## 计算机网络的体系结构

### 1. 计算机网络的体系结构

#### 1.1 OSI七层模型

| 层次 | 名称 | 功能 | 典型协议/设备 |
|------|------|------|-------------|
| 7 | 应用层 | 提供网络服务和用户接口 | HTTP、FTP、SMTP、DNS |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密解密、压缩 | JPEG、ASCII、MPEG |
| 5 | 会话层 | 管理会话、建立维护通信 | NetBIOS、RPC |
| 4 | 传输层 | 端到端可靠传输、流量控制 | TCP、UDP |
| 3 | 网络层 | 路由选择、逻辑寻址 | IP、ICMP、路由器 |
| 2 | 数据链路层 | 帧同步、差错控制、MAC寻址 | PPP、Ethernet、交换机 |
| 1 | 物理层 | 比特流传输、接口标准 | 集线器、中继器、双绞线 |

**各层关键职责分布**（五层模型）：

| 功能 | 应用层 | 传输层 | 网络层 | 数据链路层 | 物理层 |
|------|:-----:|:-----:|:-----:|:--------:|:-----:|
| 流量控制 | | ✔ 滑动窗口 | | ✔ 滑动窗口 | |
| 差错控制 | | ✔ 端到端校验+重传 | ✔ 头部校验 | ✔ 帧校验+重传 | |
| 拥塞控制 | | ✔ TCP拥塞控制 | ✔ 路由策略 | | |
| 路由与寻址 | | | ✔ IP路由 | ✔ MAC寻址 | |
| 复用与分用 | | ✔ 端口复用 | | | |
| 会话管理 | ✔（应用层内部） | | | | |
| 数据表示 | ✔（应用层内部） | | | | |
| 用户接口 | ✔ 应用协议 | | | | |

#### 1.2 TCP/IP四层模型

| 层次 | 对应OSI | 主要协议 |
|------|--------|---------|
| 应用层 | 5-7层 | HTTP、FTP、SMTP、DNS、TELNET |
| 传输层 | 4层 | TCP、UDP |
| 网际层 | 3层 | IP、ICMP、ARP、RARP |
| 网络接口层 | 1-2层 | Ethernet、PPP、SLIP |

#### 1.3 数据封装与解封装过程

```
TCP/IP Model - Encapsulation                    Decapsulation
+---------------------+                       +---------------------+
|     Application     |  Data                 |     Application     |
+---------------------+                       +---------------------+
|     TCP/UDP         |  Segment + TCP Hdr    |     TCP/UDP         |
+---------------------+                       +---------------------+
|     IP              |  Packet + IP Header   |     IP              |
+---------------------+                       +---------------------+
|     Ethernet/FCS    |  Frame + Eth Header   |     Ethernet/FCS    |
+---------------------+                       +---------------------+
|     Bit             |  101011001...         |     Bit             |
+---------------------+                       +---------------------+
```

**实际封装过程**：

1. **应用层**：原始数据
2. **传输层**：添加TCP/UDP头部 → 数据段（Segment）
3. **网络层**：添加IP头部 → IP数据报（Datagram）
4. **数据链路层**：添加Ethernet头部和FCS尾部 → 帧（Frame）
5. **物理层**：转换为比特流传输

> **关键点**：封装是自上而下逐层添加头部；解封装是自下而上逐层去掉头部

#### 1.4 各层关键设备与协议

- **物理层**：中继器、集线器（放大信号、广播）
- **数据链路层**：网桥、交换机（基于MAC地址转发、VLAN）
- **网络层**：路由器、三层交换机（基于IP路由）
- **传输层**：四层交换机、防火墙（基于端口）
- **应用层**：网关（协议转换）

#### 1.5 重要概念

- **协议**：控制两个对等实体通信的规则集合
- **服务**：下层向上层提供服务，上层调用下层服务
- **接口**：相邻两层之间交互的界面
- **SDU**：服务数据单元
- **PDU**：协议数据单元

#### 1.6 性能指标

| 指标 | 定义 | 说明 |
|------|------|------|
| 带宽 | 信道所能承载的最高数据传输速率 | 单位 bps（Hz），如 100Mbps、1Gbps |
| 吞吐量 | 单位时间内实际传输的数据量 | ≤ 带宽，受网络拥塞影响 |
| 时延 | 数据从源到目的地所需总时间 | = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 |
| 发送时延 | 数据从节点进入传输介质的时间 | = 数据长度 ÷ 发送速率 |
| 传播时延 | 电磁波在信道上传播的时间 | = 信道长度 ÷ 电磁波传播速度 |
| 处理时延 | 交换机/路由器处理数据的时间 | 包括检错、查路由表等 |
| 排队时延 | 数据在缓存中等待转发的时间 | 取决于网络拥塞程度 |
| 时延带宽积 | 衡量链路上最大比特数量 | = 传播时延 × 带宽（bit） |
| 往返时间 RTT | 数据发送到收到确认的总时间 | 影响 TCP 拥塞控制策略 |
| 信道利用率 | 信道有数据通过的时间比例 | 过高会导致排队时延剧增 |

### 2. 电路交换，报文交换，分组交换

#### 2.1 电路交换（Circuit Switching）

**原理**：通信双方必须建立一条专用物理通路，在通信过程中始终占用该通路，其他用户无法使用。

**工作阶段**：

1. **建立连接**：分配专用信道资源
2. **通信**：双方实时传输数据
3. **释放连接**：归还信道资源

**特点**：

- 优点：通信可靠，时延小，有序传输
- 缺点：建立连接时间长，资源独占利用率低，不适应突发性传输

**典型应用**：传统电话网络

#### 2.2 报文交换（Message Switching）

**原理**：以完整报文为单位进行存储-转发交换，不需要建立专用通路。

**工作流程**：

1. 发送方将整个报文发送给相邻结点
2. 结点完整接收报文并存储
3. 等待下一跳空闲时转发
4. 逐跳传递直至到达目的地

**特点**：

- 优点：无需建立连接，动态分配路线，多个报文可共享信道
- 缺点：时延大，需要大缓存，报文大小不一导致处理复杂

**典型应用**：早期电报系统

#### 2.3 分组交换（Packet Switching）

**原理**：将大报文分割成若干固定长度的分组（包），以分组为单位进行存储-转发。

**工作流程**：

1. 将长报文分割成多个分组
2. 每个分组带序号和目的地址
3. 分组独立选择路由转发
4. 接收端按序号重组报文

**特点**：

- 优点：时延较报文交换小，资源利用率高，支持并行传输，路由灵活
- 缺点：存在时延抖动，需要额外头部开销，可能产生失序

**典型应用**：现代互联网（TCP/IP网络）

#### 2.4 对比总结

| 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|------|:-------:|:-------:|:-------:|
| 时延 | 建立时延大，传输时延小 | 时延大（存储完整报文） | 时延较小（存储转发分组） |
| 缓存 | 无需缓存 | 需缓存完整报文（内存需求大） | 需缓存分组（内存需求小） |
| 信道利用率 | 低（独占信道，空闲浪费） | 较高（共享信道） | 高（统计复用） |
| 是否有序到达 | 是（专用路径） | 是（逐跳转发） | 不一定（可能失序） |
| 差错控制 | 无检错/重传机制 | 有（逐段校验） | 有（逐段校验+重传） |