01-计算机网络及其参考模型

基本概念

	LAN 局域网	WAN 广域网
范围	小	大
性能	高	低
出错率	低	高
标准	Ethernet	复杂

ISP (Internet Service Providers)

• ISP：互联网服务提供商

• 多层次ISP结构：分流流量，在低层ISP能传输就不向上传递

• NAP(Network Access Point)：第一二层之间的接入点，也可以是google(大公司)直接和第一层ISP进行链接

• ICP(Internet Content Provider)：互联网内容提供商，不提供接入服务

数据

• 按位发送

• 数据非信息本身，而是编码形式，编码成电/光信号以便传输（编码方式赋予0/1意义）

数据包

• 将信息拆分成容易传输的小单元 PDUs(Packet Data Units)

• bits <- frames <- packets <- segments <- data

• 优点：解耦

  • 轮流发送数据包

  • 若数据丢失只需重传一小部分

  • 不同数据包可采用不同路由传输

层	单元英文	单元中文
数据链路层	frames	帧
网络层	packets	报文
传输层	segments	段

协议

• 相同的规则，使得不同类型的计算机通信

源地址和目标地址

• 源地址：发送数据包的计算机的标识。

• 目标地址：接收数据包的计算机的标识。

传输介质

• 电缆方式

  • 铜轴有限方式

  • 双绞线方式

• 光缆方式：稳定

• 空气方式

数据带宽 Bandwidth

• 衡量给定时间下信息传输的数量

• 传输能力的上限，理想

• 单位：bits/second bps 注意单位转换

通量 Throughput

• 在特定时间实际度量的带宽

• Throughput <= Bandwidth

OSI(Open System Interconnection) Reference Model

• ISO提出

• 帮助网络建设者建设网络模型

• 描述信息/数据如何从一台计算机移动到另外一台

• 分层通信：每一层有确定任务

层次	特点	关键字	备注
物理层	二进制传输	信号和介质	数据流层
数据链路层	介质访问	帧和介质访问控制	数据流层
网络层	路径选择	路径选择，最优路径	数据流层
传输层	终端到终端通信	可靠性，流控制，错误纠正	数据流层
会话层	进程之间通信如何用户交流	对话和交流	应用层
展示层	展示	标准	应用层
应用层	给用户展示交互接口	浏览	应用层

• 应用层：处理用户接口、数据格式、应用权限

  • 上3层

  • 软件

• 数据流层：控制着通过网络传输的数据信息

  • 下4层

  • 硬件+软件

• 下层为上层提供服务，上层向下层请求服务

Layer 1: Physical Layer 物理层

• 关键词：信号 介质

• 定义终端系统(包括媒体)之间链路的电气和功能规范(specifications)

• 定义物理属性：电压电平(voltage levels)、电压变化的定时(timing of voltage changes)、物理数据速率、最大传输距离、物理连接器……

• 特点：对于信号不管理，对于信号正确性不做判断，只传递信号。

Layer 2: Data Link Layer 数据链路层

• 关键词：帧 介质访问控制

• 通过物理链路提供可靠的数据传输

• 点对点的连接

• 涉及物理（而不是逻辑）寻址、网络拓扑、网络访问、错误通知、帧的有序传递和流控制，调节链路使用

• 和第一层区别：需要检查电信号的正确性

Layer 3: Network Layer 网络层

• 关键词：路由 地址

• 在路由发生的两个终端系统之间提供连接和路径选择

• 设备位于地理上分离的网络上

• 和第二层区别：多链路而非点对点

Layer 4: Transport Layer 传输层

• 关键词：可靠性 流控制 错误纠正

• 将数据分段并重新组合为数据流

• 负责终端节点之间的可靠网络通信

• 为虚拟电路（端到端的信道）的建立、维护和终止、传输故障检测和恢复以及信息流控制提供机制

Layer 5: Session Layer 会话层

• 关键词：对话 交流

• 建立、管理和终止通信主机之间的会话

• 同步表示层实体之间的对话框并管理其数据交换

• 提供高效的数据传输、服务类别以及会话、表示和应用层问题的异常报告

• 管理表示层实体之间的数据交换

Layer 6: Presentation Layer 表示层

• 关键词：标准

• 确保一个系统的应用层发送的信息可以被另一个系统的应用层读取

• 使用通用数据表示格式在多个数据表示格式之间转换

• 关注数据结构和数据传输语法(syntax)

• 压缩和加密

Layer 7: Application Layer 应用层

• 关键词：浏览

• 最接近用户的一层

• 为用户应用程序提供网络服务

• 不向任何其他OSI层提供服务

数据封装

• 五层划分：上三层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

• 数据封装过程

  • 5->4：添加首部H5，应用程序数据作为数据部分

  • 4->3：添加首部H4，第五层的作为数据部分

  • 3->2：添加首部H3，第四层的作为数据部分

  • 2->1：添加首部H2和尾部T2(校验位)，第三层的作为数据部分

  • 1：转成比特流进行发送

• 不同层之间的数据无法互相解析

TCP/IP Model

• 分层：四层

  • 应用层

  • 传输层

  • 互联网层

  • 网络接入层

第四层：Application Layer 应用层

• 包含7层上三层：应用层、表示层、会话层的全部功能

• 处理高级协议、表示(representation)、编码(encoding)和会话控制(session control)问题

• 将所有与应用程序相关的问题合并到一个层中，并确保将这些数据正确打包到下一层。

第三层：Transport Layer 传输层

• 处理服务质量的可靠性、流程控制和错误纠正问题。

• 将应用层信息打包成称为段的单元

• 对应OSI的第4层：传输层

• 协议：

  • TCP：可靠传输

  • UDP：速率

第二层：Internet Layer 互联网层

• 目的：从互联网上的任何网络发送源包，使它们独立于路径和网络到达目的地

• 最佳路径确定和分组交换

• 对应OSI的第3层：网络层

• 协议：IP

第一层：Network Access Layer 网络接入层

• 也称为主机到网络层

• 涉及IP数据包实际建立一个物理链路，然后再建立另一个物理链路所需的所有问题。

• 包括局域网和广域网的技术细节，以及OSI物理层和数据链路层的所有细节。

• 对应OSI下面两层：物理层和数据链路层

• 协议：Internet LAN WAN

TCP/IP 模型 和 OSI 模型的异同

• 同

  • 都有分层

  • 都有应用层，实际内容不同

  • 都有相同的传输层和网络层

  • 假设采用分组交换（非电路交换）技术

  • 基于报文交换实现端到端通信

• 异

  • TCP/IP模型只有四层，而OSI模型有七层

  • TCP/IP模型将应用层、表示层和会话层合并为应用层

  • TCP/IP模型将数据链路层和物理层合并为网络接入层

  • TCP/IP模型是实际标准，OSI模型是理论标准

网络拓扑

• 定义网络结构

• 物理拓扑：导线/介质/节点的物理布局

• 逻辑拓扑：数据传输的真实路径

• 物理拓扑和逻辑拓扑不一定相同

常见的网络拓扑

Bus 总线型拓扑

• 物理角度：主机都连接到公用总线

  • 优点：所有主机都可以直接通信。

  • 缺点：电缆断开会使主机彼此断开连接。

• 逻辑角度：每个网络设备都可以看到来自所有其他设备的所有信号（广播式传播）

• 优点：简单

• 缺点:

  • 信号冲突，需要进行复杂的介质访问权限控制来保证通信正常

  • 如果一处断开，则全部无法进行网络传输

Ring 环形拓扑

• 物理角度

  • 所有的设备直接首尾相连，组成一个菊花链(daisy-chain)

  • 可以将信息传送给链上的所有的设备

  • 是固定顺时针或者逆时针进行传输

• 逻辑角度

  • 为了使信息流动，每个站点必须将信息传递给其相邻的站点。

  • 访问控制：是用token，防止很多设备同时使用环

• 缺点：环上只要有一个地方断开就会破坏整个环

• 令牌环拓扑主要用于控制领域，适用于实时系统

Dual Ring 双环拓扑

• 增加冗余环，提升可靠性

• 一次只使用一个

Star 星形拓扑

• 物理角度：所有链路从中心节点辐射出去

• 逻辑角度：所有信息的流动将通过一个设备。

• 优点：

  • 节点间可直接通信

  • 便于权限管理

• 缺点：

  • 都经过同一节点：负载大

  • 冲突

• 扩展星型拓扑：设置次级中心结点，类似于ISP

Tree 树形拓扑

• 树拓扑使用一个主干节点(Trunk Node)，从该节点分支到其他节点。

  • 二叉树：每个节点分成两个链接

  • 主干树：主干有分支节点

• 物理角度：主干是一条有几层分支的线

• 逻辑角度：层次性

• 在根一级数据结点可以对数据进行汇总和统计

• 当前节点不能处理的部分，则交给父结点处理

• 节点损坏不会影响全局

Complete/Mesh 渔网形拓扑

• 优点：最大的连接性和可靠性。

• 缺点：链接的媒体数量和到链接的连接数量变得非常庞大：添加合适的路由/选择机制

• 常使用在比较使用重要的情况下：Internet

Cellular 蜂窝形拓扑

• 物理角度：用于无线技术的拓扑结构

• 逻辑角度：节点之间直接通信，或者只与相邻的单元通信，非常低效

• 有时接收节点移动(如手机)，有时发送节点移动(如卫星)

• 每一个结点都是无线的连通方式：远结点需要进行转发

• 使用场景：无线电话、卫星

• AP：接入点，用于连接无线设备和有线网络

局域网设备

内容搬迁

为了让笔记结构更清晰，作者将局域网设备的内容搬迁到了各个网络层的笔记中，这里不再重复。

• 网络终端设备：位于网络边缘，直接与用户交互，比如打印机、计算机、服务器、传真机、复印机

• 网络中间设备：位于网络中的中间层，通常不直接与用户交互，而是负责网络的信号传输、数据转发和流量控制，属于OSI下3层

  • 物理层：介质、repeaters、hubs

  • 数据链路层：网桥、交换机、电路交换设备

  • 网络层：路由器

  • 高层设备可以识别低层设备的信号，低层设备不能识别高层设备的数据逻辑