基于C/S架构的互联网体系结构演进

2016-02-07刘振兴

网络安全技术与应用 2016年11期

关键词：客户端光纤电缆

◆刘振兴

（中国移动泰兴分公司、扬州大学江苏 225127）

基于C/S架构的互联网体系结构演进

◆刘振兴

（中国移动泰兴分公司、扬州大学江苏 225127）

本文从全新的角度出发，给出了C/S结构的清晰架构，对所谓的“传输装置”和“传输介质”作了详细的描述。简化了7层网络体系结构，演化为新的3层体系机构，对网络协议也进行了归类，分为TCP和IP两大族类。最后给出了完整的IP数据报形式，对首部的完善提出了建议，增加了尾部。

C/S结构；3层网络结构；IP数据报

0 前言

客户端—服务器结构又称为主从式架构，简称C/S结构，是一种把客户端（Client）与服务器（Server）连接起来的网络架构。每一个客户端都可以独立的向服务器发出请求。C/S架构的网络拓扑图，如图1所示。

信息实现从服务器到客户端的传递，需要传输装置和传输介质的配合。所谓“传输转置”，即“网桥”或“中继器”，指的是交换机、集线器和路由器这三种具有信号放大作用中转装置，区别是配备的网络端口数量依次呈递减关系。其中，交换机与服务器相连接，是广域网信息传输的首要环节，提供的端口数是最多的；集线器是沟通广域网和局域网的中间环节，连接交换机和路由器，端口数量次多；路由器直接与客户端相连，处在链路的末端，端口数是最少的。交换机由各运营商和ISP提供，集线器则广泛分布在社区、校园和企业等用户密集的区域，路由器以家庭或办公室为单位，数量最多，分布最广。

图1 C/S架构拓扑图

图2 三种传输介质

所谓“传输介质”，是指光纤、电缆和双绞线这三种媒介，如图2所示。众所周知，现在的宽带网络已经实现光纤通信，光纤具有出众的导电能力。根据美国莱斯大学的最新研究，同质量的碳纳米光纤比铜电缆可承载更多电流。单独的纳米管的电流传送能力是铜的1000倍，利用其他技术将纳米管合并到光纤中却无法达到这一能力。一系列的实验证明湿纺的碳纳米管光纤比铜的导电能力更出众，同质量的导电量是铜电缆的4倍。这就可以解释为什么现在光纤通信的网速达到了电缆通信网速的5倍左右。光纤宽带使得更多用户可以同时发送数据请求，服务器也可以同时向更多的用户传输数据，而不会导致服务器瘫痪，或者网络拥塞（网速下降）。

从物理层面上讲，光纤通信具有电缆通信不可比拟的优势，光纤的信道数量与电缆的信道数量不在同一数量级。在局域网常用的双绞线的信道数量是最少的，只有8根线。通讯电缆通常是几十芯的，由几十根相互绝缘的导线组合而成，通道数也只有相应的几十。通信光纤的导电纤维可以以千计，光纤通道数量可以达到几千。

1 OSI体系结构的简化

从理论上，OSI体系结构把网络体系结构分为7层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。1至4层被看作是低层，低层与数据移动密切相关。5至7层被看作是高层，高层包含应用程序级的数据。每一层都有相应的网络协议对数据进行封装，把封装好的数据传送到下一层，直至最后形成IP数据报传送到物理层传输介质。

从实践上，可以把网络体系结构分为3层，分别是物理层、数据层和协议层。OSI模型中的网络层、传输层、会话层、表示层和应用层可以归结为协议层。如图3所示，所有服务器和客户端的操作系统浏览器都是采用的3层网络体系结构。

图3 简化的网络体系结构

7层网络模型过于理想化，没有充分考虑到开放条件下具体电信环境中的实施问题。例如，在统一的体系中，各运营商或者ISP怎么保持各自多层次网络的独立性，以及各自的多层次网络又怎么合并为一个统一的体系？另外，多层次网络结构也不优化，电话网从层次化结构转变为无层次化结构就可以提供借鉴。

网络结构划分3层，物理层是由传输装置和传输介质组成的通信链路，数据层是以物理层为载体传输的二进制码元，包括视频、音频和图文信息。协议层是指为了实现网络通信而约定的规则或者标准的集合。通信协议通常由国际标准组织来协商确定一个最优的标准，来实现数据的互传，协议都存放在服务器和客户端操作系统的网络组件中，以供随时调用。只有使用统一的协议，双方才能以相同的规则编码、译码，实现互联互通。

OSI模型把通信协议分配到7层各个层次，每一层都包含相应的协议。根据3层网络结构，可以把所有的协议都归结为TCP/IP协议。TCP（传输控制协议）与物理层相对应，IP（网际协议）与数据层相对应。TCP/IP协议就演变成为两个协议族，可以把所有的协议分为TCP和IP两大类，TCP协议族包括：NetBEUI、ICMP、PPP、HDLC、SDLC、UDP等；IP协议族包括：IPX/SPX、DNS、RIP、ARP、HTTP、FTP、SMTP等。

2 IP数据报的改进

网络传输的是二进制码元，不管是图文信息，视频信息还是音频信息，都是以二进制码元的形式传送。通常传送的文件是以分段数据报的形式传送，因为文件包含的二进制码元数量很大，有必要把一个文件分组传送，而且对数据报的形式作出规定，即UDP（用户数据报协议）。

从理论上讲，一次传送的数据报的数量最多不能超过8个，这是因为双绞线的通道数只有8个，如果传送的数据报数量过多会造成网络的拥塞，不利于网络资源的充分利用，因此数据报的传送应该分批分次进行，每批次不超过8个数据报。但是，数据通路会分为上行和下行。从客户端的角度来看，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，还是SDSL都要留有下行通道，在电话和网络共线的时代，还要留有电话通话的信道。因此从实践意义上来讲，每批次传送的数据报以5个比较合适。

另外，IP数据报的首部还应该记录分组数据所在的每一个传送通道的编号，这些编号在服务器端、交换机端、集线器端、路由器端都要有记载，以便数据缺失的时候可以查询，是否还在通道内，或者是到达了其它IP地址，没有到达目的IP地址，以此来判断是否需要重新发送该段数据。

既然要记录通道的编号，就有必要对通道进行编号，双绞线有8道，电缆有几十到几百道不等，光纤有几千道。对电缆和光纤编号虽然有些困难，但是从根本上来说，电缆和光纤都是可数的，可数就可以编号，而且从实践的角度来看也是可行的。每次数据报传送都要面临几次通道的选择，可以用m来描述可供选择的组合数，其中n表示空闲的通道数量，表示一个批次传送的数据报的数量（m≠5）。通常，当介质是光纤时，通道数量，当介质是电缆时，通道数量100＜n，当介质是电缆时，通道数量8＜n。

图4 增加尾部的IP数据报

传统的IP数据报（IP Datagram）由首部和数据两部分组成，完整的数据报还需要增加尾部，如图4所示。首部和数据部分的内容在传统的IP数据报中已给出了详细的解释，而尾部的具体内容指的是下一段数据报的标号。增加了尾部的数据报会方便分组文件的连接，只要下一段的数据报首部标识和上一段的尾部标识相同，就可以把两段数据报中的数据部分连接起来，最终组合成目标文件。