◆劉振興

（中國(guó)移動(dòng)泰興分公司、揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 225127）

基于C/S架構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)

◆劉振興

（中國(guó)移動(dòng)泰興分公司、揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 225127）

本文從全新的角度出發(fā)，給出了C/S結(jié)構(gòu)的清晰架構(gòu)，對(duì)所謂的“傳輸裝置”和“傳輸介質(zhì)”作了詳細(xì)的描述。簡(jiǎn)化了7層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，演化為新的3層體系機(jī)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也進(jìn)行了歸類，分為TCP和IP兩大族類。最后給出了完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)形式，對(duì)首部的完善提出了建議，增加了尾部。

C/S結(jié)構(gòu)；3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；IP數(shù)據(jù)報(bào)

0 前言

客戶端—服務(wù)器結(jié)構(gòu)又稱為主從式架構(gòu)，簡(jiǎn)稱C/S結(jié)構(gòu)，是一種把客戶端（Client）與服務(wù)器（Server）連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。每一個(gè)客戶端都可以獨(dú)立的向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求。C/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖1所示。

信息實(shí)現(xiàn)從服務(wù)器到客戶端的傳遞，需要傳輸裝置和傳輸介質(zhì)的配合。所謂“傳輸轉(zhuǎn)置”，即“網(wǎng)橋”或“中繼器”，指的是交換機(jī)、集線器和路由器這三種具有信號(hào)放大作用中轉(zhuǎn)裝置，區(qū)別是配備的網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)量依次呈遞減關(guān)系。其中，交換機(jī)與服務(wù)器相連接，是廣域網(wǎng)信息傳輸?shù)氖滓h(huán)節(jié)，提供的端口數(shù)是最多的；集線器是溝通廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，連接交換機(jī)和路由器，端口數(shù)量次多；路由器直接與客戶端相連，處在鏈路的末端，端口數(shù)是最少的。交換機(jī)由各運(yùn)營(yíng)商和ISP提供，集線器則廣泛分布在社區(qū)、校園和企業(yè)等用戶密集的區(qū)域，路由器以家庭或辦公室為單位，數(shù)量最多，分布最廣。

圖1 C/S架構(gòu)拓?fù)鋱D

圖2 三種傳輸介質(zhì)

所謂“傳輸介質(zhì)”，是指光纖、電纜和雙絞線這三種媒介，如圖2所示。眾所周知，現(xiàn)在的寬帶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)光纖通信，光纖具有出眾的導(dǎo)電能力。根據(jù)美國(guó)萊斯大學(xué)的最新研究，同質(zhì)量的碳納米光纖比銅電纜可承載更多電流。單獨(dú)的納米管的電流傳送能力是銅的1000倍，利用其他技術(shù)將納米管合并到光纖中卻無(wú)法達(dá)到這一能力。一系列的實(shí)驗(yàn)證明濕紡的碳納米管光纖比銅的導(dǎo)電能力更出眾，同質(zhì)量的導(dǎo)電量是銅電纜的4倍。這就可以解釋為什么現(xiàn)在光纖通信的網(wǎng)速達(dá)到了電纜通信網(wǎng)速的5倍左右。光纖寬帶使得更多用戶可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器也可以同時(shí)向更多的用戶傳輸數(shù)據(jù)，而不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器癱瘓，或者網(wǎng)絡(luò)擁塞（網(wǎng)速下降）。

從物理層面上講，光纖通信具有電纜通信不可比擬的優(yōu)勢(shì)，光纖的信道數(shù)量與電纜的信道數(shù)量不在同一數(shù)量級(jí)。在局域網(wǎng)常用的雙絞線的信道數(shù)量是最少的，只有8根線。通訊電纜通常是幾十芯的，由幾十根相互絕緣的導(dǎo)線組合而成，通道數(shù)也只有相應(yīng)的幾十。通信光纖的導(dǎo)電纖維可以以千計(jì)，光纖通道數(shù)量可以達(dá)到幾千。

1 OSI體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化

從理論上，OSI體系結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為7層，分別是物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會(huì)話層，表示層和應(yīng)用層。1至4層被看作是低層，低層與數(shù)據(jù)移動(dòng)密切相關(guān)。5至7層被看作是高層，高層包含應(yīng)用程序級(jí)的數(shù)據(jù)。每一層都有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，把封裝好的數(shù)據(jù)傳送到下一層，直至最后形成IP數(shù)據(jù)報(bào)傳送到物理層傳輸介質(zhì)。

從實(shí)踐上，可以把網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為3層，分別是物理層、數(shù)據(jù)層和協(xié)議層。OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層可以歸結(jié)為協(xié)議層。如圖3所示，所有服務(wù)器和客戶端的操作系統(tǒng)瀏覽器都是采用的3層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

圖3 簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

7層網(wǎng)絡(luò)模型過(guò)于理想化，沒(méi)有充分考慮到開(kāi)放條件下具體電信環(huán)境中的實(shí)施問(wèn)題。例如，在統(tǒng)一的體系中，各運(yùn)營(yíng)商或者ISP怎么保持各自多層次網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，以及各自的多層次網(wǎng)絡(luò)又怎么合并為一個(gè)統(tǒng)一的體系？另外，多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不優(yōu)化，電話網(wǎng)從層次化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)層次化結(jié)構(gòu)就可以提供借鑒。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分3層，物理層是由傳輸裝置和傳輸介質(zhì)組成的通信鏈路，數(shù)據(jù)層是以物理層為載體傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元，包括視頻、音頻和圖文信息。協(xié)議層是指為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信而約定的規(guī)則或者標(biāo)準(zhǔn)的集合。通信協(xié)議通常由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織來(lái)協(xié)商確定一個(gè)最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互傳，協(xié)議都存放在服務(wù)器和客戶端操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組件中，以供隨時(shí)調(diào)用。只有使用統(tǒng)一的協(xié)議，雙方才能以相同的規(guī)則編碼、譯碼，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

OSI模型把通信協(xié)議分配到7層各個(gè)層次，每一層都包含相應(yīng)的協(xié)議。根據(jù)3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以把所有的協(xié)議都?xì)w結(jié)為TCP/IP協(xié)議。TCP（傳輸控制協(xié)議）與物理層相對(duì)應(yīng)，IP（網(wǎng)際協(xié)議）與數(shù)據(jù)層相對(duì)應(yīng)。TCP/IP協(xié)議就演變成為兩個(gè)協(xié)議族，可以把所有的協(xié)議分為TCP和IP兩大類，TCP協(xié)議族包括：NetBEUI、ICMP、PPP、HDLC、SDLC、UDP等；IP協(xié)議族包括：IPX/SPX、DNS、RIP、ARP、HTTP、FTP、SMTP等。

2 IP數(shù)據(jù)報(bào)的改進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制碼元，不管是圖文信息，視頻信息還是音頻信息，都是以二進(jìn)制碼元的形式傳送。通常傳送的文件是以分段數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳送，因?yàn)槲募亩M(jìn)制碼元數(shù)量很大，有必要把一個(gè)文件分組傳送，而且對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的形式作出規(guī)定，即UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。

從理論上講，一次傳送的數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)量最多不能超過(guò)8個(gè)，這是因?yàn)殡p絞線的通道數(shù)只有8個(gè)，如果傳送的數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)量過(guò)多會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，不利于網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用，因此數(shù)據(jù)報(bào)的傳送應(yīng)該分批分次進(jìn)行，每批次不超過(guò)8個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。但是，數(shù)據(jù)通路會(huì)分為上行和下行。從客戶端的角度來(lái)看，下行是主要的需求，但是上行也是必不可少的，因此不管是ADSL，還是SDSL都要留有下行通道，在電話和網(wǎng)絡(luò)共線的時(shí)代，還要留有電話通話的信道。因此從實(shí)踐意義上來(lái)講，每批次傳送的數(shù)據(jù)報(bào)以5個(gè)比較合適。

另外，IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部還應(yīng)該記錄分組數(shù)據(jù)所在的每一個(gè)傳送通道的編號(hào)，這些編號(hào)在服務(wù)器端、交換機(jī)端、集線器端、路由器端都要有記載，以便數(shù)據(jù)缺失的時(shí)候可以查詢，是否還在通道內(nèi)，或者是到達(dá)了其它IP地址，沒(méi)有到達(dá)目的IP地址，以此來(lái)判斷是否需要重新發(fā)送該段數(shù)據(jù)。

既然要記錄通道的編號(hào)，就有必要對(duì)通道進(jìn)行編號(hào)，雙絞線有8道，電纜有幾十到幾百道不等，光纖有幾千道。對(duì)電纜和光纖編號(hào)雖然有些困難，但是從根本上來(lái)說(shuō)，電纜和光纖都是可數(shù)的，可數(shù)就可以編號(hào)，而且從實(shí)踐的角度來(lái)看也是可行的。每次數(shù)據(jù)報(bào)傳送都要面臨幾次通道的選擇，可以用m來(lái)描述可供選擇的組合數(shù)，其中n表示空閑的通道數(shù)量，表示一個(gè)批次傳送的數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)量（m≠5）。通常，當(dāng)介質(zhì)是光纖時(shí)，通道數(shù)量，當(dāng)介質(zhì)是電纜時(shí)，通道數(shù)量100＜n，當(dāng)介質(zhì)是電纜時(shí)，通道數(shù)量8＜n。

圖4 增加尾部的IP數(shù)據(jù)報(bào)

傳統(tǒng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)（IP Datagram）由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成，完整的數(shù)據(jù)報(bào)還需要增加尾部，如圖4所示。首部和數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容在傳統(tǒng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)中已給出了詳細(xì)的解釋，而尾部的具體內(nèi)容指的是下一段數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)號(hào)。增加了尾部的數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)方便分組文件的連接，只要下一段的數(shù)據(jù)報(bào)首部標(biāo)識(shí)和上一段的尾部標(biāo)識(shí)相同，就可以把兩段數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)部分連接起來(lái)，最終組合成目標(biāo)文件。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）C/S架構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)通用的結(jié)構(gòu)，合理區(qū)分交換機(jī)、集線器和路由器，有助于正確認(rèn)識(shí)互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)光纖、電纜和雙絞線不同特性，可以清楚的知道數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳送中的不同階段和不同的過(guò)程，以及互聯(lián)網(wǎng)提速的物理原因。

（2）OSI體系結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為3層，在實(shí)踐中已經(jīng)廣泛運(yùn)用，便于跳出繁瑣的7層體系結(jié)構(gòu)“怪圈”。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也可以總結(jié)為TCP/IP協(xié)議族，分為TCP和IP兩大類，便于從整體上理解數(shù)量繁多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

（3）IP數(shù)據(jù)報(bào)的改進(jìn)，數(shù)據(jù)報(bào)的首部應(yīng)該記錄該段數(shù)據(jù)所經(jīng)過(guò)的所有數(shù)據(jù)通道的編號(hào)，這樣便于查詢某個(gè)數(shù)據(jù)段未能及時(shí)到達(dá)客戶端的原因，以便服務(wù)器端和中轉(zhuǎn)裝置端作出響應(yīng)。另外，增加了必不可少的尾部，尾部指向下一段數(shù)據(jù)報(bào)，便于分組數(shù)據(jù)的重新組合連接。

[1]王大東，張菁．基于Linux環(huán)境C/S架構(gòu)的FTP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．信息通信，2015．

[2]盧桂馥，范影樂(lè)，龐全．基于COM/COM+的三層C/S模型[J]．微機(jī)發(fā)展，2007．

[3]沈慶國(guó)，于振偉，龔晶．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)向[J]．通信學(xué)報(bào)，2010．

[4]李方敏，葉澄清，潘雪增．主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)[J]．通信學(xué)報(bào)，2000．

[5]李文杰，吳佳．網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)據(jù)報(bào)的捕獲與解析[J]．電腦知識(shí)與技術(shù)，2009．

[6]陳蕾蕾，曲保章．IP數(shù)據(jù)報(bào)重組算法及實(shí)現(xiàn)[J]．今日電子，1998．

[7]ZHANG Y F．Introduction of Distributed Services Network[S]．IETF draft-zhang-ppsp-dsn-introduction-00．txt，2009．