[计算机网络] 计算机网络体系结构

博主： Richard
发布时间：2024 年 11 月 04 日
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分类： 408

## 计算机网络的概念

计算机网络（Computer networking）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。

### 计算机网络

计算机网络：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

- 结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等；
- 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。
- 目前普通民用领域已经很少使用集线器了。
- 集线器工作在物理层。

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。
- 交换机工作在数据链路层。

### 互连网 (internet)

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，也可称为 “互连网”
- 路由器工作在网络层。

> 家用路由器 = 路由器 + 交换机 + 其他功能

### 互联网 (Internet)

ISP： Internet Service Provider，即互联网服务提供商，如中国电信/移动/联通。

互联网（或因特网，Internet ）：由各大ISP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。

### 小结

![image-20241101014105290.png][1]

## 计算机网络的组成和功能

### 组成

从组成部分看：

![image-20241101014410052.png][2]

从工作方式看：

![image-20241101014635753.png][3]

从逻辑功能看：

![image-20241101014803315.png][4]

和上一种方式很类似。

### 功能

![image-20241101014923021.png][5]

## 三种交换技术

### 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**。

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。

- 线路被通信双方独占，**利用率低**。

- 线路分配的**灵活性差**。

- 交换节点**不支持 “差错控制”**（无法发现传输过程中的发生的数据错误）

### 报文交换

**存储转发**的思想：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。

![image-20241101122351369.png][6]

**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”**（通过校验技术）。

**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。

### 分组交换

![image-20241101122744791.png][7]

**优点**：

- 通信前**无需建立连接**。
- 数据以 “分组” 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”**（通过校验技术）。

相对于报文交换，分组交换改进了如下问题：

- 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。

#### 虚电路交换技术

本质还是分组交换，但交换过程类似电路交换：

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

> 第四章学习

### 三种交换技术的比较

![image-20241101123853275.png][8]

### 小结

|                          | 电路交换                     | 报文交换 | 分组交换              |
| ------------------------ | ---------------------------- | -------- | --------------------- |
| 完成传输所需时间         | 最少 (排除建立/释放连接耗时) | 最多     | 较少                  |
| 存储转发时延             | 无                           | 较高     | 较低                  |
| 通信前是否需要建立连接？ | 是                           | 否       | 否                    |
| 缓存开销                 | 无                           | 高       | 低                    |
| 是否支持差错控制?        | 不支持                       | 支持     | 支持                  |
| 报文数据有序到达？       | 是                           | 是       | 否                    |
| 是否需要额外的控制信息   | 否                           | 是       | 是 (控制信息占比最大) |
| 线路分配灵活性           | 不灵活                       | 灵活     | 非常灵活              |
| 线路利用率               | 低                           | 高       | 非常高                |

## 计算机网络的分类

### 按分布范围分类

**广域网** (WAN, Wide Area Network) ：

- 范围：几十 ~ 几千公里 。
- 跨省 / 跨国 / 跨洲 。

**城域网** (MAN, Metropolitan Area Network) ：

- 范围：几千米 ~ 几十千米 。
- 一个或几个相邻城市 。
- 通信技术：常采用“以太网技术”，因此常并入局域网范畴探讨。

局域网 (LAN, Local Area Network) ：

- 范围：几十米 ~ 几千米 。
- 学校 / 企业 / 工作单位 / 家庭 。
- 通信技术：以太网技术 。

如今的局域网几乎都是采用 “以太网技术” 实现，因此 “以太网” 几乎成了 “局域网” 的代名词。

个域网 (PAN, Personal Area Network) ：

- 范围：几十米以内 。
- 家庭 / 个人 。
- 通常是通过无线技术将个人设备连接起来的网络，因此也常称为无线个域网（WPAN）。

### 按传输技术分类

**广播式网络**：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组。

> Eg：所有无线网络都是 “广播式” 。

**点对点网络**：数据只会从发送方 “点对点” 发到接收方，精准送达。

> Eg：路由器转发的数据分组。

### 按拓扑结构分类

**总线形结构**：数据 “广播式” 传输；存在 “总线争用” 问题。

> 典型代表：集线器连接的设备

![image-20241101202336686.png][9]

**环形结构**：数据 “广播式” 传输；通过 “令牌” 解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线。

> 典型代表：令牌环网（流行于2000年以前的局域网技术）

![image-20241101202516778.png][10]

星形结构：由中央设备实现数据的 “点对点” 传输；不存在 “总线争用” 问题。

> 典型代表：以太网交换机连接的设备

![image-20241101205627073.png][11]

网状结构：数据通过各中间节点逐一存储转发；属于 “点到点” 传输。

> 典型代表：由众多路由器构建的广域网

![image-20241101205635655.png][12]

### 按使用者分类

**公用网**：向公众开放的网络。如：办宽带、交手机话费即可使用的互联网。

**专用网**：仅供某个组织内部使用的网络。如：政府、军队、电力、银行的内部网络。

### 按传输介质分类

**有线网络**。如：网线、光纤

**无线网络**。如：5G 、WiFi、卫星

### 小结

![image-20241101210102904.png][13]

## 计算机网络的性能指标

### 速率

**信道**（Channel）：表示**向某一方向传送信息的通道**（信道 $\neq$ 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**。

> 真题常用数据传输速率，单位 bps

### 带宽

**带宽**（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率。

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。信道带宽越大，传输数据的能力越强。

### 吞吐量

**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。

> 考试不常见

### 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。

![image-20241101213845082.png][14]

### 时延带宽积

时延带宽积的含义：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 $\times$ 带宽 。

> 时延带宽积用于设计最短帧长

### 往返时延

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

![image-20241101214219871.png][15]

> 为简化问题，此图并未分析发送方和接收方之间的其他节点。

- 往返时延 $RTT = t_2 + t_3 + t_4 + t_5$ 。
- $t_1$ : 发送方发送数据的发送时延（不计入 RTT ）。
- $t_2$ : “数据” 的单向传播时延；
- $t_3$ : 接收方收到数据后的处理时延；
- $t_4$ : “确认” 的发送时延；
- $t_5$ : “确认” 的传播时延（通常 $t_5$ 与 $t_2$ 相等）。

### 信道利用率

**信道利用率**：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。其计算公式为 
$$
信道利用率 = \frac{有数据通过的时间}{有数据通过的时间+没有数据通过的时间}
$$

- 信道利用率不能太低，浪费资源；
- 信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞。

### 小结

![image-20241101214606011.png][16]

![image-20241101214610435.png][17]

## 计算机网络的分层结构

计算机网络是一个非常复杂的系统，要完成诸多功能，如：

- 差错控制：确保数据在传输过程中不出错。
- 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
- 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，并在接收端将其还原。
- 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
- 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

### 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。

![image-20241101215519919.png][18]

- 将复杂的计算机网络在逻辑上划分为多个层次，并将各种 “功能” 安排在合适的层次中。
- 不同类型的节点，实现的功能层次可能不一样。
- **分层结构的设计并不唯一**，可以根据实际需求增加或减少层次。
- 同一个功能可以在多个层次中重复出现。

### 网络体系结构

网络的体系结构 (Network Architecture) 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 (implementation) 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

**三种常见的计算机网络体系网络**：

![image-20241103215434896.png][19]

### 各层之间的关系

- **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（Network Protocol），是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，**是水平的**。

![image-20241103215825376.png][20]

- **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（Service Access Point， SAP）。
- **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**。

![image-20241103215941390.png][21]

### 数据传输过程

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

对等的两个实体之间的通讯需要遵守某些协议，从而实现某些功能。比如 YSCS 协议（压缩传输协议）：

- 发送方将数据压缩后，需要增加 “**首部**” ，说明采用了哪种压缩算法；
- 接收方根据 “首部” 信息选择解压缩算法将数据解压；
- 其他规定等。

> 首部的大小、具体格式要在协议中明确规定。

#### 水平视角

![image-20241104015438191.png][22]

#### 垂直视角

![image-20241104015232317.png][23]

### PDU, SDU, PCI 的概念

- **协议数据单元**（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。第 n 层的 PDU 记为 n-PDU 。
- **服务数据单元**（SDU）：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第 n 层的 SDU 记为 n-SDU 。
- **协议控制信息**（PCI）：控制协议操作的信息。第 n 层的 PCI 记为 n-PCI 。

三者的关系为 n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU 。

### 协议的三要素

协议由语法、语义和同步三部分组成（协议的三要素）：

1. **语法**，数据与控制信息的格式。

例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节。

2. **语义**，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。

例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要 “应答” ，以及 “应答” 的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）。

3. **同步**（或**时序**），执行各种操作的条件、时序关系等，即**事件实现顺序的详细说明**。

例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在 10 秒内未收到 “传输成功” 应答，则发送方会再次发送数据。

### 小结

![image-20241104015742196.png][24]

## OSI 模型

需要记住各层的名称和顺序：

![image-20241104020558444.png][25]

常见网络设备的功能层次：

![image-20241104021226655.png][26]

### 物理层

物理层任务：实现相邻节点之间比特 (0 或 1) 的传输 。

1. 需定义电路接口参数 (如：形状、尺寸、引脚数等) 
2. 需定义传输信号的含义、电气特征 (如：5V表示 1 , 1V表示 0;每比特电信号持续时间 0.1ms )

![image-20241104021755207.png][27]

### 数据链路层

链路层任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能：

1. 差错控制：检错＋纠错； 或检错＋丢弃＋重传。
2. 流量控制：协调两个结点的速率。

![image-20241104022005338.png][28]

### 网络层

网络层任务：把 “分组” 从源结点转发到目的结点。包含以下功能：

1. **路由选择**：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径。

2. **分组转发**：将 “分组” 从合适的端口转发出去。

3. **拥塞控制**：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞。

4. **网际互联**：实现异构网络互联。

5. **其他功能**：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理。

> 网络层以**分组为单位**。

- **差错控制和流量控制**：数据链路层只能保证每个帧是正确的，即局部正确，需要网络层来进行差错控制来保证每个分组都是正确的。
   - **连接的建立与释放**：确保分组有序，不重复的到达。
   - **可靠传输管理**：接收方需要返回分组确认信息。

![image-20241104022659941.png][29]

### 传输层

传输层任务：实现**端到端通信**，即实现**进程到进程的通信**，其中 "端" 指的是端口 。包含以下功能：

1. **复用和分用**：发送端几个高层实体复用一条底层的连接，在接收端再进行分用。

2. **其他功能**：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理。

> 以**报文段为单位**。

![image-20241104023200623.png][30]

### 5 ~ 7 层

**会话层**任务：管理进程间会话。主要功能：会话管理。采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信。

**表示层**任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题。主要功能：数据格式转换。如编码转换，压缩/解压，加密/解密。

**应用层**任务：实现特定的网络应用。功能繁多，根据应用需求设计。

### 小结

各层数据传输单位：

![image-20241104023913382.png][31]

![image-20241104024617729.png][32]

> 物理传输媒体属于第零层。

## TCP/IP 模型

需要记住各层的名称和顺序：

![image-20241104024802433.png][33]

下面主要探讨与 OSI 模型的区别。

### 应用层

并不是所有的网络应用都需要数据格式转换，会话管理功能，因此 TCP/IP 模型删除了表示层和会话层。如果需要这两个功能，可以在应用层的特定协议中实现。

### 网络接口层

TCP/IP 模型认为网络硬件种类繁多，不应该有过多的限制，因此将物理层和数据链路层合并为网络接口层。

网络接口层任务：实现相邻节点间的数据传输 (为网络层传输 "分组" ) 。**但具体怎么传输不做规定**。

> 这使得 TCP/IP 网络体系结构具有更强的灵活性和适应性。

### 网络层

**功能**：路由选择，分组转发，拥塞控制，网际互连。

TCP/IP 网络层只保证 "尽最大能力交付" ，数据传输时不可靠的。差错控制和流量控制交给传输层来解决。

### 传输层

**功能**：复用和分用，差错控制，流量控制，连接建立与释放，可靠传输管理。

在 TCP/IP 模型中，由传输层负责保证数据传输的正确性和可靠性。将网络核心部分的压力分担给边缘部分 (主机) 。

### 小结

![image-20241104025520617.png][34]

![image-20241104030643133.png][35]

![image-20241104030237996.png][36]

[1]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1326821914.png
  [2]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1493216313.png
  [3]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3601387890.png
  [4]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/550941265.png
  [5]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2500525523.png
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最后修改：2024 年 11 月 04 日

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[计算机网络] 计算机网络体系结构

Richard • 2024 年 11 月 04 日

## 计算机网络的概念

### 计算机网络

计算机网络：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

- 结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等；
- 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。
- 目前普通民用领域已经很少使用集线器了。
- 集线器工作在物理层。

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。
- 交换机工作在数据链路层。

### 互连网 (internet)

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，也可称为 “互连网”
- 路由器工作在网络层。

> 家用路由器 = 路由器 + 交换机 + 其他功能

### 互联网 (Internet)

ISP： Internet Service Provider，即互联网服务提供商，如中国电信/移动/联通。

互联网（或因特网，Internet ）：由各大ISP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。

### 小结

![image-20241101014105290.png][1]

## 计算机网络的组成和功能

### 组成

从组成部分看：

![image-20241101014410052.png][2]

从工作方式看：

![image-20241101014635753.png][3]

从逻辑功能看：

![image-20241101014803315.png][4]

和上一种方式很类似。

### 功能

![image-20241101014923021.png][5]

## 三种交换技术

### 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）

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**。

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。

- 线路被通信双方独占，**利用率低**。

- 线路分配的**灵活性差**。

- 交换节点**不支持 “差错控制”**（无法发现传输过程中的发生的数据错误）

### 报文交换

**存储转发**的思想：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。

![image-20241101122351369.png][6]

**优点**：

**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。

### 分组交换

![image-20241101122744791.png][7]

**优点**：

相对于报文交换，分组交换改进了如下问题：

- 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**：

#### 虚电路交换技术

本质还是分组交换，但交换过程类似电路交换：

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

> 第四章学习

### 三种交换技术的比较

![image-20241101123853275.png][8]

### 小结

## 计算机网络的分类

### 按分布范围分类

**广域网** (WAN, Wide Area Network) ：

- 范围：几十 ~ 几千公里 。
- 跨省 / 跨国 / 跨洲 。

**城域网** (MAN, Metropolitan Area Network) ：

- 范围：几千米 ~ 几十千米 。
- 一个或几个相邻城市 。
- 通信技术：常采用“以太网技术”，因此常并入局域网范畴探讨。

局域网 (LAN, Local Area Network) ：

- 范围：几十米 ~ 几千米 。
- 学校 / 企业 / 工作单位 / 家庭 。
- 通信技术：以太网技术 。

如今的局域网几乎都是采用 “以太网技术” 实现，因此 “以太网” 几乎成了 “局域网” 的代名词。

个域网 (PAN, Personal Area Network) ：

- 范围：几十米以内 。
- 家庭 / 个人 。
- 通常是通过无线技术将个人设备连接起来的网络，因此也常称为无线个域网（WPAN）。

### 按传输技术分类

**广播式网络**：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组。

> Eg：所有无线网络都是 “广播式” 。

**点对点网络**：数据只会从发送方 “点对点” 发到接收方，精准送达。

> Eg：路由器转发的数据分组。

### 按拓扑结构分类

**总线形结构**：数据 “广播式” 传输；存在 “总线争用” 问题。

> 典型代表：集线器连接的设备

![image-20241101202336686.png][9]

**环形结构**：数据 “广播式” 传输；通过 “令牌” 解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线。

> 典型代表：令牌环网（流行于2000年以前的局域网技术）

![image-20241101202516778.png][10]

星形结构：由中央设备实现数据的 “点对点” 传输；不存在 “总线争用” 问题。

> 典型代表：以太网交换机连接的设备

![image-20241101205627073.png][11]

网状结构：数据通过各中间节点逐一存储转发；属于 “点到点” 传输。

> 典型代表：由众多路由器构建的广域网

![image-20241101205635655.png][12]

### 按使用者分类

**公用网**：向公众开放的网络。如：办宽带、交手机话费即可使用的互联网。

**专用网**：仅供某个组织内部使用的网络。如：政府、军队、电力、银行的内部网络。

### 按传输介质分类

**有线网络**。如：网线、光纤

**无线网络**。如：5G 、WiFi、卫星

### 小结

![image-20241101210102904.png][13]

## 计算机网络的性能指标

### 速率

**信道**（Channel）：表示**向某一方向传送信息的通道**（信道 $\neq$ 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**。

> 真题常用数据传输速率，单位 bps

### 带宽

**带宽**（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率。

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。信道带宽越大，传输数据的能力越强。

### 吞吐量

**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。

> 考试不常见

### 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。

![image-20241101213845082.png][14]

### 时延带宽积

时延带宽积的含义：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 $\times$ 带宽 。

> 时延带宽积用于设计最短帧长

### 往返时延

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

![image-20241101214219871.png][15]

> 为简化问题，此图并未分析发送方和接收方之间的其他节点。

### 信道利用率

- 信道利用率不能太低，浪费资源；
- 信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞。

### 小结

![image-20241101214606011.png][16]

![image-20241101214610435.png][17]

## 计算机网络的分层结构

计算机网络是一个非常复杂的系统，要完成诸多功能，如：

### 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。

![image-20241101215519919.png][18]

### 网络体系结构

网络的体系结构 (Network Architecture) 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 (implementation) 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

**三种常见的计算机网络体系网络**：

![image-20241103215434896.png][19]

### 各层之间的关系

![image-20241103215825376.png][20]

![image-20241103215941390.png][21]

### 数据传输过程

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

对等的两个实体之间的通讯需要遵守某些协议，从而实现某些功能。比如 YSCS 协议（压缩传输协议）：

- 发送方将数据压缩后，需要增加 “**首部**” ，说明采用了哪种压缩算法；
- 接收方根据 “首部” 信息选择解压缩算法将数据解压；
- 其他规定等。

> 首部的大小、具体格式要在协议中明确规定。

#### 水平视角

![image-20241104015438191.png][22]

#### 垂直视角

![image-20241104015232317.png][23]

### PDU, SDU, PCI 的概念

三者的关系为 n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU 。

### 协议的三要素

协议由语法、语义和同步三部分组成（协议的三要素）：

1. **语法**，数据与控制信息的格式。

例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节。

2. **语义**，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。

例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要 “应答” ，以及 “应答” 的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）。

3. **同步**（或**时序**），执行各种操作的条件、时序关系等，即**事件实现顺序的详细说明**。

例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在 10 秒内未收到 “传输成功” 应答，则发送方会再次发送数据。

### 小结

![image-20241104015742196.png][24]

## OSI 模型

需要记住各层的名称和顺序：

![image-20241104020558444.png][25]

常见网络设备的功能层次：

![image-20241104021226655.png][26]

### 物理层

物理层任务：实现相邻节点之间比特 (0 或 1) 的传输 。

1. 需定义电路接口参数 (如：形状、尺寸、引脚数等) 
2. 需定义传输信号的含义、电气特征 (如：5V表示 1 , 1V表示 0;每比特电信号持续时间 0.1ms )

![image-20241104021755207.png][27]

### 数据链路层

链路层任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能：

1. 差错控制：检错＋纠错； 或检错＋丢弃＋重传。
2. 流量控制：协调两个结点的速率。

![image-20241104022005338.png][28]

### 网络层

网络层任务：把 “分组” 从源结点转发到目的结点。包含以下功能：

1. **路由选择**：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径。

2. **分组转发**：将 “分组” 从合适的端口转发出去。

3. **拥塞控制**：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞。

4. **网际互联**：实现异构网络互联。

5. **其他功能**：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理。

> 网络层以**分组为单位**。

![image-20241104022659941.png][29]

### 传输层

传输层任务：实现**端到端通信**，即实现**进程到进程的通信**，其中 "端" 指的是端口 。包含以下功能：

1. **复用和分用**：发送端几个高层实体复用一条底层的连接，在接收端再进行分用。

2. **其他功能**：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理。

> 以**报文段为单位**。

![image-20241104023200623.png][30]

### 5 ~ 7 层

**会话层**任务：管理进程间会话。主要功能：会话管理。采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信。

**表示层**任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题。主要功能：数据格式转换。如编码转换，压缩/解压，加密/解密。

**应用层**任务：实现特定的网络应用。功能繁多，根据应用需求设计。

### 小结

各层数据传输单位：

![image-20241104023913382.png][31]

![image-20241104024617729.png][32]

> 物理传输媒体属于第零层。

## TCP/IP 模型

需要记住各层的名称和顺序：

![image-20241104024802433.png][33]

下面主要探讨与 OSI 模型的区别。

### 应用层

### 网络接口层

TCP/IP 模型认为网络硬件种类繁多，不应该有过多的限制，因此将物理层和数据链路层合并为网络接口层。

网络接口层任务：实现相邻节点间的数据传输 (为网络层传输 "分组" ) 。**但具体怎么传输不做规定**。

> 这使得 TCP/IP 网络体系结构具有更强的灵活性和适应性。

### 网络层

**功能**：路由选择，分组转发，拥塞控制，网际互连。

TCP/IP 网络层只保证 "尽最大能力交付" ，数据传输时不可靠的。差错控制和流量控制交给传输层来解决。

### 传输层

**功能**：复用和分用，差错控制，流量控制，连接建立与释放，可靠传输管理。

在 TCP/IP 模型中，由传输层负责保证数据传输的正确性和可靠性。将网络核心部分的压力分担给边缘部分 (主机) 。

### 小结

![image-20241104025520617.png][34]

![image-20241104030643133.png][35]

![image-20241104030237996.png][36]

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