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postgraduate-prep/subjects/cn/01_计算机网络的体系结构.md

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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

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

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
是否建立连接 必须 不需要 不需要
传输单位 比特流 完整报文 分组
转发方式 连续比特流 存储转发 存储转发
时延 建立时延大，传输时延小 时延大 时延较小
资源占用 独占信道 共享信道 共享信道
可靠性 高 较低 高（可重传）