计算机网络体系结构

概述

• 计算机网络概念
  • 广义:只要能实现远程信息处理的系统或者进一步能够达到资源共享的系统,都是计算机网络,是计算机网络发展的初级阶段
  • 资源共享:以能够实现相互共享资源的方式互联起来的自治计算机网络系统的集合,符号目前计算机网络的基本特征
  • 用户透明性:存在一个能为用户自动管理资源的物理操作系统,对用户透明,无需了解网络的存在和资源的位置信息,定义了一个分布式的网络,是计算机网络未来的发展目标
• 计算机网络的组成
  • 组成部分:由硬件,软件,协议三大部分组成,协议是计算机网络的核心
  • 工作方式:可分为边缘部分和核心部分,边缘部分由直接供用户使用的主机组成,用来进行通信和资源共享,核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成,为边缘部分提供连通性和交换服务
  • 功能组成:由通信子网和资源子网组成,通信子网由各种传输介质,通信设备和相应的网络协议组成,实现联网计算机间的数据通信,资源子网是实现资源共享功能的数据及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源,软件资源和数据资源的服务
• 计算机网络的功能:
  • 数据通信
  • 资源共享
  • 分布式处理
  • 推广可靠性:计算机网络中的各台计算机互为替代机
  • 负载均衡:将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机
• 计算机网络分类
  • 按作用域从大到小分有,WAN(广域网几十到几千千米),MAN(城域网5~50km),LAN(局域网几十到几千米),PAN(个人区域网10m),但现在局域网也能很大

  传统上,局域网使用广播技术,广域网使用交换技术(广域网卫星和无线网络使用广播技术)

  • 按传输技术分为
    • 广播式网络:使用广播技术,所有在网络中的用户都能收听该分组
    • 点对点网络:通过中间结点点对点接收存储转发,直至目标结点,点对点网络一般使用分组存储转发技术和路由选择机制(与广播网络的重要区别)
  • 按使用者分为专用和公用
  • 按拓扑结构划分
    • 总线型:通过单根传输线把计算机连接起来,缺点是通信效率不高,总线任意一处对故障敏感
    • 星形网络:每个终端以单独线路与中央设备相连,缺点是成本高,中央设备对故障敏感
    • 环形网络:所有计算机接口设备连接成一个环,可以是单环或双环,环中信号单向传输
    • 网状网络:,每个结点至少有两条路径与其他结点相连,有规则型和非规则型两种,有多少可靠性高,缺点是控制复杂,线路成本高
  • 按接入方法分:
    1. 弱电接入:光纤接入或其他弱电接入
    2. 强电接入:通过电线通信
    3. 可见光接入:通过高频闪光灯传送信号
    4. 无线接入
• 数据交换技术(信源到信宿)
  • 电路交换:建立连接,通信,释放连接,使用专用通信线路,独占突发性高,易瘫痪
  • 报文交换:使用电报交换到相邻结点,再查找转发表,转发到下一个结点
  • 分组交换:对目的主机发送信息,将数据分成较小的固定长度的块,以存储转发方式运输,灵活可靠,目前广泛使用
• 计算机网络的性能指标
  1. 带宽:原指信号具有的频带宽度,单位HZ,现在模拟信号指信道可接收的频带宽度,数据信号指传送数据的能力,单位b/s或B/s,$1 B/s = 8 b/s$
  2. 时延:数据从发送端到接收端所需时间,分为
     1. 发送时延:主机将数据发送到链路的时间,即从第一个比特算起到最后一个比特发送完毕所需时间,也称为传输时延,$\text{发送时延}=\text{分组长度}/\text{信道宽度}$
     2. 传播时延:在信道上传送花费的时间,即一个比特传输到另一端所需时间,$\text{传输时延}=\text{信道宽度}/\text{电磁波在信道上的传播速率}$
     3. 处理时延:主机或路由收到信号的为了存储转发的必要处理时间
     4. 排队时延:在路由器排队等待处理的时间

     一般在做题时,排队时延和处理时延忽略不计 对于高速链路通过的是数据的发送频率而非传播速率,减少的是发送时延

  3. 时延带宽积:指发送端发送第一个比特即将到达终点时,发送端发出了多少个比特,因此又称为以比特为单位的链路长度,即$\text{时延带宽积}=\text{传播时延}*\text{信道带宽}$
  4. 往返时延:指从发送端发送一个分组到发送端接收到接收端发送的确认总共经历的时延
  5. 吞吐量:指单位时间内通过某网络接口或信道的数据量
  6. 速率:网络中的速率是数字信道上传输数据的速率,也称数据传输速率,通常把最高的传输速率称为带宽
  7. 信道利用率:指出某一信道有百分之多少的时间有数据通过,即$\text{信道利用率}=\text{有数据通过的时间}/(\text{有}+\text{无})\text{的总时间}$

冯诺依曼的模型机

模型机各部件介绍

• 综述：在早期计算机以运算器为核心，随着数据量的增加，已经无法满足需求，冯诺依曼提出的存储程序的思想，冯诺依曼模型机是以其为基础建立的现代计算机的统称
  • 基本思想是以存储器为核心，将要执行的指令加载到主存后执行，之后无需干预，依次执行，直到结束
  • 计算机硬件由五大部件组成，为运算器、存储器、控制器、输入、输出设备
  • 指令和数据存储在存储器中，形势上没有区别，计算机能够识别
• 功能部件：
  • 输入设备：将程序、数据以机器能接受的信息方式输入计算机
  • 输出设备：将计算机处理结构以人或其他机器能接受的方式输出
  • 存储器：分为主存和外存，工作方式是按地址存取，基本组成包括存储体、MAR（地址寄存器）、MDR（数据寄存器），现代计算机为了方便设计数据通路，将MAR、MDR和cache一起放在CPU中，
    • MAR由于寻址，位数$w$对应存储单元的个数$2^w$
    • MDR由于用于暂存数据，依次位数和存储单元位数一致
  • 运算器：计算机执行运算的部件，用于算数和逻辑运算
    • 核心是ALU（算术逻辑单元）包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果
    • ALU中的通用寄存器，ACC（累加器），MQ（乘商寄存器），X（操作数寄存器），IX（变址寄存器），基址寄存器（BR）等
    • ACC、MQ、X用于存储操作数和中间结果，IX、BR用于数据寻址，前三个必备
    • ALU中还有PSW（程序状态寄存器）用于存储标志信息或处理机的状态信息，这些信息参与和决定微操作的生成
  • 控制器：计算机的控制中心，指挥计算机协调运作，由PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）、CU（控制单元）组成
    • PC用来存放当前预执行指令的地址，可以自增，当需要取出下一条指令时，将值提供给MAR
    • IR用于存放当前指令，内容来自于MDR，指令的操作码OP（IR）会被传送给CU解析，地址码AD（IR）会被传送给MAR取出操作数
    • CU是控制单元，包含ID（译码器）和其他的控制电路

• 结构体数据定义:

typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node *next;
}Node,*Head;

计算机系统概述

操作系统基本概念

• 操作系统：管理各种计算机硬件,为应用程序提供基础,充当计算机硬件和用户之间的中介,综上所述,操作系统OS是控制和管理整个计算机硬件软件资源,组织调度计算机工作和资源分配,为用户和其他软件提供接口和环境的程序集合

  操作系统是一种系统软件

• 操作系统的基本特性:并发,共享,虚拟,异步
  • 并发:程序并发执行,提高系统利用率
  • 共享:操作系统的资源可供多个并发执行的进程使用
  • 虚拟:通过时分复用和空分复用的方式使设备得到有效利用
  • 异步:由于资源等因素的限制,进程的执行通常停停走走,何时能够获取I/O设备,程序将如何推进都是不可预知的
• 操作系统的目标:
  1. 方便性:方便用户,使计算机易学易用
  2. 有效性:提高系统的资源的利用率,合理地组织计算机的工作流程,加速程序的运行,缩短程序的运行周期,从而提高系统的吞吐量
  3. 可扩充性:适应计算机硬件、体系结构和计算机应用发展的要求,OS必须方便地添加新的功能和模块,对原有的功能进行修改
  4. 开放性:所谓开放性,是指系统能够遵循世界标准规范,特别是遵循开放系统相连OSI国际标准
• 操作系统的作用:
  1. OS系统作为用户和计算机硬件系统之间的接口:通过命令调用方式、系统调用和图标窗口方式来实现与操作系统的通信
  2. OS作为计算机系统资源的管理者:OS的主要功能就是对处理器,存储器,I/O设备及文件(数据和程序)管理
  3. OS实现了对计算机资源的抽象:对于无操作系统的裸机,它向用户提供的只是物理接口,用户需要对物理接口的实现有所了解,为了方便用户使用,人们在上面覆盖一层操作系统,由它来实现细节,方便管理