网络概述与体系结构.md

# 概述

## 网络概论

### 定义

计算机—计算机网络

* 以资源共享为目标，在网络协议的支持下，用户使用远方计算机系统的资源就好像使用本地计算机系统一样方便，几乎觉察不到地理位置的差别。



计算机网络定义（供参考）：将若干台具有独立功能的计算机系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。

* 一个网络中包含多个独立的计算机系统。 “独立”的含义是指每台计算机可运行各自独立的操作系统，各计算机系统之间的地位平等，无主从之分，任何一台计算机不能干预或强行控制其他计算机的正常运行。
* 网络协议是计算机网络的关键技术。
* 数据交换是网络的最基本功能，各种资源共享都是建立在数据交换的基础上的。

* 资源共享是网络最终目的。



### 分类

按地理范围分类

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* 局域网LAN (Local Area Network)
  * 覆盖范围一般不超过数公里。通常安装在一幢大楼内，大学校园内或厂区内

* 城域网MAN (Metropolitan Area Network)
  * 覆盖范围通常是一个大城市，大约数十公里到上百公里。

* 广域网WAN (Wide Area Network)
  * 覆盖范围一般在数百公里以上
  * Internet就是目前最大的广域网





按拓扑结构分类

* 分类

  * 星型网

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    * 传输介质从中央结点向外辐射连接其他节点。
    * 任何两个结点之间的信息交换必须经过中央结点转发。
    * 中央结点的可靠性十分重要，一旦中央结点发生故障，会引起整个网络瘫痪

  * 环形网

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    * 网络上所有的结点通过传输介质连接成一个闭环，任何两个结点的数据交换必须沿环进行
    * 一旦结点或链路发生故障，则环路断开，导致网络瘫痪

  * 总线网络

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    * 一条总线连接所有的结点，任何一个结点发送数据，其他节点都能收到。
    * 任何结点故障都不会影响整个网络正常运行。

  * 不规则型网


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    * 每个结点至少要和其他两个结点连接
    * 可靠性好，任何一个结点或一条链路发生故障都不会影响网络的连通性
    * 布线灵活，几乎不受任何拓扑结构的约束。

* 选择

  * 局域网

    * 总线型，星型，环型
  * 广域网 

* 不规则型

  * 点**—**点通信：独占信道  

* 星型、不规则型

  * 多点通信：共享信道

* 总线型、环型





按数据交换方式分类

* 电路交换网

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  * 步骤：

    * 建立连接 -> 传输数据 ->拆除连接  

* 特征：

  * 独占信道资源
  * 优缺点**:**
    * 实时性好
    * 信道利用率低

* 分组交换网

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  * 特征:
    * 化整为零，存储转发
  * 优点：
    * 信道利用率高、有利于差错控制、有利于安全性
  * 缺点:
    * 传输延迟较大，实时性差

* 信元交换网

  * 特征**:**
    * **53**字节的信元
    * 高速光纤信道
    * 高速**ATM**交换机
  * 优点：
    * 克服分组交换网实时性差、电路交换网信道利用率低的缺点



其他分类

* 按传输介质分类
  * 双绞线网，同轴电缆网，光纤网，无线网

* 按传输技术分类
  * 广播网（共享信道），点**—**点网（点**—**点信道）

* 按业务范围分类
  * 军事指挥网，情报检索网，气象监测网，教育网，金融网，航空定票网



### 概念

网络带宽（**Bandwidth**）

* 特定一段时间内网络所能传送的比特数，单位一般为**bps**（**bit/s**）（**Kbps**、 **Mbps**、**Gpbs**等）



网络延迟（**Latency/Delay**）

* 发送延迟（**Transmit**），与发送分组的大小和带宽有关：**Transmit** **= Size / Bandwidth**

* 传播延迟（**Propagation**），与距离和光速有关：**Propagation** **= Distance / Speed**

* 排队延迟 （**Queue**），中间路由器 或者交换机将分组转发出去之前将它们存储





网络吞吐量（**Throughput**）

* 网络的可用带宽，也就是应用感受到的有用带宽
  * 例如**802.11b**的带宽为**11M** **bps**，但受各种低效因素的影响，网络层感受到的吞吐量只有**4Mbps**左右

* 与带宽相比，吞吐量用来度量网络性能更加有意义

* 由于网络协议栈的每一层协议都有相应的头标和尾部等开销，还有协议实现机制的开销，因此准确的吞吐量应该指明是哪一个协议的吞吐量





## 网络体系结构

### 网络构建要素

目标

* 构建一个通用的、高效的、健壮的、能够适应网络技术发展和应用需求变化的网络

* 网络体系结构将为我们指导网络设计，降低网络构建的复杂度



要素

* 连通性：
  * 网络内任何两个节点之间都是连通的  
* 寻址（Addressing ）：
  * 任何节点都有能够区别于其它节点的标识/ 地址  

* 交换（Switching）：
  * 将来自一条链路的数据向另一条链路转发，在一个计算机网络内，交换机为间接相连的主机提供数据转发功能 

* 路由选择（Routing ）：
  * 将来自一个网络的数据向另一个网络转发，在互连网  中，路由器为不同计算机网络提供数据  转发功能  

* 协议（Protocol）：
  * 保证数据能够被网络中不同节点按照预定的相同规则进行 处理，从而实现特定的网络服务 



寻址

* 通过给节点定义地址（Address）源主机 目的主机实现节点区分，通信时要指明目标节点的地址
* 单播地址（Unicast Address）：  唯一地标识网络中单一的目标节点  
* 广播地址（Broadcast Address）  ：标识一个计算机网络中所有的节点 
* 多播 / 组 播 地 址 （ Multicast  Address）：标识网络中特定的一组节点，网络中节点可自由加入和 退出组  



### 网络协议

定义

* 为保证网络中的计算机之间有条不紊的进行数据交换，合理的共享资源，各独立的计算机系统必须严格的遵循事先约定好的一整套通信规程，包括规定要交换的数据格式、控制信息的格式和控制功能、通信过程中事件执行的次序等。这些通信规程称之为网络协议。



分层与协议

*  在网络体系结构中，采用分层的思  想对网络构建问题进行分解  
   * 根据应用需求，确定需要解决哪些问题 
   * 确定问题的解决应该放在那一层  
   * 每一层都建立在其下一层的基础之上   ，每一层的目的都是为上一层提供服 务  
*  对于每一层，在网络体系结构中都定义相应的协议来实现该层所需的服务层和协议的集合称为网络体系结构，层表示了网络协议的组织结构

*  分层的优点
   * 分层将建造一个网络的问题分解为多个可处理的部分，每一层解决一部分问题简化问题
   * 分层提供了一种更为模块化的设计，如果添加新的服务，只需要修改一层的功能，而继续使用其它各层提供的功能



服务与协议

* 服务定义了某层向上一层提供的操作，服务由层之间的接口定义，低层是服务的提供者，而上层是服务的用户
* 协议定义了实现某层服务而需要在不同节点的相同层之间交换的数据的格式、含义以及流程各层协议相互独立，两个通信节点可以自由改变各自相同层所
* 使用的协议，但是层间的接口即低层向上层提供的服务不变实现协议的软件或者硬件称为协议实体，在下面的叙述中，协议等于协议实体



服务原语

* 服务通常使用一组原语（Primitive）来描述，并且用户通过这些 原语操作来访问服务
* 服务原语通常以系统调用的形式实现，告诉服务执行某个动作，或者将某个对等体所执行的动作报告给调用该服务的用户



协议封装

* 封装：在发送节点上，每一层都给来自上层的协议数据单元（PDU：Protocol Data Unit）加上代表协议控制信息的头标或者尾部，向下层协议递交

* 解封装：在目的节点上，每一层协议根据该层协议控制信息完成该层PDU处理后，去掉该层协议相关的头标或者尾部，向上层协议递交





网络体系结构

* 真正的物理通信总是发生在物理层。除物理层外，其余各对等层实体间都是虚拟通信。

* 通信必须在对等层进行，不允许交差通信。

* 虚拟通信是一种逻辑通信，其意义在于：
  * 设计本层协议时，不受其他层协议的内部实现影响。
  * 通过层间接口调用低层提供的服务，只要获得低层足够支持，虚拟通信就能得以实现。

* **n-1**层为**n**层提供服务。**n**层直接使用**n-1**层提供的服务，间接使用**n-2,** **n-3,** **……** 层提供的服务。

* 层与层之间互视为黑匣子，不关心其他层的具体实现。当某一层具体实现方法改变时，只要保持层间接口不变，就不会影响邻层。

* 对等层通信通过“协议”实现**,** 相邻层之间交互通过“服务”实现。



### **OSI**参考模型

物理层

* 主要功能
  * 激活物理连接以便传送数据。例如ISDN设备在去激活状态只能实现基本的话音业务，激活后能够提供话音 、数据等综合业务
  * 原始比特数据传送，分为同步传送和异步传送模式，全双工和半双工传送模式
  * 物理层连接去激活 
* 相关协议
  * 设备间信号的传送方式，包括调制方式、编码和使用信号处理与传输线路的特性匹配
* 主要设备
  * 信号放大器（Amplifier）、集线器（Hub）



数据链路层

* 主要功能

  * 成帧。在发送方，在数据前面加上头标和尾部，封装成数据帧，头标一般包含地址和控制信息，而尾部则用于差错校验，然后顺序地传输这些数据帧
  * 流量控制。如何避免一个快速的发送方淹没掉一个慢速的接收方
  * 对于广播式的网络
    * 广播式网络：所有节点通过一条共享链路连接的网络
    * 必须解决的问题是：如何寻址以及控制对共享信道的访问，为此在数据链路层引入了一个特殊的子层，即媒介访问控制子层MAC (Media Access Control)
* 相关协议

  * 高级数据链路控制规程HLDCP（High Level Data Control Procedure）
  * 点对点协议PPP（Point to Point Protocol）
* 主要设备：
  * 网桥（Bridge）、（L2）交换机（Switch）







网络层

* 根据数据的目的地址，确定到目的网络的“最佳”路径，将数据路由到最终的目标主机

* 处理不同类型网络互连中存在的问题

* 主要协议

  * ATM：发送数据之前需要在发送主机和接收主机之间建立虚电路连接（在物理层采用统计复用），数 据单元为固定长度的信元，信元中携带虚电路标识，沿建立好的连接投递

  * IP：发送数据之前不需要建立连接，数据单元称为分组，大小可变，分组中携带目标主机地址，可沿不同路径到达目的主机

* 主要设备：

  * 路由器、（L3）交换机



传输层

* 主要功能
* 向上层提供不同类型的传输服务，例如可靠的或者不可靠的
  * 端到端（end-to-end），在两个端点的主机上运行，而不在中间路由器运行主要功能
* 向上层提供不同类型的传输服务，例如可靠的或者不可靠的
  * 端到端（end-to-end），在两个端点的主机上运行，而不在中间路由器运行
* 网络中处理传输层及传输层以上协议数据的设备通称为网关（Gateway）



会话层、表示层和应用层

* 会话层主要功能
  * 允许不同主机上的用户之间建立会话
  * 会话通常是指各种服务，包括对话控制，记录该由哪一方来传输数据，令牌管理，禁止双方同时执行 同一个关键操作，以及同步功能

* 表示层主要功能
  * 控制数据格式，例如文本、视频、音频或者图像，确保来自发送主机的数据能够被接收主机理解
  * 表示层还和数据加密和压缩相关  

* 应用层主要功能  
  * 定义了满足各种应用需求的协议  



OSI参考模型各层功能总结

* (1）物理层（PH)
  完成原始数据位流在物理介质上传输，而不管位流的信息含义。

* (2）数据链路层 (DL)
  完成数据帧在相邻的结点间“透明”传输。

* (3）网络层 (N)
  完成报文分组在源/目的结点之间传输。

* (4）传输层（T)
  完成报文段在源/目的主机进程之间的传输。

* (5）会话层（S)
  进行会话管理，包括通信方向控制(单工，半双工，全双工)，谁是发送者?谁是接收者?谁付费?故障点恢复等。

* (6)  表示层（P）

  数据格式转化、数据加密**/**解密、数据压缩**/**解压。

* (7）应用层（A）

  为用户提供各种网络服务，包括文件服务，电子邮件服务，数据库服务，**WWW**，**DNS**等。



### Internet参考模型

 **Internet**参考模型中两个核心协议为**TCP**和**IP**协议，所以**Internet**参考模型也称为**TCP/IP**参考模型

* **OSI**和**Internet**参考模型的比较

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**Internet**参考模型的应用层大体对应**OSI**的应用层、表示层和会话层。该层协议主要包括:

* FTP（文件传输协议）
* SMTP （简单邮件传输协议）
* TELNET （远程网络登陆协议）
* DNS （域名服务）
* HTTP（超文本传输协议）
* SNMP （简单网络管理协议）
* **…….**



**Internet**参考模型的传输层对应**OSI**传输层。该层协议：

* **TCP**(传输控制协议，**Transmission** **Control** **Protocol**)
  * 可靠的、面向连接的传输协议
  * 将报文以字节流形式从源主机进程发到目的主机进程。

* **UDP**(用户数据报协议，**User** **Datagram** **protocol** )
  * 不可靠的、非面向连接的传输协议。



**Internet**参考模型的互连网层对应**OSI**网络层。该层协议：

* **IP**(**Internet** **Protocol**)
  * **IP**是**Internet** 参考模型的核心协议。
  * 将**IP**分组以数据报方式从源主机发送到目的主机。



**Internet**参考模型的子网层大体上对应**OSI**的物理层和数据链路层。

* **Internet**参考模型的子网层是开放的**,**该层协议主要有**:**
  * 以太网协议(802.3)
  * FDDI
  * PPP
  * SLIP
  * Token Bus (802.4)
  * Token Ring (802.5)
  * 百兆，千兆，万兆以太网



小结

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