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计算机网络 | 体系结构

news 2025/7/5 9:50:43

计算机网络 | 体系结构

  • 计算机网络 | 体系结构
    • 概念及功能
      • 计算机网络简介
      • 计算机网络的功能
      • 因特网发展阶段
      • 小结
    • 组成与分类
      • 计算机网络的组成
      • 计算机网络的分类
      • 小结
    • 标准化工作及相关组织
    • 速率相关性能指标
      • 速率
      • 带宽
      • 吞吐量
      • 小结
    • 时延相关性能指标
      • 时延
      • 时延带宽积
      • 往返时延RTT
      • 利用率
      • 小结
    • 分层结构
      • 为什么要分层？
      • 分层要做什么？
      • 正确认识分层结构
      • 小结
    • 计算机网络分层结构参考模型
      • OSI 参考模型
      • TCP/IP 参考模型
      • 五层参考模型
      • 小结
    • 第1章总结

参考视频：王道计算机考研 计算机网络

参考书：《2022年计算机网络考研复习指导》

计算机网络 | 体系结构

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概念及功能

计算机网络简介

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

  • 互连性：互联互通、信息在链路上交换。
  • 自治性：没有主从关系。

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计算机网络的功能

  • 数据通信（连通性）：最重要的功能
  • 资源共享：共享软件、硬件、数据等资源
  • 分布式处理：多台计算机各自承担同一份工作任务的不同部分，例如 Hadoop 平台
  • 提高可靠性：替代机
  • 负载均衡：分布式处理的效果
  • …

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因特网发展阶段

略。

小结

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组成与分类

计算机网络的组成

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一、按照组成部分来分

硬件 + 软件 + 协议（一系列规则和约定的集合）

二、按照工作方式来分

  • 边缘部分：用户直接使用
    • C/S 方式：客户端/服务端
    • B/S 方式：浏览器/服务端
    • P2P 方式
  • 核心部分：为边缘部分服务

三、按照功能组成来分

  • 通信子网：用于实现数据通信
  • 资源子网：用于实现资源共享/数据处理

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计算机网络的分类

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一、按分布范围分类

  • 广域网 WAN：使用的是交换技术。
  • 城域网 MAN
  • 局域网 WAN：使用的是广播技术。
  • 个人区域网 PAN

二、按使用者分

  • 公用网：使用方如中国电信、中国移动提供的网络。
  • 专用网：使用方如国家单位、军队单位、公司内部使用的网络。

三、按交换技术分

  • 电路交换：建立连接-占用资源-释放连接，通话双方完全占用这条线路的资源。
  • 报文交换：也称存储-转发网络。整个报文先传送到相邻节点，全部存储后查找转发表，转发给下一个节点。
  • 分组交换：也称包交换网络。将报文分组，再存储转发。

四、按拓扑结果分

  • 总线型
  • 星型
  • 环型
  • 网状型 (常用于广域网)

五、按传输技术分

  • 广播式网络：共享公共通信信道。
  • 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制。

六、按传输介质分

  • 有线网络
  • 无线网络

小结

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标准化工作及相关组织

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速率相关性能指标

速率

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定义：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。

单位：b/s、Kb/s、Mb/s、Tb/s

如果用字节表示，则是B/s、KB/s、MB/s、TB/s。

注：1Byte = 8Bit

带宽

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计算机网络中，带宽指的是网络设备所支持的最高速度，单位同速率，是理想条件下最高速率。

举例：假设链路带宽是1Mb/s，则表示单位时间内，能向链路中注入传输的最大数据量为1Mb。

吞吐量

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吞吐量是指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据总量。

单位：b/s、kb/s、Mb/s。

小结

速率 就是 实际网速，带宽 是 理论网速，吞吐量 是 一个或多个设备的综合速率。

实例：

1000M 宽带的路由器连着三部手机，每部手机都是 10Mb/s 的速率。

那么，速率就是 10Mb/s，带宽是宽带的 1000M，路由器吞吐量是 30Mb/s，即三者之和。

时延相关性能指标

时延

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定义：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要的时间，也叫延迟或迟延，单位是秒（s）。

时延包括四大类:

名称描述计算公式
传输时延（发送时延）数据从主机到信道上所用的时间发送的数据长度/发送速率
传播时延数据在信道上传播所花费的时间信道长度/电磁波在信道上传播的速率
排队时延数据在路由器前等待前面数据处理所用的时间无计算方式
处理时延数据在路由器中处理需求所用的时间无计算方式

示例：

  1. 求发送时延：
    假设传输数据为11111111110000000000，则数据长度就是20个比特位，假设信道带宽（发送速率）为10b/s，那么根据计算公式 发送的数据长度/发送速率，得到发送时延为：20/10=2s。

  2. 求传播时延：
    假设信道长度为500m，电磁波在该信道上的传播速率是10m/s ，那么根据计算公式，传播时延就等于： 信道长度/电磁波在信道上传播的速率=500/10=50s。

注意：使用高速链路（提高网速），只能减小发送时延，无法减小其他三个时延。

时延带宽积

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计算公式：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

时延带宽积就是用于描述某段链路上现有多少比特位的数据，即数据容量。

往返时延RTT

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RTT定义：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）为止所花费的时间。

RTT包括：传播时延 * 2 + 末端处理时间（有时可能直接忽略），由公式得出，RTT 不包括传输时延，其只代表在信道上的传播时延。

示例：

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利用率

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在计算机网络中，利用率分为两种：

  • 信道利用率
  • 网络利用率

计算公式：

信道利用率 = 有数据通过时间 / (有数据通过时间 + 无数据通过时间)

网络利用率 = 所有信道利用率加权求平均值

时延和利用率的关系图：

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可以看出，利用率越高，延迟越大。利用率趋近于1时，时延急剧增大。

小结

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分层结构

为什么要分层？

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以发送文件为例，发送前要完成以下5个工作：

  1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
  2. 要告诉网络如何识别目的主机。
  3. 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
  4. 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
  5. 确保差错和意外可以解决。

这么多要考虑的问题，需要通过分层来将大问题拆分成小问题。

分层要做什么？

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分层的基本原则：

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

正确认识分层结构

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。

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。包含语法、语义、同步。

接口（访问服务点SAP）：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。

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小结

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  • 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
  • 计算机网络体系结构简称为网络体系结构，是一个分层结构
  • 每层遵循某个（或某些）网络协议以完成本层功能
  • 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
  • 第 n 层在向第 n+1 层提供服务时，此服务不仅包含第 n 层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能
  • 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体体现细节对上一层完全屏蔽
  • 体系结构是抽象的，而现实是指能运行的一些软件和硬件

计算机网络分层结构参考模型

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计算机网络分层结构分为两种：

  • 7层 OSI 参考模型（法定标准）
  • 4层 TCP/IP 参考模型（事实标准）

OSI 参考模型

计算机网络 | OSI 参考模型

TCP/IP 参考模型

  • 应用层
  • 传输层
  • 网际层
  • 网络接口层

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TCP/IP 参考模型和 OSI 参考模型相同点：

  • 二者都分层
  • 二者都基于独立的协议栈的概念
  • 二者都可以实现异构网络互联

TCP/IP 参考模型和 OSI 参考模型不同点：

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五层参考模型

五层参考模型综合了 OSI 和 TCP/IP 的优点。

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五层参考模型的数据封装和解封装：

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小结

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第1章总结

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