计算机网络的概念、组成与功能

计算机网络的概念

计算机网络：计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。
简而言之：计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

计算机网络的组成

组成部分

一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成

• 硬件：
  • 主机（也称端系统）
  • 通信链路（如双绞线、光纤等）
  • 交换设备（如路由器、交换机等）
  • 通信处理机（如网卡等）
• 软件：
  • 实现资源共享的软件
  • 方便用户使用的工具软件
  • 软件在计算机网络中多属于应用层
• 协议：
  • 计算机网络的核心
  • 规定了网络传输数据时所遵循的规范

    工作方式

    从工作方式来看，计算机网络（这里主要指因特网，Internet）可分为边缘部分和核心部分。
• 边缘部分：由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成
  • 用来进行通信（传输数据、音频或视频）
  • 进行资源共享
• 核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成
  • 为边缘部分提供连通性和交换服务

    功能组成

    从功能组成上看，计算机网络主要由通信子网和资源子网组成。
• 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成
  • 使网络具有数据传输、交换、控制和存储能力
  • 实现联网计算机的数据通信
• 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合
  • 向网络用户提供共享在其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源服务

    计算机网络的功能

    计算机网络主要有以下五大功能：
• 数据通信：用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。
  • 计算机网络最基本和最重要的功能。
• 资源共享：使计算机网络中的资源相互联通、分工协作，从而提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。
  • 计算机网络资源主要分为：硬件资源、软件资源和数据资源。
• 分布式处理：当计算机网络中的某个计算机系统负载过高时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率。
• 提高可靠性：计算机网络中的多台计算机可以通过网络互为替代机。
• 负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各个计算机。

  计算机网络的分类

  分布范围

• 广域网（WAN）：也称远程网
  • 提供长距离通信
  • 是因特网的核心。
  • 覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域
  • 各结点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量
  • 使用交换技术
• 城域网（MAN）：
  • 覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市
  • 盖区域的直径范围是5~50km
  • 采用以太网技术，所以常并入局域网的范围讨论
• 局域网（LAN）：
  • 覆盖范围较小，通常是直径几十米到几千米的区域
  • 传统的局域网使用广播技术
• 个人区域网（PAN）：也称无线个人区域网（WPAN）
  • 个人工作的地方将消费电子设备用无线技术连接起来的网络
  • 覆盖区域直径约为10m

    传输技术

• 广播式网络：所有联网计算机都共享一个公告通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，其他计算机都会“收听”这个分组。接受到该分组的计算机通过检查目的地址决定是否接收该分组。
  • 局域网：广播式通信技术
  • 广域网中的无线、卫星通信网络：广播式通信技术
• 点对点网络：每条物理线路连接一对计算机主机。若通信的两天主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储和转发，直到目的结点。
  • 广域网：基本采用点对点通信技术

    拓扑结构

    网络拓扑结构是指由网络中结点（主机、路由器）与通信线路（网线）之间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。
• 总线型网络：用单根传输线把计算机连接起来。
  • 优点：建网容易、增删结点方便、节省线路
  • 缺点：重负载时通信效率不高、总线对故障敏感
  • 多用于局域网
• 星型网络：每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。
  • 优点：便于控制和管理，端用户之间通信必须经过中央设备
  • 缺点：成本高、中央设备对故障敏感
  • 多用于局域网
• 环形网络：所有计算机设备连接成一个环。
  • 环中信号是单向传输
  • 多用于局域网
• 网状网络：每个结点至少有两条路径与其他结点相连，组成一个网。
  • 有规则型和非规则型两种
  • 优点：可靠性高
  • 缺点：控制复杂、线路成本高
  • 多用于广域网

    使用者

• 公用网（Public Network）：电信公司出资建造的大型网络。按电信公司规定交纳费用的人都可以使用。
• 专用网（Privat Network）：某个部门或机构为满足本单位特殊业务需要而建造的网络。这种网络不向外人提供服务。

  交换技术

  交换技术：交换技术是指各台主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。
• 电路交换网络：在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。
  • 特点：整个报文的比特流连续的从源结点直达目的结点。
  • 优点：数据直接传输、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。
• 报文交换网络（存储-转发网络）：用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装称报文，整个报文传送到相邻的结点。全部存储后，再转发给下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点。
  • 每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。
  • 特点：整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点。
  • 优点：
    • 较充分的利用线路容量
    • 实现不同链路之间不同数据传输速率的转换
    • 实现格式转换
    • 实现一对多、多对一的访问
    • 实现差错控制
  • 缺点：
    • 增大了资源开销（存储报文信息）
    • 增大了缓冲时延
    • 需要额外机制保证报文不乱序
    • 缓冲区难以管理
• 分组交换网络（包交换网络）：将数据分为较短的固定长度的数据块，在每个数据块上加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。
  • 特点：以单个分组（整个报文的一小部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一结点。
  • 优点：
    • 具有报文交换网络的所有优点
    • 缓冲易于管理
    • 包的平均时延更小
    • 网络占用的平均缓冲区更少
    • 更易于标准化
    • 更易于应用
  • 主流网络基本都使用分组交换网络

    传输介质

• 有线：分为双绞线、同轴电缆网络等
• 无线：蓝牙、微波、无线电等类型

  计算机网络的标准化工作及相关组织

  计算机网络的标准化工作

  因特网的所有标准都以RFC（Request For Comments）是形式在因特网上发布，RFC要上升为因特网正式标准需要经过以下4各阶段。
• 因特网草案：这个阶段还不是RFC文档
• 建议标准：从这个阶段开始成为RFC文档
• 草案标准
• 因特网标准

  计算机网络的标准化工作的相关组织

• 国际标准化组织（ISO）：主要标准或规范有OSI参考模型，HDLC协议等。
• 国际电信联盟（ITU）：
  • 前身是国际电话电报咨询委员会（CCITT）
  • 下属机构ITU-T制定了大量有关远程通信的标准
• 国际电气电子工程师协会（IEEE）：世界上最大的专业技术团队，由计算机和工程学专业人士组成。

  计算机网络体系结构与参考模型

  体系结构（Architecture）：计算机网络的各层及其协议的集合称为体系结构。它是计算机网络中的各层次、各层的协议及层间接口的集合。

  计算机网络分层结构

  两个系统中实体间通信是一个复杂的过程，为了降低系统的复杂度，通常对计算机网络的体系结构进行分层，每层处理执行不同的功能以降低系统的复杂度。

  计算机网络分层的基本原则

• 每层都实现一种相对独立的功能，降低系统的复杂度
• 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
• 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以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
• 整个分层结构应能促进标准化工作

  计算机网络层次结构基本概念与术语

  按照一定规则，将分层后的网络从低到高依次称为第1层、第2层$\cdots$第$n$层。
  在分层结构中，第$n$层的活动元素通常称为第$n$层实体。
  不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。
  第$n$层实体实现的服务为第$n + 1$层所利用，第$n$层称为服务提供者，第$n + 1$层则服务于用户。

  报文

  在计算机网络系统结构的各个层次中，每个报文都分为两部分：一是数据部分（SDU）；二是控制信息部分（PCI），它们共同组成PDU。
• 服务数据单元（SDU，Service Data Unit）：为完成用户所要求的功能而应发送的数据。
  • n-SDU：第$n$层服务数据单元称为n-SDU。
• 协议控制信息（PCI，Protocol Control Information）：控制协议操作的信息。
  • n-PCI：第$n$层协议控制信息称为n-PCI。
• 协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。
  • n-PDU：第$n$层协议数据单元称为n-PDU。
  • 物理层PDU：比特
  • 数据链路层PDU：帧
  • 网络层PDU：分组
  • 传输层PDU：报文段

在各层传输数据时，把从第$n + 1$层收到的PDU作为第$n$层的SDU，加上第$n$层的PCI，就变成了第$n$层的PDU，交给第$n - 1$层后作为SDU发送，接收方接收时做相反的处理，因此三者的关系为：$n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU$

计算机网络层次结构的含义

• 第$n$层的实体不仅要使用第$n - 1$层的服务来实现自身定义的功能，还要向第$n + 1$层提供本层的服务，该服务是第$n$层及其下面各层提供服务的总和。
• 最低层只提供服务，是整个层次结构的基础；中间各层既是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者；最高层面向用户提供服务。
• 上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，不能调用其他层的服务；下一层所提供的服务的实现细节对上一层透明。
• 两条主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表示为不经过下层就能把信息传送给对方。

  计算机网络协议、接口、服务等概念

  协议

  协议：指规则的集合，是对等实体之间为通信制定的有关通信规则约定的集合。
  协议的三要素：
• 语法：规定了传输数据的格式。
• 语义：规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。
• 同步：规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。

  接口（服务访问点，SAP）

  接口（服务访问点，SAP，Service Access Point）：是同一系统中相邻两层的实体进行交互的连接点。每层只能为紧邻的层次定义接口，不能跨层次定义接口。

  服务

  服务：为保证上层对等实体之间的相互通信，下层为上层提供的功能。它是垂直的，在协议的控制下，本层为上层提供服务，同时实现本层协议还需要使用下一层提供的服务。

  服务原语

  上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中称为服务原语。

OSI参考模型将原语划分为4类：

• 请求（Request）：由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
• 指示（Indication）：由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
• 响应（Response）：由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
• 证实（Confirmation）：由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。

  服务分类

  面向连接服务与无连接服务

• 面向连接服务：通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源，以保证通信的正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。
  • 面向连接服务分为：建立连接、数据传输、连接释放三个阶段
  • TCP是典型的面向连接服务协议
• 无连接服务：通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，把每个带有目的地址的报文传送到线路上，由系统选定路线进行传输。
  • 是不可靠的服务
  • 尽最大努力交付（Best-Effort-Delivery）：并不保证通信的可靠性
  • IP、UDP是典型的无连接服务协议

    可靠服务和不可靠服务

• 可靠服务：可靠服务指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确的，可靠地传送到目的地。
• 不可靠服务：网络尽量正确、可靠地传送，不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。
  • 不可靠服务网络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障

    有应答服务和无应答服务

• 有应答服务：接收方收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户来实现。
  • 拥有请求、指示、响应和证实全部4类原语

• 无应答服务：接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，由高层实现。

  • 只有请求和指示两类原语

    ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

    开放系统互连参考模型（OSI参考模型）

    国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），统称为OSI参考模型。
    OSI参考模型有7层，从下到上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网，为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，相当于计算机系统，完成数据的处理功能。传输层起到承上启下的作用。

• 物理层（Physical Layer）：数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）的物理与逻辑连接方法。

  • 传输单位：比特
  • 任务：透明地传输比特流
  • 功能：在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流
  • 研究内容：
    • 通信链路与通信结点的连接需要电路接口，物理层规定了这些接口的参数，如机械形状和尺寸、交换电路的数量和排列等
    • 物理层规定了通信链路上传输的信号的意义和电气特征
• 数据链路层（Data Link Layer）：
  • 传输单位：帧
  • 任务：将网络层传来的IP数据组装成帧
  • 功能：组装成帧、差错控制、流量控制和传输管理
  • 典型协议：HDLC、PPP、ADSL等
  • 提供点到点（主机到主机）之间的通信

• 网络层（Network Layer）：

  • 传输单位：数据报
  • 任务：把网络层的协议数据单元（分组）从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务
  • 功能：路由选择、流量控制、拥塞控制、差错控制和网络互联
  • 典型协议：IP、ICMP、IGMP、ARP等

• 传输层（Transport Layer）：

  • 传输单位：报文段（TCP）或数据报（UDP）
  • 任务：负责主机中两个进程之间的通信
  • 功能：为端到端连接提供可靠传输服务、为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务
  • 典型协议：TCP、UDP
  • 提供端到端（进程与进程）之间的通信
• 会话层（Session Layer）：
  • 允许不同主机各个进程之间进行会话。
  • 会话（建立同步，SYN）：表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据的过程。
  • 功能：
    • 管理主机间的会话进程
    • 数据同步：使用校验点使通信失效时可以从校验点继续恢复通信
• 表示层（Presentation Layer）：
  • 任务：处理两个通信系统中交换信息的表示方式
  • 功能：数据压缩、加密和解密，数据表示变换

• 应用层（Application Layer）：

  • 为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段
  • 典型协议：FTP、SMTP、HTTP等

    TCP/IP模型

    ARPA在研究ARPAnet时提出的TCP/IP模型，模型从低到高依次为网络接口层（对应OSI参考模型的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型的会话层、表示层和应用层）。TCP/IP以模型中两个最主要的协议命名，应广泛使用已成为事实上的国际标准。

• 网络接口层：

  • 类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层
  • 作用：从主机或结点接收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上
• 网际层（主机-主机）：
  • 类似于OSI参考模型的网络层
  • 作用：将分组发往任何网络，并为之独立地选择合适的路由，但不保证各个分组有序地到达，各个分组有序的交付由高层负责
  • 典型协议：IP
• 传输层（应用到应用或进程到进程）：
  • 类似于OSI参考模型的传输层
  • 作用：使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话
  • 典型协议：
    • 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
    • 用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）：无连接的，数据传输的单位是数据报，不保证可靠交付，只能提供“尽最大努力交付”。
• 应用层（用户到用户）：
  • 类似于OSI参考模型的会话层、表示层和应用层

    OSI参考模型和TCP/IP模型的比较

    相同点

• 都采用分层的体系结构，将复杂的问题划分为若干较容易的问题，分层的功能大体相似
• 都是基于独立的协议栈的概念
• 二者都可以解决异构网络的互连，实现不同厂家生产的计算机之间的通信

  不同点

• OSI参考模型精确地定义了三个主要概念：协议、服务和接口，符合现代面向对象程序设计思想；TCP/IP在概念上没有明确区分
• OSI参考模型产生协议之前没有偏向特定协议，通用性良好；TCP/IP首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述
• OSI参考模型最初只考虑一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连，在认识到IP的重要性后，将网络层划分出一个子层完成类似于IP的功能；TCP/IP模型在设计之初就考虑到了多种异构网的互联问题，并将IP作为一个单独的重要层次
• OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信；TCP/IP认为可靠性是端到端的问题，在网际层仅有一种无连接的通信模式，但在传输层支持无连接和面向连接两种模式。