计算机网络及其体系结构

李子梅

（山东科技大学 山东 青岛 266590）

1 引言

回顾20世纪60年代计算机网络的发展，它己经从小型的局域网逐渐壮大到至今全球性的互连广域网。伴随着的是人们翻天覆地的生产和生活方式的变化，从上世纪计算机网络主要用于传输军用数据到现在用于人们的互联互通，网络——Internet实现了世界一体化，使得世界近在身边、尽收眼底。永无止境是对因特网的未来的描述，随着社会的演变，因特网会一直创造性地发展下去。

2 因特网的概述

从因特网的发展来看，它在历史中大致可以分为三个阶段，其中，这三个阶段并不是完全隔离没有交叉，相反，它们是存在重叠的。[3]

第一阶段是从单个网络ARPAnet向互联网发展的过程。1969年投入使用的由美国国防部高级研究计划署（DARPA ）研制的基于分组交换网ARPAnet是Internet的起源。

第二阶段是建成了三级结构的因特网。1986年，美国国家科学基金会(NSF)基于TCP/IP协议的通讯建立NSFnet。NSF鼓励和资助大学和政府资助的研究机构等把自己的局域网并入NSFnet。1990年NSFnet彻底取代了ARPAnet成为Internet的主干网，形成主干网、地区网、校园网结构的因特网。

第三阶段是逐渐形成了多层次ISP（Intenet Service Provider，因特网服务提供商）结构的因特网。1991年，NSF会决定允许网络用干商业用途，1993年开始，若干ISP主干网逐渐替代NSFnet，为了使很多不同的ISP经营的网络能够互通，创建网络接入点（NAP），逐渐形成如图1所示的多层次网络。

图1 多层次ISP结构网络

3 计算机网络概述

3.1 计算机网络的定义

计算机网络是一些自治且互相连通的计算机集合而成的系统。其中，自治是指这些计算机不依赖于网络也能够独立工作。互相连通是指网络各结点之间存在通信通道，不仅包括传输介质实现的物理互连，还包由协议实现的逻辑互联。

3.2 不同类别的计算机网络

计算机网络有很多分类方法，分类是根据性质特点来划分，主要有以下几种：

（1）按不同作用范围分类：广域网（WAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、个人区域网（PAN）。

（2）按网络拓扑结构分类：总线型网络、环型网络、星型网络、网状网络。

（3）按不同作用层次分类：接入网、汇聚网、核心网。

3.3 计算机网络的性能

衡量计算机网络性能的重要指标有：速率、带宽、吞吐量、时延、利用率等。

除了性能指标外，人们相对关注的是网络的可靠性与容错性、可扩展性和可升级性、安全性、易于管理和维护、服务质量、标准化、费用等特征。随着计算机网络性能和其非性能特征的不断提升，现代生活中人们对网络的使用变得愈简单愈快捷，基于网络良好的性能和特征它已经和人类活动融合在一起，不可分割。

4 计算机网络的体系结构

4.1 网络协议

计算机网络中为有条不紊地进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议IP（Internet Protocol）。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。[1]

（1）鉴于网络结点之间通信的复杂性，在制定协议时通常把复杂元素分解成一些简单元素，然后再将它们复合起来。运用分层法，协议可以分割成如下性质的层次结构：

（2）除了最高层外，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的服务用户。

（3）结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准。[2]

4.2 OSI/RM体系结构

上世纪，全球经济的快速发展使得不同网络体系结构的用户迫切要求互相交换信息，为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，1977年ISO国际标准化组织成立专门机构研究该问题，之后提出了在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的OSI/RM（开放系统互连基本参考模型），简称OSI。但OSI参考模型并非具体实现的描述，只是一个为制定标准而提供的概念性框架，由于其结构层次的划分过于精细而没有应用于现实生活中，真正广泛应用的是TCP/IP体系结构。

OSI七层模型的结构如图2所示，每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。

图2 OSI七层模型

各层的功能介绍：

（1）应用层——OSI参考模型中最靠近用户的一层，为计算机用户提供应用接口。

（2）表示层——提供用于应用层数据的编码和转换的功能。

（3）会话层——负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。

（4）传输层：建立了主机端到端的连接。

（5）网络层——通过IP寻址来建立结点之间的连接，为收到的源主机的运输层分组选择合适的路由和交换结点。

（6）数据链路层——将比特组合成字节，再将字节组合成帧。

（7）物理层——通过物理介质传输比特流。

4.3 TCP/IP的体系结构

在现实生活中被广泛应用的TCP/IP体系是四层结构，它较好地平衡了网络系统实现难度和运行效率，将OSI七层结构中最高三层的功能融合到应用层后使得应用层的功能定义更加清晰，成为Internet标准。TCP/IP的体系结构及其与OSI的对比如图3所示。

图3 TCP/IP结构与OSI结构的对比

5 计算机网络在我国的发展情况以及下一代互联网的发展

自1989年我国第一个公用交换网CNPAC建成运行后，局域网的发展迅速，对各行各业的管理现代化和办公自动化起到积极的作用，并在1994年我国正式接入因特网。中国互联网络信息中心CNNIC每年公布两次我国因特网的发展情况，并将使用过互联网的6周岁以上的中国公民称为网民。从图4可知2017年6月的互联网发展状况统计，我国互联网普及率越来越高，网民逐年增加，这些都昭示着计算机网络已完全融入人民生活。

图4 2017年CNNIC中国互联网络发展统计调查

下一代互联网的出现解决了一些存在的计算机网络问题并优化了网络，它是指一个建立在IPv6技术基础上的新型公共网络，能够容纳各种形式的信息，是一个真正实现宽带窄带一体化、有线无线一体化、有源无源一体化、传输接入一体化的综合业务网络。相比于传统网络，下一代互联网具有更大的地址空间(IPv6)、更快、更安全、更及时、更方便、更可管理、更有效，有助于显著提升我国互联网的承载能力和服务水平，更好融入国际互联网，共享全球发展成果。

[1]杨鹏，顾冠群.计算机网络的发展现状及网络体系结构涵义分析[J].计算机科学，2007，(03)：1-5+158.

[2]夏梦芹，鲁珂，刘念伯，曾家智.计算机网络体系结构研究[J].计算机科学，2005，(04)：104-106+230.

[3]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2013：4-6.