計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程與知識(shí)總結(jié)

作者：程序員cxuan/cxuan （本文來(lái)自作者投稿）

本文的組織形勢(shì)如下

如果說(shuō)計(jì)算機(jī)把我們從工業(yè)時(shí)代帶到了信息時(shí)代，那么計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就可以說(shuō)把我們帶到了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。隨著使用計(jì)算機(jī)人數(shù)的不斷增加，計(jì)算機(jī)也經(jīng)歷了一系列的發(fā)展，從大型通用計(jì)算機(jī) -> 超級(jí)計(jì)算機(jī) -> 小型機(jī) -> 個(gè)人電腦 -> 工作站 -> 便攜式電腦 -> 智能手機(jī)終端等都是這一過(guò)程的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也逐漸從獨(dú)立模式演變?yōu)榱司W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式。

可以看到，在獨(dú)立模式下，每個(gè)人都需要排隊(duì)等待其他人在一個(gè)機(jī)器上完成工作后，其他用戶才能使用。這樣的數(shù)據(jù)是單獨(dú)管理的。

現(xiàn)在切換到了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式，在這種模式下，每個(gè)人都能獨(dú)立的使用計(jì)算機(jī)，甚至還會(huì)有一個(gè)服務(wù)器，來(lái)為老大哥、cxuan 和 sonsong 提供服務(wù)。這樣的數(shù)據(jù)是集中管理的。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按規(guī)模進(jìn)行劃分，有WAN(Wide Area Network, 廣域網(wǎng))和LAN(Local area Network, 局域網(wǎng))。如下圖所示

上面是局域網(wǎng)，一般用在狹小區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)社區(qū)、一棟樓、辦公室經(jīng)常使用局域網(wǎng)。

距離較遠(yuǎn)的地方組成的網(wǎng)絡(luò)一般是廣域網(wǎng)。

最初，只是固定的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)相連在一起形成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)一般是私有的，這幾臺(tái)計(jì)算機(jī)之外的計(jì)算機(jī)無(wú)法訪問(wèn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們開(kāi)始嘗試在私有網(wǎng)絡(luò)上搭建更大的私有網(wǎng)絡(luò)，逐漸又發(fā)展演變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)，現(xiàn)在我們每個(gè)人幾乎都能夠享有互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的便利。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

批處理

就和早期的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)一樣，最開(kāi)始都要先經(jīng)歷批處理(atch Processing)階段，批處理的目的也是為了能讓更多的人使用計(jì)算機(jī)。

批處理就是事先將數(shù)據(jù)裝入卡帶或者磁帶，并且由計(jì)算機(jī)按照一定的順序進(jìn)行讀入。

當(dāng)時(shí)這種計(jì)算機(jī)的價(jià)格比較昂貴，并不是每個(gè)人都能夠使用的，這也就客觀暗示著，只有專門的操作員才能使用計(jì)算機(jī)，用戶把程序提交給操作員，由操作員排隊(duì)執(zhí)行程序，等一段時(shí)間后，用戶再來(lái)提取結(jié)果。

這種計(jì)算機(jī)的高效性并沒(méi)有很好的體現(xiàn)，甚至不如手動(dòng)運(yùn)算快。

分時(shí)系統(tǒng)

在批處理之后出現(xiàn)的就是分時(shí)系統(tǒng)了，分時(shí)系統(tǒng)指的是多個(gè)終端與同一個(gè)計(jì)算機(jī)連接，允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了一人一機(jī)的目的，讓用戶感覺(jué)像是自己在使用計(jì)算機(jī)，實(shí)際上這是一種獨(dú)占性的特性。

分時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)以來(lái)，計(jì)算機(jī)的可用性得到了極大的改善。分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)意味著計(jì)算機(jī)越來(lái)越貼近我們的生活。

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還有一點(diǎn)需要注意：分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)促進(jìn)了像是 BASIC 這種人機(jī)交互語(yǔ)言的誕生。

分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)，同時(shí)促進(jìn)者計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)通信

在分時(shí)系統(tǒng)中，每個(gè)終端與計(jì)算機(jī)相連，這種獨(dú)占性的方式并不是計(jì)算機(jī)之間的通信，因?yàn)槊總€(gè)人還是在獨(dú)立的使用計(jì)算機(jī)。

到了 20 世紀(jì) 70 年代，計(jì)算機(jī)性能有了高速發(fā)展，同時(shí)體積也變得越來(lái)越小，使用計(jì)算機(jī)的門檻變得更低，越來(lái)越多的用戶可以使用計(jì)算機(jī)。

沒(méi)有一個(gè)計(jì)算機(jī)是信息孤島促使著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的誕生

20 世紀(jì) 80 年代，一種能夠互連多種計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)隨之誕生。它能夠讓各式各樣的計(jì)算機(jī)相連，從大型的超級(jí)計(jì)算機(jī)或主機(jī)到小型電腦。

20 世紀(jì) 90 年代，真正實(shí)現(xiàn)了一人一機(jī)的環(huán)境，但是這種環(huán)境的搭建仍然價(jià)格不菲。與此同時(shí)，諸如電子郵件(E-mail)、萬(wàn)維網(wǎng)(WWW,World Wide Web)等信息傳播方式如雨后春筍般迎來(lái)了前所未有的發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)從大到整個(gè)公司小到每個(gè)家庭內(nèi)部，都得以廣泛普及。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展

現(xiàn)如今，越來(lái)越多的終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，使互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了前所未有的高潮，近年來(lái) 3G、4G、5G 通信技術(shù)的發(fā)展更是互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的產(chǎn)物。

許多發(fā)展道路各不相同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也都正在向互聯(lián)網(wǎng)靠攏。例如，曾經(jīng)一直作為通信基礎(chǔ)設(shè)施、支撐通信網(wǎng)絡(luò)的電話網(wǎng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其地位也隨著時(shí)間的推移被IP(Internet Protocol)網(wǎng)所取代，IP 也是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的產(chǎn)物。

網(wǎng)絡(luò)安全

正如互聯(lián)網(wǎng)也具有兩面性，互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)方便了用戶，同時(shí)也方便了一些不法分子?；ヂ?lián)網(wǎng)的便捷也帶來(lái)了一些負(fù)面影響，計(jì)算機(jī)病毒的侵害、信息泄漏、網(wǎng)絡(luò)詐騙層出不窮。

在現(xiàn)實(shí)生活中，通常情況下我們挨揍了會(huì)予以反擊，但是在互聯(lián)網(wǎng)中，你被不法分子攻擊通常情況下是無(wú)力還擊的，只能防御，因?yàn)檫€擊需要你精通計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，這通常情況下很多人辦不到。

通常情況下公司和企業(yè)容易被作為不法分子獲利的對(duì)象，所以，作為公司或者企業(yè)，要想不受攻擊或者防御攻擊，需要建立安全的互聯(lián)網(wǎng)連接。

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

協(xié)議這個(gè)名詞不僅局限于互聯(lián)網(wǎng)范疇，也體現(xiàn)在日常生活中，比如情侶雙方約定好在哪個(gè)地點(diǎn)吃飯，這個(gè)約定也是一種協(xié)議，比如你應(yīng)聘成功了，企業(yè)會(huì)和你簽訂勞動(dòng)合同，這種雙方的雇傭關(guān)系也是一種協(xié)議。注意自己一個(gè)人對(duì)自己的約定不能成為協(xié)議，協(xié)議的前提條件必須是多人約定。

那么網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是什么呢？

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是網(wǎng)絡(luò)中(包括互聯(lián)網(wǎng))傳遞、管理信息的一些規(guī)范。如同人與人之間相互交流是需要遵循一定的規(guī)矩一樣，計(jì)算機(jī)之間的相互通信需要共同遵守一定的規(guī)則，這些規(guī)則就稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)是混亂的，就和人類社會(huì)一樣，人不能想怎么樣就怎么樣，你的行為約束是受到法律的約束的；那么互聯(lián)網(wǎng)中的端系統(tǒng)也不能自己想發(fā)什么發(fā)什么，也是需要受到通信協(xié)議約束的。

我們一般都了解過(guò) HTTP 協(xié)議，HTTP 是一個(gè)在計(jì)算機(jī)世界里專門在兩點(diǎn)之間傳輸文字、圖片、音頻、視頻等超文本數(shù)據(jù)的約定和規(guī)范

但是互聯(lián)網(wǎng)又不只有 HTTP 協(xié)議，它還有很多其他的比如 IP、TCP、UDP、DNS 協(xié)議等。下面是一些協(xié)議的匯總和介紹

ISO 在制定標(biāo)準(zhǔn)化的 OSI 之前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行了充分的探討，最終提出了作為通信協(xié)議設(shè)計(jì)指標(biāo)的 OSI 參考模型。這一模型將通信協(xié)議中必要的功能分為了 7 層。通過(guò)這 7 層分層，使那些比較復(fù)雜的協(xié)議簡(jiǎn)單化。

在 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型中，每一層協(xié)議都接收由它下一層所提供的特定服務(wù)，并且負(fù)責(zé)為上一層提供服務(wù)，上層協(xié)議和下層協(xié)議之間通常會(huì)開(kāi)放接口，同一層之間的交互所遵守的約定叫做協(xié)議。

OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型

上圖只是簡(jiǎn)單的介紹了一下層與層之間的通信規(guī)范和上層與下層的通信規(guī)范，并未介紹具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層，實(shí)際上，OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型將復(fù)雜的協(xié)議整理并分為了易于理解的 7 層。如下圖所示

互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議都對(duì)應(yīng)了 7 層中的某一層，通過(guò)這一點(diǎn)，可以了解協(xié)議在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中的作用，一般來(lái)說(shuō)，各個(gè)分層的主要作用如下

應(yīng)用層：應(yīng)用層是 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型的最頂層，是直接為應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)的。其作用是在實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)程相互通信的同時(shí)，完成一系列業(yè)務(wù)處理所需的服務(wù)。包括文件傳輸、電子郵件遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)端接口調(diào)用等協(xié)議。

表示層: 表示層向上對(duì)應(yīng)用進(jìn)程服務(wù)，向下接收會(huì)話層提供的服務(wù)，表示層位于 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型的第六層，表示層的主要作用就是將設(shè)備的固有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式。

會(huì)話層：會(huì)話層位于 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型的第五層，它是建立在傳輸層之上，利用傳輸層提供的服務(wù)建立和維持會(huì)話。

傳輸層：傳輸層位于 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型的第四層，它在整個(gè) OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型中起到了至關(guān)重要的作用。傳輸層涉及到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，向上層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。傳輸層的服務(wù)一般要經(jīng)歷傳輸連接建立階段，數(shù)據(jù)傳輸階段，傳輸連接釋放階段 3 個(gè)階段才算完成一個(gè)完整的服務(wù)過(guò)程。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層位于 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型的第三層，它位于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層的中間，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源端經(jīng)過(guò)若干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳送到另一端，從而向運(yùn)輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。

數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和網(wǎng)絡(luò)層中間，數(shù)據(jù)鏈路層定義了在單個(gè)鏈路上如何傳輸數(shù)據(jù)。

物理層：物理層是 OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型中最低的一層，物理層是整個(gè) OSI 協(xié)議的基礎(chǔ)，就如同房屋的地基一樣，物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。

TCP/IP 協(xié)議簇

TCP/IP 協(xié)議是我們程序員接觸最多的協(xié)議，實(shí)際上，TCP/IP 又被稱為TCP/IP 協(xié)議簇，它并不特指單純的 TCP 和 IP 協(xié)議，而是容納了許許多多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

OSI 模型共有七層，從下到上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。但是這顯然是有些復(fù)雜的，所以在TCP/IP協(xié)議中，它們被簡(jiǎn)化為了四個(gè)層次

和 OSI 七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要區(qū)別如下

應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層三個(gè)層次提供的服務(wù)相差不是很大，所以在 TCP/IP 協(xié)議中，它們被合并為應(yīng)用層一個(gè)層次。

由于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的內(nèi)容很相似，所以在 TCP/IP 協(xié)議中它們被歸并在網(wǎng)絡(luò)接口層一個(gè)層次里。

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我們的主要研究對(duì)象就是 TCP/IP 的四層協(xié)議。

下面 cxuan 和你聊一聊 TCP/IP 協(xié)議簇中都有哪些具體的協(xié)議

IP 協(xié)議

IP 是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol)，位于網(wǎng)絡(luò)層。IP是整個(gè) TCP/IP 協(xié)議族的核心，也是構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。IP 能夠?yàn)檫\(yùn)輸層提供數(shù)據(jù)分發(fā)，同時(shí)也能夠組裝數(shù)據(jù)供運(yùn)輸層使用。它將多個(gè)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接成為一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)，這樣能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。二是分割頂層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系。

ICMP 協(xié)議

ICMP 協(xié)議是Internet Control Message Protocol， ICMP 協(xié)議主要用于在 IP 主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息。ICMP 屬于網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，當(dāng)遇到 IP 無(wú)法訪問(wèn)目標(biāo)、IP 路由器無(wú)法按照當(dāng)前傳輸速率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送 ICMP 消息，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，ICMP 協(xié)議可以看作是錯(cuò)誤偵測(cè)與回報(bào)機(jī)制，讓我們檢查網(wǎng)絡(luò)狀況、也能夠確保連線的準(zhǔn)確性。

ARP 協(xié)議

ARP 協(xié)議是地址解析協(xié)議，即Address Resolution Protocol，它能夠根據(jù) IP 地址獲取物理地址。主機(jī)發(fā)送信息時(shí)會(huì)將包含目標(biāo) IP 的 ARP 請(qǐng)求廣播到局域網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)，并接受返回消息，以此來(lái)確定物理地址。收到消息后的物理地址和 IP 地址會(huì)在 ARP 中緩存一段時(shí)間，下次查詢的時(shí)候直接從 ARP 中查詢即可。

TCP 協(xié)議

TCP 就是傳輸控制協(xié)議，也就是Transmission Control Protocol，它是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸協(xié)議，TCP 協(xié)議位于傳輸層，TCP 協(xié)議是 TCP/IP 協(xié)議簇中的核心協(xié)議，它最大的特點(diǎn)就是提供可靠的數(shù)據(jù)交付。

TCP 的主要特點(diǎn)有慢啟動(dòng)、擁塞控制、快速重傳、可恢復(fù)。

UDP 協(xié)議

UDP 協(xié)議就是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，也就是User Datagram Protocol，UDP 也是一種傳輸層的協(xié)議，與 TCP 相比，UDP 提供一種不可靠的數(shù)據(jù)交付，也就是說(shuō)，UDP 協(xié)議不保證數(shù)據(jù)是否到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后，是無(wú)法得知其是否安全完整到達(dá)的。UDP 是一種無(wú)連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端無(wú)需建立連接，不對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行檢查與修改，無(wú)須等待對(duì)方的應(yīng)答，會(huì)出現(xiàn)分組丟失、重復(fù)、亂序等現(xiàn)象。但是 UDP 具有較好的實(shí)時(shí)性，工作效率較 TCP 協(xié)議高。

FTP 協(xié)議

FTP 協(xié)議是文件傳輸協(xié)議，英文全稱是File Transfer Protocol，應(yīng)用層協(xié)議之一，是 TCP/IP 協(xié)議的重要組成之一，F(xiàn)TP 協(xié)議分為服務(wù)器和客戶端兩部分，F(xiàn)TP 服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)文件，F(xiàn)TP 客戶端用來(lái)訪問(wèn) FTP 服務(wù)器上的文件，F(xiàn)TP 的傳輸效率比較高，所以一般使用 FTP 來(lái)傳輸大文件。

DNS 協(xié)議

DNS 協(xié)議是域名系統(tǒng)協(xié)議，英文全稱是Domain Name System，它也是應(yīng)用層的協(xié)議之一，DNS 協(xié)議是一個(gè)將域名和 IP 相互映射的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。DNS 緩存能夠加快網(wǎng)絡(luò)資源的訪問(wèn)。

SMTP 協(xié)議

SMTP 協(xié)議是簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議，英文全稱是Simple Mail Transfer Protocol，應(yīng)用層協(xié)議之一，SMTP 主要是用作郵件收發(fā)協(xié)議，SMTP 服務(wù)器是遵循 SMTP 協(xié)議的發(fā)送郵件服務(wù)器，用來(lái)發(fā)送或中轉(zhuǎn)用戶發(fā)出的電子郵件

SLIP 協(xié)議

SLIP 協(xié)議是指串行線路網(wǎng)際協(xié)議（Serial Line Internet Protocol)，是在串行通信線路上支持 TCP/IP 協(xié)議的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Point-to-Point)式的鏈路層通信協(xié)議。

PPP 協(xié)議

PPP 協(xié)議是Point to Point Protocol，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，是一種鏈路層協(xié)議，是在為同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)目的主要是用來(lái)通過(guò)撥號(hào)或?qū)＞€方式建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器之間簡(jiǎn)單連接的一種共通的解決方案。

網(wǎng)絡(luò)核心概念

傳輸方式

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)傳輸方式可以進(jìn)行分類，一般分成兩種面向連接型和面向無(wú)連接型。

面向連接型中，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要在主機(jī)之間建立一條通信線路。

面向無(wú)連接型則不要求建立和斷開(kāi)連接，發(fā)送方可用于任何時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端也不知道自己何時(shí)從哪里接收到數(shù)據(jù)。

分組交換

在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，每個(gè)終端系統(tǒng)都可以彼此交換信息，這種信息也被稱為報(bào)文(Message)，報(bào)文是一個(gè)集大成者，它可以包括你想要的任何東西，比如文字、數(shù)據(jù)、電子郵件、音頻、視頻等。為了從源目的地向端系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文，需要把長(zhǎng)報(bào)文切分為一個(gè)個(gè)小的數(shù)據(jù)塊，這種數(shù)據(jù)塊稱為分組(Packets)，也就是說(shuō)，報(bào)文是由一個(gè)個(gè)小塊的分組組成。在端系統(tǒng)和目的地之間，每個(gè)分組都要經(jīng)過(guò)通信鏈路(communication links)和分組交換機(jī)(switch packets)，分組要在端系統(tǒng)之間交互需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，如果兩個(gè)端系統(tǒng)之間需要交互的分組為 L 比特，鏈路的傳輸速率為 R 比特/秒，那么傳輸時(shí)間就是 L / R秒。

一個(gè)端系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)交換機(jī)給其他端系統(tǒng)發(fā)送分組，當(dāng)分組到達(dá)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)就能夠直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)嗎？不是的，交換機(jī)可沒(méi)有這么無(wú)私，你想讓我?guī)湍戕D(zhuǎn)發(fā)分組？好，首先你需要先把整個(gè)分組數(shù)據(jù)都給我，我再考慮給你發(fā)送的問(wèn)題，這就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸指的就是交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)分組的第一個(gè)比特前，必須要接受到整個(gè)分組，下面是一個(gè)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)氖疽鈭D，可以從圖中窺出端倪

由圖可以看出，分組 1、2、3 向交換器進(jìn)行分組傳輸，并且交換機(jī)已經(jīng)收到了分組1 發(fā)送的比特，此時(shí)交換機(jī)會(huì)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)嗎？答案是不會(huì)的，交換機(jī)會(huì)把你的分組先緩存在本地。這就和考試作弊一樣，一個(gè)學(xué)霸要經(jīng)過(guò)學(xué)渣 A 給學(xué)渣 B 傳答案，學(xué)渣 A 說(shuō)，學(xué)渣 A 在收到答案后，它可能直接把卷子傳過(guò)去嗎？學(xué)渣A 說(shuō)，等我先把答案抄完（保存功能）后再把卷子給你。

排隊(duì)時(shí)延和分組丟失

什么？你認(rèn)為交換機(jī)只能和一條通信鏈路進(jìn)行相連？那你就大錯(cuò)特錯(cuò)了，這可是交換機(jī)啊，怎么可能只有一條通信鏈路呢？

所以我相信你一定能想到這個(gè)問(wèn)題，多個(gè)端系統(tǒng)同時(shí)給交換器發(fā)送分組，一定存在順序到達(dá)和排隊(duì)的問(wèn)題。事實(shí)上，對(duì)于每條相連的鏈路，該分組交換機(jī)會(huì)有一個(gè)輸出緩存(output buffer)和輸出隊(duì)列(output queue)與之對(duì)應(yīng)，它用于存儲(chǔ)路由器準(zhǔn)備發(fā)往每條鏈路的分組。如果到達(dá)的分組發(fā)現(xiàn)路由器正在接收其他分組，那么新到達(dá)的分組就會(huì)在輸出隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)，這種等待分組轉(zhuǎn)發(fā)所耗費(fèi)的時(shí)間也被稱為排隊(duì)時(shí)延，上面提到分組交換器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)會(huì)進(jìn)行等待，這種等待被稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，所以我們現(xiàn)在了解到的有兩種時(shí)延，但是其實(shí)是有四種時(shí)延。這些時(shí)延不是一成不變的，其變化程序取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。

因?yàn)殛?duì)列是有容量限制的，當(dāng)多條鏈路同時(shí)發(fā)送分組導(dǎo)致輸出緩存無(wú)法接受超額的分組后，這些分組會(huì)丟失，這種情況被稱為丟包(packet loss)，到達(dá)的分組或者已排隊(duì)的分組將會(huì)被丟棄。

下圖說(shuō)明了一個(gè)簡(jiǎn)單的分組交換網(wǎng)絡(luò)

在上圖中，分組由三位數(shù)據(jù)平板展示，平板的寬度表示著分組數(shù)據(jù)的大小。所有的分組都有相同的寬度，因此也就有相同的數(shù)據(jù)包大小。下面來(lái)一個(gè)情景模擬：假定主機(jī) A 和 主機(jī) B 要向主機(jī) E 發(fā)送分組，主機(jī) A 和 B 首先通過(guò)100 Mbps以太網(wǎng)鏈路將其數(shù)據(jù)包發(fā)送到第一臺(tái)路由器，然后路由器將這些數(shù)據(jù)包定向到15 Mbps 的鏈路。如果在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器的速率（轉(zhuǎn)換為每秒比特?cái)?shù)）超過(guò)15 Mbps，則在數(shù)據(jù)包在鏈路輸出緩沖區(qū)中排隊(duì)之前，路由器上會(huì)發(fā)生擁塞，然后再傳輸?shù)芥溌飞?。例如，如果主機(jī) A 和主機(jī) B 背靠背同時(shí)發(fā)了5包數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)包中的大多數(shù)將花費(fèi)一些時(shí)間在隊(duì)列中等待。實(shí)際上，這種情況與許多普通情況完全相似，例如，當(dāng)我們排隊(duì)等候銀行出納員或在收費(fèi)站前等候時(shí)。

轉(zhuǎn)發(fā)表和路由器選擇協(xié)議

我們剛剛講過(guò)，路由器和多個(gè)通信線路進(jìn)行相連，如果每條通信鏈路同時(shí)發(fā)送分組的話，可能會(huì)造成排隊(duì)和丟包的情況，然后分組在隊(duì)列中等待發(fā)送，現(xiàn)在我就有一個(gè)問(wèn)題問(wèn)你，隊(duì)列中的分組發(fā)向哪里？這是由什么機(jī)制決定的？

換個(gè)角度想問(wèn)題，路由的作用是什么？把不同端系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。在因特網(wǎng)中，每個(gè)端系統(tǒng)都會(huì)有一個(gè)IP地址，當(dāng)原主機(jī)發(fā)送一個(gè)分組時(shí)，在分組的首部都會(huì)加上原主機(jī)的 IP 地址。每一臺(tái)路由器都會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表(forwarding table)，當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)路由器后，路由器會(huì)檢查分組的目的地址的一部分，并用目的地址搜索轉(zhuǎn)發(fā)表，以找出適當(dāng)?shù)膫魉玩溌?，然后映射成為輸出鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

那么問(wèn)題來(lái)了，路由器內(nèi)部是怎樣設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)表的呢？詳細(xì)的我們后面會(huì)講到，這里只是說(shuō)個(gè)大概，路由器內(nèi)部也是具有路由選擇協(xié)議的，用于自動(dòng)設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)表。

電路交換

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，另一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈路和路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧硗庖环N方式就是電路交換(circuit switching)。電路交換在資源預(yù)留上與分組交換不同，什么意思呢？就是分組交換不會(huì)預(yù)留每次端系統(tǒng)之間交互分組的緩存和鏈路傳輸速率，所以每次都會(huì)進(jìn)行排隊(duì)傳輸；而電路交換會(huì)預(yù)留這些信息。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子幫助你理解：這就好比有兩家餐館，餐館 A 需要預(yù)定而餐館 B 不需要預(yù)定，對(duì)于可以預(yù)定的餐館 A，我們必須先提前與其進(jìn)行聯(lián)系，但是當(dāng)我們到達(dá)目的地時(shí)，我們能夠立刻入座并選菜。而對(duì)于不需要預(yù)定的那家餐館來(lái)說(shuō)，你可能不需要提前聯(lián)系，但是你必須承受到達(dá)目的地后需要排隊(duì)的風(fēng)險(xiǎn)。

下面顯示了一個(gè)電路交換網(wǎng)絡(luò)

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，4條鏈路用于4臺(tái)電路交換機(jī)。這些鏈路中的每一條都有4條電路，因此每條鏈路能支持4條并行的鏈接。每臺(tái)主機(jī)都與一臺(tái)交換機(jī)直接相連，當(dāng)兩臺(tái)主機(jī)需要通信時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)在兩臺(tái)主機(jī)之間創(chuàng)建一條專用的端到端的鏈接(end-to-end connection)。

分組交換和電路交換的對(duì)比

分組交換的支持者經(jīng)常說(shuō)分組交換不適合實(shí)時(shí)服務(wù)，因?yàn)樗亩说蕉藭r(shí)延時(shí)不可預(yù)測(cè)的。而分組交換的支持者卻認(rèn)為分組交換提供了比電路交換更好的帶寬共享；它比電路交換更加簡(jiǎn)單、更有效，實(shí)現(xiàn)成本更低。但是現(xiàn)在的趨勢(shì)更多的是朝著分組交換的方向發(fā)展。

分組交換網(wǎng)的時(shí)延、丟包和吞吐量

因特網(wǎng)可以看成是一種基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施為運(yùn)行在端系統(tǒng)上的分布式應(yīng)用提供服務(wù)。我們希望在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)端系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)都不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，然而這是一個(gè)極高的目標(biāo)，實(shí)踐中難以達(dá)到。所以，在實(shí)踐中必須要限制端系統(tǒng)之間的吞吐量用來(lái)控制數(shù)據(jù)丟失。如果在端系統(tǒng)之間引入時(shí)延，也不能保證不會(huì)丟失分組問(wèn)題。所以我們從時(shí)延、丟包和吞吐量三個(gè)層面來(lái)看一下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

分組交換中的時(shí)延

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組從一臺(tái)主機(jī)（源）出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列路由器傳輸，在另一個(gè)端系統(tǒng)中結(jié)束它的歷程。在這整個(gè)傳輸歷程中，分組會(huì)涉及到四種最主要的時(shí)延：節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延(nodal processing delay)、排隊(duì)時(shí)延(queuing delay)、傳輸時(shí)延(total nodal delay)和傳播時(shí)延(propagation delay)。這四種時(shí)延加起來(lái)就是節(jié)點(diǎn)總時(shí)延(total nodal delay)。

如果用 dproc dqueue dtrans dpop 分別表示處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延，則節(jié)點(diǎn)的總時(shí)延由以下公式?jīng)Q定: dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dpop。

時(shí)延的類型

下面是一副典型的時(shí)延分布圖，讓我們從圖中進(jìn)行分析一下不同的時(shí)延類型

分組由端系統(tǒng)經(jīng)過(guò)通信鏈路傳輸?shù)铰酚善?A，路由器A 檢查分組頭部以映射出適當(dāng)?shù)膫鬏旀溌?，并將分組送入該鏈路。僅當(dāng)該鏈路沒(méi)有其他分組正在傳輸并且沒(méi)有其他分組排在該該分組前面時(shí)，才能在這條鏈路上自由的傳輸該分組。如果該鏈路當(dāng)前繁忙或者已經(jīng)有其他分組排在該分組前面時(shí)，新到達(dá)的分組將會(huì)加入排隊(duì)。下面我們分開(kāi)討論一下這四種時(shí)延

節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延

節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延分為兩部分，第一部分是路由器會(huì)檢查分組的首部信息；第二部分是決定將分組傳輸?shù)侥臈l通信鏈路所需要的時(shí)間。一般高速網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延都在微妙級(jí)和更低的數(shù)量級(jí)。在這種處理時(shí)延完成后，分組會(huì)發(fā)往路由器的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列中

排隊(duì)時(shí)延

在隊(duì)列排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，分組需要在隊(duì)列中等待發(fā)送，分組在等待發(fā)送過(guò)程中消耗的時(shí)間被稱為排隊(duì)時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長(zhǎng)短取決于先于該分組到達(dá)正在隊(duì)列中排隊(duì)的分組數(shù)量。如果該隊(duì)列是空的，并且當(dāng)前沒(méi)有正在傳輸?shù)姆纸M，那么該分組的排隊(duì)時(shí)延就是 0。如果處于網(wǎng)絡(luò)高發(fā)時(shí)段，那么鏈路中傳輸?shù)姆纸M比較多，那么分組的排隊(duì)時(shí)延將延長(zhǎng)。實(shí)際的排隊(duì)時(shí)延也可以到達(dá)微秒級(jí)。

傳輸時(shí)延

隊(duì)列是路由器所用的主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。隊(duì)列的特征就是先進(jìn)先出，先到達(dá)食堂的先打飯。傳輸時(shí)延是理論情況下單位時(shí)間內(nèi)的傳輸比特所消耗的時(shí)間。比如分組的長(zhǎng)度是 L 比特，R 表示從路由器 A 到路由器 B 的傳輸速率。那么傳輸時(shí)延就是 L / R 。這是將所有分組推向該鏈路所需要的時(shí)間。真實(shí)情況下傳輸時(shí)延通常也在毫秒到微妙級(jí)

傳播時(shí)延

從鏈路的起點(diǎn)到路由器 B 傳播所需要的時(shí)間就是傳播時(shí)延。該比特以該鏈路的傳播速率傳播。該傳播速率取決于鏈路的物理介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜、光纖)。如果用公式來(lái)計(jì)算一下的話，該傳播時(shí)延等于兩臺(tái)路由器之間的距離 / 傳播速率。即傳播速率是d/s，其中 d 是路由器 A 和 路由器 B 之間的距離，s 是該鏈路的傳播速率。

傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延的比較

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延和傳播時(shí)延有時(shí)候難以區(qū)分，在這里解釋一下，傳輸時(shí)延是路由器推出分組所需要的時(shí)間，它是分組長(zhǎng)度和鏈路傳輸速率的函數(shù)，而與兩臺(tái)路由器之間的距離無(wú)關(guān)。而傳播時(shí)延是一個(gè)比特從一臺(tái)路由器傳播到另一臺(tái)路由器所需要的時(shí)間，它是兩臺(tái)路由器之間距離的倒數(shù)，而與分組長(zhǎng)度和鏈路傳輸速率無(wú)關(guān)。從公式也可以看出來(lái)，傳輸時(shí)延是L/R，也就是分組的長(zhǎng)度 / 路由器之間傳輸速率。傳播時(shí)延的公式是d/s，也就是路由器之間的距離 / 傳播速率。

排隊(duì)時(shí)延

在這四種時(shí)延中，人們最感興趣的時(shí)延或許就是排隊(duì)時(shí)延了 dqueue。與其他三種時(shí)延（dproc、dtrans、dpop）不同的是，排隊(duì)時(shí)延對(duì)不同的分組可能是不同的。例如，如果10個(gè)分組同時(shí)到達(dá)某個(gè)隊(duì)列，第一個(gè)到達(dá)隊(duì)列的分組沒(méi)有排隊(duì)時(shí)延，而最后到達(dá)的分組卻要經(jīng)受最大的排隊(duì)時(shí)延（需要等待其他九個(gè)時(shí)延被傳輸）。

那么如何描述排隊(duì)時(shí)延呢？或許可以從三個(gè)方面來(lái)考慮：流量到達(dá)隊(duì)列的速率、鏈路的傳輸速率和到達(dá)流量的性質(zhì)。即流量是周期性到達(dá)還是突發(fā)性到達(dá)，如果用 a 表示分組到達(dá)隊(duì)列的平均速率（ a 的單位是分組/秒，即 pkt/s）前面說(shuō)過(guò) R 表示的是傳輸速率，所以能夠從隊(duì)列中推出比特的速率（以 bps 即 b/s 位單位）。假設(shè)所有的分組都是由 L 比特組成的，那么比特到達(dá)隊(duì)列的平均速率是 La bps。那么比率La/R被稱為流量強(qiáng)度(traffic intensity)，如果 La/R > 1，則比特到達(dá)隊(duì)列的平均速率超過(guò)從隊(duì)列傳輸出去的速率，這種情況下隊(duì)列趨向于無(wú)限增加。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)流量強(qiáng)度不能大于1。

現(xiàn)在考慮 La / R <= 1 時(shí)的情況。流量到達(dá)的性質(zhì)將影響排隊(duì)時(shí)延。如果流量是周期性到達(dá)的，即每 L / R 秒到達(dá)一個(gè)分組，則每個(gè)分組將到達(dá)一個(gè)空隊(duì)列中，不會(huì)有排隊(duì)時(shí)延。如果流量是?突發(fā)性?到達(dá)的，則可能會(huì)有很大的平均排隊(duì)時(shí)延。一般可以用下面這幅圖表示平均排隊(duì)時(shí)延與流量強(qiáng)度的關(guān)系

橫軸是 La/R 流量強(qiáng)度，縱軸是平均排隊(duì)時(shí)延。

丟包

我們?cè)谏鲜龅挠懻撨^(guò)程中描繪了一個(gè)公式那就是 La/R 不能大于1，如果 La/R 大于1，那么到達(dá)的排隊(duì)將會(huì)無(wú)窮大，而且路由器中的排隊(duì)隊(duì)列所容納的分組是有限的，所以等到路由器隊(duì)列堆滿后，新到達(dá)的分組就無(wú)法被容納，導(dǎo)致路由器丟棄(drop)該分組，即分組會(huì)丟失(lost)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量

除了丟包和時(shí)延外，衡量計(jì)算機(jī)另一個(gè)至關(guān)重要的性能測(cè)度是端到端的吞吐量。假如從主機(jī) A 向主機(jī) B 傳送一個(gè)大文件，那么在任何時(shí)刻主機(jī) B 接收到該文件的速率就是瞬時(shí)吞吐量(instantaneous throughput)。如果該文件由 F 比特組成，主機(jī) B 接收到所有 F 比特用去 T 秒，則文件的傳送平均吞吐量(average throughput)是 F / T bps。

單播、廣播、多播和任播

在網(wǎng)絡(luò)通信中，可以根據(jù)目標(biāo)地址的數(shù)量對(duì)通信進(jìn)行分類，可以分為單播、廣播、多播和任播

單播(Unicast)

單播最大的特點(diǎn)就是 1 對(duì) 1，早期的固定電話就是單播的一個(gè)例子，單播示意圖如下

廣播(Broadcast)

我們一般小時(shí)候經(jīng)常會(huì)跳廣播體操，這就是廣播的一個(gè)事例，主機(jī)和與他連接的所有端系統(tǒng)相連，主機(jī)將信號(hào)發(fā)送給所有的端系統(tǒng)。

多播(Multicast)

多播與廣播很類似，也是將消息發(fā)送給多個(gè)接收主機(jī)，不同之處在于多播需要限定在某一組主機(jī)作為接收端。

任播(Anycast)

任播是在特定的多臺(tái)主機(jī)中選出一個(gè)接收端的通信方式。雖然和多播很相似，但是行為與多播不同，任播是從許多目標(biāo)機(jī)群中選出一臺(tái)最符合網(wǎng)絡(luò)條件的主機(jī)作為目標(biāo)主機(jī)發(fā)送消息。然后被選中的特定主機(jī)將返回一個(gè)單播信號(hào)，然后再與目標(biāo)主機(jī)進(jìn)行通信。

物理媒介

網(wǎng)絡(luò)的傳輸是需要介質(zhì)的。一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)包從一個(gè)端系統(tǒng)開(kāi)始傳輸，經(jīng)過(guò)一系列的鏈路和路由器，從而到達(dá)另外一個(gè)端系統(tǒng)。這個(gè)比特會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)了很多次，那么這個(gè)比特經(jīng)過(guò)傳輸?shù)倪^(guò)程所跨越的媒介就被稱為物理媒介(phhysical medium)，物理媒介有很多種，比如雙絞銅線、同軸電纜、多模光纖欖、陸地?zé)o線電頻譜和衛(wèi)星無(wú)線電頻譜。其實(shí)大致分為兩種：引導(dǎo)性媒介和非引導(dǎo)性媒介。

雙絞銅線

最便宜且最常用的引導(dǎo)性傳輸媒介就是雙絞銅線，多年以來(lái)，它一直應(yīng)用于電話網(wǎng)。從電話機(jī)到本地電話交換機(jī)的連線超過(guò) 99% 都是使用的雙絞銅線，例如下面就是雙絞銅線的實(shí)物圖

雙絞銅線由兩根絕緣的銅線組成，每根大約 1cm 粗，以規(guī)則的螺旋形狀排列，通常許多雙絞線捆扎在一起形成電纜，并在雙絞線的外面套上保護(hù)層。一對(duì)電纜構(gòu)成了一個(gè)通信鏈路。無(wú)屏蔽雙絞線一般常用在局域網(wǎng)（LAN）中。

同軸電纜

與雙絞線類似，同軸電纜也是由兩個(gè)銅導(dǎo)體組成，下面是實(shí)物圖

借助于這種結(jié)構(gòu)以及特殊的絕緣體和保護(hù)層，同軸電纜能夠達(dá)到較高的傳輸速率，同軸電纜普遍應(yīng)用在在電纜電視系統(tǒng)中。同軸電纜常被用戶引導(dǎo)型共享媒介。

光纖

光纖是一種細(xì)而柔軟的、能夠引導(dǎo)光脈沖的媒介，每個(gè)脈沖表示一個(gè)比特。一根光纖能夠支持極高的比特率，高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百 Gbps。它們不受電磁干擾。光纖是一種引導(dǎo)型物理媒介，下面是光纖的實(shí)物圖

一般長(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)全面使用光纖，光纖也廣泛應(yīng)用于因特網(wǎng)的主干。

陸地?zé)o線電信道

無(wú)線電信道承載電磁頻譜中的信號(hào)。它不需要安裝物理線路，并具有穿透墻壁、提供與移動(dòng)用戶的連接以及長(zhǎng)距離承載信號(hào)的能力。

衛(wèi)星無(wú)線電信道

一顆衛(wèi)星電信道連接地球上的兩個(gè)或多個(gè)微博發(fā)射器/接收器，它們稱為地面站。通信中經(jīng)常使用兩類衛(wèi)星：同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星。

原文標(biāo)題：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)

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