计算机网络体系结构

计算机网络的概述

概念

计网是将独立功能的计算机系统通过通信设备与线路、软件、协议，实现资源共享和信息传递。
互连（通过通信链路互联互通）、自治（无主从关系）的计算机集合。

发展

第一阶段：分散系统？ARPAnet，同一类型网络；不同网络互联？internet（TCP/IP协议）->Internet（全世界最大的计算机网络）
节点+路由器 = 网络； 网络*n = 互联网
第二阶段：NSF+6大型计算机中心 = 三级结构。校园网、企业网->地区网->主干网
第三阶段：多层次ISP结构（因特网服务提供）主干、地区、本地，网络管理权分散。网费：ISP服务费。因特网管理机构管理IP池。本地->地区->主干->地区->本地；本地->地区->IXP(因特网交换点)->地区->本地

不同视角下的组成方式

  • 内部组成

    硬件、软件、协议

  • 整体组成—工作方式

    边缘部分（接入的计算机，用户端） + 核心部分（提供服务）


    边缘部分通信方式

    端到端通信：进程（软件如QQ）之间的通信。两大模式

    C/S vs B/S:

  • C/S
    （Client & Server）常用，服务与被服务，如QQ
  • B/S
    （Browser & Server）

    P2P

  • (peer to peer)设备间无固定身份，同时是客户和服务器，”我为人人人人为我“;

  • 功能组成——实现数据通信和资源共享

    数据通信：通信子网，包括：#3 网络层（路由器），#2 数据链路层（交换机，网桥），#1 物理层（集线器，中继器）。由传输介质、通信设备、相应协议组成。
    中间：#4 传输层。
    资源共享：资源子网，包括： #5 会话层，#6 表示层，#7 应用层。由相应软件和设备组成。

    功能

  • 数据通信（数据）
  • 资源共享（数据+硬件+软件）（如何处理请求？操作系统。）
  • 分布式处理（承担同意工作任务的不同部分，Hadoop）
    • （->提高可靠性，负载均衡），

分类

  • 范围:
    广域网(交换技术) 城域网
    局域网(->)广播技术) 个人区域网
  • 使用者:
    公用网（平民） 专用网（政府军队）
  • 交换技术:
    电路交换（占用资源+释放资源） 报文交换/分组交换(存储转发)
  • 拓扑结构:
    总线型，星形，环形，网状型
  • 传输技术:
    广播式（所有用户都知道）， 点对点网络（分组存储转发和路由选择机制）

看到这里，来一张图片总结一下：

性能指标

速率专题

带宽：一般指某一链路上（两个点之间）支持的的“最高数据率”（即理想状态下的能力），单位：b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s 相邻10^3)
传播速率：2.0E+8 m/s
传输速率：连接在网络上的某一主机在信道上传送数据位数的速率。也称数据率/数据传输率/比特率(传输数据位数的速率：b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s 相邻10^3)(理论值)
注意：存储容量数据位数的单位：B, kB, MB, GB, TB 相邻2^10, 1 Byte = 8 bit
吞吐量：单位时间通过某个网络上（网卡）或者信道或者接口的数据量(多对多)，受到额定传输速率和带宽的限制。

发送的速率和接口关系比较大，而接受速率被缓存、线路质量等限制

数据传输速率 = 信道带宽 X 信道利用率；
信道利用率 = 传输时延 / (传播时延 + 传输时延)，也就是在整个数据发送周期中，传输数据占用了多大比例。

带宽 数据速率
带宽是在特定时间段内传输的数据的潜力。 数据速率是在指定时间段内通过网络传输的数据量。
带宽是链路每秒可以发送或接收的比特数。 数据速率是数据传输的速度。
带宽通常以 bps、Mbps 或 Gbps 为单位进行测量。 数据速率通常以 Mbps 或 MBps 为单位。
带宽是指最大数据传输速度。 数据速率指的是实际的数据传输速度。
带宽是 OSI 模型中的物理层属性。 数据速率在所有层中都很常见。
带宽显示了通道的容量。 数据速率显示了当前的数据传输速度。
带宽不依赖于发送者或接收者的属性。 数据速率受到发送者或接收者的影响。

鉴于这三者的关系过于暧昧，我请教了gpt来答疑解惑：

  • gpt解释之文字版

直接看结论：

我们可以将这三个概念简单地理解为：

带宽：对信道能力的衡量，是理论上的最大数据传输能力。
吞吐量：在实际操作中，能够通过网络或信道成功传输的数据量。这是一个实际的测量值，通常受到网络状况（如延迟、数据丢失和重传等）的影响，所以吞吐量通常会小于带宽。
传输速率：针对特定的主机或设备，其在网络中发送数据的理论能力。

我时间多，想看具体解释

带宽：通常指的是 .通信信道的数据传输能力也就是单位时间内传送的数据量。比如，我们经常会听到10Mbps，100Mbps，1Gbps等说法，这些都是带宽的描述。带宽越大，理论上单位时间内可以传送的数据量就越大。然而，实际的数据传输量往往受到很多因素的影响，比如网络拥堵，数据丢失和重传等，因此实际的数据传输量通常会小于带宽。

吞吐量：吞吐量是指单位时间内成功传送的数据量。与带宽不同，吞吐量是一个实际的测量值，反映的是实际的数据传输效果，是对整个网络或者特定信道、接口的实际传输效果的度量。吞吐量受到许多因素的影响，比如带宽，网络延迟，数据丢失和重传等。你的网络吞吐量就是你实际下载文件的速度。

传输速率：传输速率是指一个特定的主机或设备，单位时间内发送的比特数。与带宽相似，传输速率也是一个理论值。在实际应用中，由于需要对数据进行编码，添加错误检测和纠正码，以及其他协议开销，实际的数据传输速率通常会小于物理传输速率。通常情况下，我们所说的网络速度，比如10Mbps，100Mbps等，实际上是指的物理传输速率。实际的传输速率可能会受到许多因素的影响，比如网络拥塞，接口性能，发送数据的类型和大小。传输速率是针对单一主机或设备的特性，而不是整个网络或者信道的性能。

gpt解释之表格版

时延/延迟/迟延

指数据从出发到目的地所需要的时间（单位：s）。
按先后顺序分为：发送时延，传播时延，排队时延，处理时延

  • 发送时延(bit/s)
    主机接口处用于输出数据所用总时间。公式：（数据长度）/（信道带宽/发送时率）。带宽对这的影响最大，常说的高速链路就是指发送时延低。
  • 传播时延(m/s)
    路途中传输数据用时。公式：（信道长度）/（电磁波传播数率）
  • 排队时延
    从 数据到达目的地 开始到 数据被处理 用时。即等待链路可用。
  • 处理时延
    检错、找出口用时。

    时延带宽积

    formula : 时延带宽积 = 传播时延 带宽
    bit = s     (b/s)
    指：假设某主机不间断向服务器发送数据，第一个比特到达服务器时，整个信道上的比特数。亦即：信道满载时的比特数。亦即：以比特为单位的链路长度。

这是csdn一个博主的解释：


原链接：

延时带宽积

往返时间RTT

从发送的第一个bit开始计时，到服务器针对所接收数据而返回的信息到达发送方为止。
formula: 传播时延*2+末端处理时间
注意：跟传输时间没有半毛钱关系！
推导：RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

利用率

信道利用率：有数据在信道上的时间/总时间
网络利用率：信道利用率的加权平均值
与时延的近似关系：时延 = -1/(利用率-1)

体系结构&参考模型

计算机网络体系结构简称网络体系结构，是分层结构，是各层及其协议的集合

分层结构/协议/接口/服务

  • 分层结构/实体

    1 各层相互独立

    2 每层之间交流尽可能少

    3 促进标准化，每层用最合适的技术

    4 层数相等的才称为对等实体，共用一套协议

  • 协议

    1 水平方向，对等实体 2 语法、语义、同步（顺序）的互通

  • 服务

    1 垂直方向 2 下层为上层提供服务，给上层提供服务所需要的接口

  • 数据单元

    1 SDU->Service Data Unit， 服务数据单元，“原始数据”
    2 PCI->Protocol Control Information，协议控制信息用于保持同步，例如序列号，校验和，帧类型。
    3 PDU->Protocol Data Unit，协议数据单元，PDU = PCI+SDU。
  • 服务和接口不能跨层
    广义上，SDU，PCI，PDU可以指任何一层对应的数据

模型

OSI参考模型 + TCP/IP参考模型 = 5层体系结构

OSI参考模型（7层）

法定标准，IBM公司的SNA是第一个网络体系结构，后来又DEC的DNA，美国国防部的TCP/IP。
ISO公司1984提供OSI模型，非垄断，支持异构网络系统的互联互通。理论成功，市场失败。


  • 应用层

    程序本身

  • 表示层

    1 格式变换

    2 加密解密

    3 压缩恢复

  • 会话层

    向表示层/用户进程建立连接


    1 建立、管理、终止会话

    2 使用校验点/同步点恢复通信，实现同步(传输大文件)

  • 传输层（传输单位：报文段/用户数据报）

    1 可靠传输（大文件，需要校验）/不可靠传输（小文件）


    2 差错控制


    3 流量控制（防止缓存过多）


    4 复用（多个应用层同时使用下面的运输层服务）分用（运输层把信息分别交给对应进程）

  • 网络层(数据报 = n * 分组，分开方便传输)

    1 路由选择->最佳路径


    2 差错控制


    3 流量控制


    4 拥塞控制

  • 数据链路层 帧 = n * 数据报

    1 成帧

    2 差错控制

    3 流量控制

    4 访问接入控制（广播式，控制信道访问）

  • 物理层

    1 定义解口特性

    2 单工（固定角色）；半双工（同时只有一个人发送信息，但是都有机会发送、接收）；双工（同时发送、接收）

    3 定义传输速率

    4 比特同步（时钟控制）

    5 比特编码（电压范围）

    TCP/IP参考模型（4层）

    事实标准（先有协议才有模型） 为什么说TCP/IP将IP作为重要层次，所以在网络层指由无连接的模式？
    ChatGPT的回答 TCP/IP是一种通信协议族，由两个主要的协议组成：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议）。它们在计算机网络中扮演了重要的角色。
    TCP/IP将IP作为重要的层次，因为IP负责在网络层提供数据包的路由和传递。网络层是TCP/IP协议栈中的第三层，其主要功能是处理数据包的转发和路由，以确保数据能够在不同网络之间传输。
    IP协议采用无连接的传输模式，也称为"无状态"传输。这意味着在传输数据之前，IP不会建立任何持久的连接或会话状态。每个数据包在传输时都是独立的实体，它们被独立地处理和转发，与之前或之后的数据包没有直接关联。
    IP作为无连接协议的主要优点是简单和灵活。由于每个数据包都是独立的，网络中的路由器可以更容易地处理和转发它们。这种无连接的特性使得IP协议适用于许多不同类型的网络，并且使得网络扩展更加容易，因为新的设备可以很容易地加入网络而不需要修改网络的整体结构。
    然而，无连接的传输模式也带来了一些问题。由于IP不维护连接状态，因此无法保证数据包的顺序到达目的地，也不能保证数据包的可靠传输。为了解决这些问题，TCP协议在IP之上提供了可靠的、面向连接的数据传输，从而构成了TCP/IP协议栈的两个主要部分。
    总的来说，TCP/IP将IP作为重要的层次，并在网络层采用无连接的传输模式，这使得网络可以更加灵活和简单，但也需要上层协议如TCP来提供可靠性和有序性。

5层结构

总结

第一章用了两天时间刷完了，感觉有点喘不上气，不过情绪还算平稳。用这个速度下去岂不是特么半个月学完了。。。所以还是要刷题巩固，要不然全是骗自己呢。加油😄。