計算機網絡及其體系結構

李子梅

（山東科技大學 山東 青島 266590）

1 引言

回顧20世紀60年代計算機網絡的發展，它己經從小型的局域網逐漸壯大到至今全球性的互連廣域網。伴隨著的是人們翻天覆地的生產和生活方式的變化，從上世紀計算機網絡主要用于傳輸軍用數據到現在用于人們的互聯互通，網絡——Internet實現了世界一體化，使得世界近在身邊、盡收眼底。永無止境是對因特網的未來的描述，隨著社會的演變，因特網會一直創造性地發展下去。

2 因特網的概述

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

第一階段是從單個網絡ARPAnet向互聯網發展的過程。1969年投入使用的由美國國防部高級研究計劃署（DARPA ）研制的基于分組交換網ARPAnet是Internet的起源。

第二階段是建成了三級結構的因特網。1986年，美國國家科學基金會(NSF)基于TCP/IP協議的通訊建立NSFnet。NSF鼓勵和資助大學和政府資助的研究機構等把自己的局域網并入NSFnet。1990年NSFnet徹底取代了ARPAnet成為Internet的主干網，形成主干網、地區網、校園網結構的因特網。

第三階段是逐漸形成了多層次ISP（Intenet Service Provider，因特網服務提供商）結構的因特網。1991年，NSF會決定允許網絡用干商業用途，1993年開始，若干ISP主干網逐漸替代NSFnet，為了使很多不同的ISP經營的網絡能夠互通，創建網絡接入點（NAP），逐漸形成如圖1所示的多層次網絡。

圖1 多層次ISP結構網絡

3 計算機網絡概述

3.1 計算機網絡的定義

計算機網絡是一些自治且互相連通的計算機集合而成的系統。其中，自治是指這些計算機不依賴于網絡也能夠獨立工作。互相連通是指網絡各結點之間存在通信通道，不僅包括傳輸介質實現的物理互連，還包由協議實現的邏輯互聯。

3.2 不同類別的計算機網絡

計算機網絡有很多分類方法，分類是根據性質特點來劃分，主要有以下幾種：

（1）按不同作用范圍分類：廣域網（WAN）、局域網（LAN）、城域網（MAN）、個人區域網（PAN）。

（2）按網絡拓撲結構分類：總線型網絡、環型網絡、星型網絡、網狀網絡。

（3）按不同作用層次分類：接入網、匯聚網、核心網。

3.3 計算機網絡的性能

衡量計算機網絡性能的重要指標有：速率、帶寬、吞吐量、時延、利用率等。

除了性能指標外，人們相對關注的是網絡的可靠性與容錯性、可擴展性和可升級性、安全性、易于管理和維護、服務質量、標準化、費用等特征。隨著計算機網絡性能和其非性能特征的不斷提升，現代生活中人們對網絡的使用變得愈簡單愈快捷，基于網絡良好的性能和特征它已經和人類活動融合在一起，不可分割。

4 計算機網絡的體系結構

4.1 網絡協議

計算機網絡中為有條不紊地進行數據交換而建立的規則、標準或約定的集合稱為網絡協議IP（Internet Protocol）。這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題。[1]

（1）鑒于網絡結點之間通信的復雜性，在制定協議時通常把復雜元素分解成一些簡單元素，然后再將它們復合起來。運用分層法，協議可以分割成如下性質的層次結構：

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

（3）結構中的每一層都規定有明確的服務及接口標準。[2]

4.2 OSI/RM體系結構

上世紀，全球經濟的快速發展使得不同網絡體系結構的用戶迫切要求互相交換信息，為了使不同體系結構的計算機網絡都能互連，1977年ISO國際標準化組織成立專門機構研究該問題，之后提出了在世界范圍內互連成網的標準框架，即著名的OSI/RM（開放系統互連基本參考模型），簡稱OSI。但OSI參考模型并非具體實現的描述，只是一個為制定標準而提供的概念性框架，由于其結構層次的劃分過于精細而沒有應用于現實生活中，真正廣泛應用的是TCP/IP體系結構。

OSI七層模型的結構如圖2所示，每一層實現各自的功能和協議，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）應用層——OSI參考模型中最靠近用戶的一層，為計算機用戶提供應用接口。

（2）表示層——提供用于應用層數據的編碼和轉換的功能。

（3）會話層——負責建立、管理和終止表示層實體之間的通信會話。

（4）傳輸層：建立了主機端到端的連接。

（5）網絡層——通過IP尋址來建立結點之間的連接，為收到的源主機的運輸層分組選擇合適的路由和交換結點。

（6）數據鏈路層——將比特組合成字節，再將字節組合成幀。

（7）物理層——通過物理介質傳輸比特流。

4.3 TCP/IP的體系結構

在現實生活中被廣泛應用的TCP/IP體系是四層結構，它較好地平衡了網絡系統實現難度和運行效率，將OSI七層結構中最高三層的功能融合到應用層后使得應用層的功能定義更加清晰，成為Internet標準。TCP/IP的體系結構及其與OSI的對比如圖3所示。

圖3 TCP/IP結構與OSI結構的對比

5 計算機網絡在我國的發展情況以及下一代互聯網的發展

自1989年我國第一個公用交換網CNPAC建成運行后，局域網的發展迅速，對各行各業的管理現代化和辦公自動化起到積極的作用，并在1994年我國正式接入因特網。中國互聯網絡信息中心CNNIC每年公布兩次我國因特網的發展情況，并將使用過互聯網的6周歲以上的中國公民稱為網民。從圖4可知2017年6月的互聯網發展狀況統計，我國互聯網普及率越來越高，網民逐年增加，這些都昭示著計算機網絡已完全融入人民生活。

圖4 2017年CNNIC中國互聯網絡發展統計調查

下一代互聯網的出現解決了一些存在的計算機網絡問題并優化了網絡，它是指一個建立在IPv6技術基礎上的新型公共網絡，能夠容納各種形式的信息，是一個真正實現寬帶窄帶一體化、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務網絡。相比于傳統網絡，下一代互聯網具有更大的地址空間(IPv6)、更快、更安全、更及時、更方便、更可管理、更有效，有助于顯著提升我國互聯網的承載能力和服務水平，更好融入國際互聯網，共享全球發展成果。

[1]楊鵬，顧冠群.計算機網絡的發展現狀及網絡體系結構涵義分析[J].計算機科學，2007，(03)：1-5+158.

[2]夏夢芹，魯珂，劉念伯，曾家智.計算機網絡體系結構研究[J].計算機科學，2005，(04)：104-106+230.

[3]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2013：4-6.