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