| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
CSN-1 | CSN-1.A |
|
CSN-1.B |
| |
CSN-1.C |
| |
CSN-1.D |
|
计算机系统与网络
AP 计算机科学原理 · 第 4 主题
4.1
互联网
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
互联网(Internet)是一个网络的全球网络。数据作为数据包(packets)传播——被分开发送并在目的地重新组装的小块。两个思想使它在规模上起作用:

- 协议(protocols)是通信的约定规则。IP(网际协议,Internet Protocol)寻址和路由数据包;TCP 按顺序重新组装它们并重新请求丢失的;HTTP 携带网页;DNS 把一个像
example.com的名字翻译成一个 IP 地址。 - 冗余(redundancy)和路由:两点之间有许多可能的路径,所以若一条路径失败,数据包走另一条。这使互联网容错(fault-tolerant)。
互联网被设计为开放(open)和可扩展(scalable)——建立在任何人都能使用的标准上,所以随着数十亿设备加入它继续工作。带宽(bandwidth)是一个连接每秒能携带的数据量。
How data crosses the Internet in packets
The Internet breaks a message into numbered packets, each addressed and routed independently (often by different paths), then reassembled at the destination. That design makes it fault-tolerant — if one route fails, packets take another.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Internet | 互联网 | hù lián wǎng |
| packets | 数据包 | shù jù bāo |
| Protocols | 协议 | xié yì |
| Redundancy | 冗余 | rǒng yú |
| fault-tolerant | 容错 | róng cuò |
| Bandwidth | 带宽 | dài kuān |
4.2
容错
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
CSN-1 | CSN-1.E |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个系统是容错(fault-tolerant)的,若它即使在它的一部分失败时也继续工作。互联网通过冗余(redundant)连接实现这个:因为数据包能沿多条路径路由,一个路由器或电缆的失败不停止通信——流量只是重新路由。容错花费额外的资源(冗余的路径)但大大改善可靠性(reliability)。一条没有备份的单一路径不是容错的。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| reliability | 可靠性 | kě kào xìng |
4.3
并行与分布式计算
大纲
| Enduring Understanding | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
CSN-2 | CSN-2.A |
|
CSN-2.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
- 顺序计算(sequential computing)一次运行一个操作。
- 并行计算(parallel computing)把一个任务分成同时在多个处理器上运行的部分,更快地完成。
- 分布式计算(distributed computing)使用由一个网络连接的许多计算机来处理一个问题——对于对单台机器太大的问题至关重要。

一个并行解决方案的加速比(speedup)是顺序时间除以并行时间。加速比是有限的:必须按顺序运行的部分不能通过添加处理器加速,所以把处理器加倍很少使速度加倍。
Worked example. 一个任务有一个必须按顺序运行的部分,取 $40$ 秒,加一个在一个处理器上取 $60$ 秒的可并行部分——所以在单个处理器上整个任务取 $40+60=100$ 秒。把并行部分分散到 $3$ 个处理器上它取 $\tfrac{60}{3}=20$ 秒,所以总并行时间是 $40+20=60$ 秒而加速比是 $\tfrac{100}{60}\approx1.67$。这 $40$ 秒的顺序部分是一个下限:即使有无穷多个处理器任务也从不能在 $40$ 秒以下完成。
考试技能: 给定一个任务顺序和并行部分的时间,能够计算总并行时间和加速比。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Sequential computing | 顺序计算 | shùn xù jì suàn |
| Parallel computing | 并行计算 | bìng xíng jì suàn |
| Distributed computing | 分布式计算 | fēn bù shì jì suàn |
| speedup | 加速比 | jiā sù bǐ |
4.3
考试技巧
- 描述数据如何在一个冗余的、容错的独立路由器网络上以数据包传播。
- 知道协议(IP、TCP、HTTP)是约定的规则,以及开放的标准让不同的系统互操作。
- 解释可扩展性以及互联网如何在没有中央控制的情况下增长。
- 对比带宽(速率)与延迟(latency)(时延),并描述 DNS 名字到地址的查找。
- 用平实的措辞讨论数字鸿沟(digital divide)和安全基础(加密、身份验证)。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。