计算机网络---网络体系结构

1. 网络的概念

1.1 什么是计算机网络

计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

1.2 简单的计算机网络

计算机网络是由若干结点和连接这些结点的链路组成。

其中：

• 1. 结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
• 2. 链路可以是有线链路、无线链路

集线器（Hub）：

• 可以把多个结点连接起来，组成一个计算机网络
• 普通民用领域已很少用集线器
• 集线器不能隔离冲突域

交换机（Switch）：

• 可以把多个结点连接起来，组成一个计算机网络
• 家庭、公司、学校通常用交换机组建内部网络
• 交换机可以隔离冲突域

路由器（router）：

• 可以把两个或多个计算机网络互相连接起来，形成规模更大的计算机网络，也可称“互连网”（internet）
• 路由器工作在网络层，可以隔离广播域和冲突域

注意：家用路由器 = 路由器 + 交换机 + 其他功能

一般采用交换机将物理结点连接起来，组成一个计算机网络，然后再用路由器将此网络与其他网络互相连接起来，形成更大的计算机网络，以此达到内外界交换信息，资源共享。（交换机隔离冲突域，路由器隔离广播域）

1.3 互联网（或因特网，Internet）

• 互联网：由各大ISP（网络服务提供商）和国际机构组建的，覆盖全球范围的互连网（internet）
• 互联网必须使用TCP/IP协议通信，互连网可使用任意协议通信

1.4 计算机网络、互连网和互联网三者的区别

• 1. 若干物理结点和连接这些结点的链路组成计算机网络
• 2. 多个计算机网络通过路由器连接形成互连网，互连网支持任意通信协议
• 3. 各个国家或地区使用TCP/IP协议族作为通信规则，将各个互连网联合起来，形成世界上最大规模的互连网，即互联网

1.5 总结

2. 网络的组成、功能

2.1 组成

2.1.1 从组成部分看

网络由硬件、软件和协议三部分组成。

2.1.2 从工作方式看

2.1.3 从逻辑功能看

2.2 功能

特别：数据通信是最基本、最重要的功能

2.3 总结

3. 三种交换技术

3.1 电路交换

电路交换（Circuit Switching）：通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源

电路交换的过程：

• 1. 建立连接（尝试占用通信资源）
• 2. 通信（一直占用通信资源）
• 3. 释放连接（归还通信资源）

优点：

• 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传输速率高
• 电路交换更适用于：低频次、大量地传输数据

缺点：

• 建立/释放连接，需要额外的时间开销
• 线路被通信双方独占，利用率低
• 线路分配地灵活性差
• 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中发生地数据错误）

补充：计算机之间数据往往是“突发式”传输，即往往会高频次、少量地传输数据，这就决定了电路交换技术必然不适用于计算机网络地数据传输

3.2 报文交换

基于存储转发思想：把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点‘

优点：

• 通信前无需建立连接
• 数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持“差错控制”

缺点：

• 报文不定长，不方便存储转发管理
• 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
• 长报文容易出错，重传代价高

3.3 分组交换

• 基于报文交换的改进版，是将不定长报文，拆分成一个个定长的分组，使其线路利用率进一步提高，并减少重传代价

分组交换的优点：

• 具有报文交换的所有优点

其次，相对于报文交换：

• 分组定长，方便存储转发管理
• 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
• 分组不易出错，重传代价低

缺点：

• 相比于报文交换，控制信息占比增加
• 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
• 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度

3.4 补充：虚电路交换（基于分组交换）

过程：

• 1. 建立连接（虚拟电路）
• 2. 通信（分组按序、按已建立好的既定线路发送，通信双方不独占线路）
• 3. 释放连接

虚电路技术是电路交换和分组交换的结合，能解决分组交换过程中的分组失序问题，同时电路的建立不是物理意义上的，还是一种“虚拟”（即有更快的建立速度）

3.5 三种技术性能分析

3.6 总结

4. 网络的分类

4.1 分布范围

4.2 传输技术

4.3 拓扑结构

常见的网络拓扑结构有总线型、环形、星形和网状结构

4.4 使用者

4.5 传输介质

4.6 总结

5. 性能指标

5.1 速率、带宽、吞吐量

• 信道（Channel）：表示向某一方向传送信息的通道（信道 != 通信线路），一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道
• 速率（Speed）：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输速率（真题最常用）
• 速率单位：bit/s，或b/s，或bps（常用），有时也用B/s（1B=8b）

• 带宽（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率

结论：节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制

此外：

• 吞吐量（Throughput）：指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响

5.2 时延、时延带宽积、往返时延

• 时延（Delay）：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的**一端传送到另一端所需的时间。**有时也称为延迟或迟延

也可这样理解：

例题：

1. 不考虑处理、排队时延
   
2. 考虑处理、排队时延
   

• 时延带宽积：一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数，时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，常用于设计最短帧长

例题：

• 往返时延RTT（Round-Trip Time）：表示从发送方发送完数据开始计时，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间

5.3 信道利用率

5.4 总结

6. 网络分层结构

6.1 “分层”的设计思想

分层的设计思想：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题

6.2 三种常见体系结构

• 网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）
• 实现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

6.3 各层之间关系

• 实体：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体
• 协议：即网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的

• 接口：即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点
• 服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的，服务要通过接口进行调用

为什么要分层？为什么要制定协议？

• 计算机网络功能复杂 -》 采用分层结构，将诸多功能合理地划分在不同层次 -》 对等层之间制定协议，以实现功能

• 从垂直方向上看，数据想要往下一层输送，就得在首部套上与本层有关的一些信息，然后这些（首部信息+数据）到了下一层，便又作为了下一层数据，以此往下。同样，数据想要往上一层输送，就得去掉对应对等实体的首部信息，以此往上。

即：

• 三者关系为：n-SDU + n-PCI = n-PDU=(n - 1)-SDU

6.4 总结

7. OSI参考模型 & TCP/IP模型

7.1 OSI参考模型

• 口诀：物联网叔会使用

7.2 总结

7.3 TCP/IP模型

• 已知物联网叔会使用，那怎么用？接根网线给叔用就行。口诀：接网叔用

两种模型的对比：

7.4 总结

至此第一章结束，这一章的内容只是笼统的介绍了整本书的知识体系，并未有过多的深入，只需有个基本印象即可，后续会按照教学模型：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的顺序来进行逐层详细的学习。本节最重要的我觉得就是三种交换技术、网络有哪些拓扑结构，网络的性能指标，并初步了解OSI参考模型与TCP/IP参考模型，重点记住各层的顺序即可。

参考：《王道计算机考研 计算机网络》
https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q/?share_source=copy_web