Архитектура сети и многоуровневая структура
Архитектура сети — это организация системы связи в виде уровней протоколов, каждый из которых предоставляет услуги вышележащему уровню и опирается на нижележащий, так что сложная проблема передачи данных между хостами декомпозируется на управляемые, четко определенные части.
Definition
Архитектура сети — это структурированный набор уровней и протоколов, а также услуг, предоставляемых каждым уровнем, и интерфейсов между уровнями, которые совместно определяют, как данные передаются по сети.
Scope
Эта область охватывает структурные принципы компьютерных сетей: многоуровневые стеки протоколов (семиуровневая эталонная модель OSI и пятиуровневая модель Интернет/TCP-IP), различие между периферией сети (хосты и сети доступа) и ядром сети (коммутаторы и маршрутизаторы), две фундаментальные стратегии коммутации — пакетную коммутацию и коммутацию каналов, а также метрики, используемые для характеристики производительности сети, такие как пропускная способность, задержка и потеря пакетов. Она рассматривает архитектуру как контекст для всех механизмов нижнего и верхнего уровней, охватываемых в смежных областях, а не как детальные механизмы сами по себе.
Sub-topics
Core questions
- Почему функциональность сети организована по уровням, и каковы издержки и преимущества такого подхода?
- Чем отличаются семиуровневая модель OSI и пятиуровневая модель Интернета, и почему модель Интернета возобладала на практике?
- Что отличает периферию сети от ядра сети?
- Как пакетная коммутация и коммутация каналов различаются по совместному использованию ресурсов, задержке и надежности?
- Какие метрики — пропускная способность, задержка, джиттер и потери — характеризуют производительность, обеспечиваемую сетью?
Key concepts
- уровни протоколов
- эталонная модель OSI
- модель TCP/IP (Интернет)
- инкапсуляция
- периферия и ядро сети
- пакетная коммутация
- коммутация каналов
- статистическое мультиплексирование
- пропускная способность, задержка и потери
- принцип сквозной функциональности
Key theories
- Многоуровневая структура протоколов и абстракция сервисного интерфейса
- Сети организованы как стек уровней, где каждый уровень предлагает определенную услугу вышележащему уровню через интерфейс, скрывая нижележащую реализацию; такая модульность позволяет уровням развиваться независимо, пока сохраняются интерфейсы.
- Принцип сквозной функциональности (end-to-end argument)
- Функции, такие как надежная доставка и безопасность, лучше всего реализовывать на конечных хостах, а не в ядре сети, поскольку ядро часто не может выполнить их корректно и налагало бы издержки на потоки, которые в них не нуждаются; этот принцип сформировал дизайн Интернета.
- Статистическое мультиплексирование в пакетной коммутации
- Пакетная коммутация распределяет пропускную способность канала по требованию между множеством потоков, достигая высокой утилизации при импульсном трафике, ценой переменной задержки в очереди и возможных потерь — в отличие от коммутации каналов с зарезервированной, но потенциально простаивающей пропускной способностью.
Clinical relevance
Многоуровневая архитектура является организующим принципом практически всех современных сетей: она позволяет веб-браузеру, адаптеру Wi-Fi и подводному оптоволоконному каналу взаимодействовать без того, чтобы какой-либо компонент знал внутреннее устройство других. Понимание различий между периферией и ядром, а также между пакетной коммутацией и коммутацией каналов является основополагающим для планирования пропускной способности, проектирования облачных центров обработки данных и анализа приложений, чувствительных к задержкам, таких как видеоконференции и онлайн-игры.
History
Многоуровневая архитектура связи сформировалась в 1970-х годах с появлением ARPANET и параллельной разработкой эталонной модели OSI, формализованной Циммерманом в 1980 году. Набор протоколов TCP/IP Серфа и Кана, а также философия проектирования, сформулированная Кларком в 1988 году, заложили основу более простой модели Интернета, которая в конечном итоге стала доминирующей. Напряженность между всеобъемлющим стеком OSI и прагматичным стеком TCP/IP определяла большую часть формирующих дебатов в области сетей.
Debates
- Семиуровневая модель OSI против модели TCP/IP
- Модель OSI является более богатым педагогическим справочником с отдельными уровнями сеансов и представления, но более простая пятиуровневая модель TCP/IP соответствовала реальным реализациям Интернета и возобладала на практике; учебники до сих пор преподают обе, потому что OSI проясняет функции, которые стек Интернета объединяет.
Key figures
- Hubert Zimmermann
- David D. Clark
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- tanenbaum2010
- clark1988
Frequently asked questions
- Почему сети строятся по уровням, а не как единая монолитная система?
- Многоуровневая структура декомпозирует сложную проблему на более мелкие с четкими интерфейсами, так что каждый уровень может быть спроектирован, реализован и заменен независимо. Новый физический носитель может быть добавлен без изменения приложений, а новое приложение может работать поверх любой сети, которая предоставляет ожидаемые услуги нижнего уровня.
- Интернет использует пакетную коммутацию или коммутацию каналов?
- Интернет по своей сути использует пакетную коммутацию: данные разбиваются на пакеты, которые пересылаются пошагово и совместно используют пропускную способность канала статистически. Некоторые технологии доступа и транспорта эмулируют каналы или резервируют ресурсы, но основной IP-уровень использует пакетную коммутацию.