《计算机网络原理》课堂笔记(2):计算机网络体系结构

计算机网络的定义和组成

计算机网络的定义

计算机网络的定义:

  • 定义:一批独立自治的计算机系统的互连集合体
  • 说明:独立自治的计算机系统,互连的手段是各种各样的,依据协议进行工作

计算机网络和通信网络

  • 通信网络:重点研究通信终端(电话等)与通信网络,以及通信网络内部的通信问题
  • 计算机网络:重点研究计算机联网

计算机网络和分布式系统

  • 分布式系统是一种建立在计算机网络之上的、具有高度内聚性(Cohesiveness)和透明性(Transparency)的系统,呈现给用户的是一个统一的系统,好像是一台计算机
  • 计算机网络是独立自治的计算机系统的互连集合体,用户看到的还是不同的计算机
  • 发展趋势是计算机网络与分布式系统逐渐统一

计算机网络的组成

计算机网络的组成

  • 两级结构的计算机网络
  • 资源子网(或用户子网)和通信子网

资源子网:服务器、客户计算机
通信子网:

  • 通信线路(或称信道)
  • 网络互联设备(路由器、交换机、HUB等)

Note:子网(subnet)有两种含义

  • 物理网络的一部分,例如通信子网是通信线路和网络设备的集合
  • 与网络编址有关

基本通信方式:

  • 交换式通信
  • 广播式通信

交换式通信:

  • 基本特点:需要经过交换设备,转发给一个或一组节点;交换设备根据需要选择输出
  • 典型拓扑结构:star,ring(loop),tree,complete,intersecting rings,irregular
  • 关键技术:路由选择(Routing)

广播式通信:

  • 基本特点:多台计算机共享通信线路;任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收
  • 典型拓扑结构:bus(总线),ring(环状)
  • 关键技术:通道分配静态分配:分时间片

特点:控制简单,通道利用率低
动态分配:各站点动态使用通道
特点:控制复杂,通道利用率高
通道分配方法:集中式(只有一个仲裁机构);分布式(各站点均有仲裁机构)
不同网络使用的通信方式:

  • 局域网络(Local Area Networks):主要采用广播式通信技术
  • 城域网络(Metropolitan Area Networks):主要采用交换式通信技术
  • 广域网络(Wide Area Networks):主要采用交换式通信技术

计算机网络体系结构

计算机网络的体系结构:对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义,即从功能的角度描述计算机网络的结构,是层次和层间关系的集合
注意:计算机网络体系结构仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能,不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系
网络功能的分层->协议的分层->体系结构的分层
协议分层易于协议的设计、分析、实现和测试

计算机网络功能的分层

计算机网络的基本功能是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路
下述功能是必须提供的:

  • 连接源节点和目的结点的物理传输线路,可以经过中间结点
  • 每条线路两端的结点利用信号进行二进制通信
  • 无差错的信息传送
  • 多个用户共享一条物理线路
  • 按照地址信息,进行路由选择
  • 信息缓冲和流量控制
  • 会话控制
  • 满足各种用户、各种应用的访问要求

上述功能有三个显著特点:

  • 上述功能必须同时满足一对用户
  • 用户之间的通信功能是相互的
  • 这些功能分散在各个网络设备和用户设备中

一般人们采用“层次结构”的方法来描述计算机网络,即:计算机网络中提供的功能是分成层次的。

协议和协议的分层结构

协议的定义和组成

  • 层次结构的计算机网络功能中,最重要的功能是通信功能
  • 通信功能主要涉及同一层次中通信双方的相互作用
  • 位于不同计算机上进行对话的第N层通信各方可分别看成是一种进程,成为对等(同等)进程
  • 协议(Protocol):计算机网络同等层次中,通信双方进行信息交换时必须遵守的规则
  • 协议的组成:语法(syntax)(以二进制形式表示的命令和相应的结构);语义(semantics)(由发出的命令请求,完成的动作和回送的响应组成的集合);定时关系(timing)*有关事件顺序的说明)

协议的分层和层间结构

  • 协议分层:目的主机第N层收到的报文与源主机第N层发出的报文相同;洋葱结构;协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效
  • 相邻层之间都有一个接口(Interface),它定义了下层向上层提供的原语操作和服务
  • 对于第N层协议来说,它有如下特性:不知道上下层的内部结构;独立完成某种功能;为上层提供服务;使用下层提供的服务

计算机网络的体系结构

基本术语与分层结构

  • 协议:计算机网络同等层次中,通信双方进行信息交换时必须遵守的规则
  • 服务:同一实体上下层间交换信息时必须遵守的规则
  • 接口:定义了下层向上层提供的原语操作和服务
  • 服务和协议的关系
  • 服务提供者,服务用户

服务访问点SAP(Service Access Point)

  • 任何层间服务是在接口的SAP上进行的
  • 每个SAP有唯一的识别地址
  • 每个层间接口可以有多个SAP

接口数据单元IDU(Interface Data Unit)

  • IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元
  • IDU由上层的服务数据单元SDU(Service Data Unit)和接口控制信息ICI(Interface Control Information)组成

协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)

  • 第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元
  • PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI(Protocol Control Information)组成
  • 分段和重组

服务分类和服务原语(primitives)
面向连接的服务和无连接服务

  • 面向连接的服务:当使用服务传送数据时,首先建立连接,然后使用该连接传送数据。使用完后,关闭连接;特点:顺序性好
  • 无连接服务:直接使用服务传送数据,每个包独立进行路由选择;特点:顺序性差

注意:连接并不意味可靠,可靠要通过确认、重传等机制来保证
服务原语

  • 服务在形式上是由一组接口原语(或操作)来描述的
  • 服务原语可分为4种类型:
  1. 请求(Request):An entity wants the service to do some work
  2. 指示(Indication):An entity is to be informed about an event
  3. 响应(Response):An entity wants to respond to an even
  4. 确认(Confirm):The response to an earlier request has come back

分层原则

如果没有分层,则每个新的应用都得针对每个网络技术重新写一遍。
解决方案:提供一个能把所有的网络技术抽象化的中间层
优点:

  • 模式性:协议容易管理和维护
  • 抽象功能:底层可以在不影响顶层的情况下修改
  • 重用:顶层可以重用底层提供的功能

缺点:

  • 信息隐藏:这样的实现方法效率不高

端到端原则

在为一个应用在底层实现一种功能时,要慎重考虑
如果这个应用可以正确实现一种功能,那么在底层实现只是提高了它的性能
例:可信的文件传输
法1:让每一步都是可信的,然后连接起来
法2:端到端检查和重试

讨论:

  • 接受者无论如何都要做检查
  • 所以,全部功能都可以在应用层实现;不需要底层的可信性
  • 底层的可信性只是为了提高性能

缺点

  • 应用对数据和服务的语法更了解
  • 底层对数据传输中的限制更了解

这都是分层的直接结果。

原则:在底层实现一种功能应该对不需要这种功能的应用的性能影响很小。

典型计算机网络参考模型

计算机网络的标准化

电信标准:

  • 1865年成立国际电信联盟ITU
  • 1947年ITU成为联合国的一个组织,由3部分构成:ITU-R(无线通信)、ITU-T(电信标准)、ITU-D(开发)

国际标准

  • 1946年成立的国际标准化组织ISO负责制定各种国际标准

其他标准化组织:ANSI、NiST、IEEE、OIF、CCSA……
Internet标准

  • Internet的标准是自发而非政府干预的,称为RFC(Request For Comments)
  • 1969年ARPANET时就开始发布RFC,1969.4产生RFC0001,至今已超过7000个
  • 1983年成立IAB(Internet Architecture Board)
  • 1986年在IAB下成立IETF
  • 1989年在IAB下又成立了IRTF

OSI参考模型

1983年ISO的OSI模型正式成为国际标准

  • 物理层(The Physical Layer):在物理线路上传输原始的二进制数据位(基本网络硬件)
  • 数据链路层(The Datalink Layer):在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输(Frame)
  • 网络层(TheNetwork Layer):控制通信子网提供源点到目的点的数据传送(Packet)
  • 传输层(The Transport Layer):为用户提供端到端的数据传送服务
  • 会话层(The Session Layer):为用户提供会话控制服务(安全认证)
  • 表示层(The Presentation Layer):为用户提供数据转换和表示服务
  • 应用层(The Application Layer)

TCP/IP参考模型

以TCP/IP协议为核心的Internet网络体系结构

  • TCP/IP参考模型把物理层和数据链路层合起来称为:Host-to-Network
  • Internet层(网络层):控制通信子网提供源点到目的点的IP包传送,实现异构网络互联
  • 传输层:提供端到端的数据传送服务。TCP和UDP
  • 应用层:提供各种Internet管理和应用服务功能

其他网络体系结构

Novell NetWare

PC上的网络操作系统,client-server结构
1983-2005
NetWare的基本思想:文件共享
基于Xeror Network System(XNS),但有很多改进

  • 网络层协议,IPX(Internetwork Packet eXchange):不可靠无连接协议,与IP类似
  • 传输层协议,NCP,SPX:面向连接的协议

X.25分组交换网

70年代,CCITT推出X.25标准,为公用包交换网和用户之间提供接口,遭遇ISO/OSI参考模型
X.25面向连接,支持交换虚电路和永久虚电路
定义了三层协议

  • 物理层协议
  • 数据链路层协议
  • 网络层协议

B-ISDN和ATM

宽带综合业务数字网B-ISDN(Broadband Integrated Services Digital Network)
B-ISDN的技术基础是异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)
ATM的特性:

  • 异步传输,没有主时钟
  • 传输单元是短的、定长的包,称为信元(cell)
  • 面向连接
  • 速率主要有两种:155M,622M

总结

计算机网络的构成:资源子网和通信子网

  • 通信子网:点到点通道,关键技术是路由选择;广播通道,关键技术是通道分配

计算机网络体系结构

  • 功能的分层,层次结构
  • 对等实体、协议、服务、接口、服务原语
  • SAP,SDU,IDU,PDU
  • 分层原则和端到端原则

典型计算机网络参考模型

  • 标准化组织
  • OSI参考模型
  • TCP/IP参考模型

其它网络体系结构

  • Novell NetWare
  • X.25
  • B-ISDN和ATM


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