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通信与互联网技术

A-Level 计算机科学 · 第 14 主题

训练
讲义 词汇表
14.1

协议
大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
Show understanding of why a protocol is essential for communication between computers
Show understanding of how protocol implementation can be viewed as a stack, where each layer has its own functionality
Show understanding of the TCP/IP protocol suite Four Layers (Application, Transport, Internet, Link) Purpose and function of each layer Application when a message is sent from one host to another on the internet
Show understanding of protocols (HTTP, FTP, POP3, IMAP, SMTP, BitTorrent) and their purposes BitTorrent protocol provides peer-to-peer file sharing

来源:剑桥国际大纲

一个协议(protocol)是设备如何通信的一套规则。两端都必须遵循同样的规则,否则一方的信号对另一方毫无意义。协议定义数据的格式(地址和有效载荷在哪里)、消息的顺序(谁先说话、何时确认)、每个消息的含义、定时(超时、重传),以及出错时做什么。没有一个约定的协议,通信就失败——像两个人说不同的语言而没有翻译。

两个设备遵循同样的规则:格式、顺序、定时和出错时做什么
一个协议是共享的规则:格式、顺序、定时和错误
词汇表 训练
英文 中文 拼音
protocol 协议 xié yì
练习卷
14.1

分层协议

联网是复杂的,所以它被拆成层(layers),每层有一件专注的工作,只与上面和下面的层对话。好处:模块化(modularity,替换一层——比如用 Wi-Fi 替换 Ethernet——而不碰其他层)、标准化(供应商互操作),以及抽象(abstraction,你忽略别处处理的细节)。互联网用 TCP/IP 协议栈(protocol suite,4 层)。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
layers 层 céng
modularity 模块化 mó kuài huà
abstraction 抽象 chōu xiàng
protocol suite 协议栈 xié yì zhàn
14.1

TCP/IP 协议族
层 目的 例子
Application 用户程序做什么 HTTP, FTP, SMTP, IMAP
Transport 进程之间端到端的传递 TCP, UDP
Internet 在网络之间路由数据包 IP
Link 在物理介质上发送比特 Ethernet, Wi-Fi
一个四行的栈:Application、Transport、Internet、Link,发送沿左侧往下、接收沿右侧往上,每层上有示例协议
TCP/IP 协议栈的四层

Application layer

应用层(application layer)给用户程序提供服务并定义它们说的协议(网络用 HTTP,电子邮件用 SMTP)。这是一个程序员最常工作的地方。

Transport layer

传输层(transport layer)在进程之间端到端地传递数据,进程由端口号(port numbers)标识。两个协议:

TCP 建立一个连接并按序传递所有数据;UDP 发了就忘
TCP 连接并按序传递;UDP 发了就忘
  • TCP(传输控制协议)——面向连接(connection-oriented):建立一个连接、确保所有数据按序到达、重传丢失的数据包(packets)、控制流量。可靠但有开销。被 HTTP、HTTPS、SMTP、FTP 使用。
  • UDP(用户数据报协议)——无连接(connectionless):发了就忘,没有确认或排序。开销低,无保证。用于流媒体、DNS 和游戏,那里速度胜过可靠性。

Internet layer

网络层(internet layer)用 IP 在主机之间携带数据包。每个数据包有一个源和目的 IP 地址(IP address),路由器(routers)把它往前转发。它不保证传递——那是 TCP 的工作。

一个家用路由器为你的家做这件工作:它读每个数据包的目的地址并把它送往互联网,再送回正确的设备。

一个黑色的家用 Wi-Fi 路由器,带四根竖直的天线和前面一排状态灯
一个家用 Wi-Fi 路由器:它在你的设备和互联网之间转发数据包

在路由器到达更广的互联网之前,一个调制解调器(modem)通过提供商的电缆或电话线把家连到互联网提供商。它的灯显示链路已连通并在线。

一个高的黑色电缆调制解调器,竖立在一个朴素的背景上,前面一列状态灯
一个电缆调制解调器把一个家庭网络连到互联网提供商

Link layer

链路层(link layer)在一条物理链路(Ethernet、Wi-Fi)上发送比特。它加一个带 MAC 地址(MAC addresses)的帧头并处理介质访问(例如 Ethernet 上的 CSMA/CD(载波侦听多路访问))。

一个 Ethernet 帧拆成前导码、帧起始、Ethernet 数据和帧间隙,数据部分展开成目的和源 MAC 地址、类型/长度、有效载荷消息和帧校验序列,每个带以字节计的大小
一个典型 Ethernet 帧的各部分

在一个有线局域网上,一个交换机(switch)把许多设备连在一起。每个设备用一根 Ethernet 电缆(一个 RJ45 插头)插入一个端口,而交换机用每个帧里的 MAC 地址把它只发到正确的端口。

一个小的黑色 8 端口千兆 Ethernet 交换机,在一个朴素的背景上,前面一排带编号的 RJ45 端口,每个带一个状态灯
一个网络交换机在一个局域网上连接许多有线设备

物理链路可以是一根铜线、一个无线电信号(Wi-Fi),或一根光纤(fibre-optic cable)。在一根光纤中,比特作为光的闪烁穿过非常细的玻璃丝行进,这很快并把数据带很远。

一束光纤丝在一个深色背景下扇形散开,每根细玻璃丝在尖端闪着一个蓝白色的光点
一根光纤:数据作为光穿过细玻璃丝行进

一个无线电链路可以到达远得多。一个卫星天线(satellite dish)向一颗卫星发送和接收无线电信号,把数据带到有线链路不易到达的地方。

一个圆形的灰色家用卫星天线,安装在一面房屋墙上、窗户旁边,它的馈源臂向前伸出
一个卫星天线通过无线电在远距离上发送和接收数据
探索

Tap the four layers of the TCP/IP model

Explore each layer. Data travels DOWN the stack as it's sent (each layer adds its header) and back UP as it's received — and any layer can be swapped without touching the others.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
application layer 应用层 yìng yòng céng
transport layer 传输层 chuán shū céng
port numbers 端口号 duān kǒu hào
TCP 传输控制协议 chuán shū kòng zhì xié yì
connection-oriented 面向连接 miàn xiàng lián jiē
packets 数据包 shù jù bāo
UDP 用户数据报协议 yòng hù shù jù bào xié yì
connectionless 无连接 wú lián jiē
internet layer 网络层 wǎng luò céng
IP address IP地址 IP dì zhǐ
routers 路由器 lù yóu qì
modem 调制解调器 tiáo zhì jiě tiáo qì
link layer 链路层 liàn lù céng
MAC addresses MAC地址 MAC dì zhǐ
CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 zài bō zhēn tīng duō lù fǎng wèn chōng tū jiǎn cè
switch 交换机 jiāo huàn jī
fibre-optic 光纤 guāng xiān
satellite dish 卫星天线 wèi xīng tiān xiàn
FTP 文件传输协议 wén jiàn chuán shū xié yì
14.1

常见的应用层协议
  • HTTP(超文本传输协议)——浏览器从服务器取网页(经 TCP,端口 80)。HTTPS 是 HTTP 经 TLS——加密,端口 443。
  • FTP(文件传输协议)——在客户端和服务器之间传输文件。
  • SMTP(简单邮件传输协议)——在客户端和服务器之间、以及服务器之间发送电子邮件。接收用 POP3 或 IMAP。
  • POP3——下载电子邮件并通常从服务器删除它。IMAP——把电子邮件留在服务器上并跨设备同步,所以同一个收件箱处处出现。
  • BitTorrent——一个对等网络(peer-to-peer)协议;一个文件被拆成从许多对等方并行下载的片,所以没有单一的服务器承担全部负载。
一个 tracker 在中央,对等方围绕它——种子、吸血者和新对等方——交换文件片,带一个图例
BitTorrent:一个 tracker 帮助对等方找到彼此,然后它们直接共享文件片
探索

Network route lab

Follow data from a device through network hardware and protocols.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
HTTP 超文本传输协议 chāo wén běn chuán shū xié yì
peer-to-peer 对等网络 duì děng wǎng luò
14.2

电路交换与分组交换
大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
Show understanding of circuit switching Benefits, drawbacks and where it is applicable
Show understanding of packet switching Benefits, drawbacks and where it is applicable Show understanding of the function of a router in packet switching Explain how packet switching is used to pass messages across a network, including the internet

来源:剑桥国际大纲

Circuit switching

在发送任何数据之前,在两端之间建立一条专用路径(电路交换(circuit switching)),为整个会话保留,然后释放。它给出保留的带宽(bandwidth)和按序传递,但在静默期间低效且建立慢。经典例子:传统电话网络。

设备 A 和设备 B 之间的一个路由器网状结构,一条路径被高亮并为整个通话端到端地保留
电路交换:一条专用路径被端到端地保留

Packet switching

数据被拆成数据包,每个独立地发送(分组交换(packet switching))。每个数据包携带目的地址;路由器为每个数据包做决定,所以数据包可能走不同的路由并乱序到达,而目的地把它们重组。它高效(一条链路在许多会话间被多路复用(multiplexed))、健壮(绕过一个故障重新路由),但有可变的延迟(latency)和可能的丢失(TCP 处理可靠性)。被互联网使用。

同样的路由器网状结构,数据包显示为带编号的彩色方块,从计算机 A 到计算机 B 走不同的路由,然后在 B 按序重组
分组交换:数据包独立地行进,可能走不同的路由
方面 电路交换 分组交换
路径 专用、保留 共享、每包
建立时间 慢 无
带宽使用 低效 高效
顺序 按序 可能乱序
健壮性 一个故障切断电路 绕过故障重新路由
适合 恒速流(语音) 突发流(网络、电子邮件)

现代网络因分组交换的高效和韧性而使用它。

Describing packet switching in a few sentences

一个好的考试答案:"消息被分成小数据包。每个数据包携带目的和源地址以及一个序列号。每个数据包独立地穿过网络行进,路由器为每个数据包选择下一跳。数据包可能走不同的路径并乱序到达。目的地用序列号重组消息,而丢失的数据包可以再次被请求。"

例题。 一通电话和一个大文件下载共用一个网络。各自适合哪种交换方式?为什么?电话需要平稳、低延迟的数据流,如果有片段迟到或乱序到达就会严重受影响 - 所以电路交换适合它:在整通电话期间建立一条专用路径,并为其保留带宽。文件下载并不在意时序或到达顺序,因为接收端会重新组装它,而且它能从任何恰好空闲的带宽中获益 - 所以分组交换适合它:文件被拆成独立传输的数据包,每个包带有源地址、目的地址和序号,路由器为每个包各自选择下一跳。要点出决定性的那条流量特性:电话要的是保留带宽和低延迟,下载要的是效率和容错。

探索

A packet's journey across the internet

Step through packet switching. The message is split up, each packet finds its own way, and the destination puts them back together — which is why the internet is so efficient and hard to break.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
circuit switching 电路交换 diàn lù jiāo huàn
bandwidth 带宽 dài kuān
packet switching 分组交换 fēn zǔ jiāo huàn
multiplexed 多路复用 duō lù fù yòng
latency 延迟 yán chí
练习卷
14.2

考试技巧
  • 解释为什么用协议和层:每层有一件工作并能独立改变。
  • 把常见协议放入 TCP/IP 栈(HTTP/FTP/SMTP 应用;TCP/UDP 传输;IP 网络)。
  • 比较电路交换对分组交换(一条专用路径对独立的数据包),各带一个用途。
词汇表 训练
英文 中文 拼音
SMTP 简单邮件传输协议 jiǎn dān yóu jiàn chuán shū xié yì

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