计算机网络原理（3）——计算机网络性能、体系结构、OSI参考模型、TCP/IP参考模型、5层参考模型

一、指标

速率：即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate）

• 单位时间传输信息量
• 计算机网络中最重要的一个性能指标
• 单位：b/s、kb/s、Mb/s
• 速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

• 原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）
• 网络的带宽通常是数字信道所能传送带最高数据率，单位b/s

延迟/时延

• 分组交换产生丢包和时延的原因：分组在路由器缓存中排队

  • 列队缓存容量有限
  • 分组到达速率超出输出链路容量时
  • 丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）
  • 分组排队，等待输出链路可用

• 四种分组延迟

  • d_proc节点处理延迟（nodal processing delay）：差错检测；确定输出链路；通常＜msec
  • d_queue排队延迟（queueing delay）：等待输出链路可用；取决于路由器拥塞程度
    • R：链路带宽（bps）：L:分组长度(bits)；a：平均分组到达速率；流量强度=La/R
    • La/R （趋于0表示排队延时小，趋于1延迟大，＞1无限大）
  • d_trans传输延迟（transmission delay）:L:分组长度(bits)；R：链路带宽(bps);d_trans=L/R
  • d_prop传播延迟（propagation delay）:d：物理链路长度；s：信号传播速度（2×10^8m/sec)；d_prop = d/s

• 时延带宽积：时延带宽积=传播时延×带宽=d_prop×R

  ​ 又称为以比特为单位的链路长度

• 吞吐量/率（Throughput）:表示在发送端与接收端之间传送数据速率（b/s）

  • 即时吞吐量：给定时刻的速率
  • 平均吞吐量：一段时间的平均速率
  • 瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路 min(R_c,R_s,R/10)

二、体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及许多组成部分：主机，路由器，各种链路，应用，协议，硬件、软件等

有效描述网络的系统结构——分层网络

• 网络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是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

采用分层结构的原因

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
  • 分层的参考模型（reference model）
• 模块化的分层易于系统更新、维护
  • 任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的
• 有利于标准化

分层的缺点

• 可能导致系统效率低

基本概念

• 实体：表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
• 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务

三、OSI参考模型

开放系统互连参考模型由国际标准化组织（ISO）于1984年提出的分层网络体系结构模型

• 目的是支持异构网络系统的互联互通
• 异构网络系统互连的国际标准
• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）理论成功，市场失败
• 七层（功能），每层完成特定的网络功能。从高到低为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

数据封装的目的

• 增加控制信息：构造协议数据单元（PDU）
• 控制信息主要包括
  • 地址：标识发送端/接收端
  • 差错检测编码：用于差错检测或纠正
  • 协议控制：实现协议功能的附加信息，如：优先级（priority）、服务质量（QoS）和安全控制等

物理层功能

• 接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步：时钟同步
• 传输模式：单工（Simplex）、半双工（half-duplex）、全双工（full-duplex）

数据链路层功能

• 负责结点-结点（node-to-node) 数据传输
• 组帧（Framing）：能够准确切分数据
• 物理寻址（Physical addressing）:在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址表示数据帧的发送端和/或接收端
• 流量控制（Flow control）：避免淹没接收端
• 差错控制（Error control）：检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
• 访问（接入）控制（Access control）：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付：可能穿越多个网络
• 逻辑寻址（Logical addressing）：全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址
• 路由（Routing）：路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机、路径选择
• 分组转发

传输层功能

• 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输
• 分段与重组
• SAP寻址：确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
• 连接控制
• 流量控制
• 差错控制

会话层功能

• 对话控制（dialog controlling）：建立、维护
• 同步（synchronization）：在数据流中插入“同步点”
• 最薄的一层

表示层功能

处理两个系统间交换信息的**语法与语义（syntax and semantics）**问题

• 数据表示转化：转换为主机独立的编码
• 加密/解密
• 压缩/解压缩

应用层功能

• 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
• 典型应用层服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、Web（HTTP）

四、TCP/IP参考模型

四层模型：应用层、运输层、网际层、网络接口层

网络接口层没有定义具体的网络协议，只要求封装IP分组

五、5层参考模型

从上到下：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

综合了OSI和TCP/IP的优点

• 应用层：支持各种网络应用（FTP,SMTP,HTTP）
• 传输层：进程-进程的数据传输（TCP,UDP）
• 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发（IP协议，路由协议等）
• 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输（Ethernet、802.11(WiFi)、PPP）
• 物理层：比特传输

数据封装

• 交换机：链路层、物理层
• 路由器：网络层、链路层、物理层