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  • 计算机网络体系结构

    千次阅读 多人点赞 2019-11-26 23:12:11
    (一)计算机网络概述 ...(二)计算机网络体系结构与参考模型 计算机网络分层结构 计算机网络体系结构 为什么分层 如何分层 实体 协议(水平) 接口(访问服务点SAP) 服务(垂直) ISO/OSI参考模型 TCP/IP参...

    (一)计算机网络概述

    计算机网络的概念、组成与功能

    概念

    功能

    组成

    工作方式

    分类

    计算机网络的标准化工作及相关组织

    标准分类

    计算机网络的标准化工作

    相关组织

    (二)计算机网络体系结构与参考模型

    计算机网络分层结构

    计算机网络体系结构

    为什么分层

    如何分层

    实体

    协议(水平)

    接口(访问服务点SAP)

    服务(垂直)

    ISO/OSI参考模型 TCP/IP参考模型

    五层参考模型

    易错问题

    计算机网络性能指标


    (一)计算机网络概述

    计算机网络的概念、组成与功能

    概念

    计算机网络

    计算机网络是一个互连的,自治的计算机集合。

    自治计算机:能够进行自我管理,配置和维护的计算机。

    internet(互连网)指由多个计算机网络互联而成的网络,网络间的通信协议是可以任意的。

    Internet(互联网)指当前全球最大的,开放的,由众多网络相互连接而成的特定互连网采用TCP/IP协议族作为通信协议。

    功能

    数据通信(连通性)

    数据在信道上进行传输,保证不同主机之间的连通性。
    是计算机网络最重要和最基本的功能。
    包括:连续控制,传输控制,路由选择,流量控制,差错控制,多路复用等子功能。

    资源共享

    硬件资源共享 软件资源共享 数据资源共享

    分布式处理 信息综合处理 提高可靠性 负载均衡

    分布式处理 :多台计算机各自承担同一任务的不同部分。

    信息综合处理:将分散在各地计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理。

    提高可靠性:计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

    负载均衡:将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

    ……

    组成

    物理组成:

    硬件

    端系统 (主机)
    通信处理机
    通信链路 (光纤 双绞线… )
    通信设备( 路由器 交换机… )

    软件

    端系统上的各种应用软件。

    协议

    为进行网络中的数据交换而建立的一系列规则和约定的集合。

    功能/逻辑组成:

    通信子网

    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。(实现数据通信)

    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,向全网用户提供网络资源与服务。 (实现资源共享/数据处理)

    在这里插入图片描述

    工作方式

    边缘部分

    (用户直接使用,主机进行信息处理)
    通信方式:
    C/S方式:
    P2P方式:

    核心部分

    (为边缘部分提供服务,路由器按存储转发方式进行分组交换)
    路由器
    网络

    分类

    按分布范围分类

    广域网WAN:(交换技术)
    城域网MAN:
    局域网LAN:(广播技术)
    个人区域网PAN:

    按拓扑结构分类

    总线型网络:
    星型网络:
    环形网络:
    网状形网络:(常用于广域网)

    按传输技术分类

    广播式网络:(共享公共通信信道)
    点对点网络:(使用分组存储转发和路由选择机制)

    按使用者分类

    公用网:中国电信,中国移动…
    专用网:铁路,军队,银行…

    按交换技术分类

    电路交换网络:
    报文交换网络:
    分组交换网络:

    计算机网络的标准化工作及相关组织

    实现不同厂商的硬件和软件之间互联互通,必须遵从统一的标准。

    标准分类

    法定标准:有权威机构制定的正式的,合法的标准。(7层OSI参考模型)
    事实标准:某公司的产品在竞争中占据主流,这些产品中的技术和协议成为了标准。(4层TCP/IP参考模型)

    计算机网络的标准化工作

    需要经历以下四个步骤:
    1 因特网草案
    2 建议标准(RFC文档:因特网标准的形式)
    3 草案标准(2011年起,取消该阶段)
    4 因特网标准

    相关组织

    国际标准化组织(ISO):OSI参考模型、HDLC协议
    国际电信联盟(ITU):制定通信规则
    美国电气和电子工程师协会(IEEE):学术机构 IEEE802系列标准 5G相关协议
    Internet工程任务组IETF:负责因特网相关标准的制定

    (二)计算机网络体系结构与参考模型

    计算机网络分层结构

    计算机网络体系结构

    计算机网络体系结构是计算机网络的各个层次及其协议的集合。

    计算机体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

    计算机网络体系结构简称网络体系结构(分层结构)。

    每层遵循某个or某些网络协议完成本层的功能。

    第n层向n+1层提供服务时,此服务不仅包含第n层的服务,还包含由下层服务提供的功能。

    仅仅在相邻层有接口,且提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

    体系结构是抽象的,而实现是指能运行的一些软件和硬件。

    为什么分层

    计算机网络是个非常复杂的系统,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行,而分层可以将庞大而复杂的问题,转化为若干个较小的局部问题,而这些较小的局部问题就比较容易研究和处理。

    如何分层

    应用层

    所有能和用户交互产生网络流量的程序。
    典型应用层服务:文件传输(FTP) 电子邮件(SMTP) 万维网(HTTP)…

    表示层

    用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)
    功能:
    数据格式交换
    数据加密解密
    数据压缩恢复
    协议:JPEG ASCII

    会话层

    向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。(建立同步SYN)
    功能:
    建立 管理 终止会话
    使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信,实现数据同步(适用传输大文件)
    协议:ADSP ASP

    传输层

    负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。
    功能:
    可靠传输,不可靠传输
    差错控制
    流量控制
    复用分用
    协议:TCP UDP

    网络层

    主要,任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务,传输单位是数据报
    功能:
    路由选择
    流量控制
    差错控制
    拥塞控制
    协议:IP IPX ICMP IGMP ARP RARP OSPF

    数据链路层

    主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。传输单位为帧。
    功能:
    成帧(定义帧的开始和结束)
    差错控制(帧错 + 位错)
    流量控制
    访问(接入)控制 (控制对信道的访问)
    协议:SDLC HDLC PPP STP

    物理层

    主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。传输单位为比特。
    功能:
    定义接口特性
    定义传输模式(单工资半双工 双工)
    定义传输速率
    比特同步
    比特编码
    协议:Rj45 802.3

    分层的基本原则

    各层之间相互独立。每层只实现一种相对独立的功能。
    灵活性好。除接口之外,任意一层发生变化,其上或其下层不受影响。
    结构上可分隔开。每层采用最合适的技术实现。
    易于实现和维护。
    整个分层结构促进标准化工作。

    实体

    表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。(进程)

    第n层中的活动元素称为n层实体,同一层次的实体称为对等实体。

    不同机器上的同一层次称为对等层。

    协议(水平)

    控制网络中的两个对等实体进行通信的规则,标准或约定称为网络协议。
    协议三要素:
    语法:规定传输数据的格式。(怎么讲)
    语义:规定所要完成的功能。(讲什么)
    同步:规定各种操作的顺序。(时序)

    接口(访问服务点SAP)

    表示同一结点相邻层之间交换信息的连接点,下层提供接口向上层提供服务服务点。

    SDU服务数据单元

    为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

    PCI协议控制信息

    控制协议操作的信息。

    ICI接口控制信息

    控制接口操作的信息。

    PDU协议数据单元

    同等层对等实体之间传送的数据单元。
    n-PCI + n-SDU = n-PDU

    IDU接口数据单元

    相邻层接口之间的数据单元。
    n-ICI + n-SDU = n-IDU

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    服务(垂直)

    各层向它的直接上层提供的功能调用(一组原语操作)。

    下层向上层通过接口通过服务。

    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
    面向无连接的服务包括建立连接,使用连接和释放连接三个过程。

    电话系统是一个面向连接的模式。

    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

    接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答。

    无应答服务

    接收方收到数据后不自动给出应答。

    可靠服务

    网络具有检错,纠错,应答机制,能保证数据正确,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,只能尽量正确,可靠。

    ISO/OSI参考模型 TCP/IP参考模型

    为了解决计算机网络复杂的大问题,将之拆解成小问题,按功能分层解决。

    IBM公司第一个参考模型 SNA网络体系结构
    DEC公司提出DNA网络体系结构
    美国国防部提出TCP/IP网络体系结构
    ……(均被各公司垄断)

    为了支持异构网络系统的互联互通,国际标准化组织ISO于1984年提出开发(非垄断)系统互联(OSI)参考模型。
    在这里插入图片描述

    五层参考模型

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    易错问题

    OSI/ISO参考模型的网络层 即有连接服务也有无连接服务。

    TCP/IP协议的网络层只有无连接服务。
    网络层传输采用IP分组,IP分组头部含有源IP地址和目的IP地址,不是虚电路号,采用数据报服务;IP分组头部没有多分组进行编号和提供校验字段,所以是不可靠服务;IP分组头部没有相关建立连接字段,所以网络层属于无连接服务。

    OSI/ISO参考模型的传输层 只有面向连接服务,
    TCP/IP协议的传输层 既有面向连接服务也有面向无连接服务。

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    计算机网络性能指标

    速率

    又称 数据率/数据传输率/比特率

    连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据位数的速率。

    MB/s 指兆字节每秒 指每秒传输的字节数量。
    Mbit/s 指兆比特每秒 指每秒传输的比特数(位数)。

    一般家庭上网是2M宽带,默认为2Mbit/s,而2M=2000k,因此下载速度限制在250kB/s。

    在描述磁盘容量时用KB,K=2¹⁰
    在描述宽带或者数据传输率时,kbit/s,k=10³

    速率单位:1Tbps (太)= 10³Gbps (吉)= 10⁶ Mkps (兆)= 10⁹kbps (千)= 10¹²bps

    存储单位:1Byte(字节) =8 bit(比特)
    1TB = 2¹⁰GB = 2²⁰MB= 2³⁰KB

    带宽

    原本指某个信号具有的频带宽度,即最高频率和最低频率之差,单位为赫兹(Hz)。

    计算机网络中,带宽表示网络通信线路传输数据的能力,通常指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s

    或者可以说,网络设备所支持的最高速度。

    吞吐量

    表示在单位时间内通过某个网络(或信道/接口)的数据量,单位b/s kb/s Mb/s。

    受到网络的带宽和额定速率的影响。

    特殊记忆:链路带宽 > 吞吐量 = 速率和

    时延

    指数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位为s。

    总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

    一般排队时延和处理时延忽略不计。

    发送时延/传输时延

    主机或路由器从发送数据帧的第一个比特开始,到该帧最后一个比特发送完毕所需的时间。

    发送时延 = 数据帧长度(bit 容量) / 信道带宽(bit/s 发送速率)

    传播时延

    电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间,取决于电磁波传播速度和链路长度。

    电磁波速度在真空中与光速(3x108m/s)一致,在链路中速度有所损耗,大致在2x108m/s。

    传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

    排队时延

    分组在进入网络传输时,经过许多路由器,进入路由器后在输入队列等待处理,在路由器查找路由表确定转发接口后,在输出队列中排队等待转发。

    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。

    分析分组首部,提取分组中数据部分,差错检验,和查找适当路由器。

    易错问题

    高速网络链路,提高的只是数据发送速率,减小了数据的发送时延。

    接收时延包含在发送时延和传播时延中。

    时延带宽积

    又称:以比特为单位的链路长度,即“某段链路的数据容量”。
    时延带宽积 (bit) = 传播时延 (s) x 带宽(发送速率 b/s)

    往返时延RTT

    从发送方发送数据开始,接收方收到数据后立即发送确认,到发送方收到接收方到确认,总共经历的延时。

    ping ip地址 / 域名 (如www.baidu.com)
    time = 35.253 ms

    RTT越大,在收到确认前,发送的数据越多。

    往返时延RTT = 往返传播时延 + 末端处理时间 = 传播时延 x 2 + 末端处理时间

    利用率

    信道利用率

    指某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
    信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有+无)数据通过的时间

    网络利用率

    全网络的信道利用率的加权平均值。

    信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
    因此拥有较大主干网的ISP通常控制信道利用率不超过50%,否则就要准备扩容,增大线路的带宽。

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    计算机网络

    展开全文
  • 计算机网络结构

    千次阅读 2019-04-21 14:42:57
    1. 计算机网络体系结构 应用层 :为特定应用程序提供数据传输服务,例如 HTTP、DNS 等。数据单 位为报文。 运输层 :提供的是进程间的通用数据传输服务。由于应用层协议很多,定义通 用的运输层协议就可以支持不断...

    1. 计算机网络体系结构
    在这里插入图片描述

    • 应用层 :为特定应用程序提供数据传输服务,例如 HTTP、DNS 等。数据单位为报文。
    • 传输层 :提供的是进程间的通用数据传输服务。由于应用层协议很多,定义通用的运输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议:传输控制协议 TCP,提供面向连接、可靠的数据传输服务,数据单位为报文段;用户数据报协议 UDP,提供无连接、尽最大努力的数据传输服务,数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务,UDP 主要提供及时性服务。
    • 网络层 :为主机间提供数据传输服务,而运输层协议是为主机中的进程提服务。网络层把运输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。
    • 数据链路层 :网络层针对的还是主机之间的数据传输服务,而主机之间可以有很多链路,链路层协议就是为同一链路的主机提供服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。
    • 物理层 :考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异,使数据链路层感觉不到这些差异。

    2. UDP 和 TCP 的特点

    • 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol) 是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部) ,支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

    • 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol) 是面向连接的,提供可靠交付,有流量控制,拥塞控制,提供全双工通信,面向字节流(把应用层传下来的报文看成字节流,把字节流组织成大小不等的数据块) ,每一条 TCP连接只能是点对点的(一对一) 。

    TCP
    在这里插入图片描述

    • 序号 :用于对字节流进行编号,例如序号为 301,表示第一个字节的编号为301,如果携带的数据长度为 100 字节,那么下一个报文段的序号应为 401。

    • 确认号 :期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段,序号为 501,携带的数据长度为 200 字节,因此 B 期望下一个报文段
      的序号为 701,B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。

    • 数据偏移 :指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量,实际上指的是首部的长度。

    • 确认 ACK :当 ACK=1 时确认号字段有效,否则无效。TCP 规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。

    • 同步 SYN :在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1,ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接,则响应报文中 SYN=1,ACK=1。

    • 终止 FIN :用来释放一个连接,当 FIN=1 时,表示此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放连接。

    • 窗口 :窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制,是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

    ① 三次握手过程:
    在这里插入图片描述
    假设 A 为客户端,B 为服务器端。

    • 首先 B 处于 LISTEN(监听) 状态,等待客户的连接请求。
    • A 向 B 发送连接请求报文,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。
    • B 收到连接请求报文,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文,SYN=1,ACK=1,确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。
    • A 收到 B 的连接确认报文后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为x+1。
    • B 收到 A 的确认后,连接建立。

    ② 三次握手的原因

    第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器,让服务器错误打开连接。客户端发送的连接请求如果在网络中滞留,那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后,就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器,如果不进行三次握手,那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手,客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认,不进行第三次握手,因此就不会再次打开连接。

    ③ 四次挥手

    在这里插入图片描述
    以下描述不讨论序号和确认号,因为序号和确认号的规则比较简单。并且不讨论ACK,因为 ACK 在连接建立之后都为 1。

    • A 发送连接释放报文,FIN=1。
    • B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A不能向 B 发送数据。
    • 当 B 不再需要连接时,发送连接释放报文,FIN=1。
    • A 收到后发出确认,进入 TIME-WAIT 状态,等待 2 MSL(最大报文存活时间) 后释放连接。
    • B 收到 A 的确认后释放连接。

    ④ 四次挥手原因

    客户端发送了 FIN 连接释放报文之后,服务器收到了这个报文,就进入了CLOSEWAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据,传送完毕之后,服务器会发送 FIN 连接释放报文。

    TIME_WAIT
    客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入此状态,此时并不是直接进入CLOSED状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个由:

    ❶ 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文,那么就会重新发送连接释放请求报文,A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
    ❷ 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失,使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

    ⑤ TCP 可靠传输

    TCP 使用超时重传来实现可靠传输:如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认,那么就重传这个报文段。

    ⑥ TCP 滑动窗口

    窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口,接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

    发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。

    接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

    在这里插入图片描述
    ⑦ TCP 流量控制

    流量控制是为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。

    ⑧ TCP 拥塞控制

    如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像,但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

    在这里插入图片描述
    TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制:慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复
    发送方需要维护一个叫做拥塞窗口(cwnd) 的状态变量,注意拥塞窗口与发送方窗口的区别:拥塞窗口只是一个状态变量,实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

    为了便于讨论,做如下假设:

    • 接收方有足够大的接收缓存,因此不会发生流量控制;
    • 虽然 TCP 的窗口基于字节,但是这里设窗口的大小单位为报文段。
      在这里插入图片描述
      以此图为例分析:

    ❶ 慢开始与拥塞避免
    发送的最初执行慢开始,令 cwnd=1,发送方只能发送 1 个报文段;当收到确认后,将 cwnd 加倍,因此之后发送方能够发送的报文段数量为:2、4、8 …,注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍,这样会让 cwnd 增长速度非常快,从而使得发送方发送的速度增长速度过快,网络拥塞的可能也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh,当 cwnd >= ssthresh 时,进入拥塞避免,每个轮次只将 cwnd 加 1。如果出现了超时,则令 ssthresh = cwnd/2,然后重新执行慢开始。
    ❷ 快重传与快恢复
    在接收方,要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M 和 M ,此时收到 M ,应当发送对 M 的确认。在发送方,如果收到三个重复确认,那么可以知道下一个报文段丢失,此时执行快重传,立即重传下一个报文段。例如收到三个 M ,则 M 丢失,立即重传 M 。在这种情况下,只是丢失个别报文段,而不是网络拥塞。因此执行快恢复,令ssthresh = cwnd/2 ,cwnd = ssthresh,注意到此时直接进入拥塞避免。
    :慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值,而不是 cwnd 的增长速率。慢开始cwnd 设定为 1,而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。
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  • 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机...

    计算机网络的体系结构(architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件。

    文章分五部分,分别为:
    1 计算机网络体系结构的形成
    2 协议与划分层次
    3 具有五层协议的体系结构
    4 实体、协议、服务和服务访问点
    5 TCP/IP 的体系结构

    1.计算机网络体系结构的形成
    计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作,而这种“协调”相当复杂。
    分层”可将庞大而复杂的问题,转化为若干较小的局部问题,易于研究和处理。

    1974 年,美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。
    不久后,其他一些公司也相继推出自己公司的具有不同名称的体系结构。由于网络体系结构的不同,不同公司的设备很难互相连通。

    为了使不同体系结构的计算机网络都能互连,国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题。
    他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model),简称为 OSI。
    只要遵循 OSI 标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。
    OSI 只获得了一些理论研究的成果,在市场化方面却失败了。
    原因包括:
    OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力;
    OSI 的协议实现起来过分复杂,且运行效率很低;
    OSI 标准的制定周期太长,因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场;
    OSI 的层次划分也不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。

    法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。
    非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。
    TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。

    2.协议与划分层次
    计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
    这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题(同步含有时序的意思)。
    网络协议 (network protocol),简称为协议, 是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

    网络协议的三个组成要素:语法(数据与控制信息的结构或格式)、语义(需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应)、同步(事件实现顺序的详细说明)。
    由此可见,网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。

    协议有两种形式,一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述,另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。

    ARPANET 的研制经验表明,对于非常复杂的计算机网络协议,其结构应该是层次式的。

    分层的好处:各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。缺点:降低效率。有些功能会在不同的层次中重复出现,因而产生了额外开销。

    3.具有五层协议的体系结构
    OSI 的七层协议体系结构的概念清楚,理论也较完整,但它既复杂又不实用。
    TCP/IP 是四层体系结构:应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法,即综合 OSI 和TCP/IP 的优点,采用一种只有五层协议的体系结构 。

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    主机1向主机2发送数据:
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    注意观察加入或剥去首部(尾部)的层次

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    OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非 OSI 标准采用。
    任何两个同样的层次把数据(即数据单元加上控制信息)通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peer layers)之间的通信。
    各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

    4.实体、协议、服务和服务访问点
    实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
    协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
    在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务
    要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务
    协议和服务在概念上是不一样的。
    协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
    本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
    协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。
    服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
    上层使用服务原语获得下层所提供的服务。
    同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点 SAP(Service Access Point)。
    服务访问点SAP是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接口。
    OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。SDU 可以与 PDU 不一样,例如,可以是多个SDU 合成为一个 PDU,也可以是一个 SDU 划 分为几个 PDU。
    相邻两层之间的关系:
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    协议必须把所有不利的条件事先都估计到,而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
    看一个计算机网络协议是否正确,不能光看在正常情况下是否正确,还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

    5.TCP/IP 的体系结构
    路由器在转发分组时最高只用到网际层而没有使用运输层和应用层
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  • 计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行,而这种“协调”是相当复杂的... 体系结构计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。这些功能是用何种硬件或软件完成的,则是一个遵循体

    计算机网络体系结构的形成

    相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行,而这种“协调”是相当复杂的。

    分工可将庞大而复杂的问题,转化为若干较小的局部问题,而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

    计算机网络的体系结构

    计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。

    体系结构是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

    这些功能是用何种硬件或软件完成的,则是一个遵循体系结构的实现(implementation) 的问题。

    体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件。

    OSI/RM体系结构

    图解

    关于开放系统互连参考模型OSI/RM

    只要遵循 OSI 标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。

    在市场化方面 OSI 却失败了。

    • OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力;
    • OSI 的协议实现起来过分复杂,且运行效率很低;
    • OSI 标准的制定周期太长,因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场;
    • OSI 的层次划分也不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。

    TCP/IP体系结构

    图示

    法律上的(de jure)国际标准 OSI/RM 并没有得到市场的认可。

    非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。

    TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。

    两种体系结构标准

    图示

    划分层次的概念

    举例
    计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。

    • 第一类工作与传送文件直接有关。
      1. 确信对方已做好接收和存储文件的准备。
      2. 双方协调好一致的文件格式。
    • 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。

    图示

    再设计一个通信服务模块

    图示

    再设计一个网络接入模块

    图示

    分层的好处

    • 各层之间是独立的。
    • 灵活性好。
    • 结构上可分割开。
    • 易于实现和维护。
    • 能促进标准化工作。

    网络设备在层次模型中所处的位置

    • 物理层——中继器,在电缆之间逐个复制二进制数 BIE
    • 链路层——桥连器,在LAN之间存储和转发帧
    • 网络层——路由器,在不同的网络之间进行很转发分组。在Internet中我们把路由器称作网关。
    • 在三层以上工作——协议转化器,实现不同协议的转化。

    对等——分层模型中一个很重要的概念

    • 只有对等层才能相互通信,一方在某层上的协议是什么,对方在同一层次上也必须是什么协议。
    • 理解了对等的含义,则很容易把网络互连起来

    网络的连接

    • 两个网络在物理层相同,使用中继器就可以连起来;
    • 如果两个网络物理层不同,链路层相同,使用桥接器可以连起来;
    • 如果两个网络物理层、链路层都不同,而网络层相同,使用路由器可以互连;
    • 如果两个网络协议完全不同,使用协议转换器(网关)可以互连。

    层数多少要适当

    若层数太少,就会使每一层的协议太复杂。

    层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

    五层协议的体系结构

    OSI的七层协议体系结构即复杂又不实用,但其概念清楚,理论较完整。

    TCP/IP 协议得到了广泛的应用,但它原先并没有一个明确的体系结构。

    从实质上讲,TCP/IP只有三层,即应用层、运输层、网际层。最下面的网络接口层并没有具体内容。

    因此采取折中的办法,即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点,采用一种只有五层协议的体系结构 。

    五层协议体系结构

    图示

    应用层(application layer)

    应用层是体系结构中的最高层。

    应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。

    应用层直接为用户的应用进程提供服务。

    在因特网中的应用层协议很多,如HTTP、SMTP、FTP等。

    运输层(transport layer)

    运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信。

    因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol),和无连接的用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。

    运输层的数据传送单位是报文段(segment)(当使用TCP时)或用户数据报(当使用UDT时)。

    在分组交换网内的各个交换结点机都没有运输层。运输层只存在于分组交换网外面的主机之中。

    网络层(network layer)

    网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。

    在发送数据时,网络层将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。

    在TCP/IP体系中,分组也叫作IP数据报,或简称为数据报。

    在发送数据时,数据链路层的任务是将网络层交下来的数据报组装成帧,在两个相邻结点间的链路上传送以帧(frame)为单位的数据。

    每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制,以及流量控制信息等)。

    数据链路层常简称为链路层。

    物理层(physical layer)

    物理层的作用就是透明地传送比特流。

    在物理层上所传数据的单位是比特。

    传递信息所利用的一些物理媒体,如双绞线、同轴电缆、光缆等,并不在物理层之内,而是在物理层的下面。

    计算机1向计算机2发送数据

    过程图解


    图解


    图示


    各层所要完成的功能主要有:

    • 差错控制
    • 流量控制
    • 分段和重装
    • 复用和分用
    • 连接建立和释放

    实体、协议和服务

    实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

    协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

    在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

    要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。

    相邻两层之间的关系 :

    图示

    协议的概念

    计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

    这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题(同步含有时序的意思)。

    为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol),简称为协议。

    网络协议的组成要素

    • 语法 数据与控制信息的结构或格式 。
    • 语义 需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
    • 同步 事件实现顺序的详细说明。

    协议与服务的关系

    本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。

    下面的协议对上面的服务用户是透明的。

    协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。

    服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

    同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

    协议很复杂

    协议必须将各种不利的条件事先都估计到,而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。

    必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。

    • 应当注意:事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时,协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。

    著名的协议举例

    占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是:一个山顶上的蓝军打不过白军,但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好,电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议,使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100 %)取得胜利?

    示例

    这样无限循环下去,两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。

    没有一种协议能够保证蓝军 100% 获胜。

    TCP/IP的体系结构

    TCP/IP 四层协议的表示方法举例

    图片

    IP over Everything

    IP 可应用到各式各样的网络上

    示例

    客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信

    图示

    功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程

    图示

    展开全文
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