计算机网络:概论(二)
- 计算机网络的拓扑结构
- 星状结构
- 环状结构
- 总线型结构
- 树状结构
- 网状结构
- 分组交换技术
- 线路交换
- 存储转发交换
- 网络体系结构与网络协议
- 网络协议基本概念
- 协议、层次、结构与体系结构
- OSI参考模型
- 层次划分主要原则
- 各层的主要功能
- 特点
- TCP/IP参考模型
- 特点
- 层次
- OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较
- 网络与Internet协议标准化组织和管理机构
计算机网络的拓扑结构
基本的网络拓扑结构有5种:星状、环状、总线型、树状与网状
星状结构
- 中心节占控制全网的通信,任何两节点之间的通信都要通过中心节点。
- 星状拓扑结构简单,易于实现,便于管理。
- 网络的中心节点是全网性能与可靠性的瓶颈,中心节点的故障可能造成全网瘫痪
环状结构
- 节点通过点-点通信线路连接成闭合环路。
- 环中数据将沿一个方向逐站传送。
- 环状拓扑结构简单,传输延时确定。
- 环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个节点或线路出现故障,都有可能造成网络瘫痪。
- 为了方便节点的加入和撤出环,控制节点的数据传输顺序,保证环的正常工作,需要设计复杂的环维护协议。
总线型结构
- 所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线﹐以广播方式发送和接收数据。
- 当一个节点利用总线发送数据时,其他节点只能接收数据。
- 如果有两个或两个以上的节点同时发送数据时,就会出现冲突,造成传输失败。
- 总线型拓扑结构的优点是结构简单,缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题。
树状结构
- 节点按层次进行连接,信交换主要在上、下节点乙间进仃,相邻及同层节点之间通常不进行数据交换,或数据交换量比较小。
- 树状拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展,树状拓扑网络适用于汇集信息。
网状结构
- 节点之间的连接是任意的,没有规律。网状拓扑的优点是系统可靠性高。
- 网状拓扑结构复杂,必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。
分组交换技术
计算机网络的数据交换方式对于网络数据传输,以及对网络的性能影响很大。
计算机网络的数据交换方式基本可以分为两大类:线路交换与存储转发交换。
线路交换
优点
- 当线路连接过程完成后,在两台主机之间建立的物理线路连接为此次通信专麻通信实时性强。
- 适用于交互式会话类通信。
缺点
- 不适用于计算机与计算机之间的突发性通信。
- 不具备数据存储能力,不能平滑通信量。
- 不具备差错控制能力,无法发现与纠正传输差错。
因此,在线路交换的基础上人们提出了存储转发交换方式。
存储转发交换
- 发送的数据与目的地址,源地址、控制信息一起,按照一定的格式组成一个数据后(报文或报文分组)再发送出去。
- 路由器可以动态选择传输路径,可以平滑通信量,提高线路利用率。
- 数据单元在通过路由器时需要进行差错校验,以提高数据传输的可靠性。
- 路由器可以对不同通信速率的线路进行速率转换。
由于存储转发交换方式具有以上明显的优点,因此在计算机网络中得到了广泛的应用
报文交换与分组交换的比较
- 将报文划分成有固定格式和最大长度限制的分组进行传输,有利于提高路由器检测接收分组是否出错、出错重传处理过程的效率,有利于提高路由器存储空间的利用率。
- 路由选择算法可以根据链路通信状态,网络拓扑变化,动态地为不同的分组选择不同的传输路径,有利于减小分组传输延迟,提高数据传输的可靠性。
网络体系结构与网络协议
网络协议基本概念
协议就是一组控制数据交互过程的通信规则。
网络协议同样是由以下三个要素组成。
- 语义。语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息,以及宪成的动作与做出什么样的响应。
- 语法。语法是用户数据与控制信息的结构与格式,以及数据出现的顺序。
- 时序。时序是对事件发生顺序的详细说明。
人们形象地把这三个要素描述为:语义表示要做什么,语法表示要怎么做,时序表示做的顺序。
协议、层次、结构与体系结构
。为一个特定的系统制定组协议称为协议栈(protocol stack)。同样,要保证计算机网络中大量计算机之间有条不紊地交换数据,也必须事先制定一系列的通信协议。因此,协议是计算机网络中一个最基本的概念。
计算机网络是一个复杂的系统。要保证计算机网络能够有条不紊地工作,就必须制定出一系列的通信协议。每种协议在设计时都是针对于某个特定的目的和过程,以及在这个数据交换过程中需要解决的问题。
层次
层次(layer)结构是处理计算机网络问题最基本的方法。对于一些难以处理的复杂题,通常是采用分解为若干个容易处理的,小一些的问题.
接口
计算机网络中也引入了接口的概念。接口是同一主机内相邻层之间交换信息的连接点。
- 同一主机的相邻层之间存在着明确规定的接口,相邻层之间通过接口来交换信息。
- 低层通过接口向高层提供服务。只要接口条件不变、低层功能不变,实现低层协议的技术的变化,不会影响整个系统的工作。
体系结构
- 网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合。
- 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行精确定义。
- 网络体系结构是抽象的,而实现网络协议的技术是具体的。
层次型网络体系结构的优点
- 各层之间相互独立。
- 灵活性好。
- 易于实现和标准化
OSI参考模型
“开放”是指一台联网计算机系统只要遵循OSI标准,就可以与世界上任何一台遵循相同协议的计算机系统进行通信。
OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系,以及各层所包括的可能的服务。OSI的服务定义详细的说明了各层所提供的服务,但并不涉及接口的具体实现方法。
层次划分主要原则
- 网中各主机都具有相同的层次
- 不同主机的同等层具有相同功能
- 同一主机内相邻层之间通过接口通信
- 每层可以使用下层提供服务,并向其上层提供服务
- 不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信
各层的主要功能
物理层
- 物理层是OSI模型的最低层
- 物理层利用传输介质为通信的主机之间建立、管理和释放物理连接
- 数据传输单元是比特(bit)
数据链路层
- 数据链路层的低层是物理层,相邻高层是网络层
- 采用差错控制与流量控制方法(会检查是否有传输错误),使有差错的物理线路变成无差错的数据链路
- 数据传输单元是帧
网络层
- 相邻低层是数据链路层,相邻高层是传输层
- 通过路由选择算法为分组通过通信子网选择适当的传输路径,实现流量控制、硬塞控制与网络互联的功能。
- 网络层的数据传输单元是分组
传输层
- 相邻低层是网络层,高层是会话层
- 为分布在不同地理位置计算机的进程通信提供可靠的端-端连接数据传输服务
- 向高层屏蔽了低层数据通信的细节
- 数据传输单元是报文
会话层
- 相邻低层是传输层,相邻高层是表示层
- 维护两个会话主机之间连接的建立、管理和终止,以及数据交换。
表示层
- 相邻低层是会话层,高层是应用层
- 负责通信系统之间的数据格式变换,数据加密与解密、数据压缩与恢复
应用层
- OSI参考模型的最高层
- 实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制
特点
- 源主机数据从应用层向下到数据链路层,逐层按照相应协议加上各层的包头,目的主机数据从数据链路层到应用层,逐层按照各层协议读取报头。
- 整个处理过程对用户是“透明”的。OSI环境中各层执行网络协议的硬件或软件自动完成,整个过程不需要用户介入。
TCP/IP参考模型
OSI参考模型的研究对促进计算机网络理论体系的形成起到重要作用,但是它也受到TCP/IP的挑战。目前TCP/IP已成为公认的Internet工业标准与事实上的Internet协议标准。
TCP/IP协议共出现过6个版本。目前使用的TCP/IP是版本4,即IPv4。IPv6被称为“下一代的IP”(目前已有部分软件支持IPv6如网易云音乐)。
TCP/IP是Internet中重要的通信规则。它规定了计算机通信所使用的协议数据单元、格式、报头与相应的动作。
特点
- 开放的协议标准
- 独立于特定的计算机硬件与操作系统
- 独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网络。
- 统一的网络地址分配方案,所有网络设备在Internet中都有唯一的IP地址。
- 标准化的应用层协议,可以提供多种拥有大量用户的网络服务。
层次
应用层(功能上对应OSI的应用层、表示层和会话层)
TCP/IP参考模型的最高层,包括各种标准的网络应用协议。
TCP/IP应用层的基本协议主要有
- 远程登录协议(TELNET)
- 文件传输协议(File Transfer Protocol,FTP)
- 简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol,SMTP)
- 超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP)
- 域名服务(DNS)协议
- 简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol,SNMP)
- 动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP)
传输层(功能上对应OSI的传输层)
负责在会话进程之间建立和维护端-端连接,实现网络环境中分布式进程通信。传输层定义了两种不同的协议:传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。
TCP是一种可靠的、面向连接、面向字节流的传输层协议,提供比较完善的流量控制与拥塞控制功能。
UDP是一种不可靠的、无连接的传输层协议。
互联网络层(功能上对应OSI的网络层)
使用IP协议(不可靠、无连接的数据报传输服务协议)。协议数据单元是IP分组。
互联网络层功能:
- 处理来自传输层的数据发送请求
- 处理接收的分组(检查目的IP地址,通过路由选择算法选择发送路径并转发)
- 处理网络的路由选择、流量控制与拥塞控制。
主机-网络层(功能上对应OSI的数据链路层和物理层)
负责发送和接收IP分组。体现TCP/IP体系的开放性、兼容性的特点,也是TCP/IP成功应用的基础。
OSI参考模型与TCP/IP参考模型比较
- OSI参考模型与与协议结构复杂,实现周期长,运行效率低,缺乏市场与商业推动力,这是它没能够打到预期目标的主要原因。
- TCP/IP已经历40多年的实践检验,并且已成功赢得大量用户和投资。TCP/IP成功促进Internet的发展。
网络与Internet协议标准化组织和管理机构
- 国际电信联盟(ITU)
- 国际标准化组织(ISO)
- 电子工业协会(EIA)
- 电气电子工程师协会(IEEE)