數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理?昨天

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念中，分層次的體系結(jié)構(gòu)是最基本的。我們從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)的形成開始討論，然后討論分層次的概念。在此基礎(chǔ)之上介紹本書使用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理體系結(jié)構(gòu)。本章篇幅不大，但抽象概念較多，在學(xué)習(xí)時(shí)要多思考。學(xué)好這些概念對(duì)后面的學(xué)習(xí)將會(huì)有很大的幫助。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。為了說明這一點(diǎn)，可以設(shè)想一個(gè)最簡(jiǎn)單的情況：連接在網(wǎng)絡(luò)上的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)要互相傳送文件。

顯然，在這兩合計(jì)算機(jī)之間必須有一條傳送數(shù)據(jù)的通路。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，至少還需要完成以下動(dòng)作：

(1)發(fā)起通信的計(jì)算機(jī)必須將數(shù)據(jù)通信的通路進(jìn)行激活(activate)。所謂“激活”就是要發(fā)出一些信今，保證要傳送的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)能在這條通路上正確的發(fā)送和接收。

(2)要告訴網(wǎng)絡(luò)如何識(shí)別將要接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。

(3)發(fā)起通信的計(jì)算機(jī)必須查明對(duì)方計(jì)算機(jī)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。

(4)發(fā)起通信的計(jì)算機(jī)必須弄清楚，在對(duì)方計(jì)算機(jī)中的文件管理程序是否已做好了文件接收和存儲(chǔ)文件的準(zhǔn)備工作。

(5)若計(jì)算機(jī)的文件格式不兼容，則至少其中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)完成格式轉(zhuǎn)換功能。

(6)對(duì)出現(xiàn)的各種差錯(cuò)和意外事故，如數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤、重復(fù)或丟失，網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)出故障等，應(yīng)當(dāng)有可靠的措施保證對(duì)方計(jì)算機(jī)最終能夠收到正確的文件。

由此可見，相互通信的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的。為了設(shè)計(jì)這樣復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，早在最初的ARPANET設(shè)計(jì)時(shí)就提出了分層的方法，“分層’可將龐大而復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，這些較小的局部問題就比較易于研究和處理了。

1974年，美國(guó)的IBM公司宣布了它研制的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA(System Network Architecture)，這個(gè)著名的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)就是按照分層的方法制定的。不久后，其他—些公司也相繼推出本公司的一套體系結(jié)構(gòu)，并都采用不同的名稱。以后SNA又不斷得到改進(jìn)，更新了幾個(gè)版本。現(xiàn)在它是世界上使用得相當(dāng)廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得一個(gè)公司所生產(chǎn)的各種設(shè)備都能夠很容易地互連成網(wǎng)。這種情況顯然有利于一個(gè)公司壟斷自己的產(chǎn)品。用戶一旦購買了某個(gè)公司的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要擴(kuò)大容量時(shí)，就只能再購買原公司的產(chǎn)品。如果同時(shí)又再購買了其他公司的產(chǎn)品，那么出于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不同，就很難互相連通。

然而，全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的用戶迫切要求能夠互相交換信息。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，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS0于1977年成立了專門機(jī)構(gòu)研究該問題。不久，他們就提出一個(gè)試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM(Opensystems Interconnection Reference Model)簡(jiǎn)稱為OSI。“開放”是指：只要遵循OSI標(biāo)難，一個(gè)系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)行通信。這一點(diǎn)很像世界范圍的電話和郵政系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)。“系統(tǒng)”是指在現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中與互連有關(guān)的各部分，所以開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM是個(gè)抽象的概念。在1983年形成了開放系統(tǒng)互連基本參考模型的正式文件，即著名的ISO 7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也就是所謂的七層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。

OSI試圖達(dá)到一種理想境界，即全世界的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都遵循這統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而全世界的計(jì)算機(jī)都將能夠很方便地進(jìn)行互連和交換數(shù)據(jù)。在20世紀(jì)80年代，許多大公司甚至—些國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)都紛紛表示支持0SI。當(dāng)時(shí)看來似乎在不久的將來全世界一定全都按照OSI制定的標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)造自己的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。然而到了20世紀(jì)90年代初期，雖然整套的OSI國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)制定出來了，但由于因特網(wǎng)已搶先在全世界覆蓋了相當(dāng)大的范圍，而與此同時(shí)卻幾乎找不到有什么廠家生產(chǎn)出符合OSI標(biāo)準(zhǔn)的商用產(chǎn)品。因此人們得出這樣的結(jié)論：OSI事與愿違地失敗了。現(xiàn)今規(guī)模最大的、覆蓋全世界的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)因特網(wǎng)并未使用0SI標(biāo)準(zhǔn)。OSI失敗的原因可歸納為：OSI的專家們?nèi)狈?shí)際經(jīng)驗(yàn)，他們?cè)谕瓿蒓SI標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有商業(yè)驅(qū)動(dòng)力；OSI的協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來過分復(fù)雜，而且運(yùn)行效率很低；OSI標(biāo)準(zhǔn)的制定周期太長(zhǎng)，因而使得按0SI標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備無法及時(shí)進(jìn)入市場(chǎng)：最后，OSI的層次劃分也不太合理，有些功能在多個(gè)層次中重復(fù)出現(xiàn)。

按照一般的概念，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備只有符合有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)才能在大范圍獲得工程上的應(yīng)用。但現(xiàn)在情況卻反過來了。得到最廣泛應(yīng)用的不是法律上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)OSI，而是非國(guó)際標(biāo)TCP/IP。這樣，TCP/IP就常被稱為是事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。從這種意義上說，能夠占領(lǐng)市場(chǎng)的就是標(biāo)準(zhǔn)。在過去制定標(biāo)準(zhǔn)的組織中往往以專家、學(xué)者為主。但現(xiàn)在許多公司都紛紛擠進(jìn)各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)化組織，使得技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有濃厚的商業(yè)氣息。—個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，有時(shí)不一定反映出其技術(shù)水平是最先進(jìn)的，而是往往有著一定的市場(chǎng)背景。

協(xié)議與劃分層次

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守—些事先約定好的規(guī)則。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。這里所說的同步不是狹義的(即同頻或同頻同相)而是廣義的，即在一定的條件下應(yīng)當(dāng)發(fā)生什么事件(如發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息)，因而同步含有時(shí)序的意思。這些為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定即稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。更進(jìn)一步講，—個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個(gè)要素組成：

(1)語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；

(2)語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作，以及做出何種響應(yīng)。

(3)同步，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。

由此可見，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不可缺少的組成部分。

ARPANET的研制經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用層次式的。我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明劃分層次的概念。

現(xiàn)在假定我們?cè)谟?jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2之間通過一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)傳送文件。這是一件比較復(fù)雜的工作，因?yàn)檫€需要做不少的工作。

我們可以將要做的工作劃分為三類，第一類工作與傳送文件直接有關(guān)。例如，發(fā)送方的文件傳送應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)確信接收方的文件管理程序已做好接收和存儲(chǔ)文件的準(zhǔn)備。若兩臺(tái)計(jì)算機(jī)所用的文件格式不一樣．則至少其中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)完成文件格式的轉(zhuǎn)換工作。這兩件工作可用一個(gè)文件傳送模塊來完成。這樣，兩個(gè)計(jì)算機(jī)可將文件傳送模塊作為最高的一層(如圖2-1所示。在這兩個(gè)模塊之間的虛線表示兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交換文件和一些有關(guān)文件交換的命令。

圖1 劃分層次的舉例

但是，我們并不想讓文件傳送模塊完成全部工作的細(xì)節(jié)，這樣會(huì)使文件傳送模塊過于復(fù)雜。我們可以再設(shè)立一個(gè)通信服務(wù)模塊．用來保證文件和文件傳送命令可靠地在兩個(gè)系統(tǒng)之間交換。也就是說，讓位于上面的文件傳送模塊利用下面的通信服務(wù)模塊所提供的服務(wù)。我們還可以看出，如果將位于上面的文件傳送模塊換成電子郵件模塊，那么電子郵件模塊同樣可以利用在它下面的通信服務(wù)模塊所提供的可靠通信的服務(wù)。

同樣道理，我們?cè)贅?gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入模塊，讓這個(gè)模塊負(fù)責(zé)做與網(wǎng)絡(luò)接口細(xì)節(jié)有關(guān)的工作，并向上層提供服務(wù)，使上面的通信服務(wù)模塊能夠完成可靠通信的任務(wù)。

從上述簡(jiǎn)單例子可以更好地理解分層可以帶來如下好處：

(1)各層之間是獨(dú)立的。某一層并不需要知道它的下一層是如何實(shí)現(xiàn)的，而僅僅需要知道該層通過層間的接口(即界面)所提供的服務(wù)。由于每一層只實(shí)現(xiàn)—種相對(duì)獨(dú)立的功能，因而可將一個(gè)難以處理的復(fù)雜問題分解為若干個(gè)較容易處理的更小一些的問題。這樣，整個(gè)問題的復(fù)雜程度就下降了。

(2)靈活性好。當(dāng)任何一層發(fā)生變化時(shí)(例如由于技術(shù)的變化)，只要層間接口關(guān)系保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。此外，對(duì)某一層提供的服務(wù)還可進(jìn)行修改。甚至當(dāng)某層提供的服務(wù)不再需要時(shí)，還可以將這層取消而不會(huì)影響其他的層。

(3)結(jié)構(gòu)上可分割開，各層都可以采用最合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

(4)易于實(shí)現(xiàn)利維護(hù)。這種結(jié)構(gòu)使得實(shí)現(xiàn)和調(diào)試一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)變得易于處理，因?yàn)檎麄€(gè)的系統(tǒng)己被分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

(5)能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作，因?yàn)槊恳粚拥墓δ芗捌渌峁┑姆?wù)都已有了精確的說明。

分層時(shí)應(yīng)注意使每一層的功能非常明確。若層數(shù)太少，就會(huì)使每一層的協(xié)議太復(fù)雜。但層數(shù)太多又會(huì)在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務(wù)時(shí)遇到較多的困難。通常每一層所要實(shí)現(xiàn)的一般功能往往是下面的一種功能或多種功能。

差錯(cuò)控制 使得和網(wǎng)絡(luò)對(duì)端的相應(yīng)層次的通信更加可靠；

流量控制 使得發(fā)送端的發(fā)送速率不要太快，要使接收端來得及接收；

分段和重裝 發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊劃分為更小的單位，在接收端將其還原；

復(fù)用和分用 發(fā)送端幾個(gè)高層會(huì)話復(fù)用一條低層的連接，在接收端再進(jìn)行分用；

連接建立和釋放 在交換數(shù)據(jù)之前，先交換一些控制信息，以建立一條邏輯連接；當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)，將連接釋放。

分層當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)，例如，有些功能會(huì)在不向的層次中重復(fù)出現(xiàn)，因而產(chǎn)生了額外開銷。

我們將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)，也就是說，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是這個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。需要強(qiáng)調(diào)的是：這些功能究竟是用何種硬件或軟件完成的，則是一個(gè)遵循這種體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)(implementation)的問題。體系結(jié)構(gòu)的英文名詞architecture的原意是建筑學(xué)或建筑的設(shè)計(jì)和風(fēng)格。它和一個(gè)具體的建筑物的概念很不相同。例如，我們可以走進(jìn)一個(gè)明代的建筑物中，但不能走進(jìn)一個(gè)明代的建筑風(fēng)格之中。同理，我們也不能把一個(gè)具體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)說成是一個(gè)抽象的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。總之，體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實(shí)現(xiàn)則是具體的，是真正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件和軟件。

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總結(jié)

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