网络架构与分层

网络架构是将通信系统组织成协议层，每一层都为上层提供服务，并建立在下层之上，从而将主机之间数据传输的复杂问题分解为可管理、定义明确的部分。

Definition

网络架构是分层和协议的结构化集合，以及每一层提供的服务和层之间的接口，它们共同定义了数据如何在网络中通信。

Scope

此领域涵盖计算机网络的结构原理：分层协议栈（七层OSI参考模型和五层互联网/TCP-IP模型），网络边缘（主机和接入网络）与网络核心（交换机和路由器）的区别，两种基本的交换策略——分组交换和电路交换，以及用于表征网络性能的指标，如吞吐量、延迟和丢包率。它将架构视为所有在姊妹领域中涵盖的低层和高层机制的框架背景，而非详细机制本身。

Sub-topics

• 网络边缘与核心
• 网络性能指标
• 分组交换与电路交换
• 协议分层与参考模型

Core questions

• 为什么网络功能要分层组织？分层有哪些成本和收益？
• OSI七层模型和互联网五层模型有何不同？为什么互联网模型在实践中占据主导地位？
• 网络边缘和网络核心有何区别？
• 分组交换和电路交换在资源共享、延迟和可靠性方面有何不同？
• 哪些指标——吞吐量、延迟、抖动和丢包率——表征了网络提供的性能？

Key concepts

• 协议层
• OSI参考模型
• TCP/IP（互联网）模型
• 封装
• 网络边缘和核心
• 分组交换
• 电路交换
• 统计复用
• 吞吐量、延迟和丢包率
• 端到端原则

Key theories

协议分层和服务接口抽象

网络被组织成一个层栈，每一层通过接口向上层提供定义的服务，隐藏下层的实现；这种模块化使得各层只要接口保持不变，就可以独立演进。

端到端原则

可靠传输和安全等功能最好在通信的端主机而不是网络核心中实现，因为核心通常无法正确完成这些功能，并且会给不需要它们的流量增加成本；这一原则塑造了互联网的设计。

分组交换中的统计复用

分组交换按需在多个流量之间共享链路容量，在流量突发时实现高利用率，但代价是可变的排队延迟和可能的丢包——这与电路交换的预留但可能空闲的容量形成对比。

Clinical relevance

分层架构是所有现代网络背后的基本组织原则：它使得网页浏览器、Wi-Fi适配器和海底光缆能够互操作，而无需任何组件了解其他组件的内部细节。理解边缘与核心以及分组与电路交换对于容量规划、云数据中心设计以及对视频会议和在线游戏等对延迟敏感的应用进行推理至关重要。

History

分层通信架构在20世纪70年代随着ARPANET和OSI参考模型的并行发展而形成，Zimmermann于1980年对其进行了正式化。Cerf和Kahn的TCP/IP协议套件以及Clark在1988年阐述的设计理念，确立了最终占据主导地位的更简单的互联网模型。全面的OSI栈与实用的TCP/IP栈之间的张力定义了网络形成期的许多争论。

Debates

OSI七层模型与TCP/IP模型

OSI模型是一个更丰富的教学参考模型，具有独立的会话层和表示层，但更精简的五层TCP/IP模型与实际的互联网实现相符，并在实践中占据主导地位；教科书仍然教授两者，因为OSI阐明了互联网栈中合并的功能。

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010
• clark1988

Frequently asked questions

为什么网络要分层构建，而不是作为一个单一的整体系统？

分层将一个难题分解为具有清晰接口的较小问题，因此每一层都可以独立设计、实现和替换。可以添加新的物理介质而无需更改应用程序，新的应用程序可以在任何提供预期低层服务的网络上运行。

互联网是分组交换还是电路交换？

互联网本质上是分组交换的：数据被分解成数据包，逐跳转发并统计共享链路容量。一些接入和传输技术模拟电路或预留资源，但核心IP层使用分组交换。