第一章·计算机网络体系结构

1：计算机网络的概念：

<1>什么是计算机网络？

计算机网络（Computer networking）是：将众多分散的、自治的 【其中一台设备坏掉不会影响其余设备的运行，（独立运行）】计算机系统，通过通信设备 +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。

<2>计算机网络、互连网、互联网的区别:

(1)计算机网络（computer networking）:

简称网络：有若干结点（node）+连接结点的链路（link）组成。
- 结点：可以是计算机、集线器、交换机、路由器等；
  - 路由器（router）：两个或多个计算机网络互相连接起来 ，形成更大计算机网络，为"互连网"。
链路：有线链路、无线链路；

(2)互连网（internet）：

任意协议通信；
- 例：某银行内部使用的网络；

(3)互联网（或因特网，Internet）：

由各大ISP+国际机构组建的，覆盖全球范围的互连网；
互联网 采用TCP/IP协议通信
ISP（Internet Service Provider）：互联网服务提供商（如中国电信/移动/联通）；

（4）知识回顾+重要内容：

2：组成、功能：

3：电路交换、报文交换、分组交换：

<1>电路交换：

（1）定义：通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源；

（2）交换过程：

建立连接（尝试占用通信资源）；
通信（一直占用通信资源）
释放连接（归还通信资源）

（3）优缺点：

优点：
- 通信前建立专用物理链路 ，通信中始终占用 端到端的线路资源。数据直达，传输速率高
- 更适用于：低频次、大量地传输数据
缺点：
- 建立/释放连接 ，需要额外时间开销
- 线路双方独占，利用率低
- 线路分配的灵活性差
- 交换节点不支持"差错控制"（无法发现传输中发生的数据错误）

【注意】：计算机之间数据往往是"突发式"传输，即往往高频次，少量地传输数据。

<2>报文交换：

（1）优点缺点：

优点：
- 通信前无需建立连接；
- 数据以"报文 "为单位被交换节点间"存储转发 "，通信线路可以灵活分配
- 在通信时间内，两个用户无需独占 一整条物理线路，比电路交换线路利用率高
- 交换节点支持"差错控制"[通过校验技术（奇偶校验）]
缺点：
- 报文不定长，不方便存储转发管理；
- 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
- 长报文容易出错，重传代价高

<3>分组交换（目前使用）：

（1）运行过程：

（2）优缺点：

优点：
- 无需建立连接；
- 数据"分组 "为单位被交换节点间"存储转发 "，通信线路灵活分配；
- 在通信时间内，两个用户无需独占 一整条物理线路。比电路交换线路利用率高；
- 交换节点支持"差错控制"（通过校验技术）
- 比报文交换改进了：
  - 分组定长，方便存储转发管理
  - 分组存储转发时间开销小、缓存开销小
  - 不易出错，重传代价抵
缺点：
- 比报文交换，控制信息占比增加；
- 比电路交换，依然存储转发时延；
- 报文被拆分成多个分组，传输过程中可能出现时序、丢失等问题，增加处理的复杂度；

4：虚电路交换技术（了解）：

4：三种交换方式性能对比：

数轴代表时间：每一个小格=1ms；

<1>电路交换性能分析：

连接建立：A到B到C到D，每到一个节点用时1ms，共3ms；中间处理用时2ms；D到C到B到A响应共用时3ms；
数据传输：报文大小4/0.5=8ms；报文最上面表示：发送报文第一个比特用时3ms；所以共用时11ms；
释放连接：共用时3ms；

<2>报文交换性能分析

每段报文发送t=4/0.5=8ms；
A到B到C到D，发送时消耗1ms，中间存储转发时间为2ms；
总共用时：31ms

<3>分组交换性能分析

将报文分组，第一组第一段报文传播t=1ms；一个分组报文t=2ms；第一个分组总t=3ms；
其余分组用时2ms，存储转发时延=0.5ms，A到B共延时1.5ms；
A到B=3+2x3+1.5ms=10.5ms
分组1发送完最后一段报文，存储0.5ms后转发出去；所以B发送延迟t=0.5+2ms=3.5ms，D延迟t=3.5ms
共用时=10.5+3.5+3.5=17.5ms

<4>比较：

5:计算机网络分类：

【注】：

如今局域网几乎采用"以太网技术"实现，因此"以太网 "几乎成了"局域网"代名词；
局域网通过路由器接入广域网；

6：性能指标

<1>信道：

表示向某一方向传送信息的通道（信道≠通信线路）；
一条通信线路在逻辑上：对应一条发送信道 和一条接收信道；
传播电磁波（可携带数据）信号

<2>速率、带宽、吞吐量

(1)速率

也称：数据率、比特率、数据传输速率
单位：bit/s,或b/s,或bps
连接到网络节点上的节点在信道上传输数据的速率。

(2)带宽

某信道所能传送的最高数据率(计网）
- 允许通过信号频带范围，单位Hz（通信原理）
带宽越大，传输数据能力越强；

(3)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（实际的综合数据率）。
受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。

【注意】：

B/s（1B=8b，B=Byte字节，b=bit比特）；
（速率）数量前缀：

计组、操作系统：
- 例：总线为8MB/s=8*2的二十次方B/s；
- 1KB=1024B；1MB=1024KB;1GB=1024MB;1TB=1024GB;

<3>时延、时延带宽积、往返时延：

（1）时延：

又称：延迟或迟延；
指数据（一个保温或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要时间。

处理时延和排队时延：受网络负载、路由器性能等诸多因素影响。（考试中一般不考虑）
例：

（2）时延带宽积：

含义：一条链路中，已发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数；
时延带宽积（bit） = 传播时延 （s） X 带宽（bit/s）
例：

【注】：时延带宽积用于设计最短帧长；

（3）往返时延RTT：

表示从发送方发送完数据 ，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间；

<4>信道利用率：

（1）定义：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

例：

【注】：信道利用率不能太低（高），浪费资源（容易导致网络拥塞）；

7.分层结构：

<1>设计思想：

（1）分层：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题；

（2）快递站典例：

（3）计算机发送/接收数据过程：

重要名词解释：

实体：第n层中活动元素（软件+硬件）为第n层实体；
对等层：不同机器上的同一层
对等实体：同一层的实体
协议（网络协议）：控制对等实体之间 进行通信的规则集合，是水平的。
接口（服务访问点SAP）：同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口；
服务：下层为紧邻上层 提供功能调用，它是垂直的。

（4）PDU、SDU、PCI的概念：

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；
服务数据单元（SDU）：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的SDU记为n-SDU；
协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的PCI记为n-PCI；
三者关系：n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU
- 解释：第n层的服务数据单元+第n层的协议控制信息=第n层的协议数据单元=第n-1层的服务数据单元

<2>体系结构：

（1）概念：计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不设计实现）。

注：实现是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件/软件完成这些功能的问题；
体系结构式抽象的，而（功能、层次）实现则是具体的。

<3>协议（网络协议）：

（1）定义：控制对等实体之间 进行通信的规则集合，是水平的。

（2）三要素：

语法：数据与控制信息的格式。
- 例：协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多由多少字节；
语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作及做何种应答。
- 例：协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要"应答"，以及应答的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）。
同步（或时序）：执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。
- 例：发送方发送完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到"传输成功"应答，则发送方会再次发送数据。

《4》知识回顾图：

8.OSI参考模型

<1>常见网络设备的功能层次：

<2>各层任务功能分析：

(1)物理层：

任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输
功能：
- 需定义电路接口参数（如：形状、尺寸、引脚数等）；
- 需定义传输信号的含义、电气特征[如：5v(高电频信号)表示1,1v(低电频信号)表示0；每比特电信号持续时间0.1ms]；

（2）链路层：

任务：
- 确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错；
- 以帧（含多个比特）传输，需使用校验编码技术；
功能：
- 差错控制：检错+纠错；或检错+丢弃+重传。
  - 例：
- 流量控制：协调两个结点的速率。
  - 过快，会造成帧丢失；

【注意】

链路层的差错控制和流量控制是以**"帧"为单位，** 只能保证帧的全局正确**；**

（3）网络层：

把"分组"从源节点转发到目的结点。
功能：
- 路由选择 ：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径；
- 分组转发：将"分组"从合适的端口转发出去。
- 拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞；
- 网际互联：实现异构网络互联；
- 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理；
  - 连接与释放：源节点与目的节点之间先建立一条虚电路 连接，确保分组有序、不重复到达；
  - 可靠传输：接收方需返回分组确认信息；

【注意】：

网络层的差错控制和流量控制是以**"分组"为单位**；
网络层差错控制、流量控制才能保证分组全局正确；

（4）传输层：

任务：实现端到端 通信（即实现进程到进程 的通信，"端"指"端口"）；
功能：
- 复用分用概念：发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端再进行分用；
  - 复用：发送方多个进程通过端口号请求传输层服务；
  - 分用：接收方传输层通过端口号收到的数据分配给对应的进程；
- 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理；
  - 连接建立与释放：确保报文段有序、不重复到达；
  - 可靠传输管理：接收方需返回报文段确认信息；

【注】差错控制、流量控制保证报文段的全局正确；

（5）会话层、表示层、应用层：

会话层：
- 任务：管理进程间会话；
- 功能：会话管理（采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信）
表示层：
- 任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题；
- 功能：数据格式转化（如编码转换、压缩/解压、加密/解密）
应用层：
- 任务：实现特定网络应用；
- 功能繁多，根据应用需求设计；

<3>总结：

【注意】全局正确局部才正确，局部不能规定全局；

（1）OSI模型缺点：网络核心部分（路由器）的功能复杂，负载高，造价高；

9.TCP/IP模型

记住：各层的名称和顺序；
了解：
- TCP/IP模型和OSI参考模型的区别；
- TCP/IP模型各层的功能；

<1>理念：

如果某些应用需要数据格式转换、会话管理功能 ，就交给应用层的特定协议去实现；

【注】：TCP/IP模型应用层包含OSI的表示层与会话层，TCP/IP在实际使用中功能选择更灵活；

<2>主要区别详解：

(1)网络接口层：

任务：实现相邻结点之间的数据传输（为网络层传输"分组"），但具体传输方式不规定；
- 优点：使TCP/IP网络体系结构具有更强的灵活性、适应性；

（2）网络层：

功能：路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互联；
- 只保证"尽最大能力交付"
- 缺点：数据传输不完全可靠；

(3)传输层：

功能：复用分用、差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理。

<3>总结：

（1）优点：网络核心部分（路由器）的功能简单，负载低；

【注】将数据传输正确、可靠由传输层负责，压力给到"网络边缘部分（主机）"。

第一章·计算机网络体系结构

1：计算机网络的概念：

<1>什么是计算机网络？

<2>计算机网络、互连 网、互联网的区别:

2：组成、功能：

3：电路交换、报文交换、分组交换：

<1>电路交换：

<2>报文交换：

<3>分组交换（目前使用）：

4：三种交换方式性能对比：

<1>电路交换性能分析：

<2>报文交换性能分析

<3>分组交换性能分析

<4>比较：

5:计算机网络分类：

6：性能指标

<1>信道：

<2>速率、带宽、吞吐量

<3>时延、时延带宽积、往返时延：

<4>信道利用率：

7.分层结构：

<1>设计思想：

（3）计算机发送/接收数据过程：

（4）PDU、SDU、PCI的概念：

<2>体系结构：

<3>协议（网络协议）：

《4》知识回顾图：

8.OSI参考模型

<1>常见网络设备的功能层次：

<2>各层任务功能分析：

<3>总结：

9.TCP/IP模型

<1>理念：

<2>主要区别详解：

<3>总结：

<2>计算机网络、互连网、互联网的区别: