考研408计算机网络----第一章 计算机网络体系结构

一、计算机网络概述

1. 计算机网络组成

从组成部分看：主要由 硬件、软件、协议 三大部分组成

从工作方式看：分为 边缘部分 和 核心部分

边缘部分：由 连接到互联网上的 主机 组成，用于 通信(如传输数据)、资源共享

核心部分：由 大量网络 和 连接这些网络的 路由器 组成，为边缘部分提供 连通性 和 交换服

                  务

从功能组成看：由 通信子网 和 资源子网 组成

通信子网：由 各种传输介质、通信设备 和 相应的 网络协议 组成，具有数据传输、交 换、控制 和 存储 的能力，实现联网计算机之间的数据通信

资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合

2. 三种交换方式

2.1. 电路交换

从通信资源的分配看，交换（Switching）：按照某种方式动态地分配传输线路的资源

电路交换的三个步骤：

1. 建立连接：分配通信资源
2. 传输数据：即通话：一直占用通信资源
3. 释放连接：归还通信资源

两个用户间先建立一条 专用的 物理通信路径；在数据传输过程中，此路径被两个用户 独占 ; 通信后，释放路径

在电路交换中，电路建立后，除 源节点 和 目标结点 外，电路上 其余的任何结点 都采取 直通方式 发送数据 和 接收数据（即 不存在 存储转发所耗费的时间）

在整个通信阶段，比特流 连续的 从源节点直达目标节点

电路交换技术优点：

1. 通信时延小：通信路径为双方专用，数据直达，所以 速率高
2. 有序传输：双方通信时，按发送顺序传送数据，不存在失序问题
3. 没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题
4. 实时性强：一旦物理通路建立，可随时通信
5. 低延迟、高可靠性：对于 实时性 要求高的（如 语音、视频会议），此特性极其重要

注：通信时延：从通信的一方（如发送端）开始传输数据，到另一方（如接收端）成功接收到数据所经历的总时间

电路交换技术缺点：

1. 建立连接时间长：平均连接时间 对 计算机通信 来说，太长
2. 线路利用率低：物理通路 被 双方独占，即使线路空闲，也 不能 供其他用户使用
3. 灵活性差：通路中的任何一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接
4. 难以实现差错控制：中间结点不具备存储和检验数据的能力，无法发现并纠正错误

2.2. 报文交换

报文（Message）：数据交换的单位

发送端将 数据 加上 源地址、目的地址、检验信息等 头部，形成完整报文

报文交换采用的是 存储转发 技术（不要求 发送方 和 接收方 同时 处于连接状态，而是通过中间结点进行存储转发，实现数据传输）

注：不要求发送方和接收方同时处于连接状态：报文交换的核心特性之一，源自于存储转发技术：中间节点会先存储完整的报文，当接收方处于可用状态时，再将报文转发过去：例如，发送方发送一封电子邮件时，即使接收方的设备处于关机状态，邮件服务器（中间节点）会暂时保存这封邮件，等接收方开机并联网后，再将邮件推送过去

报文交换技术的优点：

1. 不用建立连接
2. 动态分配线路：交换节点存储整个报文后，选择一条合适的空闲线路，转发报文。若某条传输线路发生故障，则会重新选择另一条路径传输数据
3. 线路利用率高：只有当报文在一段链路上传送时，才占用此链路
4. 支持差错控制：交换节点可对缓存下来的报文进行差错检验

注：差错检验：发送端添加 校验码（Check Code），接收端（或中间结点）通过校验码检测数据是否出错

报文交换技术的缺点：

1. 转发时延高：交换节点将报文整体接收后，才 查找 转发表 转发到下一个节点
2. 缓存开销大：报文大小无限制，需要 交换结点 有 较大缓存空间
3. 错误处理低效：当报文较长时，发生错误的概率大，重传整个报文的代价也大

2.3. 分组交换

源主机 将 分组 发送到 分组交换网中，分组交换网中的分组交换机（即 路由器）收到一个·分组后先将其缓存，然后从其 首部 中提取 目的地址，据此 查找自己的转发表，再将分组转发给下一个分组交换机，经过多个分组交换机后，分组 到达 目的主机，目的主机去掉 分组的首部，将个数据段组合，还原出原始报文

分组交换技术的优点：

1. 不用建立连接
2. 方便存储管理：存储转发开销小：分组长度固定，相应缓存区的大小也固定
3. 传输效率高：分组是逐个传输的，可以使前一个分组的转发操作与够一个分组的存储操作并行：这种 流水线方式 减少了传输时间
4. 出错概率低、重发数据量低：分组较短，出错概率低，即使出错，也只需重发出错的

分组交换技术的缺点：

1. 有存储转发时延：比报文交换的小，但仍存在，且要求节点交换机有更强的处理能力
2. 需要传输额外的信息：每个小数据段都要加上控制信息已构成分组，使得信息量增大了5%~10%，降低了通信效率
3. 当 分组交换网 采用 数据报服务 时，可能出现 失序、丢失、重复分组 的情况，分组达到目的主机时，要对分组进行重新排序等工作，非常麻烦
4. 当 分组交换网 采用 虚电路服务 时，虽然没有失序问题，但有 呼叫建立、数据传输、虚电路释放 三个过程

3. 计算机网络分类

3.1. 按 分布范围 分类

1. 广域网（WAN，Wide Area Network）：提供 长距离 通信，运送主机发送的数据，其 覆盖范围 通常是 直径为 几十m 到 几千km 的区域。广域网是互联网的核心部分，连接广域网的各节点交换机的链路一般为 高速链路，具有较大通信容量，传统上，广域网 采用 交换技术

2. 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：覆盖范围可以跨域几个街区甚至整个城市，采用 以太网技术

3. 局域网（LAN，Local Area Network）：局域网 一般 用 主机 通过 高速线路 相连，覆盖范围小。传统上，局域网 采用 广播技术

4. 个人区域网（PAN，Personal Area Network）：指在 个人工作的地方 将 消费电子设备 （如平板电脑、手机）用 无线技术 连接起来的网络，也称为 无线个人区域网（WPAN）

3.2. 按 传输技术 分类

1. 广播式网络：所有联网计算机 都共享 一个 公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会“收听”到此分组，计算机将通过检查目的地址来确定是否接受该分组

注意：局域网基本上 采用 广播式通信技术，广域网中的 无线、卫星通信网络 也采用广播式通信技术

注意：发送报文分组：分组是报文被拆分后形成的小数据单元。发送报文分组，实际上包含了两个过程，首先，原始的报文被拆分成多个分组，然后，这些分组被逐个发送到网络中

2. 点对点网络：每条物理线路连接一对计算机，若 通信的两台主机之间 没有 直接连接的线路，则需要通过 中间节点 进行 存储 和 转发，直至 目的主机

3.3. 按 拓扑结构 分类

网络拓扑结构：由 网中节点（路由器、主机等）与 通信线路 之间 的几何关系表示的网络结构，主要指 通信子网的 拓扑结构

按 拓扑结构，网络可分为 总线型、星形、环形、网状网络 等

1.总线型网络：所有计算机连接到一条公共总线上

优点：建网容易、增删节点方便、节省线路

缺点：重负载时 通信效率 不高、总线 任意一处 对 故障 敏感

2. 星形网络：用 集线器或交换机连接各计算机

优点：便于 集中控制 和 管理

缺点：成本高、中央设备 对 故障 敏感

3.环形网络：计算机 连接成 一个环

最典型的例子：令牌环局域网。环可以是 单环，也可以是 双环。

环中信号 单向传输

4.网状网络：计算机之间有多条可能的连接

多用于 广域网，有 规则型 和 非规则型 两种

优点：可靠性高

缺点：控制复杂、线路成本高

以上 4种 基本的网络拓扑结构 可以互联为 更复杂的网络

总线型、星形、环形网络 多用于 局域网； 网状网络 多用于 局域网

3.4. 按 使用者 分类

公用网（Public Network）：电信公司出资建造的大型网络。公用：所有愿意与按照电信公司大的规定 缴纳费用的人 都可以使用这种网络

专用网（Private Network）

3.5. 按 传输介质 分类

传输介质 分为 有线 和 无线 两大类 因此，网络 分为 有线网络 和 无线网络

有线网络 可分为 双绞线网络、同轴电缆网络 等

无线网络 可分为 蓝牙、微波、无线电 等

4. 计算机网络的性能指标

4.1. 速率

速率（Speed）：也称为 数据传输速率、数据率、比特率：指 连接到 网络上的主机 在数字信道上 传送比特的速率。单位：b/s（比特/秒） 或 bit/s 或 bps。当数据量较高时，可以用 kb/s（ k = 10^3 ）、Mb/s（ M = 10^6 ）、Gb/s（ G = 10^9 ）

注：比特（bit，b）：计算机中最小的信息单位，代表二进制中的"0"或"1"

字节（Byte，B）：计算机存储的基本单位，1字节 = 8 比特

注：bps ：全称为 bit per second ： 每秒比特数

疑问：为什么买一个 250GB 的 固态硬盘，操作系统中 可分配的空间只有 232GB

以下为解释：

4.2. 带宽

带宽（Bandwidth）：在模拟信号系统中，指 信号 所包含的各种不同频率成分 所占据的频率范围，单位 Hz ；在计算机网络中，其表示 网络的 通信线路 所能传送数据的能力，因此 网络带宽 表示在单位时间内，从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据传输速率”，单位 b/s

注：带宽的这两种表述之间有着密切的联系，一条 通信线路 的 “频度宽带”越宽，其所传输数据的“最高数据传输率”越高

4.3. 吞吐量

吞吐量（Throughput）：单位时间内，通过某个网络（或 信道、接口）的实际数据量。常用于 对 实际网络的测量，以便于获知 有多少数据量能通过网络

4.4. 时延

时延（Delay）： 数据（一个报文 或 分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间。由四部分构成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延，四部分时延之和 即为 数据在网络中经历的总时延

发送时延（传输时延）：节点将分组的所有比特推向链路所花的时间

注：发送速率受以下三种影响

传播时延：电磁波在信道（传输介质）中，传播一定的距离所花的时间，即一个比特从链路一端传播到另一端的时间

注：电磁波 在自由空间的传播速率为光速，即 3x10^8 m/s ；在网络媒体中的传播速率比自由空间略低，铜线：2.3x10^8 m/s 、 光纤：2x10^8 m/s

注：发送(传输)时延 取决于 分组长度、发送速率 ； 传播时延 取决于 两节点间距离、信道所使用的传输介质

处理时延：分组在交换节点为存储转发而进行的一些必要处理所花的时间。例如：分析分组的首部、差错检验、查找合适的路由。其确切的数值不方便计算（因为网络中的数据流量是动态变化的，所以路由器的繁忙程度也是动态变化的）

排队时延：分组在路由器中的输入队列或输出队列中排队等待所花的时间

注：在考试中，通常不考虑 处理时延、排队时延

注：假设传输介质为光纤，不考虑 处理时延、排队时延，那么发送与传播时延谁占主导？

结论：没有谁一定占据主导地位，具体问题具体分析

4.5. 时延带宽积

时延带宽积：发送端发送第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少比特。也称为 以比特为单位的链路长度。

4.6. 往返时延

往返时延（Round-Trip Time，RTT）：指 从发送端 发送一个 短分组，到 发送端 收到 来自接收端的确认 所花费的时间（接收端收到数据后立即发送确认）。在互联网中，往返时延还包括 各中间节点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延

4.7. 信道利用率

信道利用率：表示 信道有百分之几的时间是有数据通过的

信道利用率 = 有数据通过的时间 / ( 有数据通过的时间 + 无数据通过的时间 )

信道利用率并非越高越好：太低会浪费网络资源；太高会产生较大的时延，导致网络拥塞（ex：当公路上的车流量大时，容易出现拥堵）

4.8. 丢包率

丢包率：即分组丢失率：在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的

              比率

分组丢失的两种情况：分组在传输过程出现误码，被结点丢弃 ； 分组到达一台队已满 的分组交换机时被丢弃（在通信量较大时，就可能造成 网络拥塞）

丢包率反映了网络的拥塞情况：

无拥塞时，路径丢包率为 0

轻度拥塞时，路径丢包率为 1% ~ 4%

严重拥塞时，路径丢包率为 5% ~ 15%

二、计算机网络体系结构与参考模型

1. 计算机网络分层结构

网络的体系结构（Network Architecture）：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）：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 是具体的，是真正在运行的计算机软件和硬件

在网络分层结构中，第 n 层的 活动元素（软件+硬件） 通常称为 第 n 层的实体

实体：指 任何 可发送 或 接受信息的 硬件 或 软件 进程，通常是 某个特定的软件模块

对等层：不同机器上的同一层

对等实体：同一层的实体

协议：即 网络协议（Network Protocol）：控制对等实体之间进行通信的规则的集合，

                                                                      是 水平的（不对等实体之间 没有协议）

协议由 语法、语义、同步 三部分组成（协议的三要素）

语法：数据与控制信息的格式（Ex：PCI 部分占几个字节、每个字节是什么含义、SDU 最

           多有几个字节）

语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答（Ex：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） ）

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

                            （Ex：发送方发送完数据后，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）

接口：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）（每层只能在紧邻的层之间定义接口，而不能跨层定义接口）

服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用，是 垂直的

         （上一层实体通过“接口”，请求相邻下层的“服务”，类似于 函数调用）

服务提供者：第 n 层的实体

服务用户：服务提供者上一层的实体（接受服务的一方（服务用户）在层级上高于提供服

                  务的一方（服务提供者））

协议和服务的区别

只有本层协议的实现才能保证向上一层提供服务，本层的服务用户只能看见服务，而无法看见下面的协议，即 下面的协议对上层的服务用户是“透明”的（透明：上层服务用户无需了解协议的内部工作细节，只需专注于自身的业务需求）

OSI七层模型 或 TCP/IP四层模型的 核心特性——服务的垂直累积性

第 n 层 向 第 n+1层提供的服务包括在其以下各层提供的服务（在分层网络架构中，每一层的功能都建立在其下一层提供的服务基础之上，同时会将下层服务进行封装、扩展后，向上一层提供更完整的服务）

上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务

2. 计算机提供的服务（三种分类）

2.1. 面向连接服务 与 无连接服务

面向连接服务：通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如 缓冲区），以保证通信

                         的正常进行，传输结束后 释放 连接和占用的资源

                         这种服务分为：建立连接、数据传输、连接释放 三阶段

                        （如 TCP 就是一种 面向连接服务的协议）

无连接服务：通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，将每个带有目的

                     地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输，此种服务常

                     被描述为“尽最大努力交付”，是一种 不可靠的服务（如 IP、UDP 就是一种 无

                     连接服务的协议）

2.2. 可靠服务 与 不可靠服务

可靠服务： 网络 具有 纠错、检错、应答机制，能保证数据 正确、可靠的 传送到目的地

不可靠服务：网络 只是尽量让 数据 正确、可靠的 传送到目的地，是 尽力而为的服务

2.3. 有应答服务 与 无应答服务

有应答服务：接收方 在收到数据后 向 发送方 给出相应的应答，该应答由传输系统内部实

                      现，而不由用户实现（如 文件传输服务）

无应答服务：接受方收到数据后，不自动给出应答，若需应答，则由高层实现

3. 数据的传输过程

水平视角：

垂直视角：

协议数据单元（PDU）：对等层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）

举例：

三者间的关系：n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU

4. OSI 参考模型

4.1. 物理层（Physical Layer）

物理层任务：实现相邻节点之间的比特（0或1）的传输

需定义：

电路接口参数（如：形状、尺寸、引脚数 等）

传输信号的含义、电气特征（如：5V表示1，1V表示0；每比特电信号吃持续时间

0.1ms）

4.2. 数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错

包含以下功能：

差错控制：检错+纠错：或 检错+丢弃+重传

流量控制：协调两个结点的发送帧的速率

链路层 实体之间 以 帧（Frame）（含多个比特）为单位进行数据的传输

差错控制

假设 结点A、结点B 都只有两层（数据链路层、物理层），并且此时 结点A 传送 8bit 数据 至 结点B，那么 数据链路层 会在原始的8bit数据之外 再额外加上 2bit（不一定为多少），作为校验信息（会采用某一种校验编码技术），封装成 帧（含 8bit数据+2bit校验），链路层 会将 完整帧（10bit） 交给 物理层，物理层 会将其转换为 电信号/光信号等物理介质可传输的形式，进行比特流传输。结点B 的物理层接收比特流之后，还原为10bit数据并交给数据链路层，链路层的实体会通过预设的校验规则，对比特流中的校验位与数据位进行计算，判断是否存在错误（检错+纠错 或 检错+丢弃+重传）

4.3. 网络层（Network Layer）

网络层任务：把“分组”从源节点转发到目的节点

包含以下功能：

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

分组转发：将“分组”由合适的端口转发出去

拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞

网际互连：实现异构网络互联

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（接收方需返回

分组确认消息）

网络层的 对等实体之间 以 分组(Packet)（又称为 数据报） 为单位 进行数据传输

4.4. 传输层（Transport Layer）

传输层任务：实现 端到端通信（即 实现进程到进程的通信，端 指 端口）

包含以下功能：

复用和分用

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

每个进程都有一个端口号

传输层的复用：在数据的发送方，多个应用进程（如 浏览器、QQ） 共享同一传输协议

（TCP/UDP）和 同一 IP地址的端口资源，通过 不同端口号 将数据封装成

传输层报文

传输层的分用：在数据的接收方，传输层 根据 报文中的端口号，将数据准确交付给对应

的应用进程

传输层之间 以 报文段（Segment）为单位 进行数据传输

4.5.  会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)

会话层任务：管理进程之间会话

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（根据应用需求设计）

应用层之间 以 报文（Message） 为单位，进行数据传输

5. TCP/IP 模型

5.1. 应用层

表示层的数据格式转换 以及 会话层的会话管理 在实际中不一定需要

TCP/IP 理念：如果某些应用需要数据格式转换、会话管理 功能，就交给应用层的特定协

议去实现

应用层任务：同OSI一样

5.2. 网络接口层

OSI中的 物理层 和 数据链路层 对于 第一层和第二层的规定太死，不利于 网络硬件厂商 进行 设备研发

网络接口层任务：实现相邻节点之间的数据传输（帮助网络层传输“分组”）（但 具体怎

么传输，没有规定）

5.3. 网络层

在OSI中，数据的局部正确 不能推出 数据的全局正确

在TCP/IP中，数据的全局正确 能推出 数据的局部正确

TCP/IP网络层功能：路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互连

（去除了 差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理）

TCP/IP网络层 只保证“尽最大能力交付”，数据传输是 不可靠的（可靠性交给传输层）

在OSI模型中，网络的核心部分（路由器）的功能复杂、负载高、造价高

5.4. 传输层

传输层功能：复用和分用、差错控制、连接建立与释放、可靠传输管理

传输层负责保证 数据传输的正确性、可靠性

传输层主要使用的协议：

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）：面向连接的，传输数据之前必须先建立连接。数据传输的单位：报文段

用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）：无连接的，只能提供 “尽最大努力交付”。数据传输的单位：用户数据报