CAIE AS and A Level CS revision - Unit 14 (2nd)

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Unit 14 Communication and internet technologies 通信和互联网技术

14.1 Protocols 协议

• 大纲要求

14.1.1 Show understanding of why a protocol is essential for communication between computers 理解为什么协议对于计算机之间的通信至关重要

• Protocol：协议，指数据传输中的各种rules规则。在数据传输中，发送方和接收方必须就协议达成一致，才能开始数据的传输。这些协议影响着数据的发送方式、传输速度、数据格式等，对数据传输至关重要。

14.1.2 Show understanding of how protocol implementation can be viewed as a stack, where each layer has its own functionality 了解如何将协议实现视为一个堆栈，其中每一层都有自己的功能

• Protocol suite：协议组，指多个protocol协议的组合。协议组可以看成是这些单独协议堆起来的stack栈，每个单独的协议是栈中的一个layer层。这些layer层满足以下的特征：
  • 每层只能接受来自相邻的较高层或较低层的输入。
  • 相邻两层之间有一个定义的interface界面，是相邻两层之间唯一的交互处。
  • 一个层依赖于低层的活动。
  • 除最低层之外，层的功能由安装的软件实现。
  • 一个层可以包括sub-layer子层。
  • 任何用户的交互都是使用栈中最高层的协议而发生的。
  • 任何对硬件的直接访问都仅限于堆栈中的最低层。

14.1.3 Show understanding of the TCP / IP protocol suite 展示对 TCP/IP 协议套件的理解

Four Layers (Application, Transport, Internet, Link) 四层（应用、传输、互联网、链路）
Purpose and function of each layer 各层的目的和作用
Application when a message is sent from one host to another on the internet Internet 上消息从一台主机发送到另一台主机时的应用

• OSI model（Open System Interconnection model）：开放式系统互联模型，是关于网络通信的七层模型。（本章仅涉及其中的五层）每层的说明及示意图如下：

• • Application layer：应用层，是与用户交互的应用程序所在的层级，向最终用户提供符合最终用户数据的网络服务或协议。比如浏览器、电子邮件等。
  • Transport layer：传输层，负责协调跨网络连接的数据传输，规范终端系统和主机之间数据传输所涉及的各种元素，对数据包进行有效的管理和错误检查。
  • Network layer：网络层，负责处理数据包转发，路由器有助于将数据引导到几个不同网络之间的最终目的地。
  • Data link layer：数据链路层，负责在物理网络上建立传输链路，节点到节点的数据传输由数据链路层中直接连接的节点执行。
  • Physical layer：物理层，是系统的物理和电气表示，由各种网络组件组成。比如电源插头、接收器、电缆等。

• 各层的常见协议如下表所示：

层	协议
Application layer应用层	HTTP, SMTP, DNS, FTP, POP3, IMAP
Transport layer传输层	TCP, UDP, SCTP
Network layer网络层	IP, IGMP, ICMP, ARP

• 信息传输过程：
  • 用户在applicationlayer应用层有传输数据的需求，向下传递给transportlayer传输层。
  • 传输层中最常见的协议是TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，负责采取一些方式将数据安全地传输给接收方，并将系统的任何回应传输回应用层。
    • TCP的运行与作用：该协议会为应用层传输过来的数据创建足量的packets数据包，每个数据包中包含header标头和user data用户的数据内容。Header标头中会包含本方应用层协议端口号（用于将回应回传给应用层）、接收方应用层协议端口号（用于将数据送达对方应用层）、数据包序列号（用于接收方接收到全部数据包后进行排序和重组数据）等。
    • TCP协议是connection-oriented面向连接型的传输，最初会先发送一个数据包到网络层，如果从网络层收到传输线路连通的反馈，才会继续发送剩余的数据包，否则会隔一段时间再次尝试发送之前的数据包直到收到连通反馈。因此该协议支持识别和重新发送丢失的数据包。【参考14.2.2】
  • 传输层将数据包打包完毕后，会将数据向下传递给network layer网络层。
  • 网络层中最常见的协议是IP（Internet Protocol）互联网协议，负责确保网络传输的正确路线。
    • IP的运行与作用：该协议会在传输层传递来的数据包header标头中继续添加内容，包括发送方的IP地址和接收方的IP地址。使用IP协议封装好的数据包称为datagram数据报，这些数据报将被进一步传输到data-link layer数据链路层。
    • IP协议是connectionless service无连接服务的传输，数据发送后，IP并不知道它是否到达了目的地，即使收到了确认反馈，也仅仅是将反馈信息直接整体传递给传输层，而不去了解其中的具体内容。
  • 网络层将数据报打包完毕后，会将数据向下传递给data-link layer数据链路层。
  • 数据链路层收到数据报后，在数据的前后加上标志，将数据封装成frame帧，便于介质传输和识别。
    • Ethernet protocol stack以太网协议栈中的一部分协议用于数据链路层，比如Logical Link Control (LCC) 逻辑链路控制和Medium Access Control (MAC) 介质访问控制。
• LCC协议负责数据链路层与网络层之间的数据传输，并确保数据的完整性。该协议属于connectionless service，只传输数据，不检查数据是否成功送达。
• MAC协议负责将发来的数据封装成frame帧（包括发送方和下一站接收方设备的MAC物理地址），启动帧传输，修正传输时可能的错误，并恢复失败的传输。
  • 数据链路层将封装好的帧通过物理层的各类物理设施（比如通过电缆中的电信号等），将比特流传递给下一个接收方。
    • 物理层中常见的协议包括：
      • Physical Coding Sublayer (PCS)：物理编码子层协议，负责对准备传输的数据进行编码或对接收到的数据进行解码。该协议会与数据链路层进行交互，接收或发送数据。
      • Physical Medium Attachment (PMA)：物理介质连接协议，负责信号的发送和接收。
  • Ethernet以太网中的各子层协议示意图如下：

• • 如果在传输过程中遇到router路由器，路由器会将数据包向上传递给网络层，由网络层从routing table路由表中查找下一站接收方。确定下一站接收方后，数据包向下进入数据链路层，对接收到的数据帧进行解封，将发送方的MAC地址替换为本路由器的MAC地址，将接收方的MAC地址改为下一站接收方的MAC地址，重新对数据包进行封装。封装完毕后，向下传递给物理层，进行介质传输。
  • 接收方从物理层收到比特流后，传输给数据链路层，根据帧的前后标志对数据进行识别和恢复。进而再一层层向上传递，直到抵达应用层，对方用户收到相关数据。

14.1.4 Show understanding of protocols (HTTP, FTP, POP3, IMAP, SMTP, BitTorrent) and their purposes 了解协议（HTTP、FTP、POP3、IMAP、SMTP、BitTorrent）及其用途

BitTorrent protocol provides peer-to-peer file sharing BitTorrent 协议提供点对点文件共享

• HTTP：即HyperText Transfer Protocol超文本传输协议，属于应用层协议，是万维网的基础。通过各类链接访问网站，都会使用到该协议。
  • HTTP是transaction-oriented面向事务的、client-server客户端-服务器的协议，通过客户端发起request请求、服务器做出response回应来实现信息的传输。
  • Request请求中的首行为request line请求行，格式如下：

<Method> <URL> <Version>CRLF

• • • <Method>是方法，一般采用GET语句。
    • <URL>是具体链接。
    • <Version>是版本，HTTP经过多年发展，存在多种版本，因此需要指定。
    • CR和LF是回车与换行符。
• FTP：即File Transfer Protocol文件传输协议，属于应用层协议。FTP允许用户以文件操作的方式（如文件的增、删、改、查、传送等）与另一主机相互通信，可用FTP程序访问远程资源， 实现用户往返传输文件、目录管理以及访问电子邮件等等。
• 发送邮件的常用协议：
  • 邮件数据传输方式：由终端将邮件数据发送给邮件服务器，然后该邮件服务器作为数据客户端，将数据发送给对方的邮件服务器（接收端），然后再由对方的邮件服务器传递给对方的终端。示意图如下：

• • SMTP：即Simple Mail Transfer Protocol简单邮件传输协议，是push推送类的协议，是将数据向目标客户端传输时用到的协议。发送终端向邮件服务器发送数据、发送端邮件服务器向接收端邮件服务器发送数据，都使用SMTP协议。
  • POP3：即Post Office Protocol version 3邮局协议第3版，是pull拖拉类的协议，是目标客户端从邮件服务器上收到数据时用到的协议。接收端邮件服务器将数据传输给目标客户端，会使用POP3协议。
  • IMAP：即Internet Message Access Protocol因特网信息访问协议，是POP3的一项替代性协议，二者功能相近。
    • POP3和IMAP的区别在于：POP3是将邮件下载到本地终端上，安全性更强，但只能从一个客户端访问，且服务器数据变化时，本地不会及时更新；而IMAP不会下载邮件，邮件仍储存在服务器上，用户可以通过终端访问服务器来浏览邮件，适合从各种终端进行访问的用户
• Peer-to-peer file sharing (P2P)：点对点文件分享，指每个终端既充当客户端又充当服务器进行文件传输的架构。当一个终端承当服务器时，其被称作seed种子。P2P中最常见的协议是BitTorrent比特流。
  • BitTorrent：即比特流，是一种内容分发协议，允许快速分享文件。每个内容提供者需要提供一个content description内容描述文件，称为torrent文件，文件大小非常小，包含了tracker跟踪器（将终端引导到文件内容所在服务器）的名字和内容列表，便于传播。
    • 高速下载的运行方式：终端同时执行上传与下载，下载时自动寻找较少使用的chunk堆块，使得其活跃起来。
    • 解决free-riders搭便车者的方式：为防止有人只下载不上传，一开始终端会随机向所有终端发送数据，但很快会选择仅向有回应的终端发送数据，没有回应的终端将被逐渐抛弃。

14.2 Circuit switching, packet switching 电路交换、分组交换

• 大纲要求

14.2.1 Show understanding of circuit switching 展示对电路交换的理解

Benefits, drawbacks and where it is applicable 优点、缺点和适用的地方

• Circuit switching：电路交换，指通过传统电话系统（如PTSN）进行数据传输的方法。
  • 运行方式：计算机的end-systems终端系统连接到具有switching function交换功能的local exchange本地交换机上，通过一系列的intermediate nodes中继节点传递到对方的终端上。发送方先确定接收方的状态，如果对方可以正常接收，则在网络上建立数据传输的链接，开始传输信息，传输完成后链接将被删除。传输示意图如下：

• • 电路交换的优点：
    • 数据能够连续传输。
    • 中继节点不对数据做存储、修改、保存等操作，能够按照原有顺序传递。
    • 既可以传递模拟信号，又可以传递数字信号。
  • 电路交换的缺点：
    • 物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道利用率低。
    • 不同类型、速率等的终端很难建立通信。
    • 一旦电话挂断，则通信结束，链接将被删除。
    • 通信建立的时间较长，传输质量较差。
  • 电路交换的适用范围：适合传输信息量较大、通信对象比较确定的用户。

14.2.2 Show understanding of packet switching 展示对包交换的理解

Benefits, drawbacks and where it is applicable 优点、缺点和适用的地方
Show understanding of the function of a router in packet switching 了解路由器在分组交换中的作用
Explain how packet switching is used to pass messages across a network, including the internet 解释如何使用分组交换通过网络（包括互联网）传递消息

• packet switching：分组交换，指通过数据打包的形式进行数据传输的方法。数据包中包含了传送指令和数据主体。传输示意图如下：

• 常见的分组交换包含connectionless service无连接服务和connection-oriented service面向连接服务。
  • connectionless service无连接服务的运行方式：在不清楚接收方是否准备好接收的情况下就发送数据包，且无法知道对方是否成功接收。
  • connection-oriented service面向连接服务的运行方式：先发送一个含有确认请求的数据包给接收方，如果收到来自接收方的确认，则继续发送其余的数据包。如果没有收到确认，则过一段时间后再重新发送之前的含有确认请求的数据包，直到收到对方确认。
  • 分组交换的优点：
    • 无需事先建立传输通道，可随时发送数据包。
    • 如果某条传输线路出现故障，可以改用其他传输线路，更加灵活可靠。
    • 并非一直占用同一条线路，而是分时段占用。线路没有使用时，其他传输也可使用该线路，提高线路利用率。
    • 每次发送的数据量减少，存储和转发操作可以并行，减少传输时间。
  • 分组交换的缺点：
    • 在中继节点需要进行存储、转发等操作，存在时滞。
    • 只适用于数字信号。
    • 数据传递可能出现失序现象（比如后发送的数据包却先收到了），接收方需要对数据包进行排序整理。
  • 分组交换的适用范围：适合接收端有多条线路连接的用户。
  • Router路由器可以在其中充当中继节点的作用，根据routing table提供的下一个中继节点的信息选择传输路径，直到传输到接收方。