【系统架构设计】计算机网络

网络架构与协议

网络互联模型

OSI/RM 结构模型

1977年，国际标准化组织为适应网络标准化发展的需求，制定了开放系统互联参考模型（Open System Interconnection/Reference Model ,OSI/RM），形成了网络架构的国际标准。OSI/RM构造由下到上的7层模型：

• 物理层

主要功能：透明地完成相邻节点之间原始比特流的传输，其中透明 表示物理层不需要关心比特代表的具体含义，而要考虑如何发送 0 和1 ，以接收端如何识别。该层在传输介质基础上作为系统和通信介质的接口，为数据链路层提供服务。

• 数据链路层

负责在两个相邻节点之间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据，通过流量控制和差错控制，将原始不可靠的物理层连接变成无差错的数据通道，并解决多用户竞争问题，使之对网络层显现一条可靠的链路。

• 网络层

是通信子网的最高层，主要任务是在数据链路层服务基础上，实现整个通信子网内的连接，并通过网络连接交换网络服务数据单元（packet）。主要解决数据传输单元分组在通信子网中的路由选择、拥塞控制和多个网络互联的问题。

• 传输层

是负责数据通信的最高层，也是面向网络通信的低三层（物理层、数据链路层、网络层）和面向信息处理的高三层（会话层、表示层、应用层）之间的中间层，是资源子网和通信子网的桥梁。主要任务是为两台计算机的通信提供可靠的端到端的数据传输服务。传输层反映并扩展了网络层子系统的服务功能，并通过传输层地址为高层提供传输数据的通信端口，使系统之间高层资源的共享不必考虑数据通信方面的问题。

• 会话层

利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施 服务请求者与服务提供者之间的通信、组织和同步它们的会话活动，并管理它们的数据交换过程。

• 表示层

处理的是用户信息的表示问题。端用户（应用进程）之间传送的数据包含语义和语法两个方面：语义是数据的内容及其含义，它由应用层负责处理；语法是与数据表示形式有关的方面，例如，数据的格式、编码和压缩等。表示层主要用于处理应用实体面向交换的信息的表示方法，包括用户数据的结构和在传输时的比特流（或字节流）的表示。这样即使每个应用系统有各自的信息表示法，但被交换的信息类型和数值仍能用一种共同的方法来描述。

• 应用层

是直接面向用户的一层，是计算机网络和最终用户之间的界面。在实际应用中，通常把会话层和表示层归入应用层，使OSI/RM成为一个简化的五层模型 。

TCP/IP结构模型

由于OSI/RM 结构过于复杂，实际系统中采用OSI/RM的并不多，目前使用最广泛的可互操作的网络架构是TCP/IP(Transmission Control Protocol /Internet Protocol ,传输控制协议/网际协议) 。与OSI/RM 结构不同，不存在一个正式的TCP/IP结构模型 ，但可根据已开发的协议标准和通信任务将其大致分为4个比较独立的层次，分别是：

• 网络接口层

大致对应于 OSI/RM的数据链路层和物理层，主要负责管理为物理网络准备数据所需的全部服务程序和功能。

• 网络互联层

也称为网络层、互联网层或网际层 ，负责将数据报独立地从信源传送到信宿，主要解决路由选择、阻塞控制和网络互联等问题，在功能上类似于OSI/RM中的网络层。主要协议有 IP、ICMP（网际控制报文协议）、IGMP(网际组管理协议)、ARP(地址解析协议)、RARP(反向地址解析协议)等。

• 传输层

负责信源和信宿之间提供端到端的数据传输服务，相当于OSI/RM中的传输层。主要协议是TCP 和UDP。TCP有助于提供可靠性，而UDP则有助于提高传输效率。UDP一般用于传输数据量大，对可靠性要求不是很高，但要求速度快的场合。

• 应用层

直接面向用户应用，为用户方便地提供对各种网络资源的访问服务，包含了OSI/RM会话层和表示层中的部分功能。常见的协议有：FTP（文件传输协议）、TFTP（简单文件传输协议）、HTTP（超文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DHCP（动态主机配置协议）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名系统）、SNMP（简单网络管理协议)等。

IPv6

解决Ipv4 地址空间耗尽、路由表急剧膨胀、缺乏对QoS的支持 、本身并不提供任何安全机制、移动性差等问题。全称是“互联网协议第6版”。

QoS（Quality of Service）即服务质量。在有限的带宽资源下，QoS为各种业务分配带宽，为业务提供端到端的服务质量保证。例如，语音、视频和重要的数据应用在网络设备中可以通过配置QoS优先得到服务

一个32位的Ipv4 地址以8个位为一段分成4段，每段之间用点“.”分开；Ipv6地址的128位是以16位为1段，共分为8段，每段的16位转换为一个4位的16进制数字，每段之间用冒号“:"分开。

为方便书写，对于每一段中的前导 0可以进行省略，如前面的地址经过一次压缩，可以得到：

2001：da8：d001：1：0：0：0：1
1

对于连续2段以上都是0的字段，可以用 "::"表示，再次压缩得到

2001：da8：d001：1：：1
1

但要注意，**每个Ipv6地址只允许有一个：： **

局域网与广域网

局域网特点

1. 地理分布范围小
2. 数据传输速率高
3. 数据误码率低
4. 一般以PC为主体，还包括终端和各种外设，网络中一般不架设主骨干网系统
5. 协议相对简单、结构灵活，建网成本低、周期短，便于管理和扩充。

构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构、总线结构、环形结构、网状结构。

网络互连与常用设备

网络互联设备

交换技术

按照实际的数据传送技术，交换技术又可分为电路交换、报文交换、分组交换：

• 电路交换：在数据传送之前必须先设置一条通路。在线路释放之前，该通路将由一对用户独占；
• 报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报文时，同时只占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，报文交换不能满足实时通信的要求。
• 分组交换。交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文；在虚电路分组交换中，在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。分组交换技术是在数据网络中使用最广泛的一种交换技术。

根据各自的特点，不同的交换技术适用于不同的场合。例如，
对于交互式通信来说，报文交换肯定是不适合的；
对于较轻和间歇式负载来说，电路交换是最合适的，因此，可以通过电话拨号线路来实行通信；
对于较重或持续的负载来说，使用租用的线路以电路交换方式通信是合适的；
对必须交换中等数据到大量的数据时，可用分组交换方法。

路由技术

路由器的主要功能就是进行路由选择。当一个网络中的计算机要给另一个网络中的计算机发送分组时，它首先将分组送给同一个网络中用于网络之间连接的路由器，路由器根据目的地址信息，选择合适的路由，将该分组传递到目的网络用于网络之间连接的路由器中，然后通过目的网络中内部使用的路由选择协议，该分组最后被递交给目的计算机。

网络存储技术

目前，主流的网络存储技术主要有三种，分别是;

• 直接附加存储（Direct Attached Storage，DAS）、
• 网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）\
• 存储区域网络（Storage Area Network，SAN）。