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计算机网络

第一个计算机网络出现在1950~1960年代，通常在公司或研究室内部使用，为了方便信息交换。

计算机近距离构成的小型网络，叫局域网（Local Area Networks），简称LAN。LAN能小到是同一个房间里的两台机器，也可以大到校园里的上千台机器。尽管开发了很多局域网技术，但是最著名和成功的是“以太网”，开发于1970年代在施乐的“帕洛阿尔托研究中心”，今日仍被广泛使用。

当一台计算机要传数据给另一台计算机时，它以电信号形式，将数据传入电缆。因为电缆是共享的，所以连在用一个网络里的其他计算机也可以看到数据，但是都不知道数据是传给谁的，所以以太网需要每台计算机有唯一的媒体访问控制地址（Media Access Control Address），简称MAC地址，这个唯一的地址放在头部，作为数据的前缀发送到网络中，然后计算机需要监听以太网电缆，只有看到自己的MAC地址，才处理数据。现在制造的每台计算机都自带唯一的MAC地址用于以太网和无线网络（WiFi）。

多态电脑共享一个传输媒介，这种方法叫“载波侦听多路访问”（Carrier Sense Multiple Access），简称CAMA。载体（carrier）指运输数据的共享媒介，以太网的载体是铜线，WiFi的载体是传播无线电波的空气。 很多计算机同时侦听载体，所以叫“侦听”和“多路访问”。载体传输数据的速度叫“带宽”。 随着网络流量上升，如果同时有两个或多个计算机准备写入数据，就会产生冲突，导致数据乱套，解决办法是当计算机检测到冲突，就在重传之前等待一小段时间，但不能让每台计算机都等待同样时间，可以加入一个随机时间，一台计算机等1.3s，另一台计算机等1.5s …

这虽然有用，但是并不能完全解决问题，需要用到另一个小技巧，就是如果等待一次发现又遇到冲突，则等待时间加长一点，这次2s，下次4s…以指数型延迟重试，这种指数级增长等待时间的方法叫：指数退避。以太网和WiFi都用这种方法，很多其他传输协议也用。

为了减少冲突且提升效率，需要减少同一载体中设备的数量载体和其中的设备，总称“冲突域”。 为了减少冲突，可以用交换机把一个冲突域拆成两个冲突域，交换机位于两个更小的网络之间，必要时才在两个网络间传数据。

存在交换机的网络中的数据传输分析

1. 如果计算机A想传数据给计算机B，交换机不会把数据转发给另一边的网络。

2. 如果计算机A想传数据给计算机B，计算机E想传数据给计算机F，两个传输可以同时进行，不会发生冲突。

3. 如果计算机F想传数据给计算机A，两个网络都会被短暂的占用。

大的计算机网络如互联网（Internet）也是这样由多个连在一起的稍小一点的网络构建的，使不同网络间可以传递信息。大型网络从一个地点到另一个地点通常有多条路线，就引出了路由（Routing）。连接两台相隔遥远的计算机或网络，最简单的办法是分配一条专用的通信线路，早期的电话系统就是这样运作的，如果有一条专属于自己的线路，就可以最大限度地随意使用，无需共享（但是不灵活，价格昂贵且总需要有闲置的线路）。

传输数据的另一个方法是“报文交换”（Message Switching），就像邮政系统一样，不像之前A，B之间有一条专用线路，而是会经过好几个站点。

报文交换的好处是可以用不同的路由使通信更可靠，更能容错，如果当前线路某个站点报错，可以通过其他站点进行传输，这就是路由器的好处。 消息沿着路由跳转的次数叫“跳数”（Hop Count），记录跳数可以分辨出路由问题。因为跳数记录在消息中，传输时会更新跳数，如果数据在两个站点传来传去，跳数就会很高，也就能知道路由哪里肯定出错了，这叫“跳数限制” 。

报文交换的缺点之一是有时候报文比较大，会堵塞网络，因为要把整个报文从一个站传到下一个站后才能继续传递其他报文，传递一个大文件时，整条路都堵塞了，即使你只有一个1KB的电子邮件要传输，也只能等大文件传完，或是选另一条效率稍低的路线。解决办法是将大报文分成很多小块，叫“数据包”（Packets）。报文具体格式由“互联网协议”（Internet Protocol）定义，简称“IP”，每台联网的计算机都需要一个IP地址，比如172.217.7.238就是一个IP地址，路由器会平衡与其他路由器之间的负载以确保传输可以快速可靠，这叫“阻塞控制”。

同一个报文的多个数据包可能会经过不同的线路到达目的地，到达的顺序可能会不一样，通过TCP/IP协议可以解决乱序问题。 将数据拆分成多个小数据包，然后通过灵活的路由传递，非常高效且可容错，如今的互联网就是这么运行的，这叫“分组交换” （Packet Switching）。

如今，全球的路由器协同工作，找出最高效的线路，用各种标准协议传输数据，比如“因特网控制消息协议”（Internet Control Message Protocol，ICMP）、“边界网关协议”（Boader Gateway Protocol，BGP）。世界上第一个分组交换网络以及现代互联网的祖先是APRANET。互联网的快速发展，特别是如今各种智能设备层出不穷，联网冰箱，恒温器以及其他智能家电，它们组成了“物联网”（Internet of things）。

视频链接 -> 计算机科学速成课 P28