网站软件系统架构案例：网络结构分析

计算机网络体系结构（笔记整理）

1.1计算机网络概述

1.1.1计算机网络的概念

计算机网络是指将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与链路链接起来、再有功能完善的软件实现资源共享和信息传输的系统。

1.1.2计算机网络的组成

1） 按照组成部分：主要由硬件、软件、协议三部分组成。

硬件：端系统、通信链路（双绞线、光纤、同轴电缆）、交换设备（路由器、交换机）等。

软件：主要包括实现资源共享的软件（网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序）等

协议：是计算机网络的核心，是同一层次对等实体间通信所遵循的规则和约定，即规定了网络传输数据所遵循的规范。

2）按照工作方式： 主要分为边缘部分和中心部分

边缘部分：由所有链接到因特网上、供用户直接使用的主机组成（端系统、网络摄像头等）【提供端A到端B的进程间的通信】

核心部分：由大量的网络和链接这些网络的路由器组成，他主要为边缘部分提供联通、交换服务。

3）按照功能组成：通信子网、资源子网

通信子网：各种传输介质、通信设备、和相应的网络组成。ISO/OSI参考模型的下三层。

资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合。ISO/OSI参考模型的上三层。

1.1.3 计算机网络的功能

1.数据通信

2.资源共享

3.分布式处理：多台计算机共同承担同一任务的不同部分

4.提高可靠性: 例如A主机宕机了，通过计算机网络可以使B主机顶上去作为替代机。

5.负载均衡

1.1.4 计算机网络的分类

1.按照分布范围分类

广域网：广域网是因特网的核心、覆盖范围几十km~几千km，采用的是交换技术

城域网：覆盖范围3~50km，采用以太网技术

局域网：采用广播技术

个人区域网

2.按照传输技术分类

1）广播式网络：所有计算机共享一个通信信道，当A主机利用公共信道发送数据时，其他主机都处于监听的状态。

2）点对点网络：每条物理线路链接一对计算机、若通信的两台主机没有直接的通信线路，数据通信则要通过中间节点接收、存储和转发,直至目的节点。【采用分组存储转发和路由选择机制】

3.按照拓扑结构分类

1）总线型网络：优点：建网容易、节省路线。缺点：负载过高时通信效率不高、对故障敏感。

2）星形网络

3）环形网络

4）网状网络

4.按照使用者分类

1）公用网络

2）专用网络：例如铁路、电力、军队等部门的专用网，不向外人提供。

5.按照交换技术分类

1）电路交换网络：在源节点和目的节点间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立链接、数据传输、释放连接三个阶段。

优点：整个报文的比特流连续有序的从原点到终点，好像在一条管道中传送（有序传输、时延小、数据直达）

缺点：通信双方独占线路，导致链路利用率低、不便差错控制、对故障敏感

2）报文交换网络（存储转发网络）：用户数据加上控制信息（源地址、目标地址、校验码等辅助信息）然后封装成报文，整个报文传送到相邻接点、全部存储后再转发给下一个节点，直至目标节点。

优点：充分利用线路容量、不同链路，不同传输速率的转换、差错控制

缺点：存储转发增加了资源开销、缓冲区难以管理。

3）分组交换网络（包交换网络）：将数据分割成较短的固定长度的数据块，在每个数据块上加上源地址、目的地址、辅助信息组成分组，以存储转发的方式传输。

优点：除具备报文交换的优点外，还具有缓冲区容易管理、包的平均时延小、更加的适用。

1.1.5 计算机网络的新能指标

1） 带宽：在计算机网络中带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，表示单位时间往信道上注入数据的速率，而非数据在信道上传播的速率。（bit/s）

2）时延：数据从一端传送到到另一端所需要的总时间。由四部分组成：

发送时延：将分组的所有比特推向到链路上所需要花费的时间。

 传播时延：即一个比特从链路的一端传送到另一端所需花费的时间。

 处理时延： 分组在交换节点为了存储转发而进行的一些必要工作花费的时间。【分析头部、提取数据部分、差错检验、路由选择等】

排队时延：分组在进入路由器后在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发端口后，当在输出队列中排队等待转发。

3）时延贷款积： 发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少比特的数据。

4）往返时延 ： 传播时延 * 2 + 末端处理时间

5）吞吐量： 单位时间内通过某个网络的数据量，主要受带宽和额定速率限制

6）速率： 又称数据率，数据传输速率、比特率，指连接到计算机网络的主机在信道上传送数据的速率，在计算机网路中，将最高数据传输速率称之为带宽。

7）信道利用率： 指某一信道有百分之多少的时间是有比特通过的。

时延和利用率成正相关，当利用率趋近1的时候、时延暴增。

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络的分层结构

注：我们将计算机网络的各层机器协议的集合成为网络的体系结构，计算机网络体系结构就是计算机网络中的各个层次、协议以及层间结构的集合。

在计算机网络体系结构中，报文分成两部分： 数据部分（SDU），控制信息（PCI），共同组成PDU

SDU:未完成某种功能而应传送的数据

PCI：包含检验差错、路由选择、数据包优先级等信息。

PDU：对等层次之间传送的数据单位成为该层的PDU。【把n+1层收到的PDU作为n层的SDU，再加上n层的PCI，组成n-PDU】；

计算机网络协议、接口、服务的概念

协议： 为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称之为协议，他是控制两个对等实体间进行通信的规则的集合，是水品的

接口： 接口是同一实体相邻两层交换信息的连接点。不能跨层定义接口。

同一节点相邻两层的实体通过服务访问点SAP进行交互，服务是通过SAP提供给上层使用的。

服务： 是下层为紧邻的上层提供的功能调用，他是垂直的。

面向链接（TCP）与无连接服务（IP、UDP）

1. 面向链接服务中，通信前双方必须建立链接，分配相应的资源，以保证通信能够正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。
2. 面向无连接服务中，通信前双方不需要建立链接、可及时发送、把带有目的地址的包传送到线路上、有系统选定传输线路。这是一种不可靠的服务。这种服务被描述为“尽最大可能进行交付”，并不保证通信的可靠信。IP、UDP

可靠服务与不可靠服务

1. 可靠服务是指：网络具有纠错、检错、应答机制、能保证数据正确、可靠地传输到目的地址。
   其网络的正确性、可靠信由引用或者用户来保障。
2. 不可靠服务意味着网络只是尽量正确、可靠地传送、而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地址上。

有应答和无应答服务

1. 有应答服务是接收方在接收到数据之后向发送方给出的应答，该应答由系统内部实现、不由用户实现。分为：肯定应答和否定应答【文件传输服务就是一种有应答服务】
2. 无应答服务指接收方接收导数据后不自动给出应答，若需要应答由高层来实现。【WWW服务、客户端收到服务器发送的页面文件后可以不应答】

ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

1. 物理层：物理层的传输单位是比特，功能是在物理媒体上为数据端传输比特流。
   功能：
   1.定义接口特性
   2.定义传输模式
   3.定义传输速率
   4.比特同步
   5.比特编码
2. 数据链路层：数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧。
   功能：
   1.封装成帧
   2.差错控制
   3.流量控制
   4.访问介入控制
   3.网络层：数据传输单位是数据报，主要任务是将网络层的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：
   1.路由选择：利用相应的路由选择算法选择一条合适的路径，是这个分组可以快速到达终端
   2.流量控制：协调发送端的发送速率和接收端的接收速率。
   3.差错控制： 根据通信两个节点间的特定检错规则（奇偶校验码），接收方根据这个规则检查分组是否出现了错误，若出错则纠错，不能纠错就丢弃。
   4.拥塞控制： 某个节点来不及接收分组而要丢弃大量分组的情况，那么网络就处于拥塞状态、网络层要采取一定的措施解决拥塞问题。
   
   4.传输层：传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP）,传输层负责主机中两个进程间的通信。
   功能：为端到端链接提供可靠传输服务。
   1.流量控制
   2.差错控制
   3.可靠、不可靠传输
   4.复用、分用
   5.会话层：这种服务主要为表示层实体或用户进程建立链接并在线路上有序的传输数据，这就是会话(建立同步).
   会话层负责管理主机间的会话进程。
   1.建立、管理及其终止进程间的会话
   2.使用校验点恢复通信、实现数据同步
   6.表示层：主要处理两个通信系统交换信息的表示方式。
   功能：
   1.数据格式变换
   2.数据加密、解密
   3.数据压缩、恢复等
   7.应用层： 所有能和用户交互产生网络流量的程序。（典型的协议：FTP、SMTP、HTTP）

TCP/IP模型

从图中可以看出、TCP/IP模型将应用层、表示层、会话层聚合在一起归为为应用层的范畴。将数据链路层、和物理层合并归类为网络接口层。

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