道带宽(b/s)，指主机或路由器发送数据帧所需时间
  传播时延 = 信道长度(s)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)，指电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间
  处理时延，指交换结点存储转发数据所需的时间
  排队时延，指结点缓存队列中分组排队所经历的时间
• 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，链路的时延带宽积也称为以比特为长度的链路长度
• 往返时间RTT：指从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
• 吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据总量，受网络的带宽或网络的额定速率的限制
• 利用率：分信道利用率和网络利用率
  

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络的分层结构

计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。一般的，在计算机网络的分层结构中

• 实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块
• 不同机器上的同一层称为对等层
• 同一层的实体称为对等实体

计算机网络协议、接口和服务等概念

协议：通信双方为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称协议。即协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合

• 在协议控制辖两个对等实体间的通信使得本层能向上一层提供服务，逻辑上表现为不经过下层就把信息水平地传送到对方
• 网络协议的三要素：
  语法（数据与控制信息的结构或格式）
  语义（需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答）
  时序（也称同步，即事件实现顺序的详细说明）

接口：在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方为接口，通常称为服务访问点SAP，定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务
服务：服务指下层向相邻上层通过层间接口提供的功能调用。在协议的控制下，上层对下层进行调用，下层对上层进行服务，上下层间用交换原语交换信息。
计算机网络提供的服务可以分为以下三类：

• 面向连接的服务和无连接服务
• 有应答服务和无应答服务
• 可靠服务与不可靠服务

ISO/OSI参考模型、TCP/IP模型与五层协议体系结构

ISO/OSI参考模型（由国际标准化组织ISO题出，简称为OSI参考模型）

• OSI中采用了三级抽象，即体系结构、服务定义、协议规定说明
• 这里的封装是一个在发送端自上而下对数据逐层附加上必要的协议信息的过程，相应地，解封装是一个在接收端自下而上逐层去掉协议控制信息的过程
• 通信子网部分是依赖网络的，涉及到将两台通信计算机连接在一起所使用的数据通信网的相关协议
• 资源子网部分是面向应用的，涉及到允许两个终端用户进程交互作用的协议
• 传输层处于中间层，为面向应用的上三层屏蔽了跟网络有关的下三层的详细操作，传输层本质上建立由下三层提供的服务上，为面向应用的高层提供网络无关的信息交换服务

各层的功能简述：

• 物理层：确定如何在一条通信信道上传输原始比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流
• 数据链路层：主要任务是加强 物理层的传输功能，建立一条无差错的 传输线路，功能是在相邻结点之间可靠地传输数据帧，包括将物理层传输的比特组合成帧，确定帧界及速率，差错检测和流量控制等
• 网络层：主要功能是控制通信子网的运行，在通信子网中进行路由选择和通信流控制，用于解决如何将源端发出的分组经过各种途径送到目的端。网络层的关键问题是对分组进行路由搜索和选择，并实现流量控制和拥塞控制，为传输层提供服务
• 传输层：也称运输层，基本功能是接收来自上一层的数据，在必要的时候把这些数据分割成较小的单元，然后把这些数据单元传递给网络层，并且确保这些数据单元正确地到达另一端，即提供端到端的数据传输控制功能
• 会话层：也称对话层，主要是对会话过程的控制，所提供的会话服务主要分为会话连接管理与会话数据交换两大部分
• 表示层：关注的是所传递信息的语法和语义，提供统一的网络数据表示
• 应用层：为网络用户提供分布式应用环境和编程环境，提供面向用户的界面，使得用户可以利用这些程序完成实际的工作

真题摘录：
如下图所示网络，在OSI参考模型中，R1、Switch、Hub实现的最高功能层分别是（） 【联考真题2016年】

A.2、2、1 B.2、2、2 C.3、2、1 D.3、2、2
答案：C
解析：集线器Hub是一个多端口的中继器，工作在物理层；交换机Switch是一个多端口的网桥，工作在数据链路层；路由器Router是网络层设备。因此题中R1、Switch、Hub实现的最高层功能分别是网络层（即第3层）、数据链路层（即第2层）和物理层（即第1层）

TCP/IP参考模型

• TCP/IP模型为数据包交换网络，以一个可运行在不同网络之上的无连接网络层为基础
• TCP/IP的思路是形成IP数据报后，只要交给下面的网络发送就行了，不必再考虑太多
• 严格来说，TCP/IP标准并没有为网络接口层定义任何协议，仅定义了与不同的网络进行连接的接口

各层的功能简述：

真题摘录：

• TCP/IP参考模型的网络层提供的是（） 【联考真题2011年】
  A.无连接不可靠的数据报服务 B.无连接可靠的数据报服务 C.有连接不可靠的数据报服务 D.有连接可靠的数据报服务
  答案：A

两者的联系与区别
联系：

• 两者都以协议栈概念为基础，且协议栈中的协议彼此相互独立
• 两个模型中各个层的功能也大致相似，且两个模型中传输层之上的各层都是传输服务的用户，是面向应用的

主要区别：

五层协议体系结构：综合OSI和TCP/IP的优点

网络节点的通信方式
网络边缘端系统间进行通信的方式：客户服务器模式、点对点的对等方式

• 客户服务器模式（C/S结构）：客户端应用层向服务器应用层发送连接请求，服务器应用层接收请求并与客户端应用层建立连接请求，客户端应用层接收到建立连接的信号后依次传给运输层、网络层、数据链路层、物理层，再通过物理层间的通信与服务器连接，服务器物理层再依次传输信息至数据链路层、网络层、运输层、应用层，从而达到真正的互通
• 对等连接方式（P2P方式）：对等连接是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方，只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。缺点：对于网络带宽使用的非常高

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我是桐小白，一个摸爬滚打的计算机小白