【计算机网络】体系结构

2024-10-11 11:23:24 7

体系结构

1 重点概念

（1）计算机网络

计算机网络就是以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。

（2）互联网与互连网

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)。

（3）互联网服务提供者 ISP

Internet Service Provider，指提供互联网服务的公司，通常大型的电讯公司都会兼任互联网供应者，如电信、网通等。

（4）计算机网络的分类

（5）电路交换（面向连接）

电路交换分为三个阶段：1）建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；2）通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；3）释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

优点：数据直接传送，时延小。

缺点：线路利用率低，不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制。

（6）报文交换

将用户的传输数据封装成整一个报文，以报文的方式从网络中的一个结点传输到相邻结点，待全部存储后，再转发给下一个结点。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。

优点：可充分利用线路容量，实现差错控制。

缺点：报文交换的时延较长，需要额外的控制机制来保证多个报文顺序不乱。

（7）分组交换

将用户的数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），与报文交换一样以存储-转发方式传输。

优点：平均时延小，灵活高效。

缺点：分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。

（8）计算机网络的体系结构

计算机网络的体系结构(architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

（9）计算机网络协议

协议是规则的集合，在网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则。这些为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Network Protocol），是控制两个对等实体进行（对等实体指计算机体系结构中处于同一层的实体）通信的规则集合，是水平的。

（10）接口

接口是计算机体系结构中同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access SAP）这一接口进行交互，服务由下层提供，上层通过接口使用服务。

（11）服务

服务是指在计算机体系结构中，下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的（服务是垂直的，协议是水平的）。

2 核心内容

2.1 网络的组成部分

从工作方式的角度理解计算机网络的组成部分：

（1）边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享，在这部分中，端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

C/S方式：客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

P2P方式：对等连接 (peer-to-peer，简写为P2P) 是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件 ( P2P 软件) ，它们就可以进行平等的、对等连接通信，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

（2）核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

2.2 网络的性能指标

（1）速率

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。而速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)，在计算机网络中以每秒传输的比特数来衡量，其单位是bit/s、kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。

（2）带宽

带宽具有两种不同的含义：

“带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是 bit/s，即 “比特每秒”，可以理解为以比特为单位计算的信道“宽度”。

注意：在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

（3）吞吐率

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

（4）时延

时延 (delay 或 latency) 是指数据（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，网络中的时延由以下几个部分组成：

发送时延：发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间，发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）。传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间，传播时延 = 信道长度（米）/ 信道在信道上的传播速率（米/秒）。处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延，排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

（5）时延带宽积

时延带宽积指的是发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即

时延带宽积 = 传播时时延信道带宽

（6）往返时间RTT

互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

（7）利用率

利用率可分为信道利用率和网络利用率。信道利用率是指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的，即：

信道利用率 = 有数据通过时间 /（有+无）数据通过时间

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

2.3 网络的层次体系结构

七层体系结构：为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO，提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。

四层体系结构：ARPA在研究ARPAnet时提出了TCP/IP模型，模型从低到高依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。

五层体系结构：在谢希仁编写的计算机网络教程中，参考七层网络和四层网络，综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，提出了便于读者理解的五层体系结构。

3 问题思考

（1）计算机网络为什么要分层？优点？ ★★★

计算机系统是一个非常复杂的系统，在计算机网络中，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”相当复杂，因此，为了解决上述问题，人们提出了分层设计的概念。“分层”可以将庞大而复杂的问题，转发为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。同时，每一层只需要关注于对本层功能的具体实现，而无需知道其他层的具体实现，在必要时直接使用其他层提供的服务，以此做到高内聚低耦合。

分层的优缺点：