通信与互联网技术

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。

"解释为什么协议对计算机之间的通信是必不可少的"(三分)。 (1) 协议是发送方和接收方都同意的一套规则;(2) 没有它,两台计算机会以不同方式解释数据(格式、顺序、各部分的含义),消息就无法被理解;(3) 它使不同类型和不同厂商的计算机能够通信,因为大家实现同一个标准。要提到规则涵盖什么:数据的格式、消息的顺序、错误检测和恢复、以及速度或时序。

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)。

各层的目的,按评分方案的措辞。 *应用层:*提供用户应用程序使用的协议(网页用 HTTP,电子邮件用 SMTP)以及应用程序与网络之间的接口;它产生要发送的数据并把它交给传输层。*传输层:*建立端到端的连接,把数据拆分成数据包(段),加上端口号和序号;接收时按顺序重组数据包并请求缺失的包(TCP),或者不带这些保证地发送(UDP)。*网络层:*加上源和目的 IP 地址形成 IP 数据包(数据报),并通过路由器在网络之间路由它们;它不保证送达。*链路层:*加上 MAC 地址和校验位形成帧,并通过网络接口卡在物理局域网(Ethernet 或 Wi-Fi)上传输比特。"补全协议栈"就是这四层,从上到下依次为:Application、Transport、Internet、Link。

"描述当消息从一台主机发送到另一台主机时 TCP/IP 协议簇如何被应用"(五分)。 在发送方,消息沿栈向下传递:(1) 应用层用 HTTP 或 SMTP 等协议产生数据;(2) 传输层把它拆成数据包,并加上带端口号和序号的首部;(3) 网络层加上带源和目的 IP 地址的首部并选择路由;(4) 链路层加上下一台设备的 MAC 地址,并通过物理链路发送帧。沿途的路由器读取网络层首部并转发每个数据包。在接收方,帧沿栈向上传递:每一层去掉并处理自己的首部,传输层按序号顺序重组数据包并请求缺失的包,应用层呈现消息。两端每一层用同一个协议,正是交换得以成功的原因。

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(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。

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。

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))。

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。

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。

• 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。

各协议的目的,用得分的措辞。

被问到两个电子邮件协议时,发送给 SMTP,接收给 POP3 或 IMAP;被要求描述 IMAP 时,要说消息留在服务器上并在各设备之间同步,这是它与 POP3 的区别。

"描述如何用 BitTorrent 协议分享文件"(四分)。 (1) 文件被拆成片段(通常每片 256 KB),一个小的 torrent 文件描述它们(它们的散列值)并指定一个追踪器(tracker)。(2) 想要该文件的对等方联系追踪器,追踪器保存当前分享该文件的群(swarm)中的对等方列表。(3) 该对等方同时从许多对等方下载不同的片段,一旦持有某片段就把它上传给其他人;拥有完整文件的对等方是种子(seed),仍在下载的是吸血者。(4) 所有片段到齐后重组并对照散列值检验。"解释对等文件分享是什么意思":没有保存文件的中央服务器;每台计算机既是客户端也是服务器,从其他方下载并上传给其他方,所以负载和带宽分散在整个群中,对等方越多速度越快。

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。

"描述作为数据传输方法的电路交换"(三分)。 (1) 在发送任何数据之前,在发送方和接收方之间建立一条专用路径(电路);(2) 整个消息沿该路径按顺序作为一个连续的流发送;(3) 电路在通信的持续期间被保留,之后释放。

优点和缺点。 *优点:*电路的全部带宽可用且有保证;数据按序到达,不需要重组,电路建立后没有延迟;路由不变,所以时序可预测(适合实时语音和视频)。*缺点:*发送任何东西之前要花时间建立电路;即使没有数据流动电路也被保留,所以带宽被浪费,其他用户不能共享;两端必须同时空闲;路径上任何地方的故障都会中断整个通话,并且没有自动的备用路由。*适用场合:*电话通话或实时视频链路,稳定不间断的流比效率更重要。

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。

"描述如何用分组交换在网络上传递消息"(四分)。 (1) 消息被拆成固定最大尺寸的数据包;(2) 每个数据包被加上一个首部,包含源和目的地址、一个序号(sequence number)和一个校验;(3) 每个数据包独立发送,可能走由它遇到的路由器选择的不同路由;(4) 在目的地用序号把数据包按序重组,缺失的数据包被再次请求。若题目排除检查和重发,就去掉最后一句。

"描述路由器在分组交换中的功能"(三分)。 路由器接收一个数据包,读取其首部中的目的 IP 地址,查阅它的路由表(routing table)决定朝该目的地的最佳下一跳,并考虑流量(拥塞)和故障链路;然后把数据包转发到该链路上。同一消息的数据包可能从不同路由离开;链路繁忙时路由器把数据包放在队列中。

"描述分组交换确保完整消息被接收的两种方式。" (1) 每个数据包携带序号,所以接收方能把数据包排序并能判断某个包缺失;(2) 接收方对到达的数据包发送确认(acknowledgement);在时限内未被确认的数据包由发送方重传。每个数据包中的校验和(checksum)让接收方检测出损坏的数据包并丢弃它,进而触发重发。

优点和缺点。 *优点:*不需要建立电路;网络的链路被许多消息共享,所以带宽利用高效;数据包可以绕开故障或拥塞的链路重新路由,所以传输健壮;丢失或损坏的数据包只需重发那个包,而不是整个消息。*缺点:*数据包可能乱序到达,必须重组,有些可能丢失或延迟;首部增加开销;可变的延迟使它不加额外措施就不太适合实时语音和视频;负载很重的网络会丢包。*适用场合:*电子邮件、网页、文件下载和任何"突发"流量,以及整个互联网。

现代网络因分组交换的高效和韧性而使用它。

四个区别,成对表述。 (1) 电路交换在发送前建立专用路径;分组交换不建立路径就发送。(2) 电路交换中整个消息走一条路由;分组交换中数据包可能走不同路由。(3) 电路交换按序送达数据、不需要重组;分组交换需要序号来重组。(4) 电路交换为一次通话保留带宽,即使空闲也如此;分组交换在许多消息之间共享链路。(也可接受:链路故障会中断电路,而数据包会被重新路由;电路交换适合实时流,分组交换适合突发数据。)每个区别都要写出两半;只写一边不得分。

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。

定义题按固定措辞评分。准确学会这些,只给一个答案。

• 为什么要协议:共同的规则、相同的解释、任何品牌的计算机。为什么分层:每层只做一件事,可以独立更换。
• 四层从上到下的顺序:Application、Transport、Internet、Link。用一句话说出每层的任务,把"消息从主机到主机"的答案写成沿栈向下再向上的过程。
• 协议的目的是一句话:HTTP 网页,FTP 文件,SMTP 发送邮件,POP3 下载邮件,IMAP 邮件留在服务器,BitTorrent 从群中对等获取片段。
• 电路交换:先建专用路径、整个消息、持续期间保持。分组交换:拆分、带地址和序号的首部、独立路由、重组。优缺点成对出现、互为相反。
• 路由器读取目的地址、查路由表、沿最佳路由转发;这是考试最常问的分组交换题。
• "适用场合":电路交换用于电话或实时视频通话;分组交换用于电子邮件、网页和下载。

常见错误

• 把协议定义为"一种语言"或"软件";它是一套规则。
• 把各层顺序弄错,或给出 OSI 的七层而不是 TCP/IP 的四层。
• 把传输层描述成"路由",或把网络层描述成"拆分成数据包";端口和拆分属于传输层,IP 地址和路由属于网络层。
• 混淆 POP3 与 IMAP,或说 SMTP 接收邮件。
• 描述分组交换时没有首部(地址和序号)或没有重组。
• 说路由器"把数据包发到所有地方";它从路由表中选择一个下一跳。
• 把分组交换的优点当作电路交换的缺点却不说电路交换那一边;每个区别都需要两半。
• 声称分组交换本身保证送达;做到这一点的是传输层的序号和确认。