【计算机网络01】 网络组成与三种交换方式

【参考资料】

• 《自顶向下的计算机网络第八版》
• 湖科大计算机网络（b站）
• 王道考研（b站）

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一、网络基础概念解析

1.1 网络、互联网与因特网

网络（Network）： 由若干个结点Node和连接这些节点的链路Link组成的（有线链路或无线链路）。 多个网络可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（互连网），因此互联网也被成为“网络的网络（Network of Networks）”。因特网（Internet）是世界上最大的互联网络。

internet 和 Internet的区别：

• internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
• Internet(因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

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二、因特网发展三阶段（了解）

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三、ISP

3.1 ISP基本概念

因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider），普通用户是通过ISP接入因特网的，ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路和路由器等联网设备，我们只需要向ISP缴纳费用就能得到所需要的IP地址。因特网上的主机必须有IP地址才能通信。

中国的三大运营商：中国电信、中国移动、中国联通。

3.2 基于ISP的三层结构的因特网

根据提供服务的覆盖面积大小及所拥有的IP地址数量的不同ISP分为不同层次：

• 第一层ISP通常被称为因特网主干网，一般能覆盖国际性区域范围，拥有高速链路和交换设备，第一层ISP之间直接互联。

• 第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，具有区域性和国家性覆盖规模，与少部分第一层ISP连接。

• 第三层是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络，如校园网、企业网、住宅用户、移动用户等。

• 一旦某个用户能够接入到因特网，那么他也可以成为一个ISP，只需要购买一些调制解调器或路由器这样的设备。

四、因特网标准化工作（了解）

制定其标准的特点：面向公众。其他的内容在这里就直接放截图了…

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五、因特网的组成

• 边缘部分：由所有连接诶在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来通信（传数据）和资源共享。

• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。起特殊作用的是路由器，是一种专用计算机（但不被称为主机），是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

六、三种交换方式

6.1 电路交换（Circuit Switching）

电话出现之后，要让所有电话两两相连是不可能的，2部电话是一对电线，5部电话是10对电线，N部电话需要 $\frac{n(n-1)}{2}$

所以应该有一个中间设备进行连接：电话交换机，可以把电话交换机简单地看成是一个有多个开关的开关器，大大减少了电话线数量。

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源;

电路交换的三个步骤：

• ① 建立连接，即分配通信资源。例如，在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接；当被叫用户听到电话交换机送来的拨号音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路，这条连接保证了双方通话时所需要的通信资源（这些资源在通信时不会被其他用户占用）。
• ② 通话（一直占用通信资源）。
• ③ 释放连接（归还通信资源）。把刚才占用的所有通信资源归还给电信网。

Q： 如果使用电路交换来传送计算机数据，是否可行？
A： 当使用电路交换技术来传输计算机数据时，就像你在打电话一样，通话期间电话线就被你独占了，即使你不说话，这条线路也不能被其他人用来通话。对于计算机数据传输来说，数据不是一直连续不断地发送的，而是像一阵阵地爆发出来（突发式传输）。这意味着在你没有发送数据的时候，比如正在准备要发送的数据或者等待对方回应的时候，这段期间分配给你的传输线路就处于空闲状态，但别人还是不能用它。这就导致了线路资源的浪费，降低了整个网络的效率。

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6.2 分组交换（Packet Switching）

在本例中，只演示出了分组传输过程中的两种情况，对于可能出现的分组丢失、误码、重复等问题并没有演示，之后再说：

• 各分组从源站到达目的站可以走不同的路径 (也就是不同的路由)
• 分组乱序：也就是分组到达目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同。

在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络连接起来，并对接收到的分组进行转发，也就是分组交换。
假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条消息，通常我们把表示该消息的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，简称为“包”，首部就是包头。

Q： 添加首部的作用是什么? 这不是加大了传输数据量吗？
A： 首部中肯定包含了分组的目的地址，否则分组传输路径中的各分组交换机(也就是各路由器)就不知道如何转发分组了。分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。

• 告诉路由器这个包要发给谁：就像快递单上的收件人地址。
• 告诉路由器该怎么转发：比如从哪个口出去、走哪条路最近。
• 帮助接收方正确还原整个信息：接收方看到每个包的编号和顺序，就能把它们重新拼回去。

加上首部就像是给每一个数据包贴上“快递单”，虽然多花了点空间，但它让网络知道这个包是谁发的、要发给谁、该怎么走，是实现智能高效通信的关键。

在上例中，主机H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2，主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。

PS： 与分组交换类似，报文交换（Message Switching）中的交换节点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要有较大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

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6.3 三种交换方式的对比

假设A，B，C，D是分组传输路径上所要经过的4个结点交换机， 纵坐标是时间。

• 对于电路交换，通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送结束后，需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。

• 对于报文交换，可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机，

• 对于分组交换，可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的个个分组依次在各结点交换机上存储转发，各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。

当使用电路交换时，一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；使用报文交换时，整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间；使用分组交换时，构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

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6.3.1 电路交换的特点

特点	优点	缺点	通俗解释
通信时延小	数据传输快速直达，减少等待时间	需要先建立连接，这个过程可能耗时较长	想象一下打电话前需要拨号等对方接通的时间，但一旦接通，通话立刻开始。
有序传输	数据只在一条专用线路上传输，不会出现失序	如果线路出现问题，必须重新建立连接	好比你用一根管道直接把水从A点引到B点，水流顺序固定，但如果管道破裂，就得换新管道重新铺设。
没有冲突	不同用户使用不同的物理信道，不存在争用问题	独占资源，即使不使用时也无法让其他人使用	就像每家都有自己的车道，互不影响，但是如果你的车停着不用，别人也不能用你的车道。
适用范围广	既适合模拟信号也适合数字信号	对不同类型、规格、速率的终端兼容性差	无论是语音还是数据信息，都可以通过这条路传输，但如果两头设备差异大，可能会有问题。
实时性强	因为通信时延小，所以能提供较好的实时交互体验	当连接中的任何一部分出现问题时，整个连接失效	类似于直播，延迟很低，观众几乎可以即时看到主播的画面，但网络一断，直播就卡住了。
控制简单	结点交换机及其控制机制相对简单	灵活性差，难以适应复杂多变的需求	操作简单如同开关灯一样，但面对复杂的照明需求（比如调光），这种简单的开关就不够用了。
灵活性差		只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接。	如果途中某段路突然施工不能走了，你就得重新规划路线并再次出发。
难以规格化		电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。	就像是老式电话只能用来打电话，不能上网或者视频聊天。

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6.3.2 报文交换的特点

特点	优点	缺点	通俗解释
无需建立连接	可以随时发送报文，不需要预先建立连接	报文在每个结点都需要经历存储转发的过程，导致一定的延迟	就像你可以随时寄信，不用事先告诉邮局你要寄信，但每到一个邮局都要重新打包检查再发出去。
动态分配线路	结点交换机根据当前网络状况选择最合适的空闲线路进行传输	如果网络繁忙，可能会增加等待时间	类似于导航软件帮你选择最快路线，但如果路上车太多，可能需要重新规划路线。
提高线路可靠性	线路故障时可以自动选择其他路径重传数据	当前路径故障时，虽然能换路径但仍会增加传输时间和复杂性	像是如果一条路堵了或关闭了，你可以选择另一条路去目的地，但这可能会让你多走一段路。
提高线路利用率	不固定占用某条线路，而是在不同时间段分段占用	由于需要先存储后转发，这可能导致线路资源的浪费	比喻为共享自行车，不同时段不同的人使用同一辆自行车，提高了自行车的利用率。
提供多目标服务	一个报文可以同时发送给多个目的地址	实现多目标服务增加了系统复杂性和开销	类似于群发邮件，你可以一次将同一封邮件发送给多个收件人，但准备和发送过程可能比单发更复杂。
引起转发时延	-	报文在每个结点上都要被接收、存储然后转发，增加了传输时间	这就像是快递包裹在每个物流中心都要卸货检查再装车出发，导致整体送达时间延长。
需要较大的缓存空间	-	报文交换对报文大小没有限制。	假如你有很多大箱子要暂存在朋友家，那么朋友家就需要有足够的空间来放这些箱子。
额外信息量	-	报文需要携带源地址、目标地址等额外信息，增加了传输的数据量	就像是寄信时除了信纸本身，还需要写上寄件人和收件人的地址，这实际上增加了信件的总重量。

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6.3.3 分组交换的特点

特点	优点	缺点	通俗解释
无需建立连接	可以随时发送数据，不需要预先建立专用连接	分组在每个结点都需要经历存储转发的过程，导致一定的延迟	类似于微信消息，你可以随时发信息，不需要事先告诉对方你要聊天，但每条消息仍需经过服务器处理。
线路利用率高	分组可以动态选择路径，不同时间段分段占用线路资源	-	想象为共享汽车服务，不同的人可以在不同时间使用同一辆车，提高了车辆的利用率。
简化存储管理	因为分组长度固定，缓冲区大小也固定，使得存储管理更为简便	-	就像图书馆的书架，每本书的尺寸相同，这样更容易管理和查找书籍。
加速传输	分组逐个传输，后一个分组的存储与前一个分组的转发可以同时进行	-	类似于工厂生产线上的流水作业，一件产品的一部分工序完成后立即开始下一部分工序，提高效率。
减少出错概率和重发量	分组较小，出错几率低；即使出错也只需重传单个分组而非整个报文	-	假设你画了一幅大图分成小块寄给朋友，如果某一块丢失或损坏，只需要补寄这一块而不是整幅图。
引起转发时延	-	分组在每个结点上都要被接收、存储然后转发，增加了传输时间	这就像是快递包裹在每个物流中心都要卸货检查再装车出发，导致整体送达时间延长。
额外信息量	-	每个分组需要携带源地址、目标地址等控制信息，增加了传输的数据量	就像是寄信时除了信纸本身，还需要写上寄件人和收件人的地址，这实际上增加了信件的总重量。
失序、丢失或重复问题	-	对于数据报服务，分组可能到达目的节点时顺序混乱，需要重新排序	类似于拼图游戏，所有碎片都到齐了才能看到完整的图片，但如果收到的碎片顺序不对，就需要重新排列。
虚电路服务复杂性	-	虚电路服务虽然避免了分组失序问题，但是包括呼叫建立、数据传输和释放三个步骤，增加了复杂性	像是打电话前需要先拨号等待对方接听（建立连接），通话结束后还要挂断电话（释放连接）。