计网-U1 计算机网络体系结构
U1 计算机网络体系结构
体系结构是抽象的，实现是具体的。
计算机网络概念
计算机网络是：
- ==一个==
- 将众多分散的、自治的 计算机系统，
- 通过 通信设备与线路 连接起来，
- 使 软件 实现 资源共享和信息传递
- 的**==系统。==**
计算机网络、互连网（internet）、互联网（Internet，因特网）
计算机网络：由若干节点(node)，和连接这些节点的链路(link)组成的网络。
- 节点可以是
- 计算机、
- 集线器（把多个节点连接起来，形成网络，U2)、【1层】
- ==交换机==Switch（不会发生数据冲突，还可以交换机互连，以此建内网，U3)、【2层】
- ==路由器==router（把多个计算机网络互连，称为“互连网”，也可路由器互连，U4网络层)【3层】
- Note：不同于路由器，家用路由器=路由器+交换机+其他功能
- 链路可以是有限链路、无线链路。
互联网：由各大ISP和国际机构组建的，覆盖全球的互连网，是最大的网络。
互联网必须使用TCP/IP协议族通信，互连网可使用任意协议通信。
ISP（Internet Service Provider）互联网提供商。
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计算机网络的组成
从组成部分看 – 硬件，软件，协议
拓展：网络适配器（网卡）
通信协议的实现：由网络适配器+硬件 完成。
从工作方式看 – 边缘部分、核心部分
边缘部分：由各个主机及软件组成。用于通信和数据共享（用户服务）
核心部分：由大量网络及互连这些网络的路由器组成。提供连通性和交换服务。
从逻辑看 – 资源子网，通信子网
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计算机网络的功能
①数据通信：最重要的功能！
②资源共享
- 硬件资源共享：eg智能音箱
- 软件资源共享：eg软件商店
- 数据资源共享：抖音短视频
③分布式处理
- eg矩阵乘法拆分成多个子任务，通过网络通信，在不同计算机上完成计算。
④提高可靠性：通过计算机网络备份到别的地方嘛。
⑤负载均衡
三种通信交换技术
电话网络（用电路交换技术）
通过物理线路的连接，动态分配传输线路资源。
- 建立连接→传输数据→释放连接
优点：数据直送，传输效率高。
缺点：①建立/释放连接，需要额外的时间开销。②线路被通信双方独占，利用率低。③线路分配的灵活性差。④不支持“差错控制”（无法发现传输过程中的错误）
电路交换技术总结：适合低频次、大量地传输数据。
而计算机时间数据是高频次、少量地传输数据，所以电路交换技术不适合计算机。
电报网络（用报文交换技术）
优点：
缺点：
计算机网络（用分组交换技术）
优点：
同报文交换！唯一不同是数据以“分组”为单位。
改进的地方：
- 分组定长，方便存储转发和管理
- 分组的传输时延减小了，缓存开销小。
- 分组不易出错，重传代价低。
缺点：
- 相比于报文交换，控制信息增加了（分组产生的）
- 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
- 报文被拆分多组，传输可能有失序，丢失等问题。（数据报服务存在的问题。若采用虚电路服务，无此问题）
虚电路交换(基于分组交换，U4)
多了一步建立虚拟传输电路。（不独占）
三种交换方式性能对比
电路交换性能
报文交换性能
分组交换性能
三种方式对比
计算机网络的分类
（注意标红的）
①按分布范围分类
广域网，局域网
局域网，通过路由器，接入广域网
个域网
网关+智能家居，组成个域网。
②按传输技术分类
广播式网络：计算机发送数据时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址确定是否接收该分组。
- 广播技术一般用于局域网
点对点网络：数据只会从发送方“点对点”发到接收方。
- 交换技术一般用于广域网。
③按拓朴结构分类（逻辑上拓扑）
总线形结构：数据“广播式”传播，存在“总线争用”问题
- EG：集线器连接的设备
环形结构：数据“广播式”传播，通过“令牌”解决“总线争用”问题。
- 令牌依次传递，拿到令牌着可使用总线
- EG：令牌环网
星形结构：由中央设备实现数据的“点对点”传输。不存在“总线争用”问题。
- EG：以太网交换机连接的设备。
网状结构：数据通过各中间节点逐一存储转发；属于“点对点”传输。
- EG：由众多路由器构建的广域网。
- 前三种结构常见于局域网，网状结构常见于广域网。
- 灵活可控复杂成本高。
④按使用者分类
公用网
专用网
⑤按传输介质分类
有线网络：网线，光纤
无线网络：5G，WiFi，卫星
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计算机网络的性能指标
速率
- 连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。
- 也称数据率 或者比特率 或者数据传输速率。
- 单位：bit/s，或b/s，或bps（bit per second）
- 【注意不是B，1B=8bit！】【K，M，G，T，十进制+3或者二进制+10】
带宽
带宽：某信道所能传送的==理论==最高数据率
节点间通信==实际==能达到的最高速率由==带宽和节点性能==决定。
下行信道：IPS路由器向家庭内网（下载过程）
上行信道：家庭内网向IPS路由器（上传过程）
带宽的另一种含义 – 表示某信道允许通过的信号频带范围，单位Hz。
吞吐量
单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的实际数据量。【双向接口之和】
端到端的吞吐量由路径中带宽最小的链路（瓶颈）决定。
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时延⭐
数据从A点到B点（/网络/链路）传送所需要的时间
总时延 = 发送时延（/传输时延） + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
传输时延Note：
报文交换的话，有几段需要几次报文传输。（一般2+）
分组交换的话，可能还包括分组头开销（=分组大小/发送频率），分组拆装时间。
示例：
时延带宽积
单向传播时延*带宽（s * bit/s=bit）
这个指标意味着：一条链路中，已从发送端发出但未到达接收端的最大比特数。
（like水管里面的水有多少）
例题：
往返时延
发送方发送完数据，到发送方收到接收方的确认，所经历的时间。
实例：游戏延迟哈哈哈（电脑-服务器之间的往返时延）
信道利用率
某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。
太低浪费资源，太高网络堵塞。
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计算机网络分层结构
“分层”的设计思想
分层思想：把复杂庞大的问题，转化为若干个小的局部问题。
下层为上层提供服务，上层利用下层的服务实现自身功能。
同一个功能可以在多个层次中重复出现。
三种常见的计算机网络体系结构
体系结构是抽象的，实现则是具体的
网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。（协议是为了实现功能）
法律上的标准：OSI参考模型（世界上第一个计算机网络ARPnet）
事实上的标准：TCP/IP模型（4层！）
学习用的标准：五层模型
各层之间的关系
每一层实现了一个或者多个功能
**==实体==**：实现某一层的软件硬件称为对应层的实体。
- 对等实体：同一层的实体。
==协议==：即网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合。是水平的。
协议由语法，语义，同步（/时序）三部分组成。
- 语法是格式，语义是需要怎么做，同步是先后顺序。
对等的两个实体之间通信需要遵循某种协议，遵循协议的目的是为了实现某种功能。
==服务==：下层为紧邻的上层提供的功能调用。是垂直的。
- 服务分类方式：面向连接服务与无连接服务（无事先连接），可靠服务与不可靠服务（不具备纠错），有应答服务与无应答服务。
==接口==：同一节点内 相邻两层的实体 交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点。
数据链路层（为上层提交的数据）加上首部和尾部。
别的层只加上首部，然后提交给下一层。
总的过程
PDU，PCI，SDU
协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。第n层的PDU记为n-PDU。
协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息（就是首部信息）。第n层的PCI记为n-PCI。
服务数据单元（SDU）：完成上一层实体要求的功能而传送的数据（除了该层首部信息之外的部分）。第n层的SDU记为n-SDU。
n-SDU + n-PCL = n-PDU = (n-1) SDU
每层的PDU都有通俗的名称：
- 物理层的PDU称为 比特流
- 数据链路层的PDU称为 帧
- 网络层的PDU称为 IP分组
- 传输层的PDU称为 TCP报文或者UDP数据报
协议三要素
- 语法：数据与控制信息的格式。
- 语义：需要发出何种控制信息，完成何种操作，做出何种应答。
- 同步（时序）：执行各种操作的条件，时序关系等。
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二.OSI参考模型
个别术语说明
√网络层 == 网际层
√传输层 == 运输层
各层名称和顺序
“物联网叔会使用”
物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。
常见网络设备的功能层次
各层的功能
物理层
物理层任务：在相邻节点之间，利用物理介质，透明地传输比特流。
透明的意思：只保证结果，不保证过程
- 发送端：把比特转换成物理信号（电、光或电磁波）。
- 接收端：把物理信号还原成比特。
规定了：电路接口参数，传输信号的含义、电气特征
Note：物理介质（光缆等）不属于物理层协议范畴。有人称为是“第0层”。
传输单位：比特（0/1）。
数据链路层
链路层任务：确保相邻节点之间的链路，逻辑上无差错。
- 差错控制（以每一个“帧”为单位进行）（因为受到噪音，传输比特流可能出错）
- 流量控制（以每一个“帧”为单位进行）（防止快速发送方“淹没”慢速发送方）
- 其他：物理寻址，组帧，数据重发等
传输单位：帧
网络层
网络层任务：把“分组”从源节点转发到目的节点。
- 路由选择（选择最佳路径）
- 分组转发
- 拥塞控制（当网络节点因过载而大量丢弃分组时，网络处于拥塞状态）【网络层和传输层才有的功能】
- 网际互连
- 其他：（以分组为单位）【数据的局部正确 ≠ 全局正确】 差错控制，流量控制，连接建立与释放，可靠传输管理。
传输单位：分组（/数据报）
传输层（运输层）
（己方报文段被拆成一个一个组被网络层发送，对方网络层接收并拼接好，交给传输层）
传输层任务：实现端口到端口（进程到进程）的通信
- 复用和分用。
- 其他：（以“报文段”为单位）：差错控制，流量控制，连接建立与释放，可靠传输管理。
Note：数据链路层实现节点到节点通信(基于MAC地址)，网络层实现主机到主机通信(基于IP地址)，传输层实现端口到端口通信(基于端口号)
会话层，表示层，应用层
会话层任务：管理不同主机上进程之间的会话。
- 会话管理：like断点续传。
表示层任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题（编码）。
- 数据格式转换（编码，压缩解压等）。
应用层任务：作为网络与用户的接口，实现特定的网络应用。
各层数据传输单位⭐
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三.TCP/IP模型
各层名称和顺序
应用层
并不是所有网络应用都需要：数据格式转换和会话管理功能。所以删去表示层和会话层。
应用层任务：实现特定的网络应用。
网络接口层
网络硬件种类繁多，不应该有太多限制，只规定网络接口就行了。
网络接口层任务：
实现相邻节点间的数据传输（为网络传输“分组”）。
但具体怎么传输不做规定。实际使用的网络可以是各类局域网。
网际层/网络层⭐
网络层功能：路由选择，分组转发，拥塞控制，网际互连。
- 各分组独立选择路由，但不保证分组有序到达。
网络层核心协议是IP协议，提供无连接，不可靠的服务，传输单位是IP数据报。
缺点：目的节点的传输层收到的报文段可能是有问题的。
优点：可以使得网络核心部分（路由器）功能简单，负载低。
传输层
传输层功能：复用和分用。差错控制，流量控制，连接建立与释放，可靠传输管理。
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