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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）