Chapter 1 Computer Network Architecture

一、概念,功能,组成,分类

概念

• 计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统,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.
• 计算机网络是互连的、自治的计算机集合

功能

• 数据通信（连通性）
• 资源共享（硬件、软件、数据）
• 分布式处理（多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分）
• 提高可靠性（替代机）
• 负载均衡（各计算机之间更亲密）

组成

1. 组成部分：硬件、软件、协议
2. 工作方式：边缘部分、核心部分

• 边缘部分：用户直接使用（C/S方式和P2P方式）
• 核心部分：为边缘部分服务

3. 功能组成：通信子网、资源子网

• 通信子网：实现数据通信
• 资源子网：实现资源共享/数据处理

分类

1. 按分布范围分：广域网WAN（交换技术）,城域网MAN,局域网LAN（广播技术）,个人区域网PAN
2. 按使用者分：公用网,专用网
3. 按交换技术分：电路交换,报文交换,分组交换
4. 按拓扑结构分：总线型,星型,环形,网状型（广域网）
5. 按传输技术分：广播式网络,点对点网络

• 广播式网络：共享公共通信信道
• 点对点网络：Store-and-forward and routing mechanisms using packet technology

二、标准化工作及组织

标准的分类

• 法定标准：OSI
• 事实标准：TCP/IP

RFCdeveloped into an Internet standard

因特网草案->建议标准(RFC文档)->因特网标准

相关组织

• 国际标准化组织ISO：OSI参考模型、HDLC协议
• 国际电信联盟ITU：制定通信规则
• 国际电气电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G
• Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的制定、RFC

三、性能指标

速率

速率即数据率或数据传输率或比特率,单位：

1 T b / s = 1 0 3 G b / s = 1 0 6 M b / s = 1 0 9 k b / s = 1 0 12 b / s 1Tb/s=10^3Gb/s=10^6Mb/s=10^9kb/s=10^{12}b/s 1Tb/s=103Gb/s=106Mb/s=109kb/s=1012b/s

1Byte（字节）=8bit（比特）,存储容量单位：

1 T B = 2 10 G B = 2 20 M B = 2 30 K B = 2 40 B 1TB=2^{10}GB=2^{20}MB=2^{30}KB=2^{40}B 1TB=210GB=220MB=230KB=240B

带宽

带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力,通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”,网络设备所支持的最高速度,单位是b/s

吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量,受网络的带宽或网络的额定速率的限制,单位是b/s

时延

指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间,也叫延迟或迟延,单位是s

• 发送时延=数据长度/信道带宽（发送速率）
• 传播时延=信道长度/Transmission of electromagnetic waves over a channel
• 排队时延=等待输出/输入链路可用的时间
• 处理时延=检错,找出口的时间

时延带宽积

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度,即某段链路现在有多少比特,单位比特

• 时延带宽积=传播时延*带宽

往返时延RTT

从发送方发送数据开始,until the sender receives an acknowledgment from the receiver（接收方收到数据后立即发送确认）,总共经历的时延

• RTT越大,在收到确认之前,可以发送的数据越多
• RTT包括往返传播时延（传播时延*2）和末端处理时间

利用率

• 信道利用率=有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
• 网络利用率=信道利用率加权平均值

四、分层结构,协议,接口,服务

Ground rules for layering：

1. 各层之间相互独立,每层只实现一种相对独立的功能.
2. 每层之间界面自然清晰,易于理解,相互交流尽可能少.
3. 结构上可分割开.每层都采用最合适的技术来实现.
4. 保持下层对上层的独立性,上层单向使用下层提供的服务.
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作

Hierarchical related concepts

1. 实体：第n层中的活动元素称为n层实体.同一层的实体叫对等实体
2. 协议：为进行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【水平】

• 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

3. 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用【垂直】

PCI+SDU=PDU

1. SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据.
2. PCI协议控制信息：控制协议操作的信息.
3. PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元.

• 上一层的PDU作为下一层的SDU

五、OSI参考模型

“物联网淑惠试用”

• The top four layers are end-to-end,The next three layers are point-to-point
• The intermediate system has only the following three layers

应用层

• 所有能和用户交互产生网络流量的程序
• 典型应用层服务:文件传输(FTP)、电子邮件(SMTP)、万维网(HTTP)

表示层

• 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式
• 功能一：数据格式变换(翻译官)
• 功能二：数据加密解密
• 功能三：数据压缩和恢复

会话层

• 向表示层实体/用户提供建立连接并在连接上有序地传输数据,这是会话,也是建立同步（SYN）
• 功能一：建立、管理、终止会话
• 功能二：Use checkpointing to make the session from the checkpoint when the communication is in effect/同步点继续恢复通信,实现数据同步,适用于传输大文件.

传输层

• 负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信
• 传输单位是报文段or user data segment
• 功能一：可靠传输、不可靠传输
• 功能二：差错控制
• 功能三：流量控制（Sender and receiver speed coordination）
• 功能四：复用分用

网络层

• 主要任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务
• 网络层传输单位是数据报
• 功能一：路由选择-最佳路径
• 功能二：流量控制
• 功能三：差错控制
• 功能四：拥塞控制

数据链路层

• 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧
• 数据链路层/链路层的传输单位是帧
• 功能一：成帧(定义帧的开始和结束)
• 功能二：差错控制 帧错+位错
• 功能三：流量控制
• 功能四：访问控制 控制对信道的访问

物理层

• 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输
• 物理层传输单位是比特
• 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送
• 功能一：定义接口特性
• 功能二：定义传输模式 (单工、半双工、双工)
• 功能三：定义传输速率
• 功能四：比特同步
• 功能五：比特编码

六、TCP/IP参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型的不同点

七、五层参考模型