【计算机网络】体系结构
2021-05-10 03:12:08 #计算机网络  #计算机网络 

计算机网络体系结构

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概念

计算机网络：是一个将分散的（空间意义上的分散，即不同地区）、具有独立功能的计算机系统（Linux、macOS、Windows、iOS、Android），通过通信设备（中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关）与线路连接起来，由功能完善的软件（nginx 等）实现资源共享和信息传递的系统

计算机网络是互联（互联互通）的、自治（无主从关系）的计算机集合

功能

  1. 数据通信：一台计算机传送数据到另一台计算机
  2. 资源共享：硬件资源（多台计算机通过网络连接到同一台打印机并使用）、软件资源（写个开源工具，通过网络，其他用户也可以使用）、数据资源（百度网盘等存储的一系列数据资源）
  3. 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分
  4. 提高可靠性：同一个计算机网络中的某台计算机宕机，不影响整体网络
  5. 负载均衡：同一个计算机网络中，每台计算机的负载达到均衡状态

组成

组成部分

软件根据协议将数据等需要传输的资源通过硬件进行通信或共享

即计算机网络由软件、硬件和协议组成

工作方式

分为边缘部分和核心部分

边缘部分：用户直接使用，有 C/S 方式和 P2P 方式

例如用户使用的 QQ，微信（数据从客户端到服务器再到客户端），迅雷下载（用户存储备份，其他下载相同数据的用户可以通过已经存储过的备份来加速下载，大概这个意思）

核心部分：为边缘部分服务

网络啦，路由器啦，服务器啦啥的

功能组成

分为资源子网和通信子网，用以实现数据通信和资源共享

资源子网：实现资源共享/数据处理

通信子网：实现数据通信

分类

  1. 分布范围：广域网 WAN、城域网 MAN、局域网 WAN、个人区域网 PAN
  2. 使用者：公用网（移动联通电信）和专用网（公司，政府，军队等）
  3. 交换技术：电路交换、报文交换、分组交换
  4. 拓扑结构：image-20210222191434159
  5. 传输技术：广播式网络（共享公共通信信道）和点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

知识总结

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性能指标

速率

数据率，数据传输率或比特率

带宽

  1. 原指某个信号（模拟信号）具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位 Hz
  2. 计网中指网络的通信线路传输数据的能力，单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位比特每秒（b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s）

带宽指在设备在链路端口每秒送入链路的比特数，而数据在链路中的传输速度由链路材质等因素决定

吞吐量

在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，单位比特每秒（b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s），吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制

带宽一般指设备传输数据的理想状态，吞吐量指设备传输数据的现实状态，带宽一般大于吞吐量

时延

数据（报文、分组、比特流）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需的时间，单位是 s

发送时延：发送端发送整个分组所用的时间，数据长度/信道带宽（发送速率）

传播时延：分组从发送端到路由器的所用的时间，取决于电磁波传播速度和链路长度，信道长度（链路长度）/电磁波在信道上的传播速率

比特数据由调制器转换成电磁波，或者说电磁波作为载体

发送时延侧重于发送速率，传播时延侧重于信道长度

排队时延：分组等待从链路输入到路由器（或从路由器输出到链路）的等待时间

处理时延：分组在路由器中检错或处理的等待时间

排队时延类似于安检前的排队时间和安检后取走行李的时间，处理时延类似于安检员搜身的时间

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

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即以比特为单位的链路长度，又可以说是某段链路现在由多少比特，可以算作容量

假设时延为 20ms，带宽为 10Mb/s，时延带宽积为 bit。即最后一个比特发出时，整段链路上已经有 个 bit

往返时延 RTT

从发送方发送数据开始（第一个比特被发送出去），到发送方收到接收方的确认（发送方收到的第一个比特）（接收方收到数据后立即发送确认），这段经历的时延

RTT 越大，说明收到接收放的确认时间越长，在这段时间内发送的数据也就越多

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利用率

信道利用率：有数据通过信道时间/（有 + 无）数据通过信道时间

网络利用率：信道利用率加权平均值

信道利用率也不是越高越好，利用率越高，时延越大。当链路上的比特太多了，网络结点在处理比特时，其他的比特要排队等待，相当于高速堵车，则时延会变大
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分层协议

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实体：第 n 层中的活动元素称为 n 层实体，同一层的实体叫对等实体

协议：为网络中对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定

语法：规定传输数据的格式

语义：规定所要完成的功能

同步：规定各种操作的顺序

服务：下层实体为相邻且垂直的上层实体提供的功能调用

上层不管下层如何实现，只管调用，即所谓的屏蔽细节

接口：上层实体使用下层实体提供的服务的入口

第 n 层向 n+1 层提供服务时，不仅有第 n 层本身的功能，还有由下层服务提供的功能

每层遵循一个/些网络协议来实现本层功能

计算机网络分层结构

7 层 OSI 参考模型（法定标准）理论很成功，市场很失败

4 层 TCP/IP 参考模型（事实标准）

ISO/OSI 参考模型

结构

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通信过程

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打包过程中每个层向数据添加属于自己层的标签，并层层下放，层层添加。到数据链路层时多添加一个尾标签，然后由物理层将比特流转换成电信号。并传输到另一台设备。
拆包过程中，首先由物理层对电信号转换成带标签的数据（比特流），每一层根据协议，对标签进行检查，然后去除标识符，上传到上一次层，最终还原出用户一开始想传递的数据
也不能说标识符，确切讲是对数据进行相应的处理

各层功能

应用层

所有能和用户交互并产生网络流量的程序

QQ，邮箱等，但是扫雷，空当接龙这种不产生网络流量的程序不算应用层

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）

  1. 数据格式变换：将人们可以直观接收的图片，文字，音频处理成数据（或反过来）
  2. 数据加密解密：根据特定的加密协议将特定内容进行加密（或解密）
  3. 数据压缩和恢复：防止文件过大，对数据做处理
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的传输数据，也就是建立同步

  1. 建立、管理、终止会话
  2. 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

表示层将信息处理成数据后，不可能凭空直接传输到别人的电脑上，需要会话层来建立并管理一个可以实现通信的会话

传输层

分则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

  1. 可靠传输（将长信息分成多个报文段，发送了一个报文段后必须收到接收方的回执才会发送下一个报文段，收不到的话就会重复发送当前报文段）、不可靠传输（将短信息直接发送到网络上）
  2. 差错控制（纠正例如报文段失序等错误）
  3. 流量控制（考虑接收方接收信息的能力，控制发送信息的速度，发慢点）
  4. 复用分用

    现有设备 A 和 B，都分别运行一个网页，一个 QQ，这两种程序的协议不同，设备 A 的两个进程都发送信息给设备 B。设备 A 的传输层根据协议的不同，对两组信息分别添加标识符，然后将两组信息打包传递给网络层发出去，这是复用；设备 B 的传输层从网络层接收到打包来的数据后，根据协议识别标识符，把给 QQ 的信息传送给 QQ，给网页的信息传送给网页，这是分用

网络层

把分组从源端传到目的端，为分组交换网上不同主机提供通信服务。传输单位是数据报

数据报经过分割成为多个分组，灵活

  1. 路由选择（通过算法根据路由情况选择最佳路由路径）
  2. 流量控制（限制发送方速度）
  3. 差错控制（根据标准或协议来对信息检查）
  4. 拥塞控制（所有结点都来不及接收分组，需要丢弃大量分组，网络此刻处于拥塞状态，需要采取措施进行缓解）
数据链路层

将网络层传下来的数据报组装成帧，传输单位为帧

  1. 成帧（定义帧的开始和结束）
  2. 差错控制（帧错 + 位错）
  3. 流量控制
  4. 访问/接入控制（控制对信道的访问，一条信道上有多台设备，控制只有一台设备在发送信息，其他设备监听信道）

    控制对信道的访问，一条信道上有多台设备，控制只有一台设备在发送信息，其他设备监听信道

物理层

在物理媒介上实现比特流的透明传输（不管所传的数据是什么比特组合，都在链路上传送），将比特流传变成电信号

  1. 定义接口特性
  2. 定义传输模式（单工、半双工、双工）
  3. 定义船速速率
  4. 比特同步
  5. 比特编码

TCP/IP 参考模型

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5 层参考模型

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