【计算机网络高分笔记】第一章：计算机网络体系结构
标签（空格分隔）：【计算机网络】
第一章：计算机网络体系结构
大纲要求：
- 计算机网络概述
- 计算机网络的概念、组成与功能
- 计算机网络的分类
- 计算机网络的标准化工作及相关组织
- 计算机网络体系结构和参考模型
- 计算机网络分层结构
- 计算机网络协议、接口、服务等概念
- ISO/OSI参考模型和 TCP/IP模型
- 计算机网络概述
考点和要点分析
- 核心考点：
- OSI参考模型和 TCP/IP模型
- 掌握计算机网络协议、接口、服务等概念
- 掌握网络体系结构的概念、分层的必要性(包括 5 层 和 7 层结构)
- 无连接服务和面向连接服务的联系和区别
- 基础要点：
- 计算机网络的概念、组成与一些基本的功能
- 计算机网络的各种分类方法
- 计算机网络的标准化工作和一些相关组织
- 计算机网络分层结构
- 计算机网络协议、接口、服务等概念
- ISO/OSI参考模型和 TCP/IP模型
- 核心考点：
1.1 计算机网络概述
1.1.1 计算机网络的概念
- 定义：
- 最简洁的定义：计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。
- 广义观点的定义：计算机网络是实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源共享的系统。
- 资源共享观点的定义：计算机网络是以能够相互共享资源的方式互连起来、自治的计算机系统的集合。
- 用户透明性观点的定义：计算机网络是一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需要的资源，整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户透明。
可疑点解析：什么是自治计算机？
答：自治计算机是能够进行自我管理、配置和维护的计算机，也就是现在的计算机；而像以前的终端（只有显示器，仅仅显示数据），则不能称为自治计算机。
在计算机网络的发展的不同阶段，对计算机网络的定义是不同的，这个不是考试重点.
1.1.2 计算机网络的组成
- 物理组成
从物理组成上来看，计算机网络包括硬件、软件、协议三大部分。
- 硬件：由 主机、通信处理机(或者称为前端处理器)、通信线路(包括有线线路和无无线线路)和交换设备(交换机等连接设备)组成。
- 软件：主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(如QQ).
- 协议：就是一种规则，如汽车在道路上行驶必须遵循交通规则一样，数据在线路上传输也必须遵循一定的规则。
- 工作方式组成
从工作方式上来看，计算机网络可分为 边缘部分 和 核心部分。如下图所示：
- 边缘部分：由所有链接再互联网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享。
- 核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。
- 功能组成
从功能组成上来看，计算机网络由 通信子网 和 资源子网 两部分组成。
- 通信子网 ：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输、交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。
- 资源子网：由主机、终端以及各种软件资源、信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和服务。 通信子网包括物理层、数据链路层、网络层。
1.1.3 计算机网络的功能
- 数据通信：数据通信是计算机网络 最基本、最重要 的功能，包括连接控制，传输控制，差错控制，流量控制，路由选择，多路复用等子功能。
- 资源共享：包括数据资源、软件资源以及硬件资源。
- 分布式处理：当计算机网络中的某个计算机负荷过重时，可以将其处理的任务传送给网络中的其他计算机系统进行处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率。
- 信息综合处理：将分散再各地的计算机中的数据资料进行集中处理或者分级处理，如自动订票系统、银行金融系统、数据采集与处理系统等。
- 负载均衡：将工作任务均衡地分配给计算机网络中地各台计算机。
- 提高可靠性：计算机网络中的每台计算机可以通过网络互为代替机。
当然，为了满足人们再生活中的需求，计算机网络还有其它功能，例如远程教育、电子化办公与服务、娱乐等。
可疑点解析：什么是分布式计算机系统？与计算机网络比较由什么区别？
答： 分布式计算机系统最主要的特点是整个系统中的各台计算机对用户都是透明的。用户通过输入命令可以运行程序，但是用户不知道具体是那一台计算机再为其运行程序。操作系统为用户选择一台最合适的计算机来运行程序，并将运行结果传送到合适的地方。
计算机网络则不同，用户必须首先再想要运行的程序上进行登录，然后按照计算机的地址，将程序通过计算机网络传送到该计算机上去运行，最后根据用户将结果传送到指定的计算机。
1.1.4 计算机网络的分类
- 按分布范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网。
- 按拓扑结构分类：星型网络、总线型网络、环型网络、网状型网络。
- 按传输技术分类：广播式网络、点对点网络。
- 按使用者分类：公用网、专用网。
- 按数据交换技术分类：电报交换网络、报文交换网络、分组交换网络。
接入网(AN: Access NetWorks)了解即可。
1.1.5 计算机网络的标准化工作及相关组织
- 计算机网络的标准化工作四个步骤
- 互联网草案；
- 建议标准（RFC文档）；
- 草案标准；
- 互联网标准
- 相关组织
相关组织由国际标准化组织(ISO),国际电信联盟(ITU),美国电气和电子工程师协会(IEEE)等。
1.2 计算机网络体系结构与参考模型
1.2.1 计算机网络分层结构
首先一点，我们要明白计算机网络为什么采用分层结构？以生活中的实例解释，首先，任何一个公司都是从小企业创办而来的，当规模很小时（假定只有一个老板和三个员工），老板可以和员工处于一个层面，不需要分层，员工可以直接向老板汇报问题。但是，如果该公司是诸如微软一样的企业（也就是计算机网络具有很大规模时候），处于最高层的盖茨希望实现公司的长远发展，但不可能每天与公司员工讨论某个功能模块应该使用那种算法，因此，分层结构应运而生，结构中的每一层应该实现对应的功能，这样才会由更好的发展。但是，分层又不能太多，如果分层太多，那么浪费的资源就很多。计算机网络结构亦是如此。TCP/IP 折中地采用了 4 层结构（在教材中为了更好的描述各层地工作原理，经常被看作 5 层）。
三个术语：
- 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。
- 对等层：不同机器上的一层。
- 对等实体：同一层上的实体。
以上概念第一次看比较抽象，我们不如这样理解：A 省和 B 省 分别表示不同的机器，因此 A 省和 B 省中各层干部可以看成 实体，将 A 省省长职位和 B 省省长秩为可以看成 对等层，将对等层上的实体，也就是 A 省省长和 B 省省长可以看成对等实体。
1.2.2 协议
- 协议是一种规则，并且是控制两个对等实体进行通信的规则，也就是水平的。
- 协议由以下三个部分组成
- 语义：对构成协议元素的含义的解释，即“讲什么”.
- 语法：数据与控制信息的结构或格式，即“怎么讲”.
- 同步：规定了事件的执行顺序。
1.2.3 接口
- 接口，又称作访问服务点，从物理层开始，每一层都向上层提供了访问服务点，即没有接口就不能提供服务。
- 五个专业术语：
- 服务数据单元(SDU)：第 n 层的服务数据单元，记作 n-SDU.
- 协议控制信息(PCI)：第 n 层的协议控制信息，记作 n-PCI.
- 接口控制信息(ICI)：第 n 层的接口控制信息，记作 n-ICI.
- 协议数据单元(PDU)：第 n 层的服务数据单元(SDU) + 第 n 层的协议控制信息(PCI) = 第 n 层的协议数据单元，即 n-SDI + n-PCI = n-PDU,表示的是同等层对等实体间传送的数据单元。另外，n-PCI = (n-1)-SDU.例如，网络层的整个 IP 分组交给数据链路层，整个 IP 分组称为数据链路层的数据部分。
- 接口数据单元(IDU)：第 n 层的服务数据单元（SDU）+ 第 n 层的接口控制信息（ICI）= 第 n 层的接口数据单元，即 n-SDU + n-ICI = n-IDU，这表示的是在相邻层接口见传递的数据单元。
1.2.4 服务
- 服务指的是 下层为相邻上层提供的功能调用 。 协议是水平的，而服务是垂直的，即下层向上层通过接口提供服务。
- 服务分为以下 3 类：
- 面向连接的服务和面向无连接的服务
- 面向连接的服务：当通信双方通信时，要事先建立一条通信线路，该线路包括建立连接，使用连接和释放连接 3 个过程。 TCP 就是一种面向连接服务的协议，电话系统是一个面向连接的协议。
- 面向无连接的服务，通信双方不需要事先建立一条通信线路，而是把每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定线路进行传输。IP 和 UDP 就是两种面向无连接服务的协议，邮政系统是一个无连接的模式。
- 有应答服务和无应答服务
- 有应答服务：接收方在收到数据之后向发送方给出相应的应答。
- 无应答服务：接收方在收到数据之后不自动给出应答。
- 可靠服务和不可靠服务
- 可靠服务：网络具有检错、纠错、应答机制，能够保证数据正确，可靠地传送到目的地。
- 不可靠服务：网络不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，网络只能是尽量正确、可靠，是一种“尽力而为”的服务。
- 面向连接的服务和面向无连接的服务
* 注意：并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才叫做服务。*
面向连接服务和面向无连接服务的对比
| 服务 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 面向连接 | 可靠信息流(只要被接受的都是正确的)、信息恢复确定(没收到信息就发送一个回复，告知对方已经收到此信息；如果收到的信息是错误的，告诉对方重新发送消息) | 占用通信信道 |
| 面向无连接 | 不占用通信信道 | 信息流可能丢失(在传输的过程中，信息可能丢失) 信息无回复确定(收到信息直接收下，不告诉对方已经收到) |
故事助记：你每年都要给女朋友写 12 封信，每个月一封。有两种送达方式可以选择。第一种：每一个月找一个非常可靠的朋友帮助送到，这样你可以保证信从第一封到最后一封都是按序到达的，并且不会丢失，这就是面向连接服务；第二种：通过邮局发送，因为邮局很有可能在发送的过程中丢失信件，即使不丢失也有可能 3 月份的信比 2 月份的信早到，这就是面向无连接服务。
- 关于服务不得不知的事情：
- 第 n 层实体不仅要使用第 n - 1 层的服务，还要向 第 n + 1 层提供本层的服务，该服务是第 n 层及其以下各层所提供服务的总和。最高层向用户提供服务。
- 上一层只能通过相邻层的接口使用下一层服务，而不能调用其他层的服务，即下一层提供服务的实现细节对上一层透明。
如何理解“透明”?
例如，用户只需要清楚手机上的每个按钮具有什么样的功能，尽管使用其功能即可，至于这个功能在内部是如何被实现的，用户并不需要知道，这就是透明。
1.2.5 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型
5 层结构
OSI 参考模型具有 7 层结构，而 TCP/IP 模型有 4 层结构（一般看作 5 层）。在 OSI 参考模型中表示层和会话层不是重点，无需深究，所以只需要掌握 5 层结构即可。以下我们来看 5 层结构以及每层完成的任务、功能、协议。- 应用层
- 用户对用户
- 任务：提供系统与用户的接口
- 功能：文件传输、访问和管理、 电子邮箱服务
- 协议：HTTP、FTP、SMTP、POP3
- 传输层（运输层）
- 应用对应用，进程对进程
- 传输单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）
- 任务：负责主机中两个进程之间的通信
- 功能：为端到端连接提供可靠的传输服务、为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量等管理服务
- 协议：TCP、UDP
- 网络层（网际层、IP层）
- 主机对主机
- 传输单位：数据报
- 所实现的硬件：路由器
- 任务：将传输层传下来的报文段封装成数组、选择适当的路由，使传输层传输下来的分组能够交付到目的地主机
- 功能：为传输层提供服务、组包和拆包、路由选择、拥塞控制
- 协议：ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP
- 数据链路层（链路层）
- 传输单位：帧
- 所实现的硬件：网桥、交换机
- 任务：将网络层传输下来的IP数据报组装成帧
- 功能：链路连接的建立，拆除，分离、帧定界和帧同步、差错检测
- 协议：PPP、HDLC、ARQ
- 物理层
- 传输单位：比特
- 所实现的硬件：集线器、中继器
- 任务：透明地传输比特流
- 功能：为数据端设备提供传送数据通路
- 补充：
- 会话层。会话层的主要功能是在两个结点之间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送。既然会话层和运输层都有建立连接，那么二者之间有什么区别？例如，某个公司的老总，你要求秘书给某某打电话，老总便是会话层，秘书相当于传输层，因为老总提出建立连接的请求，但是不需要自己动手查号码和拨号，而是秘书打电话，建立传输连接，当双方拿起电话时，传输层连接建立成功，秘书将电话递给老总，此时会话层连接建立成功。
- 表示层。表示层负责处理在两个内部数据表示结构不同的通信系统间交换信息的格式（数据格式转换），为数据加密揭秘以及提高传输提供必需的数据压缩和解压的功能。
- 应用层
问题：主机 A 和主机 B 通信的实质是什么？
帮助记忆：我们可以把 两栋楼 A , B 分别视为主机 A,B,A 栋楼的甲想要把某个物品给 B 栋楼的乙，甲和乙分别看成主机上的两个进程，则类似两台主机之间传送数据，那么甲所给的物品不仅仅只是放在 B 栋楼的门口，而是肯定要将物品交到乙手上才可以，所以说两台主机之间的通信实际上是两个主机的进程在相互通信。再假设一点：假设 A, B 宿舍都是单人间，每个房间只能住一个人（一个进程），那么房间号就是端口号。
- OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型的区别：
| OSI参考模型 | TCP/IP 参考模型 |
|---|---|
| 三个主要概念：服务、接口、协议 | 没有明确区分服务、接口、协议 |
| 协议有很好的隐藏性 | |
| 产生在协议发明之前 | 产生在协议发明之后 |
| 共有 7 层 | 共有 4 层（不是 5 层） |
| 网络层：连接和无连接 | 网络层：仅有无连接 |
| 传输层：仅面向连接 | 传输层：面向连接和无连接 |
可疑点解析： TCP/IP 参考模型到底是 4 层还是 5 层？
答：一般教材上讲解的 5 层模型是综合了 OSI 和 TCP/IP 的优点，才有了 5 层模型。TCP/IP 是 4 层参考模型，因为 TCP/IP 参考模型的网路接口层包含 5 层模型的物理层和数据链路层。
- OSI 参考模型的工作原理
通过给朋友发送一封电子邮件的例子来解释 7 层的工作原理。
在发电子邮件的过程中
- 首先要在应用层编辑这封电子邮件
- 然后把编辑好的电子邮件发给表示层，这时候表示层会把这封信件加密，当然也可以不加密，为了提高速度，表示层要把它压缩
- 然后传输给会话层，此时会话层会把信息发给你，并提示你要给别人发送邮件了，要你准备好。
- 然后再把这个信息发送给传输层，这时传输层会把这封信件分段，原因是数据无法一次性被传输。
- 被分段的信件被传输到网络层，此时网络层会对数据段再次进行封装并假如报头形成数据报，其实从应用层开始每往下层传输一次就会加一次报头（例外的是，数据链路层既需增加报头，也会增加报尾）及相关信息。不仅如此，网络层还要对传输路径进行一次选择，之后在传输给数据链路层。
- 数据链路层将这些数据报封装成帧（这就是人们通常所说的以太网），最后把这个消息发送到物理层。
- 在物理层形成比特流，进而送到传输媒介（网线），此时信件就会变成比特流在网线上传输。接收方接受邮件之后，进行反方向操作。
1.2.6 计算机网络性能指标
- 时延：数据从网络或者链路的一段传送到另一端所需要的时间，有时候也成为延迟或者迟延。
网络时延以以下几个部分组成：
- 发送时延（传输时延）：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据帧的第一位算起到该帧最后一位发送完毕所需要的时间。因此，发送时延也称作传输时延。
计算公式： 发送时延 = 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
由这个公式可以得到：对于某网络，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长成正比。 - 传播时延：电磁波在信道中传输一定的距离所需要的时延。
计算公式：传播时延 = 信道长度(m)/电磁波在信道上的传输速度(m/s) - 处理时延：主机或路由器在接收到分组时进行处理所需要的时间。
- 排队时延：分组在进入网络传输时，需要经过许多路由器，但分组在进入路由器要现在传输队列中排队等待处理，在路由器确定转发接口之后，还要在传输队列中排队等待转发，因此产生了排队时延。
- 发送时延（传输时延）：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据帧的第一位算起到该帧最后一位发送完毕所需要的时间。因此，发送时延也称作传输时延。
注意：若非特别提示，排队时延和处理时延一般可以选择忽略不计。另外，对于高速网络链路，提高的仅仅是数据发送速率而不是比特在链路上的传播速度。提高数据发送速率只是减少了数据的发送时延。
可疑点解析：既然有发送时延，为什么没有接受时延？
答：事实上接受时延包含在发送时延和传播时延当中，当这两个时延结束时，接受时延也就结束了。时延带宽积：时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
计算公式：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽往返时间：从发送方发送数据开始，到发送方接受到来自接收方的确定消息（接收方一旦接受数据之后立即发送确定），总共经历的时间。
利用率：包括信道利用率和网络利用率两种。
- 信道利用率：指的是某个信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率为 0.
- 网络利用率：是指全网络信道利用率的加权平均值。但是需要注意的一点，不是信道利用率和网路利用率越高越好。因为利用率越高，会导致数据在路由器中转发时延过长。
