理解架構這個詞的意思是十分重要的。它可能被過度使用，并且使用在各種環境中。如果缺少一緻的理解，将會有交流失敗的風險。那麼架構這個詞到底是什麼意思呢？

理解架構這個詞的意思是十分重要的。它可能被過度使用，并且使用在各種環境中。如果缺少一緻的理解，将會有交流失敗的風險。那麼架構這個詞到底是什麼意思呢？

通過下面這張圖片開始我們今天的内容分享。

01 什麼是架構？

架構是一個過程、一個結果和一門學科。

作為一個過程，它涉及将組件與設計元素結合，以此來形成一個有目的的實體。

作為一個結果，它描述了由其形式所定義的一系列實體。對于我們熟知的“哥特式大教堂”這種架構形式，它的特點是一系列公認的設計元素與方法，目的可能是構建一個禮拜場所，但“哥特式大教堂”實際上意味着更多。

最後，作為一門學科，架構就是架構師接受訓練要掌握的本領。計算機科學領域從設計物理實物的學科中借用了這個術語，例如建築物和城市，其中包含廣受認可的培訓與認證過程。

架構的三個方面都适用于“真實的建築”與計算機科學。

1. 作為一個過程

我的定義有兩個重要的方面：将組件整合在一起并應用于某個目的。

将組件整合在一起：這是計算機科學家在考慮模塊、接口、依賴、分層、抽象以及組件複用等問題時所做的工作。這些都是設計模式，計算機科學家接受了相關的訓練，在思量設計挑戰時需要考慮這些設計模式。

應用于某個目的：設計過程必須按照工件的預期目的來塑造，例如，是一所醫院而不是一座監獄，是一個低功率處理器而不是超級計算機，是汽車中将刹車踏闆挂在刹車上的網絡而不是因特網。作為架構的一部分，設計師必須解決系統不能做什麼（或者做得很好）以及将要做什麼。

在計算機科學中，系統設計存在着一種危險，這是衆所周知的，它被稱為第二系統綜合征，即首先構建一個或許把一些事做得很好的系統，然後再提出一個試圖把所有事情都做得很好的替代方案的趨勢。

2. 作為一個結果

在建築設計實踐中，設計通常會産生一份結果。也有一些例外，例如排房，其中一個設計師會建造很多次，但大多數建築物都隻有一座。在描述結果時，架構這個術語通常意味着一類設計，以其最顯著的特征為代表（例如飛拱）。這個術語适用于這個抽象類，盡管架構師必須在建築團隊接管之前将建築描述到非常精細的程度。

當計算機科學家重新使用架構這個術語時，他們稍微重新定義了一下。關于因特網，有很多不同的網絡都是基于同樣的設計：我們稱之為“因特網”的公共全球網絡，屬于企業、軍隊等的私有網絡，以及金融網絡等特殊用途的網絡。

在這種環境下，架構一詞僅描述所構建的部分内容，給定示例的大部分設計過程都發生在之後的環節中，可能由不同的組來描述。

這個級别的設計決策構建在核心架構之上，但是沒有被核心架構指定。那麼，我們應該在這個核心架構中看到什麼呢？

網絡體系結構（network architecture）是指計算機之間相互通信的層次、各層次中的協議和層次之間接口的集合[1]。它為網絡硬件、軟件、協議、存取控制和拓撲提供标準。它廣泛采用的是國際标準化組織（ISO）在1979年提出的開放系統互連（OSI-Open System Interconnection)的參考模型。

1、網絡體系結構（network architecture）：是計算機之間相互通信的層次，以及各層中的協議和層次之間接口的集合。

2、網絡協議：是計算機網絡和分布系統中互相通信的對等實體間交換信息時所必須遵守的規則的集合。

3、語法（syntax）:包括數據格式、編碼及信号電平等。

4、語義（semantics）：包括用于協議和差錯處理的控制信息。

5、定時（timing）：包括速度匹配和排序。

計算機網絡的組成分為如下幾類：

（1）從組成部分上看，一個完整的計算機網絡主要由硬件、軟件、協議三大部分組成，缺一不可。硬件主要由主機（也稱端系統）、通信鍊路（如雙絞線、光纖）、交換設備（路由器、交換機等）和通信處理機（如網卡）等組成。軟件主要包括各種實現資源共享的軟件和方便用戶使用的各種工具軟件（如網絡操作系統、郵件收發系統、FTP程序、聊天程序等）。軟件部分多屬于應用層。協議是計算機網絡的核心，協議規定網絡傳輸數據是所遵循的規範。

（2）從工作方式上看，計算機網絡（這裡主要指Internet）可分為邊緣部分和核心部分。邊緣部分由所有連接到因特網上、供用戶直接使用的主機組成，用來進行通信（如傳輸數據、音頻或視頻）和資源共享；核心部分由大量的網絡和連接這些網絡的路由器組成，它為邊緣部分提供連通性和交換服務。

（3）從功能組成上看，計算機網絡由通信子網和資源子網組成。通信子網由各種傳輸介質、通信設備和相應的網絡協議組成，他使網絡具有數據傳輸、交換、控制和存儲的能力，實現聯網計算機之間的數據通信。資源子網是時效件資源共享功能的設備及其軟件的結合，向網絡用戶提供共享其他計算機上的硬件資源、軟件資源和數據資源的服務。

計算機網絡主要有以下五大功能：

數據通信

它是計算機網絡最基本和最重要的功能，用來實現聯網計算機之間的各種信息的傳輸，并将分散在不同地理位置的計算機聯系起來進行統一的調配、控制和管理。比如，文件傳輸、電子郵件等應用，離開了計算機網絡将無法實現。

資源共享

資源共享可以使軟件共享、數據共享，也可以是硬件共享。使計算機網絡中的資源互通有無、分工協作，從而極大地提高硬件資源，軟件資源和數據資源的利用率。

分布式處理

當計算機網絡中的某個計算機系統負荷過重時，可以将其處理的某個複雜任務分配給網絡中的其他計算機系統，從而利用空閑計算機資源可以提高整個系統的利用率。

提高可靠性

計算機網絡中的各台計算機可以通過網絡互為替代機。

負載均衡

将工作 任務均衡地分配給計算機網絡中的各台計算機。

按分布範圍分類

（1）廣域網（WAN）

廣域網的任務是提供部分長距離通信，運送主機所發送的數據，其覆蓋範圍通常是幾十千米到幾千千米的區域，有時也稱遠程網。廣域網是因特網的核心部分。鍊接廣域網的各結點交換機的鍊路一般是高速鍊路，具有較大的通信容量。

（2）城域網（MAN）

城域網的覆蓋範圍可以跨越幾個街區甚至幾個城市，覆蓋範圍約為5-50km。城域網大多采用以太網技術，因此有時也并入局域網的範圍進行讨論。

（3）局域網（LAN）

局域網一般用微機或工作站通過高速線路相連，覆蓋範圍較小，通常為幾十米到幾千米的區域。局域網在計算機配置的數量上沒有太多的限制，少的可以隻有兩台，多的可達幾百台。傳統上，局域網使用廣播技術，而廣域網使用交換技術。

（4）個人局域網（PAN）

個人局域網指在個人工作的地方将消費電子設别（平闆電腦，智能手機等）用無線技術連接起來的網絡，也稱為無線個人區域網（WPAN），覆蓋區域直徑約為10m。

注： 若中央處理器之間的距離非常近（如僅1m的數量級甚至更小），則一般就稱之為多處理器系統，而不是稱它為計算機網絡。

（1）廣播式網絡

所有聯網計算機都共享一個公共通信信道。當一台計算機利用共享通信信道發送報文分組時，所有其他的計算機都會收聽到這個分組。接收到該分組的計算機将通過檢查目的地址來決定是否接受該分組。

（2）點對點網絡

每條物理線路連接一對計算機。如果通信的兩台主機之間沒有直接連接的線路，那麼他們之間的分組傳輸就要通過中間節點的接收、存儲和轉發，直至目的節點，是否采用分組存儲轉發與路由選擇機制是點對點式網絡與廣播式網絡的重要區别，廣域網基本都屬于點對點網絡。

網絡拓撲結構是指由網絡節點（路由器、主機等）與通信線路（網線）之間的幾何關系（如總環形、環形）表示的網絡結構，主要指通信子網的拓撲結構。

按網絡的拓撲結構，主要分為總線形，星形，環形和網狀形網絡等。

總線形和環形多用于局域網，網狀形網絡多用于廣域網。

（1）總線形網絡

用單根傳輸線把計算機連接起來。

優點：建網容易，增減結點方便、節省線路。

缺點：重負載時通信效率不高、總線任意一處對故障敏感。

（2）星形網絡

每個終端或計算機都以單獨的線路與中央設備相連。中央設備早期是計算機，現在一般是交換機或路由器。

優點：便于集中控制和管理，因為用戶之間的通信必須經過中央設備。

缺點：成本高，中心結點對故障敏感。

（3）環形網絡

所有計算機接口設備連接成一個環。環狀網絡最典型的例子是令牌環局域網。環可以是單環，也可以是雙環，環中信号是單向傳輸的。

（4）網狀形網絡

一般情況下，每個結點至少有兩條路徑與其他結點相連，多用在廣域網中。有規則型和非規則型兩種。

優點：可靠性高。

缺點：控制複雜、線路成本高。

以上四種基本的網絡拓撲結構可以互連為更複雜的網絡。

（1）公用網（Public Network）

指電信公司建造的大型網絡。“公用”的意思是指所有願意按電信公司的規定繳納費用的人都可以使用這種網絡，因此也稱公衆網。

（2）專用網（Private Network）

指某個部分為滿足本單位特殊業務的需要而建造的網絡。這種網絡不向本單位以外的人提供服務。例如鐵路、電力、軍隊等部門的專用網。

交換技術是指各主機之間、各通信設備之間或主機與通信設備之間為交換信息所采用的的數據格式和交換裝置的方式。按交換技術可将網絡分為如下幾種。

（1）電路交換網絡

在源結點和目的結點之間建立一條專用的通路用于傳送數據，包括建立連接、傳輸數據和斷開連接三個階段。最典型的電路交換網絡是傳統電話網絡。

特點：是整個保溫的比特流連續地從源點直達終點，好像是在一條管道中傳送。

優點：數據直接傳送、延時小。

缺點：線路利用率低，不能充分利用線路容量、不便于進行差錯控制。

（2）報文交換網絡

用戶數據加上源地址、目的地址、校驗碼等輔助信息，然後封裝成報文。整個報文傳送到相鄰結點，全部存儲後，再轉發給下一個結點，重複這一過程直到達到目的結點。每個報文可以單獨選擇達到目的結點的路徑。

報文交換網絡也稱存儲-轉發網絡

特點：整個報文先傳送到相鄰結點，全部存儲後查找轉發表，轉發到下一個結點。

優點：可以較為充分地利用線路容量，可以實現不同鍊路之間不同速率的轉換，可以實現格式轉換，可以實現一對多，多對一的訪問，可以實現差錯控制。

缺點：增大了資源開銷（如輔助信息導緻處理時間和存儲資源的開銷），增加緩沖實驗，需要額外的控制機制來保證多個報文的順序不亂序，緩沖區難以管理（因為報文的大小不确定，接收方在接收到保溫之前不能預知報文的大小）。

（3）分組交換網絡，也稱包交換網絡

原理是蔣書記分成較短的固定長度的數據塊，在每個數據塊中加上目的地址、源地址等輔助信息組成分組（包），以存儲-轉發方式傳輸。

特點：單個分組（它是整個報文的一部分）傳送到相鄰結點，存儲查找轉發表，轉發到下一個結點。

優點：除具備報文交換網絡的優點之外，分女足交換網絡還具有緩沖易于管理；包的平均延時更小，網絡占用的平均緩沖區更少；更易于标準化；更适合應用。現在的主流網絡基本上都可視為分組交換網絡。

傳輸介質可分為有線和無線兩大類，因此網絡可分為有線網絡和無線網絡。有線網絡又分為雙絞線網絡、同軸電纜網絡等。無線網絡又可以分為藍牙、微波、無線電等類型。

因特網的标準都以RFC（Request For Comments）的形式在因特網上發布，但并非每個RFC都是因特網标準，RFC要上升為因特網的正式标準需要經過以下四個階段。

（1）因特網草案（Internet Draft）。這個階段還不是正式RFC文檔。

（2）建議标準（Proposed Standard）。從這個階段開始就成為RFC文檔。

（3）草案标準（Draft Standard）。

（4）因特網标準（Internet Standard）。

各種RFC關系如圖：

在國際上負責制定、實施相關網絡标準的标準化組織，主要有如下幾個：

國際标準化組織（ISO）。制定的隻要網絡标準或規範有OSI參考模型、HDLC等。

國際電信聯盟（ITU）。其前身為國際電話電報咨詢委員會（CCITT），其下屬機構ITU-T制定了大量關于遠程通信的标準。

國際電氣電子工程師協會（IEEE）。世界上最大的專業技術團體，由計算機和工程學專業人士組成。IEEE在通信領域最著名的研究成果是802标準。

（1）帶寬（Bandwidth）

本來表示通信線路允許通過的信号頻帶範圍，單位是赫茲（Hz）。而在計算機網絡中，帶寬表示網絡的通信線路所能傳送數據的能力，是數字信道所能傳送的“最高數據率”同義語，單位是比特/秒（b/s）。

（2）時延（Delay）

指數據（一個報文或分組）從網絡（或鍊路）的一段傳送到另一端所需要的總時間，它由四部分構成：發送時延，傳播時延，處理時延和排隊時延。

發送時間

結點将分組的多有比特推向（傳輸）鍊路所需的時間，即從發送分組的第一個比特算起，到該分組的最後一個比特發送完畢所需的時間，因此也稱傳輸時延。計算公式為：

發送時延=分組長度/信道寬度

傳播時延

電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間，即一個比特從鍊路的一段傳播到另一端所需的時間。計算公式為：

傳播時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速率

處理時延

數據在交換節點為存儲轉發而進行的一些必要的處理所花費的時間。例如，分析分組的首部，從分組中提取數據部分，進行差錯檢驗或查找适當的路由等。

排隊時延

分組在進入理由起後要先在輸入隊列中排隊等待處理。路由器确定轉發端口後，還要在輸出隊列中排隊等待轉發，這就産生了排隊時延。

因此，數據在網絡中經曆的總時延就是以上4部分之和：

總時延=發送時延 傳播時延 處理時延 排隊時延

（3）時延帶寬積

指發送端發送的第一個比特即将到達終點時，發送端已經發出了多少個比特，因此又稱以比特為單位的鍊路長度，即：

時延帶寬積=傳播時延x信道帶寬

（4）往返時延（Round-Trip Time，RTT）

指從發送端發送數據開始，到發送端接收到來自接收端的确認（接收端接收到數據立即發送确認），總共經曆的時延。在互聯網中，往返時延還包括各種中間節點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。

（5）吞吐量（Throughput）

指單位時間内通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量受網絡帶寬或網絡額定速率的限制。

（6）速率（Speed）

網絡中的速率是指連接到計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，也稱數據率或比特率，單位為b/s（比特/秒）（或bit/s,有時也寫成bps）。數據率較高時，可以用Kb/s（k=10^3）、 Mb/s(M=10 ^6）、Gb/s(M=10 ^9）表示。在計算機網絡中，通常把最高數據率稱為帶寬。

（7）信道利用率

指出某一信道有百分之多少的時間是有數據通過的，即：

信道利用率=數據通過時間/（有 無）數據通過時間

在計算機網絡體系結構的各個層次中，每個報文都分為兩個部分：一是數據部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI，他們共同組成PDU。

服務數據單元（SDU）

為完成用戶所要求的功能而傳送的數據。第n層的服務數據單元記為n-SDU。

協議控制單元（PCI）

控制協議操作的信息。第n層控制協議信息記為n-PCI。

協議數據單元（PDU）

對等層次之間傳送的數據單位稱為該層的PDU。第n層的協議數據單元記為n-PDU。在實際的網絡中，每層的協議數據單元有一個通俗的名稱，如物理層的PDU稱比特，鍊路層的PDU稱為幀，網絡層的PDU稱為分組，傳輸層的PDU稱為報文。

在各層傳輸數據時，把第n 1層收到的PDU作為第n層的SDU，加上第n層的PCI，就變成了了第n層的PDU，交給第n-1層後作為SDU發送，接收方接受時做相反的處理，因此可以知三者關系為n-SDU n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU。

變換過程如下所示:

具體的，層次結構的含義包括以下幾方面：

（1）第n層的實體不僅要使用第n-1層的服務來實現自身定義的功能，還要向第n 1層提供本層的服務，該服務是第n層及其下面各層提供的服務總和。

（2）最低層隻提供服務，是整個層次結構的基礎；中間層即是下一層的服務使用者，有時上一層的服務提供者；最高層面向用戶提供服務。

（3）上一層隻能通過相鄰層的接口使用下一層的服務，而不能調用其他層的服務；CIA一層所提供服務的實現細節對上一層透明。

（4）兩台主機通信時，對等層在邏輯上有一條直接信道，表現為不經過下層就把信息傳送到對方。

協議

協議，就是規則的集合。這些規則明确規定了所交換的數據的格式及有關的同步問題。這些為進行網絡中的數據交換而建立的規則、标準或約定稱為網絡協議（Network Protocol），它是控制兩個（或多個）對等實體進行通信的規則的集合，是水平的。

不對等實體之間是沒有協議的，比如用TCP/IP協議棧通信的兩個結點，結點A的傳輸層和結點B的傳輸層之間存在協議，但結點A的傳輸層和結點B的網絡層之間不存在協議。網絡協議也簡稱為協議。

語法：

（1）語法規定了傳輸數據的格式；

（2）語義規定了所要完成的功能，即需要發出何種控制信息、完成何種動作及作出何種應答；

（3）同步規定了執行各種操作的條件、時序關系等，即事件實現順序的詳細說明。一個完整的協議通常應具有線路管理（建立、釋放連接）、差錯控制、數據轉換等功能。

接口

接口是同一結點内相鄰兩層間交換信息的連接點，是一個系統内部的規定。

每層隻能為緊鄰的層次之間定義接口，不能跨層定義接口。在典型的接口上，同一結點相鄰兩層的實體通過服務訪問點（Service Access Point ，SAP）進行交互。

服務是通過SAP提供給上層使用的，第n層的SAP就是第n 1層可以訪問第n層服務的地方。每個SAP都有一個能夠标識它的地址，SAP是一個抽象的概念，它實際上是一個邏輯接口，但和通常所說的兩個設備之間的硬件接口是很不一樣的。

服務

服務區是下層為緊鄰的上層提供的調用功能，它是垂直的。對等實體在協議的控制下，使得本層能為上一層提供服務，但要實現本層協議還需要使用下一層所提供的服務。

上層使用下層所提供的的服務時還必須與下層交換一些命令，這些命令在OSI中稱為服務原語。

（1）請求（Request）

由服務員發往服務提供者，請求完成某項工作。

（2）指示（Indication）

由服務提供者發往服務區，指示用戶做某件事情。

（3）響應（Response）

由服務用戶發往服務提供者，作為對指示的響應。

（4）證實（Confirmation）

由服務提供者發往服務用戶，作為對請求的證實。

四類原語的關系如下所示：

注： 服務和協議在概念上是不一樣的。首先，隻有本層協議的實現才能保證向上一層提供服務。本層的服務用戶隻能看見服務而無法看見下面的協議，即下面的協議對上層的服務用戶是透明的。

其次，協議是“水平的”，即協議是控制對等實體之間通信的規則。但服務是“垂直的”，即服務是由下層通過層間接口向上提供的。

另外，并非在一層内完成的全部功能都能稱為服務，隻有那些能被高一層實體“看得見”的功能才能稱為服務。

（1）面向連接服務與無連接服務

在面向連接服務中，通信前雙方必須先建立連接，分配相應的資源（如緩沖區），以保證通信能正常進行，傳輸結束後釋放連接和所占用的資源。因此這種服務可以分為連接建立、數據傳輸和連接釋放三個階段。

例如TCP就是一種面向連接服務的協議。

在無服務連接中，通信雙方不需要先建立連接，需要發送數據時可直接發送，把每個帶有目的地址的包（報文分組）傳送到線路上，由系統選定線路進行傳輸。這是一種不可靠的服務。這種服務常被描述為“盡最大努力交付”（Best-Effort-Delivery），它并不保證通信的可靠性。

例如IP、UDP就是一種無連接服務的協議。

（2）可靠服務和不可靠服務

可靠服務是指網絡具有糾錯、檢錯、應答機制，能保證數據正确、可靠地傳送到目的地。

不可靠服務是指網絡隻是盡量正确、可靠地傳送，而不能保證數據正确、可靠地傳送到目的地，是一種盡力而為的服務。

對于提供不可靠服務的網絡，其網絡的正确性、可靠性要由應用或用戶來保障。例如，用 戶收到信息後要判斷信息的正确性，如果不正确，那麼用戶要把出錯信息報告給信息的發送者，以便發送者采取糾正措施。通過用戶的這些措施，可以把不可靠的服務變成可靠的服務。

（3）有應答服務和無應答服務

有應答服務是指接收方在收到數據後向發送方給出相應的應答，該應答由傳輸系統内部自動實現，而不由用戶實現。所發送的應答既可以是肯定應答，也可以是否定應答，通常在接收到的數據有錯誤時發送否定應答。例如，文件傳輸服務就是一種有應答服務。

無應答服務是指接收方收到數據後不自動給出應答。若需要應答，則由高層實現。例如，對于WWW服務，客戶端收到服務器發送的頁面文件後不給出應答。

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