计算机网络复习

第一章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

1. 广义观点
   只要是能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统，都是计算机网络
2. 资源共享观点
   计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。
3. 用户透明性观点
   存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需要的资源，整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。

1.1.2 计算机网络的组成

• 从组成部分上看，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成。硬件主要由主机、通信链路、交换设备和通信处理机等组成。软件主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（应用层）。协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范
• 从工作方式看，计算机网络可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享。核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。
• 从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由各种传输介质，通信设备和对应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。资源子网是实现资源共享的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

1.1.3 计算机网络的功能

数据通信、资源共享（软件、数据、硬件）、分布式处理、提高可靠性、负载均衡。

1.1.4 计算机网络的分类

1. 按分布范围分类
   1）广域网（WAN）：提供长距离通信
   2）城域网（MAN）：跨越城市、街区，采用以太网技术。
   3）局域网（LAN）：范围小，局域网使用广播技术，广域网使用交换技术
   4）个人区域网（PAN）：个人通过无线技术连接起来的网络
2. 按传输技术分类
   1）广播式网络：所有联网计算机共享一个公共通信信道。一台发送分组，所有计算机都会收听到，局域网基本上都采用广播式通信技术。
   2）点对点网络：每条物理线路连接一堆计算机。若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储和转发，直至目的结点。

是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别

3. 按拓扑结构分类
   

4. 按使用者分类
   1）公用网 2）专用网

5. 按交换技术分类
   1）电路交换网络。在源结点和目的结点间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。
   主要特点是整个报文的比特流连续地从源点直达终点。优点是数据直接传送、时延小。缺点是线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制。
   2）报文交换网络（存储-转发网络）。用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文，整个报文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点。每个报文可单独选择到达目的结点的路径。
   主要特点是，整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点。优点是可以较为充分利用线路容量，实现不同链路之间不同数据的传输速率的转换，可以实现格式转换，一对多、多对一的访问，实现差错控制。缺点是增大资源开销，增加缓冲时延，需要额外的控制机制保证多个报文顺序不乱，缓冲区难以管理。
   3）分组交换网络（包交换网络）。将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块上加上目标地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。
   特点是单个分组（只是整个报文的一部分）传递到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。除具备报文交换网络的优点外，还具有：缓冲易于管理，包的平均时延更小，网络占的平均缓冲区更少，更易于标准化，更适合应用。

6. 按传输介质分类
   有线、无线

1.1.6 计算机网络的性能指标

1）带宽。本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。在计算机网络中，表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义词，单位是比特/秒（b/s）。

2）时延。数据（一个报文或分组）从网络（链路）一端到另一端的总时间，由以下四部分组成：

• 发送时延。结点将分组的所有比特推向链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，因此也成为传输时延。计算公式：发送时延=分组长度/信道宽度。
• 传播时延。一个比特从链路一端传播到另一端的时间。传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播效率
• 处理时延。数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间，如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、差错检验等
• 排队时延。分组进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确认端口后，还要在输出队列中排队等待转发

做题时，排队时延和处理时延一般忽略。对于高速链路，提高的仅是数据发送速率，而非比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是为了减少数据的发送时延

3）时延带宽积。指发送端发送第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少比特，因此又称为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

4）往返时延（RTT）。指从发送端发出一个短分组，到发送端收到接收端的确认，总共经历的时延。在互联网中，往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延

5）吞吐量。指单位时间内通过某个网络的数据量。受到网络带宽或网络额定速率的限制

6）速率（数据传输速率，数据率或比特率）。主机在数字信号上传送数据的速率，单位为b/s（比特/秒）或bit/s或者bps。通常把最高数据传输速率称为带宽。

7）信道利用率。指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

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

在计算机网络分层中，第n层中的活动元素通常称为第n层实体。实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。不同机器上同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。第n层实体的服务为第n+1层利用。在这种情况下，第n层称为服务提供者，第n+1层则服务于用户。

在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文分为两部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI，他们共同组成PDU。

• 服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第n层的服务数据单元记为n-SDU。
• 协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCI。
• 协议数据单元（PDU）：对等层次之间 传送的数据单元称为该层的PDU。在实际网络中，每层的协议单元都有通俗的名称，如物理层PDU称为比特，数据链路层称为帧，网络层称为分组，传输层称为报文段。
  在各层传输数据时，把从第n+1层收到的PDU作为第n层的SDU，加上第n层的PCI，就变成了第n层的PDU，交给n-1层后作为SDU发送。
  
  层次结构的含义包含以下几个方面：
  1）第n层实体不仅需要用第n-1层的服务来实现自身定义的功能，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供服务的总和。
  2）最低层只提供服务，是整个层次结构的基础；中间各层既是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者，最高层面向用户提供服务。
  3）上一层只能调用相邻层的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层服务，下一层所提供服务的实现细节对上一层透明
  4）两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送给对方

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1. 协议
   协议，就是规则的集合。它是控制两个或多个对等实体进行