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第 1 章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络概念

internet(互连网)：泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间可使用任意通信协议。
Internet(互联网或因特网)：指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则。
从定义来看，internet 包括 Internet

1.1.2 计算机网络的组成

三种组成方式:

• 组成部分（硬件、软件、协议）
• 工作方式（边缘部分、核心部分）
• 功能组成（通信子网、资源子网）
  • 通信子网主要负责全网的数据通信,为网络用户提供数据传输、转接、加工和转换等通信处理工作。它主要包括通信线路(即传输介质)、网络连接设备(如网络接口设备、通信控制处理机、网桥、路由器、交换机、网关、调制解调器和卫星地面接收站等)、网络通信协议和通信控制软件等。
  • 资源子网主要负责全网的信息处理,为网络用户提供网络服务和资源共享等功能。它主要包括网络中所有的计算机、I/O设备和终端、各种网络协议、网络软件和数据库等。

1.1.3 计算机网络的功能

五大主要功能：

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

1.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

1. 电路交换（必须先占有一条专用物理通信路径）

电路交换三部曲：建立连接、数据传输、释放连接
电路交换技术优点：

• 通信时延小
• 有序传输
• 没有冲突
• 使用范围广
• 实时性强
• 控制简单

电路交换技术缺点：

• 建立连接时间长
• 线路利用率低
• 灵活性差
• 难以规格化
• 难以实现差错控制

2.报文交换（站式传输：报文接收完整才向下一站传数据）

数据交换单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，封装成报文（message）。
报文交换技术的优点：

• 无需建立连接
• 动态分配线路
• 线路可靠性高
• 线路利用率高
• 提供多目标服务

报文交换技术缺点：

• 转化时延高。报文接收完整才能转发到下一个结点。
• 缓存开销大。报文没有大小限制，要求交换结点拥有较大的缓存空间。
• 错误处理低效。长报文发生错误概率大，重传报文代价也大。

3.分组交换（将报文进行裁剪成数据包(Packet)，每个数据包最大长度不超过 64 KB）

分组交换技术优点：

• 无建立时延
• 线路利用率高
• 简化了存储管理
• 加速传输
• 减小了出错概率和重发数据量

分组交换技术缺点：

• 存在存储转化时延
• 需要传输额外的信息量
• 当分组交换网采用数据包服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组的情况，分组到达目的结点，还要排序。若采用虚电路服务，则虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程。

4.技术对比

当要传输的数据量很大且传送时间远大于呼叫时间时，采用电路交换较为合适。
当端到端的通路由多段链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
从提高整个网络的信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换时延小，适合计算机之间的突发式数据通信。

1.1.5 计算机网络的分类

1.按分布范围分类

• 广域网（WAN）
• 城域网（MAN）
• 局域网（LAN）
• 个人区域网（PAN）

2.按传输技术分类

• 广播式网络。所有联网计算机共享一个公共通信信道。根据分组的目的地址是否为自己来决定是否接收该分组。局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术。
• 点对点网络。通过中间结点转发，直至目的结点。

3.按拓扑结构分类

• 总线形网络。
  • 优点：建网容易、增删结点方便、节省线路
  • 缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感
• 星形网络。
  • 优点：便于集中控制和管理
  • 缺点：成本高、中央设备对故障敏感
• 环形网络。可以是单环或双环，环中信号是单向传输的
• 网状网络。多用在广域网中。分为规则型与非规则型。
  • 优点：可靠性高
  • 缺点：控制复杂、线路成本高。

以上 4 种基本的网络拓扑结构可以互连为更复杂的网络。

4.按使用者分类

• 公用网（Public Network）
• 专用网（Private Network）

5.按传输介质分类

传输介质可分为有线和无线两大类，因此网络可分为有线网络和无线网络。

• 有线网络（双绞线网络、同轴电缆网络等）
• 无线网络（蓝牙、微波、无线电等）

1.1.6 计算机网络的性能指标

• 速率
• 带宽
• 吞吐量
• 时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）
  • 发送时延，也称传输时延。发送时延 = 分组长度 / 发送速率
  • 传播时延。传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
• 时延带宽积。指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出了多少比特，又称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积 = 传播时延 x 信道带宽。
• 往返时延。指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认的确认总共经历的时延。
• 信道利用率。信道利用率 = 有数据通过时间 / 总时间

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

分层的基本原则:

• 每层都实现相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
• 各层之间的接口自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
• 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以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。
• 整个分层结构应能促进标准化工作。

基本概念:

• 对等层: 不同机器上的同一层
• 对等实体: 同一层的实体
• 协议数据单元(PDU): 对等层之间传送的数据单位。分为数据和控制两部分。
• 服务数据单元(SDU): 为完成用户要求的功能而传送的数据。
• 协议控制信息(PCI): 控制协议操作的信息。
• 三者关系: 发送方: n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

协议: 由语法、语义、同步(或时序) 三部分组成
接口: 同一结点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（Service Access Point, SAP）。服务是通过 SAP 提供给上层使用的。
服务: 下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。
服务原语: 上层使用下层提供的服务时使用的命令
OSI参考模型将原语划分为四类: 请求、指示、响应、证实。
协议、接口、服务三者之间的关系:

计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类:
(1) 面向连接服务与无连接服务
(2) 可靠服务和不可靠服务
(3) 有应答服务和无应答服务

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

(1) OSI参考模型

七层: 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

通信子网: 物理层、数据链路层、网络层
资源子网: 会话层、表示层、应用层

物理层: 传输单位是比特，功能是在物理介质上为数据端设备透明地传输原始比特流。
数据链路层: 传输单位是帧。两台主机之间的数据总是在一段一段的链路上传输的。
网络层: 传输单位是数据包。网络层的协议有 IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、RIP、OSPF等。
传输层: 负责主机中两个进程之间的通信。传输层的协议有 TCP、UDP。
会话层: 允许不同主机上的各个进程之间进行会话。
表示层: 主要处理两个通信系统中交换信息的表示方式。
应用层: 最高层, 用户与网络的接口。

(2) TCP/IP 模型

四层: 网络接口层、网际层、传输层、应用层。

TCP/IP 模型与 OSI 参考模型的层次对应关系

第一章
第一节试题

第一节答案

第二节试题
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

第二节答案
1 B

2 C

3 A

4 D

5 C

6 B

7 C

8 A C C

9 C

10 A