สถาปัตยกรรมเครือข่ายและการแบ่งชั้น
สถาปัตยกรรมเครือข่ายคือการจัดระเบียบระบบการสื่อสารออกเป็นชั้นของโปรโตคอล โดยแต่ละชั้นให้บริการแก่ชั้นที่อยู่เหนือกว่าและสร้างขึ้นบนชั้นที่อยู่ต่ำกว่า เพื่อให้ปัญหาที่ซับซ้อนของการย้ายข้อมูลระหว่างโฮสต์ถูกแยกย่อยออกเป็นส่วนย่อยที่จัดการได้และมีการกำหนดไว้อย่างชัดเจน
Definition
สถาปัตยกรรมเครือข่ายคือชุดของชั้นและโปรโตคอลที่มีโครงสร้าง พร้อมด้วยบริการที่แต่ละชั้นนำเสนอและอินเทอร์เฟซระหว่างชั้น ซึ่งทั้งหมดนี้ร่วมกันกำหนดวิธีการสื่อสารข้อมูลผ่านเครือข่าย
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมหลักการเชิงโครงสร้างของเครือข่ายคอมพิวเตอร์: สแต็กโปรโตคอลแบบแบ่งชั้น (แบบจำลองอ้างอิง OSI เจ็ดชั้น และแบบจำลองอินเทอร์เน็ต/TCP-IP ห้าชั้น), ความแตกต่างระหว่างขอบเครือข่าย (โฮสต์และเครือข่ายการเข้าถึง) และแกนเครือข่าย (สวิตช์และเราเตอร์), กลยุทธ์การสลับข้อมูลพื้นฐานสองแบบคือการสลับแพ็กเก็ตและการสลับวงจร, และเมตริกที่ใช้ในการระบุประสิทธิภาพของเครือข่าย เช่น ทรูพุต, ความล่าช้า, และการสูญหายของแพ็กเก็ต โดยถือว่าสถาปัตยกรรมเป็นบริบทในการวางกรอบสำหรับกลไกทั้งชั้นล่างและชั้นบนทั้งหมดที่ครอบคลุมในพื้นที่ที่เกี่ยวข้อง มากกว่าที่จะเป็นกลไกโดยละเอียดเอง
Sub-topics
Core questions
- เหตุใดฟังก์ชันการทำงานของเครือข่ายจึงถูกจัดระเบียบเป็นชั้นๆ และการแบ่งชั้นมีข้อดีและข้อเสียอย่างไร?
- แบบจำลองเจ็ดชั้นของ OSI และแบบจำลองห้าชั้นของอินเทอร์เน็ตแตกต่างกันอย่างไร และเหตุใดแบบจำลองอินเทอร์เน็ตจึงเป็นที่นิยมในทางปฏิบัติ?
- อะไรคือสิ่งที่แยกความแตกต่างระหว่างขอบเครือข่ายกับแกนเครือข่าย?
- การสลับแพ็กเก็ตและการสลับวงจรแตกต่างกันอย่างไรในการแบ่งปันทรัพยากร, ความล่าช้า, และความน่าเชื่อถือ?
- เมตริกใดบ้าง — ทรูพุต, ความหน่วง, จิตเตอร์, และการสูญหาย — ที่ใช้ในการระบุประสิทธิภาพที่เครือข่ายส่งมอบ?
Key concepts
- ชั้นโปรโตคอล
- แบบจำลองอ้างอิง OSI
- แบบจำลอง TCP/IP (อินเทอร์เน็ต)
- การห่อหุ้มข้อมูล (encapsulation)
- ขอบเครือข่ายและแกนเครือข่าย
- การสลับแพ็กเก็ต (packet switching)
- การสลับวงจร (circuit switching)
- การมัลติเพล็กซ์เชิงสถิติ (statistical multiplexing)
- ทรูพุต, ความล่าช้า, และการสูญหาย
- ข้อโต้แย้งแบบ end-to-end
Key theories
- การแบ่งชั้นโปรโตคอลและนามธรรมของบริการ-อินเทอร์เฟซ
- เครือข่ายถูกจัดระเบียบเป็นสแต็กของชั้นต่างๆ โดยแต่ละชั้นนำเสนอบริการที่กำหนดไว้ให้กับชั้นที่อยู่เหนือกว่าผ่านอินเทอร์เฟซ โดยซ่อนการใช้งานที่อยู่ด้านล่าง ความเป็นโมดูลาร์นี้ช่วยให้แต่ละชั้นสามารถพัฒนาได้อย่างอิสระตราบใดที่อินเทอร์เฟซยังคงอยู่
- ข้อโต้แย้งแบบ end-to-end
- ฟังก์ชันต่างๆ เช่น การส่งมอบที่เชื่อถือได้และความปลอดภัย ควรถูกนำไปใช้ที่โฮสต์ปลายทางที่สื่อสารกันมากกว่าในแกนเครือข่าย เนื่องจากแกนเครือข่ายมักจะไม่สามารถดำเนินการได้อย่างถูกต้องและจะสร้างภาระให้กับโฟลว์ที่ไม่ต้องการฟังก์ชันเหล่านั้น หลักการนี้มีส่วนสำคัญในการออกแบบอินเทอร์เน็ต
- การมัลติเพล็กซ์เชิงสถิติในการสลับแพ็กเก็ต
- การสลับแพ็กเก็ตจะแบ่งปันความจุของลิงก์ตามความต้องการระหว่างโฟลว์จำนวนมาก ทำให้เกิดการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงเมื่อทราฟฟิกเป็นแบบกระจัดกระจาย โดยมีค่าใช้จ่ายคือความล่าช้าในการเข้าคิวที่แปรผันและการสูญหายที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งแตกต่างจากการสลับวงจรที่สำรองความจุไว้แต่ก็อาจไม่ได้ใช้งาน
Clinical relevance
สถาปัตยกรรมแบบแบ่งชั้นเป็นหลักการจัดระเบียบเบื้องหลังเครือข่ายสมัยใหม่เกือบทั้งหมด: ช่วยให้เว็บเบราว์เซอร์, อะแดปเตอร์ Wi-Fi, และสายเคเบิลใต้น้ำสามารถทำงานร่วมกันได้โดยที่ส่วนประกอบใดๆ ไม่จำเป็นต้องรู้รายละเอียดภายในของส่วนประกอบอื่นๆ การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างขอบเครือข่ายกับแกนเครือข่าย และการสลับแพ็กเก็ตกับการสลับวงจร เป็นพื้นฐานสำหรับการวางแผนความจุ, การออกแบบศูนย์ข้อมูลคลาวด์, และการพิจารณาแอปพลิเคชันที่อ่อนไหวต่อความหน่วง เช่น การประชุมทางวิดีโอและการเล่นเกมออนไลน์
History
สถาปัตยกรรมสื่อสารแบบแบ่งชั้นได้ก่อร่างขึ้นในทศวรรษ 1970 ด้วย ARPANET และการพัฒนาคู่ขนานของแบบจำลองอ้างอิง OSI ซึ่งได้รับการจัดทำเป็นทางการโดย Zimmermann ในปี 1980 ชุดโปรโตคอล TCP/IP ของ Cerf และ Kahn และปรัชญาการออกแบบที่ Clark ได้อธิบายไว้ในปี 1988 ได้สร้างแบบจำลองอินเทอร์เน็ตที่เรียบง่ายกว่าซึ่งท้ายที่สุดแล้วก็เป็นที่นิยม การถกเถียงระหว่างสแต็ก OSI ที่ครอบคลุมกับสแต็ก TCP/IP ที่เน้นการใช้งานจริงได้กำหนดการอภิปรายที่สำคัญในช่วงแรกของการพัฒนาเครือข่ายเป็นส่วนใหญ่
Debates
- แบบจำลองเจ็ดชั้นของ OSI เทียบกับแบบจำลอง TCP/IP
- แบบจำลอง OSI เป็นแบบจำลองอ้างอิงทางการศึกษาที่สมบูรณ์กว่า โดยมีชั้นเซสชันและชั้นการนำเสนอที่แยกจากกัน แต่แบบจำลอง TCP/IP ห้าชั้นที่กระชับกว่านั้นสอดคล้องกับการใช้งานอินเทอร์เน็ตจริงและเป็นที่นิยมในทางปฏิบัติ ตำราเรียนยังคงสอนทั้งสองแบบเนื่องจาก OSI ช่วยชี้แจงฟังก์ชันที่สแต็กอินเทอร์เน็ตยุบรวมเข้าด้วยกัน
Key figures
- Hubert Zimmermann
- David D. Clark
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- tanenbaum2010
- clark1988
Frequently asked questions
- เหตุใดเครือข่ายจึงถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ แทนที่จะเป็นระบบเดียวที่รวมทุกอย่าง?
- การแบ่งชั้นช่วยแยกปัญหาที่ยากออกเป็นปัญหาย่อยๆ ที่มีอินเทอร์เฟซที่ชัดเจน ทำให้แต่ละชั้นสามารถออกแบบ, นำไปใช้, และเปลี่ยนได้โดยอิสระ สามารถเพิ่มสื่อทางกายภาพใหม่ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนแอปพลิเคชัน และแอปพลิเคชันใหม่สามารถทำงานบนเครือข่ายใดก็ได้ที่ให้บริการชั้นล่างตามที่คาดไว้
- อินเทอร์เน็ตใช้การสลับแพ็กเก็ตหรือการสลับวงจร?
- อินเทอร์เน็ตโดยพื้นฐานแล้วใช้การสลับแพ็กเก็ต: ข้อมูลจะถูกแบ่งออกเป็นแพ็กเก็ตที่ถูกส่งต่อทีละฮอปและแบ่งปันความจุของลิงก์ในเชิงสถิติ เทคโนโลยีการเข้าถึงและการขนส่งบางอย่างอาจจำลองวงจรหรือสำรองทรัพยากร แต่ชั้น IP หลักใช้การสลับแพ็กเก็ต