計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其體系結(jié)構(gòu)

李子梅

（山東科技大學(xué) 山東 青島 266590）

1 引言

回顧20世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，它己經(jīng)從小型的局域網(wǎng)逐漸壯大到至今全球性的互連廣域網(wǎng)。伴隨著的是人們翻天覆地的生產(chǎn)和生活方式的變化，從上世紀(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要用于傳輸軍用數(shù)據(jù)到現(xiàn)在用于人們的互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)——Internet實(shí)現(xiàn)了世界一體化，使得世界近在身邊、盡收眼底。永無止境是對因特網(wǎng)的未來的描述，隨著社會(huì)的演變，因特網(wǎng)會(huì)一直創(chuàng)造性地發(fā)展下去。

2 因特網(wǎng)的概述

從因特網(wǎng)的發(fā)展來看，它在歷史中大致可以分為三個(gè)階段，其中，這三個(gè)階段并不是完全隔離沒有交叉，相反，它們是存在重疊的。[3]

第一階段是從單個(gè)網(wǎng)絡(luò)ARPAnet向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程。1969年投入使用的由美國國防部高級研究計(jì)劃署（DARPA ）研制的基于分組交換網(wǎng)ARPAnet是Internet的起源。

第二階段是建成了三級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。1986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)基于TCP/IP協(xié)議的通訊建立NSFnet。NSF鼓勵(lì)和資助大學(xué)和政府資助的研究機(jī)構(gòu)等把自己的局域網(wǎng)并入NSFnet。1990年NSFnet徹底取代了ARPAnet成為Internet的主干網(wǎng)，形成主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)、校園網(wǎng)結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。

第三階段是逐漸形成了多層次ISP（Intenet Service Provider，因特網(wǎng)服務(wù)提供商）結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。1991年，NSF會(huì)決定允許網(wǎng)絡(luò)用干商業(yè)用途，1993年開始，若干ISP主干網(wǎng)逐漸替代NSFnet，為了使很多不同的ISP經(jīng)營的網(wǎng)絡(luò)能夠互通，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP），逐漸形成如圖1所示的多層次網(wǎng)絡(luò)。

圖1 多層次ISP結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述

3.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一些自治且互相連通的計(jì)算機(jī)集合而成的系統(tǒng)。其中，自治是指這些計(jì)算機(jī)不依賴于網(wǎng)絡(luò)也能夠獨(dú)立工作。互相連通是指網(wǎng)絡(luò)各結(jié)點(diǎn)之間存在通信通道，不僅包括傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的物理互連，還包由協(xié)議實(shí)現(xiàn)的邏輯互聯(lián)。

3.2 不同類別的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有很多分類方法，分類是根據(jù)性質(zhì)特點(diǎn)來劃分，主要有以下幾種：

（1）按不同作用范圍分類：廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）。

（2）按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類：總線型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

（3）按不同作用層次分類：接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)、核心網(wǎng)。

3.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能

衡量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)有：速率、帶寬、吞吐量、時(shí)延、利用率等。

除了性能指標(biāo)外，人們相對關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的可靠性與容錯(cuò)性、可擴(kuò)展性和可升級性、安全性、易于管理和維護(hù)、服務(wù)質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化、費(fèi)用等特征。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能和其非性能特征的不斷提升，現(xiàn)代生活中人們對網(wǎng)絡(luò)的使用變得愈簡單愈快捷，基于網(wǎng)絡(luò)良好的性能和特征它已經(jīng)和人類活動(dòng)融合在一起，不可分割。

4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

4.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中為有條不紊地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP（Internet Protocol）。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題。[1]

（1）鑒于網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間通信的復(fù)雜性，在制定協(xié)議時(shí)通常把復(fù)雜元素分解成一些簡單元素，然后再將它們復(fù)合起來。運(yùn)用分層法，協(xié)議可以分割成如下性質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)：

（2）除了最高層外，中間的每一層都向上一層提供服務(wù)，同時(shí)又是下一層的服務(wù)用戶。

（3）結(jié)構(gòu)中的每一層都規(guī)定有明確的服務(wù)及接口標(biāo)準(zhǔn)。[2]

4.2 OSI/RM體系結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的用戶迫切要求互相交換信息，為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互連，1977年ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織成立專門機(jī)構(gòu)研究該問題，之后提出了在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的OSI/RM（開放系統(tǒng)互連基本參考模型），簡稱OSI。但OSI參考模型并非具體實(shí)現(xiàn)的描述，只是一個(gè)為制定標(biāo)準(zhǔn)而提供的概念性框架，由于其結(jié)構(gòu)層次的劃分過于精細(xì)而沒有應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，真正廣泛應(yīng)用的是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。

OSI七層模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每一層實(shí)現(xiàn)各自的功能和協(xié)議，并完成與相鄰層的接口通信。

圖2 OSI七層模型

各層的功能介紹：

（1）應(yīng)用層——OSI參考模型中最靠近用戶的一層，為計(jì)算機(jī)用戶提供應(yīng)用接口。

（2）表示層——提供用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的編碼和轉(zhuǎn)換的功能。

（3）會(huì)話層——負(fù)責(zé)建立、管理和終止表示層實(shí)體之間的通信會(huì)話。

（4）傳輸層：建立了主機(jī)端到端的連接。

（5）網(wǎng)絡(luò)層——通過IP尋址來建立結(jié)點(diǎn)之間的連接，為收到的源主機(jī)的運(yùn)輸層分組選擇合適的路由和交換結(jié)點(diǎn)。

（6）數(shù)據(jù)鏈路層——將比特組合成字節(jié)，再將字節(jié)組合成幀。

（7）物理層——通過物理介質(zhì)傳輸比特流。

4.3 TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)實(shí)生活中被廣泛應(yīng)用的TCP/IP體系是四層結(jié)構(gòu)，它較好地平衡了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度和運(yùn)行效率，將OSI七層結(jié)構(gòu)中最高三層的功能融合到應(yīng)用層后使得應(yīng)用層的功能定義更加清晰，成為Internet標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)及其與OSI的對比如圖3所示。

圖3 TCP/IP結(jié)構(gòu)與OSI結(jié)構(gòu)的對比

5 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展情況以及下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

自1989年我國第一個(gè)公用交換網(wǎng)CNPAC建成運(yùn)行后，局域網(wǎng)的發(fā)展迅速，對各行各業(yè)的管理現(xiàn)代化和辦公自動(dòng)化起到積極的作用，并在1994年我國正式接入因特網(wǎng)。中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心CNNIC每年公布兩次我國因特網(wǎng)的發(fā)展情況，并將使用過互聯(lián)網(wǎng)的6周歲以上的中國公民稱為網(wǎng)民。從圖4可知2017年6月的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)，我國互聯(lián)網(wǎng)普及率越來越高，網(wǎng)民逐年增加，這些都昭示著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已完全融入人民生活。

圖4 2017年CNNIC中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展統(tǒng)計(jì)調(diào)查

下一代互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)解決了一些存在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題并優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)，它是指一個(gè)建立在IPv6技術(shù)基礎(chǔ)上的新型公共網(wǎng)絡(luò)，能夠容納各種形式的信息，是一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)寬帶窄帶一體化、有線無線一體化、有源無源一體化、傳輸接入一體化的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，下一代互聯(lián)網(wǎng)具有更大的地址空間(IPv6)、更快、更安全、更及時(shí)、更方便、更可管理、更有效，有助于顯著提升我國互聯(lián)網(wǎng)的承載能力和服務(wù)水平，更好融入國際互聯(lián)網(wǎng)，共享全球發(fā)展成果。

[1]楊鵬，顧冠群.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)涵義分析[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2007，(03)：1-5+158.

[2]夏夢芹，魯珂，劉念伯，曾家智.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2005，(04)：104-106+230.

[3]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013：4-6.