◆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)
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。
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。
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。
(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。
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