网络体系结构

基本概念

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。
互连：通过通信链路互联互通
自治：无主从关系

计算机网络历史

发展历史：

1. 美苏冷战，美国国防部高级研究计划局（ARPA，阿帕）设计了分散的指挥系统
2. 为了实现不同网络互连，阿帕网接受了TCP/IP协议，选定Internet为主要的计算机通信系统

3. 出现了因特网。
   注意：

   • 小写internet:interconnected network 互联网，网络的网络
   • 大写Internet:因特网，专用名词，全球范围内最大的互联网

发展阶段：

• 第一阶段：计算机用交换机和路由器连接起来

• 第二阶段：三级结构：

  • 校园网
  • 地区网
  • 主干网
• 第三阶段：多层次ISP结构
  ISP：因特网服务提供者，向用户提供互联网接入服务等。eg：中国移动中国联通中国电信
  分为主干ISP、地区ISP、本地ISP
  eg:两个主机相连：
  
  主机A → 本地ISP → 地区ISP → 主干ISP → 地区ISP → 本地ISP → 主机B
  

计算机网络的组成

组成：硬件、软件、协议
工作方式：分为边缘部分和核心部分
边缘部分由用户直接使用，包括：

• C/S方式，即Client/Server。如发微信，手机A发微信给微信服务器，再转给手机B
  扩充：B/S方式：Browser/Server，方式类似，只不过客户主体不同
• P2P方式，即Peer to Peer，每个主机既是客户又是服务器

核心部分为边缘部分服务

功能组成：

• 通信子网：实现数据通信（底下几层）
• 资源子网：实现资源共享/数据处理（上面几层）

计算机网络分类

按分布范围分

广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN......

• 广域网技术：交换技术
• 局域网技术：广播技术

按使用者分

公用网、专用网

按交换技术分★

• 电路交换
  eg. 打电话：建立连接（占用资源），不可被别人使用
• 报文交换
  存储转发：报文
• 分组交换
  存储转发：分组

4. 按照拓扑结构分

总线型、星型、环型、网状型......

5. 按照传输技术分

• 广播式网络
  共享公共通信信道，常用于局域网
• 点对点网络
  使用分组存储转发和路由选择机制，常用语广域网

标准化工作

标准的分类：

• 法定标准
  由权威机构制定的正式的合法的标准，比如OSI
• 事实标准
  某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间一长，这些产品的协议和技术就成了标准，比如TCP/IP

计算机网络的性能指标

1. 速率

单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
注意，速率每两个相邻单位的倍数是$10^3$，跟存储容量$2^{10}$不一样

2. 带宽

单位时间内从网络中的某一点到另一点能通过的“最高数据率”，单位跟速率一样。
换言之：网络设备所支持的最高速度
速率不变，带宽变大：单位时间内注入到链路的比特数变多了，但每个比特传播的速度不变。

3. 吞吐量

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
单位：b/s，kb/s，Mb/s等
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

以上三者的关系：

如：服务器A的传送速率是$20Mb/s$，服务器B的传送速率是$10Mb/s$，链路带宽是$100Mb/s$（也就是最高速率）则与服务器A和B同时连接传送数据的主机吞吐率是$30Mb/s$。

4. 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
  简单的理解，就是主机把数据都推上网络需要的时间
  发送时延=数据长度/信号带宽（发送速率）
• 传播时延
  取决于电磁波传播速度和链路长度
  传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
• 排队时延
  等待输出/入链路可用所需的时间。
  比如数据传到路由器，但路由器在忙，当前数据就需要等待。
• 处理时延
  如路由器检错、找出口的时延。

5. 时延带宽积

传播时延（b/s）×带宽（s）=时延带宽积（bit）

某段链路现在有多少比特（链路的数据容量）

6. 往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
终端ping命令的TTL就是这个东西。
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

7. 利用率

包括：信道利用率、网络利用率
信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间
可以想象信道利用率并不是越高越好。利用率过大，时延也会增大。

分层结构

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

一些概念

实体：第n层中的活动元素称为n层实体。。同一层的实体交对等实体。
协议：为网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（是水平的）。包括：

• 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

接口：上层使用下层服务的入口
服务：下层为相邻上层提供的功能调用（是垂直的）。

SDU（服务数据单元）：未完成用户所要求的的功能而应传送的数据。
PCI（协议控制信息）：控制协议操作的信息。
PDU（协议数据单元）：对等层次之间传送的数据单位。

分层结构

7层OSI参考模型：法定标准
4层TCP/IP参考模型：事实标准（美国国防部）

OSI参考模型
为了支持异构网络系统互联互通，国际标准化组织（ISO）提出开放系统互联（OSI）参考模型。但是理论成功，市场失败。

下三层为通信子网，上三层为资源子网

TCP/IP参考模型

OSI参考模型和TCP/IP参考模型的对比

1. OSI定义了3点：服务、协议、接口
2. OSI先出现，参考模型先于协议发明，所以OSI不偏向特定协议
3. TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联的问题，所以将IP（nternet Protocol，网际互连协议）作为重要层次。
4. 两种模型面向连接的层级不一样，如下图：
   
   
   

5层参考模型

应用层：报文
传输层：报文段
网络层：数据报
数据链路层：帧
物理层：比特