計算機網路體系結構
計算機網路概述
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計算機網路的概念 |
計算機網路是一個將分散的、具有獨立功能的計算機系統通過通信設備與線路連接起來，由功能完善的軟體實作資源共享和資訊傳遞的系統， 簡而言之，計算機網路就是一些互聯的、自治的計算機系統的集合， |
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計算機網路的組成 |
組成部分上看：硬體、軟體、協議三大部分組成 硬體：主機【端系統】、通信鏈路【雙絞線、光纖】、交換設備【路由器、交換機】、通信處理劑 軟體【多屬于應用層】：各種實作資源共享的軟體和方便用戶使用的各種工具軟體 協議【核心】：規定了網路傳輸資料所遵循的規范
作業方式上看：邊緣部分和核心部分 邊緣部分：所有連接到因特網上、供用戶直接使用的主機組成，用來進行通信和資源共享 核心部分：大量的網路和鏈接這些網路的路由器組成，為邊緣部分提供連通性和交換服務
功能組成上看：通信子網和資源子網 通信子網：各種傳輸介質、通信設備和相應的網路協議 資源子網：實作資源共享功能的設備及其軟體的集合，向網路用戶提供共享其他計算機上的硬體資源、軟體資源和資料資源的服務 |
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計算機網路的功能 |
【1】資料通信【最基本最重要的功能】 【2】資源共享 【3】分布式處理 【4】提高可靠性 【5】負載均衡 |
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計算機網路的分類 |
按分布范圍分類：廣域網，城域網，局域網，個人區域網 按傳輸技術分類：廣播式網路、點對點網路 按拓撲結構分類：由網中結點與通信線路之間的幾何關系，總線形網路，星形網路，環形，網狀 按使用者分類：公用網、專用網 按交換技術分類：電路交換網路、報文交換網路、分組交換網路 按傳輸介質分類：有線網路和無線網路 |
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計算機網路的性能指標 |
常用性能指標：帶寬、時延、時延帶寬積、往返時延、吞吐量、速率、信道利用率 |
計算機網路體系結構與參考模型
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計算機網路分層結構 |
計算機網路的各層及其協議的集合稱為網路的體系結構 計算機網路的體系結構通常具有可分層的特性，它將復雜的大系統分成若干較容易實作的層次 【1】各層都實作一種相對獨立的功能，降低大系統的復雜度 【2】各層之間界面自然清晰，易于理解，交流盡可能少 【3】各層功能的精確定義獨立于具體的實作方法 【4】保持下層對上層的獨立性，上層單向適用下層提供的服務 【5】整個分層結構應能促進標準化作業
由于分層后各層之間相對獨立、靈活性號，因而分層的體系結構易于更新【替換單個模塊】，易于除錯，易于交流、易于抽象、易于標準化
在分層時應考慮層次的清晰程度與運行效率間的這種、層次數量的折中
在計算機網路的分層結構中，第N蹭中的活動元素通常稱為第N層物體， 物體指任何可發送或接收資訊的硬體或軟體行程，通常是一個特定的軟體模塊 不同機器上的同一層稱為對等層，同一層的物體稱為對等物體 第N層物體實作的服務為第N+1層所利用 在這種情況下，第N層稱為服務提供者，第N+1層則服務于用戶
在計算機網路體系結構的各個層次中，每個報文都分為兩部分 資料部分【SDU】和控制資訊部分【PCI】，共同組成【PDU】
服務資料單元【SDU】：為完成用戶所要求的功能而應傳送的資料，第N層的服務資料單元記為n-SDU 協議控制資訊【PCI】：控制協議操作的資訊，第N層的協議控制資訊記為n-PCI 協議資料單元【PDU】：對等層次之間傳送的資料單位稱為該層的PDU，第N層的協議資料單元記為n-PDU 在實際的網路中，每層的協議資料單元都有一個通俗的名稱
在各層建傳輸資料時，把從第n+1層收到的PDU作為第n層的SDU，加上第n層的PCI，就變成了第n層的PDU 交給第n-1層后作為SDU發送，接收方接收時做相反的處理，因此可知三者的關系為n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU
具體地，層次結構的含義包括以下幾方面： 【1】第n層的物體不僅要使用第n-1層的服務來實作自身定義的功能，還要向第n+1層提供本層的服務，該服務是第n層及其下面各層提供的服務總和， 【2】最底層只提供服務，是整個層次結構的基礎；中間各層既是下一層的服務使用者，又是上一層的服務 【3】上一層只能通過相鄰層間的介面使用下一層的服務，而不能呼叫其他層的服務；所提供服務的實作細節對上一層透明 【4】兩臺主機通信時，對等層 |
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計算機網路協議、介面、服務的概念 |
【1】協議【網路協議的簡稱】，就是規則的集合 【2】網路協議：為進行網路中的資料交換而簡歷的規則、標準或約定 【3】網路協議控制兩個或多個對等物體進行通信的規則的集合【水平的】 【4】不對等物體間沒有協議 【5】協議由語法、語意和同步三部分組成
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【1】介面是同一結點內相鄰兩層間交換資訊的連接點，是一個系統內部的規定 【2】每層只能為緊鄰的層次之間定義介面，不能跨層定義介面 【3】在典型的介面上，同一結點相鄰兩層之間的物體通過服務訪問點進行互動 【4】服務是通過SAP提供給上層使用的，第n層的SAP就是第n+1層可以訪問第n層服務的地方 |
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服務是指下層為緊鄰的上層提供的功能呼叫，它是垂直的 對等物體在協議的控制下，使得本層能為上一層提供服務，但要實作本層協議還需要適用下一層所提供的的服務
服務：上層使用下層所提供的的服務時必須與下層交換一些命令 【1】請求：由服務用戶發往提供服務者，請求完成某項作業 【2】指示：由服務提供者發往服務用戶，指示用戶做某件事情 【3】回應：由服務用戶發往服務提供者，作為對指示的回應 【4】證實：由服務提供者發往服務用戶，作為對請求的證實
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計算機網路提供的服務的分類 |
【1】面向連接服務與無連接服務 面向連接服務：必須先建立連接，分配相應的資源，傳輸結束后釋放連接和所占用的資源 分為連接建立，連接傳輸和連接釋放三個階段 無連接服務：不需要先建立連接，需要發送資料時可直接發送，把每個帶有目的地址的包傳送到線路上，由系統選定路線進行傳輸 盡最大努力交付，并不保證通信的可靠性【IP、UDP】 【2】可靠服務與不可靠服務 可靠服務是指網路具有糾錯、檢錯、應答機制，能保證資料正確、可靠地傳送到目的地， 不可靠服務是指網路只是盡量正確、可靠地傳送，而不能保證資料正確、可靠地傳送到目的地，是一種盡力而為的服務， 對于提供不可靠服務的網路、其網路的正確性、可靠性要由應用或用戶來保障， 【3】有應答服務和無應答服務 有應答服務是指接收方在收到資料后向發送方給出相應的應答，該應答由傳輸系統內部自動實作，而不由用戶實作，所發送的應答既可以是肯定應答，也可以是否定應答，通常在接收到的資料有錯誤時發送否定應答， 無應答服務是指接收方收到資料后不自動給出應答，若需要應答，則由高層實作， |
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OSI參考模型 |
開放系統互連參考模型【OSI/RM】
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物理層【物理層介面標準】 【1】傳輸單位：位元 【2】任務：傳輸位元流 【3】功能：物理媒體上為資料設備透明地傳輸原始位元流 【4】主要定義資料終端設備和資料通信設備的物理與邏輯連接方法 【5】通信規則稱為規程，物理層協議也稱為物理層規程 圖1.9表示的是兩個通信結點及它們間的一段通信鏈路，物理層主要研究以下內容 ①通信鏈路與通信結點的連接需要一些電路介面，物理層規定了這些介面的一些引數 ②物理層也規定了通信鏈路上傳輸的信號的意義和電氣特征 傳輸資訊所利用的一些物理媒體，并不在物理層協議之內而在物理層協議下面 |
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資料鏈路層 【1】傳輸單位：幀 【2】任務：將網路層傳來的IP資料報組裝成幀 【3】功能： 成幀 差錯控制：兩個結點之間規定了資料鏈路層協議，可以檢測出差錯，然后把收到的錯誤資訊丟棄 流量控制：協調兩個結點的速率，使結點A發送資料的速率剛好是結點B可以接收的速率，避免丟棄來不及接受的正確資料 傳輸管理 【4】廣播式網路在資料鏈路層還要處理新的問題，即如何控制對共享信道的訪問 【5】資料鏈路層的一個特殊的子層——介質訪問層，控制對共享信道的訪問 【6】典型的資料鏈路層協議有SDLC、HDLC、PPP、STP和幀中繼等 |
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網路層 【1】傳輸單位：資料報 【2】任務：把網路層的協議資料單元從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同逐級提供通信服務 【3】關鍵問題：對分組進行路由選擇，并實作流量控制、擁塞控制、差錯控制和網際互聯等功能 【4】作用：根據網路的情況，利用相應的路由演算法計算出一條合適的路徑，使這個分組可以順利到達結點B 【5】流量控制：于資料鏈路層的流量控制含義一樣，都是協調A的發送速率和B的接收速率 【6】差錯控制：通信兩結點之間約定的特定檢錯規則 【7】擁塞控制：擁塞狀態使得網路中的兩個結點無法正常通信，網路層要采取一定的措施來緩解這種擁塞 【8】因特網的主要網路層協議是無連接的網際協議【IP】和許多路由選擇協議，因此因特網的網路層也稱網際層或IP層 【9】網路層的協議有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP和OSPF等， |
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傳輸層【運輸層】 【1】傳輸單位：報文段【TCP】或用戶資料報【UDP】 【2】負責主機中兩個行程之間的通信 【3】功能：為端到端連接提供可靠的傳輸服務，為端到端連接提供流量控制、差錯控制、服務質量、資料傳輸管理等服務 【4】資料鏈路層提供的是點到點的通信，傳輸層提供的是端到端的通信 點到點可以理解為主機到主機之間的通信，一個點是指一個硬體地址或IP地址，網路中參與通信的主機是通過硬體地址或IP地址標識的 端到端的通信是指運行在不同主機內的兩個行程之間的通信，一個行程由一個埠來標識 【5】使用傳輸層的服務，高層用戶可以直接進行端到端的資料傳輸，從而忽略通信子網的存在 【6】由于一臺主機可同時運行多個行程，因此傳輸層具有復用和分用的功能 復用是指多個應用層行程可同時使用下面傳輸層的服務 分用是指傳輸層把收到的資訊分別交付給上面應用層相應的行程 【7】傳輸層的協議由TCP、UDP |
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會話層 【1】會話層允許不同主機上的各個行程之間進行繪畫 【2】會話層利用傳出層提供的端到端的服務，向表示層提供它的增值服務 【3】這種服務主要為表示層物體或者用戶行程建立連接并在連接上有序地傳輸資料，這就是會話，也稱建立同步 【4】會話層負責管理主機間的會化行程，包括建立、管理及終止行程見的會話， 【5】會話層可以使用校驗點使同心會話在通信失效時從校驗點繼續恢復通信，實作資料同步 |
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表示層 【1】主要處理在兩個通信系統中交換資訊的表示方式 【2】不同機器采用的編碼和表示方法不同，使用的資料結構也不同 【3】為了使不同表示方法的資料和資訊之間能互相交換，表示層采用抽象的標準方法定義資料結構，并采用標準的編碼形式 【4】資料壓縮、加密和解密也是表示層可提供的資料表示變換功能 |
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應用層 【1】應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶與網路的界面 【2】應用層為特定型別的網路應用提供訪問OSI參考模型環境的手段 【3】應用層是最復雜的一層，使用的協議也最多 【4】典型的協議有用于檔案傳送的FTP、用于電子郵件的SMTP、用于萬維網的HTTP等 |
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TCP/IP模型 |
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網路介面層 【1】類似于OSI參考模型的物理層和資料鏈路層 【2】表示與物理網路的介面，但實際上TCP/IP本身并為真正描述這一部分，只是指出主機必須使用某種協議與網路連接，以便在其上傳遞IP分組 【3】具體的物理網路既可以是各種型別的局域網，也可以是公共資料網路 【4】作用：主機或結點接收IP分組，并把它們發送到指定的物理網路上 |
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網際層 【1】TCP/IP體系結構的關鍵部分 【2】類似于OSI參考模型的網路層 【3】網際層將分組發往人和網路，并為之獨立地選擇合適的路由，但它不爆炸各個分組有序地到達，各個分組的有序交付由高層負責 【4】網際層定義了標準的分組格式和協議，即IP，當前采用的IP協議是第四版，即IPV4，下一個版本是IPV6 |
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傳輸層 【1】功能類似于OSI參考模型中的傳輸層，使得發送端和目的端主機上的對等物體進行繪畫 【2】主要適用傳輸控制協議【TCP】和用戶資料報協議【UDP】 傳輸控制協議：面向連接的，資料傳輸的單位是報文段，能夠提供可靠的支付 用戶資料報協議：無連接的，資料傳輸的單位使用戶資料報，不保證提供可靠的支付，只能提供“盡最大努力交付” |
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應用層【用戶-用戶】 【1】包含所有的高層協議 【2】IP協議是因特網中的核心協議 【3】TCP/IP可以為各式各樣的應用提供服務，同時TCP/IP也允許IP協議在由各種網路構成的互聯網上允許【所謂的IP over everything】 |
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TCP/IP模型與OSI參考模型的比較 |
相似點 【1】二者都采取分層的體系結構，將龐大且復雜的問題劃分為若干較容易處理的、范圍較小的問題，而且分層的功能也大體相似 【2】二者都是基于獨立的協議堆疊的概念 【3】二者都可以解決異構網路的互聯，實作世界上不同廠家生產的計算機之間的通信
【差別】 【1】 OSI參考模型精確定義了三個主要概念：服務、協議與介面【符合面向物件程式設計思想】 TCP/IP模型在這三個概念上卻沒有明確區分，不符合軟體工程的思想 【2】 OSI參考模型產生在協議發明之前，沒有偏向于任何特定的協議，通用性良好 TCP/IP模型首先出現的是協議，模型實際上是對已有協議的描述，因此不會出現協議不能匹配模型的情況，但該模型不適合與任何其他非TCP/IP的協議堆疊 【3】 OSI參考模型只考慮到用一種標準的公用資料網將各種不同的系統互聯，OSI參考模型認識到IP的重要性后，只好在網路層中劃分出一個子層來完成類似于TCP/IP模型中的IP的功能 TCP/IP模型在設計之初九考慮到了多種異構網的互聯問題，并將網際協議【IP】作為一個單獨的重要層次 【4】 OSI參考模型在網路層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅由面向連接的通信 TCP/IP模型認為可靠性是端到端的問題，因此它在網際層僅有一種無連接的通信模式，但傳輸層支持無連接和面向連接兩種模式
這兩種模型都不完美，往往采取折中的辦法 采用只有五層協議的體系結構【本屬也采用這種體系結構】
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通信協議堆疊進行通信的結點的資料傳輸程序 【1】每個協議堆疊的最頂端都是一個面向用戶的介面，下面各層為通信服務地協議 【2】用戶傳輸一個資料報時，通常給出用戶能夠理解的自然語言 【3】通過應用層，將自然語言會轉化為用戶通信的通信資料 【4】通信資料到達傳輸層，作為傳輸層的資料部分【傳輸層SDU】，加上傳輸層的控制資訊【傳輸層PCI】，組成傳輸層的PDU 【5】然后交到網路層，傳輸層的PDU下放到網路層后，就成為網路層的SDU 【6】然后加上網路層的PCI，又組成了網路層的PDU，下放到資料鏈路層，就這樣層層下放，層層包裹 【7】最后形成的資料報通過通信線路傳輸，到達接收方結點協議堆疊 【8】接收方再逆向逐層把包裹拆開，然后把受到的資料提交給用戶
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物理層
通信基礎
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資料、信號與碼元 |
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信源、信道與信宿 |
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速率、波特與帶寬 |
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奈奎斯特定理 |
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香農定理 |
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數字報資料編碼為數字信號 |
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數字資料調制為模擬信號 |
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模擬資料編碼為數字信號 |
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模擬資料調制為模擬信號 |
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電路交換 |
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報文交換 |
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分組交換 |
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資料報 |
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虛電路 |
傳輸介質
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雙絞線 |
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同軸電纜 |
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光纖 |
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無線傳輸介質 |
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物理層介面的特性 |
物理層設備
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中繼器 |
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集線器 |
資料鏈路層
資料鏈路層的功能
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為網路層提供服務 |
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鏈路管理 |
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幀定界、幀同步與透明傳輸 |
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流量控制 |
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差錯控制 |
組幀
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字符計數 |
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字符填充的首尾定界符法 |
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零位元填充的首尾標志法 |
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違規編碼法 |
差錯控制
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檢錯編碼 |
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糾錯編碼 |
流量控制與可靠傳輸機制
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流量控制、可靠傳輸與滑動視窗機制 |
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單幀滑動視窗與停止-等待協議 |
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多幀滑動視窗與后退N幀協議【GBN】 |
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多幀滑動視窗與選擇重傳協議【SR】 |
介質訪問控制
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頻分多路復用 |
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時分多路復用 |
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波分多路復用 |
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碼分多路復用 |
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ALOHA協議 |
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CSMA協議 |
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CSMA/CD協議 |
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CSMA/CA協議 |
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輪詢訪問介質訪問控制：令牌傳遞協議 |
局域網
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以太網與IEEE 802.3 |
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IEEE 802.11 |
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令牌環網的基本原理 |
廣域網
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廣域網的基本概念 |
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PPP協議 |
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HDLC協議 |
資料鏈路層設備
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網橋的概念及其基本原理 |
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局域網交換機及其作業原理 |
網路層
網路層的功能
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異構網路互聯 |
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路由與轉發 |
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擁塞控制 |
路由演算法
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靜態路由與動態路由 |
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距離-向量路由演算法 |
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鏈路狀態路由演算法 |
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層次路由 |
IPV4
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IPV4分組的格式 |
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IP資料報分片 |
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IPV4地址 |
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網路地址轉換 |
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子網劃分 |
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子網掩碼 |
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無分類域間路由選擇【CIDR】 |
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IP地址與硬體地址 |
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地址決議協議【ARP】 |
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動態逐級配置協議【DHCP】 |
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網際控制報文協議【ICMP】 |
IPV6
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IPV6的主要特點 |
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IPV6地址 |
路由協議
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自治系統 |
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域內路由與域間路由 |
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路由資訊協議【RIP】 |
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開放最短路徑優先【OSPF】協議 |
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邊界網關協議【BGP】 |
IP組播
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組播的概念 |
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IP組播地址 |
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IGMP與組播路由演算法 |
移動IP
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移動IP的概念 |
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移動IP的概念 |
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移動IP通信程序 |
網路層設備
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路由器的組成和功能 |
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路由表與路由轉發 |
傳輸層
傳輸層提供的服務
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傳輸層的功能 |
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傳輸層的尋址與埠 |
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無連接服務與面向連接服務 |
UDP協議
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UDP概述 |
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UDP的首部格式 |
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UDP校驗 |
TCP協議
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TCP協議的特點 |
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TCP報文段 |
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TCP連接管理 |
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TCP可靠傳輸 |
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TCP流量控制 |
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TCP擁塞控制 |
應用層
網路應用模型
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客戶/服務器模型 |
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P2P模型 |
域名系統DNS
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層次域名空間 |
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域名服務器 |
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域名決議程序 |
檔案傳輸協議FTP
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FTP的作業原理 |
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控制連接與資料連接 |
電子郵件
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電子郵件系統的組成結構 |
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電子郵件格式 |
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多用途網際郵件擴充【MIME】 |
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SMTP |
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POP3和IMAP |
萬維網
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www的概念與組成結構 |
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超文本傳輸協議 |
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