计算机网络体系结构
计算机网络概述
定义
**定义：**自治，互联的计算机集合。
internet: 多个计算机网络互连而成的网络，可以使用任意通信协议进行通信。
Internet: 特指当前全球最大的，开放的，由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，必须采用TCP/IP协议族作为通信规则。
计算机网络的组成
如图所示：
电路交换，报文交换与分组交换
电路交换
典型：传统电话
过程: 建立连接（分配通信资源） 传输数据（持续占用通信资源）
释放资源（归还通信资源)
报文交换
**典型：**E-mail
过程：采用存储转发技术，整个报文先到达相邻节点，被完整接受并存储后，转发之下一节点，直至到达目的端。
分组交换
**典型：**现代互联网
分组：在报文交换的基础上，将报文划分位若干较小的等长数据段，并在每个数据段前添加必要的控制信息组成的首部（源地址，目的地址，分组编号等），构成分组。
过程：分组交换机收到一个分组后，先将其缓存，然后从首部提取目的地址，根据转发表将分组转发给下一个分组交换机，经过多个分组交换机的存储转发后到达目的地址。
三种交换方式对比
特性对比：
| 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|---|---|
| 完成传输所需时间 | 最少 | 最多 | 较少 |
| 存储转发时延 | 无 | 高 | 较低 |
| 通信前是否要建立连接 | 是 | 否 | 否 |
| 节点的缓存开销 | 无 | 高 | 低 |
| 是否支持差错控制 | 不支持 | 支持 | 支持 |
| 数据是否有序到达 | 是 | 是 | 否 |
| 是否需要额外的控制信息 | 否 | 是 | 是（占用比较大） |
| 线路分配的灵活性 | 不灵活 | 灵活 | 非常灵活 |
| 线路利用率 | 低 | 高 | 非常高 |
计算机网络性能指标
速率
连接到网络上的节点在数字信道上传输数据的速率，单位：bit/s 或 b/s 。
Eg: 1b = 8 bit , 1kb = b ,1 Mb = b
宽带
通信线路允许通过的信号频率范围，单位是 Hz 。表示线路所能支持的最高传输速率，单位：bit/s 或 b/s 。
Eg：由双方网卡性能，各链路宽带，以及交换设备的速率中最小的决定。（木桶效应）
吞吐量
单位时间内通过某个网络的实际数据量。
时延
-
发送时延：节点将分组推入链路所需的时间。
发送时延 = 分组长度 / 发送速率
-
传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需的时间。
传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
-
处理时延：分组在交换节点为存储转发而进行必要处理所花费的时间。
-
排队时延：分组在路由器的输入队列或输出队列中等待处理或转发所花费的时间。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
时延带宽积
时延带宽积 = 传播时延 x 信道宽带
往返时延（RTT）
指发送端发出一个短分组，到收到接收端返回的确认信号所经历的总时间。
信道利用率
指信道有数据通过的时间占总时间的百分比。
计算机分层结构
计算机网络是一个非常复杂的系统，因此在早期就采用了分层的设计思想。分层可将庞大而复杂的问题转换为若干较小的局部问题，便于研究和处理。体系结构是抽象的，而实现是具体的。
计算机网路相关概念
实体
指任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
对等实体：通信双方相同层次中的实体。
协议
协议是控制对等实体之间通信的规则集合。不对等实体之间不存在协议。
协议由语法，语义和同步三部分组成。
Eg：同步：规定执行各种操作的条件及事件发生的先后顺序。
接口
同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（Service Access Point，SAP）。
每层只能与紧邻的上下层定义接口，不允许跨层定义接口。
服务
服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。
协议是水平的，服务是垂直的。
Eg：协议与服务在概念上有本质区别。只有本层协议的正确实现，才能保证向上一层提供服务。
协议数据单元
对等层之间传输的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。
服务数据单元
上下层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。
服务原语
上层使用下层提供的服务，必须交换一些命令。
OSI参考模型和TCP/IP模型
OSI 模型
国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型称为开放系统互连参考模型(OSI/RM)。
七层，自下而上：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。
TCP/IP 模型
实际上的国际标准。
四层，自下而上：网络接口层（网络接口 —> 物理网络），网际层，传输层，应用层。
TCP/IP 模型与 OSI 模型 对应
Eg: 为了兼顾理论与实践，学习计算机网络时，通常采用一种5层协议结构。
各层详述
物理层
传输单位是 bit ，功能是在物理介质上为数据端透明的传输原始比特流。
通信链路与节点的连接需通过电路接口，物理层规定了接口的机械特性。
还规定了通信链路上的编码意义与电气特征，即约定信号表示 0/1 。
Eg：物理介质不属于物理层协议范畴，位于其下方，视为 “ 第 0 层 ” 。
数据链路层
传输单位是 帧 。将物理层提供的可能出错的物理连接，改造为逻辑上无差错的数据链路，将网络层交来的分组封装成帧，并可靠的传输到相邻节点的网络层，实现节点的差错控制与流量控制（节点间）。还需要解决共享信道的访问控制问题。
**功能：**差错控制，流量控制，共享信道的访问控制。
网络层
传输单位是 数据报（分组) 。将分组从源主机传输到目的主机，为不同主机提供通信服务。
核心功能包括：路由选择，拥塞控制，差错控制，流量控制（整个网络），网际互连等。
传输层
负责不同主机中进程之间的端到端通信，提供连接管理，可靠传输，流量控制，差错控制等服务。
Eg：数据链路层实现节点到节点通信（MAC地址），网络层实现主机到主机通信（IP地址），传输层实现端到端通信（端口号）。
会话层
管理不同主机上进程之间的会话。
表示层
解决异构系统间信息表示不一致的问题。
应用层
作为用户与网络的接口，为各类网络应用提供访问网络环境的手段。
网际层（TCP/IP）
是 TCP/IP 核心部分，负责将分组发往任意网络，并为每个分组独立选择路由，但不保证分组有序到达，分组的有序性和可靠性由高层负责。
各层功能对比
部分信息可能已经过时