Kiến trúc mạng và phân lớp
Kiến trúc mạng là sự tổ chức một hệ thống truyền thông thành các lớp giao thức, mỗi lớp cung cấp dịch vụ cho lớp trên và xây dựng dựa trên lớp dưới, để vấn đề phức tạp của việc di chuyển dữ liệu giữa các máy chủ được phân tách thành các phần có thể quản lý được và được xác định rõ ràng.
Definition
Kiến trúc mạng là một tập hợp có cấu trúc các lớp và giao thức, cùng với các dịch vụ mà mỗi lớp cung cấp và các giao diện giữa các lớp, cùng nhau xác định cách dữ liệu được truyền qua mạng.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các nguyên tắc cấu trúc của mạng máy tính: các chồng giao thức phân lớp (mô hình tham chiếu OSI bảy lớp và mô hình Internet/TCP-IP năm lớp), sự phân biệt giữa biên mạng (máy chủ và mạng truy cập) và lõi mạng (bộ chuyển mạch và bộ định tuyến), hai chiến lược chuyển mạch cơ bản là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, và các số liệu được sử dụng để đặc trưng hóa hiệu suất mạng như thông lượng, độ trễ và mất gói. Nó coi kiến trúc là bối cảnh khung cho tất cả các cơ chế lớp thấp hơn và cao hơn được đề cập trong các lĩnh vực liên quan, thay vì các cơ chế chi tiết đó.
Sub-topics
Core questions
- Tại sao chức năng mạng được tổ chức thành các lớp, và chi phí cũng như lợi ích của việc phân lớp là gì?
- Mô hình bảy lớp OSI và mô hình năm lớp Internet khác nhau như thế nào, và tại sao mô hình Internet lại chiếm ưu thế trong thực tế?
- Điều gì phân biệt biên mạng với lõi mạng?
- Chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh khác nhau như thế nào về chia sẻ tài nguyên, độ trễ và độ tin cậy?
- Những số liệu nào — thông lượng, độ trễ, jitter và mất gói — đặc trưng cho hiệu suất mà mạng cung cấp?
Key concepts
- các lớp giao thức
- mô hình tham chiếu OSI
- mô hình TCP/IP (Internet)
- đóng gói
- biên và lõi mạng
- chuyển mạch gói
- chuyển mạch kênh
- ghép kênh thống kê
- thông lượng, độ trễ và mất gói
- lập luận đầu cuối
Key theories
- Phân lớp giao thức và sự trừu tượng hóa giao diện dịch vụ
- Các mạng được tổ chức thành một chồng các lớp, trong đó mỗi lớp cung cấp một dịch vụ được xác định cho lớp trên thông qua một giao diện, ẩn đi việc triển khai bên dưới; tính mô-đun này cho phép các lớp phát triển độc lập miễn là các giao diện được duy trì.
- Lập luận đầu cuối
- Các chức năng như phân phối đáng tin cậy và bảo mật được triển khai tốt nhất tại các máy chủ đầu cuối giao tiếp thay vì trong lõi mạng, bởi vì lõi thường không thể hoàn thành chúng một cách chính xác và sẽ gây ra chi phí cho các luồng không cần chúng; nguyên tắc này đã định hình thiết kế của Internet.
- Ghép kênh thống kê trong chuyển mạch gói
- Chuyển mạch gói chia sẻ dung lượng liên kết theo yêu cầu giữa nhiều luồng, đạt được hiệu suất sử dụng cao khi lưu lượng truy cập là đột biến, với chi phí là độ trễ hàng đợi thay đổi và khả năng mất gói — trái ngược với dung lượng được dành riêng nhưng có thể không hoạt động của chuyển mạch kênh.
Clinical relevance
Kiến trúc phân lớp là nguyên tắc tổ chức đằng sau tất cả các mạng hiện đại: nó cho phép một trình duyệt web, một bộ điều hợp Wi-Fi và một liên kết cáp quang dưới biển tương tác mà không cần bất kỳ thành phần nào biết nội bộ của các thành phần khác. Hiểu biết về chuyển mạch biên-so-với-lõi và chuyển mạch gói-so-với-kênh là nền tảng cho việc lập kế hoạch dung lượng, thiết kế trung tâm dữ liệu đám mây và suy luận về các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như hội nghị truyền hình và trò chơi trực tuyến.
History
Kiến trúc truyền thông phân lớp đã được hình thành vào những năm 1970 với ARPANET và sự phát triển song song của mô hình tham chiếu OSI, được Zimmermann chính thức hóa vào năm 1980. Bộ giao thức TCP/IP của Cerf và Kahn, và triết lý thiết kế được Clark trình bày vào năm 1988, đã thiết lập mô hình Internet đơn giản hơn mà cuối cùng đã chiếm ưu thế. Sự căng thẳng giữa chồng OSI toàn diện và chồng TCP/IP thực dụng đã định hình phần lớn cuộc tranh luận hình thành của mạng.
Debates
- Mô hình bảy lớp OSI so với mô hình TCP/IP
- Mô hình OSI là một tài liệu tham khảo sư phạm phong phú hơn với các lớp phiên và trình bày riêng biệt, nhưng mô hình TCP/IP năm lớp tinh gọn hơn phù hợp với các triển khai Internet thực tế và đã chiếm ưu thế trong thực tế; sách giáo khoa vẫn dạy cả hai vì OSI làm rõ các chức năng mà chồng Internet gộp lại.
Key figures
- Hubert Zimmermann
- David D. Clark
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- tanenbaum2010
- clark1988
Frequently asked questions
- Tại sao các mạng được xây dựng theo lớp thay vì là một hệ thống nguyên khối?
- Phân lớp phân tách một vấn đề khó thành các vấn đề nhỏ hơn với các giao diện rõ ràng, do đó mỗi lớp có thể được thiết kế, triển khai và thay thế độc lập. Một phương tiện vật lý mới có thể được thêm vào mà không cần thay đổi ứng dụng, và một ứng dụng mới có thể chạy trên bất kỳ mạng nào cung cấp các dịch vụ lớp thấp hơn mong đợi.
- Internet là chuyển mạch gói hay chuyển mạch kênh?
- Internet về cơ bản là chuyển mạch gói: dữ liệu được chia thành các gói được chuyển tiếp từng chặng và chia sẻ dung lượng liên kết một cách thống kê. Một số công nghệ truy cập và vận chuyển mô phỏng kênh hoặc dành riêng tài nguyên, nhưng lớp IP lõi sử dụng chuyển mạch gói.