網(wǎng)絡層次結構

    　　網(wǎng)絡參考模型的定義給出了清晰的功能層次劃分。 常被提及的是iso osi參考模型和tcp/ip協(xié)議簇。

    　　國際標準化組織定義的osi參考模型將計算機網(wǎng)絡按功能劃分為七個層次，這就是我們常說的七層模型或七層結構。網(wǎng)絡功能分層的直接好處是這些層次可以各司其職，由不同廠家開發(fā)的不同層次的軟硬件設備可以配合使用。一個層次的設備更新或軟件重寫也不會影響到其它層次。tcp/ip協(xié)議體系中的各個層次和iso的參考模型有大致的對應關系。如下圖所示：

    osi中間一層，即第四層執(zhí)行傳輸功能，它負責提供從一臺計算機到另外一臺計算機之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層(transport layer)是承上啟下的一層，在它的下面有三層，都是與數(shù)據(jù)傳輸相關的功能;上面也有三層，提供與網(wǎng)絡應用相關的功能。

    osi下三層中。物理層(physical layer)負責實際的傳送數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer)負責網(wǎng)絡內(nèi)部的幀傳輸，而網(wǎng)絡層(network layer)負責網(wǎng)絡間的計算機尋址和數(shù)據(jù)傳輸。

    osi上三層中。應用層(application layer)是 高的層次，它負責提供用戶操作的界面，因特網(wǎng)中常用的電子郵件服務，文件傳輸服務等都是這一層提供的。表示層(presentation layer)負責數(shù)據(jù)的表示，比如發(fā)送數(shù)據(jù)之前的加密，接收數(shù)據(jù)時的解密，中英文的翻譯等等都是這一層提供的功能。會話層(session layer)負責建立和終止網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，計算機名字轉換成地址的工作也在這層完成。

    傳統(tǒng)意義上的交換是第二層的概念。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是在網(wǎng)絡內(nèi)部傳輸幀。所謂"網(wǎng)絡內(nèi)部"是指這一層的傳輸不涉及網(wǎng)間的設備和網(wǎng)間尋址。通俗的理解，一個以太網(wǎng)內(nèi)的傳輸，一條廣域網(wǎng)專線上的傳輸都由數(shù)據(jù)鏈路層負責。所謂"幀"是指所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的結構，通常幀有幀頭和幀尾，頭中有源目二層地址，而幀尾中通常包含校驗信息，頭尾之間的內(nèi)容即是用戶的數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)鏈路層涵蓋的功能很多，所以又將它劃分為兩個子層， mac(media access control，介質(zhì)訪問控制)層和llc(logical link control，邏輯鏈路控制)層。常見的局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的二層標準是ieee的802協(xié)議。而在廣域網(wǎng)中，hdlc(high-level data link control，高級鏈路控制)、ppp(point-to-point protocol，點對點協(xié)議)和frame relay(幀中繼)等協(xié)議都有廣泛的使用。

    路由是第三層的概念。網(wǎng)絡層在internet中是 重要的，它的功能是端到端的傳輸，這里端到端的含義是無論兩臺計算機相距多遠，中間相隔多少個網(wǎng)絡，這一層保障它們可以互相通信。例如我們常用的ping命令就是一個網(wǎng)絡層的命令，ping通了，就是指網(wǎng)絡層的功能正常了。通常，網(wǎng)絡層不保障通訊的可靠性，也就是說，雖然正常情況下數(shù)據(jù)可以到達目的地，但即便出現(xiàn)異常，網(wǎng)絡層也不作任何更正和恢復的工作。

    網(wǎng)絡層常用的協(xié)議有ip、ipx、appletalk等等，其中ip協(xié)議更是internet的基石。在tcp/ip協(xié)議體系中，第三層的其他輔助協(xié)議還包括arp(地址解析) 、rarp(反向地址解析)、 icmp(網(wǎng)際報文控制)和igmp(組管理協(xié)議)等等。由于網(wǎng)絡互連設備都具有路徑選擇功能，所以我們經(jīng)常將 rip、ospf等路選協(xié)議也放在這一層討論。

    交換談到交換的問題，從廣義上講，任何數(shù)據(jù)的轉發(fā)都可以稱作交換。當然，現(xiàn)在我們指的是狹義上的交換，僅包括數(shù)據(jù)鏈路層的轉發(fā)。做網(wǎng)絡的人理解交換大多是從交換機開始的，電路交換機在通信網(wǎng)中已經(jīng)使用了幾十年了，做幀交換的設備，尤其是以太網(wǎng)交換機的大規(guī)模使用則是近幾年的事情。

    理解以太網(wǎng)交換機的作用還要從網(wǎng)橋的原理講起。傳統(tǒng)以太網(wǎng)是共享型的，如果網(wǎng)段上有四臺計算機a、b 、c和d，那么a與b通信的同時，c和d只能是被動的收聽。假如將纜段分開(即微化)，a、b在一段上，c、d在另一段上，那么a和b通信的同時，c和d也可以通信，這樣原有10m的帶寬從理論上講就變成20m了。同時，為了確保這兩個網(wǎng)段可以互相通信，需要用橋將它們連接起來，橋是有兩塊網(wǎng)卡的計算機，如下圖所示：

      在整個網(wǎng)絡剛剛啟動時，橋對網(wǎng)絡的拓樸一無所知。這時，假設a發(fā)送數(shù)據(jù)給b，因為網(wǎng)絡是廣播式的，所以橋也收到了，但橋不知到b在自己的左邊還是右邊，它就進行缺省的轉發(fā)，即在另外一塊網(wǎng)卡上發(fā)送這個信息。雖然做了一次無用的轉發(fā)，但通過這個過程，橋學習到數(shù)據(jù)的發(fā)送者a在自己的左邊。當網(wǎng)絡上的每一臺計算機都發(fā)送過數(shù)據(jù)之后，橋就是智能的了，它了解每一臺計算機在哪一個網(wǎng)段上。當a再發(fā)送數(shù)據(jù)給b時，橋就不進行數(shù)據(jù)轉發(fā)了，與此同時，c可以發(fā)送數(shù)據(jù)給d。

    從上面的例子可以看出，橋可以減少網(wǎng)絡沖突發(fā)生的幾率，這就是我們使用橋的主要目的，稱作減小沖突域。但橋并不能阻止廣播，廣播信息的隔絕要靠三層的連接設備，路由器。

    按照纜段微化的思想，纜段越多，可用帶寬就越高。極限情況是每一臺計算機處在一個獨立的纜段上，如果網(wǎng)絡上有十臺計算機，就需要一個十端口的橋將它們連接起來。但實現(xiàn)這樣一個橋不太現(xiàn)實，軟件轉發(fā)的速度也跟不上，于是有了交換機，交換機就是將上述多端口的橋硬件或固件化，以達到更低的成本和更高的性能。

    交換機的一個重要的功能是避免交換循環(huán)，這就涉及到了stp(spanning tree protocol，分支樹協(xié)議)。分支樹協(xié)議的功能是避免數(shù)據(jù)幀在交換機構成的網(wǎng)絡中循環(huán)傳送。如下圖所示，如果網(wǎng)絡中有冗余鏈路的話，stp協(xié)議現(xiàn)選出根交換機(route bridge)，然后確定每一臺非根交換機到根交換機之間的路徑， 后，將此路徑上的所有鏈路置成轉發(fā)(forward)狀態(tài)，其余的交換機之間的連接就是冗余鏈路，置為阻塞(block)狀態(tài)。

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