計算機網路：分組交換

計算機網路位於通信和計算機的交叉點上，是兩者不斷融合和促進的產物。

第一篇文章簡單介紹下計算機網路的發展過程。

計算機網路誕生於在1960年代美蘇冷戰時期，當時的美國國防部要求研發一種新型網路，要求一下特點：

1. 該網路不是為了打電話，而是為了計算機之間傳輸數據
2. 能連接不用類型的計算機
3. 網路上的節點同等重要
4. 有冗餘的路由
5. 儘可能地簡單，但是非常可靠

在此之前，美國已有發達的電信網。計算機網路是在電信網的基礎之上提出的，所以有必要對比一下兩者。

電信網的最基本特點是電路交換（circuit switching），而電路交換是面向連接的。

面向連接的通信有三個步驟：1）建立連接；2）傳輸整條報文；3）釋放連接。

如果通信鏈路中斷，那麼就必須重連（可靠性差）。

為什麼計算機網路不使用電路交換的思想去設計呢？

簡單說就是鏈路的數據傳輸效率低。電路交換的特點是，在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終佔用端到端的固定傳輸帶寬。而計算機通信的數據往往是突發的，在整個通信過程中，可能只是很少的時間用於傳輸數據，大部分時間可能用於用戶在編輯一個文件等。所以通信鏈路沒有被充分利用。

計算機網路的設計原理是分組交換（packet switching）。網路會把一個報文（message）拆分成一個一個的分組（packet），分組又稱「包」，是互聯網中的傳輸數據單元。

分組由兩部分組成：包頭部分和數據部分。包頭中有分組的控制信息，比如目的地址和源地址。正是有了這些信息，分組才能在分組交換網中選擇路由。在使用分組交換時，可以無需建立連接就直接發送數據。這種通信機制不是面向連接的。

存儲交換的工作原理是存儲轉發，這個過程是由節點交換機完成的。交換機有很多埠，用這些埠和外部路線聯繫。交換機會把收到的分組放入緩存，再查找轉發表，找到目的地址應該從哪個埠轉發，然後再把分組傳遞到相關的埠。在傳輸過程中，如果某些結點或者線路被破壞，交換機會根據路由轉發協議，找到其他路徑。存儲轉發策略的本質是在通信過程中動態（斷續）地分配帶寬資源，非常適合突髮式數據的傳輸，大大提高了通信線路的利用率。

分組交換的優點是顯而易見的：

1. 高效：動態分配帶寬資源，對通信線路逐段佔有
2. 靈活：對每一個分組獨立地選擇轉發路由
3. 迅速：不需要建立連接；網路使用高速線路
4. 可靠：完善的網路協議，分散式，多路由。

分組交換也帶了一些問題：

1. 分組在存儲轉發的時候需要排隊，增加了時延。
2. 分組的首部的控制信息是額外開銷
3. 分組交換網需要專門地

思考題：分組交換和電路交換有什麼不同？計算機網路為什麼使用前者？

提示：所謂「交換」，其實是指在通信中分配帶寬資源。

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