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Unit 2 Communication 通信（AS）

2.1 Networks including the internet 包括互联网在内的网络

大纲要求

2.1.1 Show understanding of the purpose and benefits of networking devices 了解网络设备的目的和好处

网络设备将世界各地连接起来，通信变得更加方便。

2.1.2 Show understanding of the characteristics of a LAN (local area network) and a WAN (wide area network) 了解局域网和广域网的特性

LAN (local area network)：局域网，指的是在一间房间中、一栋楼中或一小片区域内的网络。
- 局域网特征：
  - 被某个组织或公司所有并使用。
  - 可能同时存在多个局域网。
  - 传输介质是双绞线电缆或WiFi。
  - 局域网中有一个允许连接到其他网络的设备。
  - 局域网连接的终端系统包括用户系统或服务器。
- 使用局域网的好处：
  - 仅需安装一份软件便能允许局域网内大量机器访问并使用。
  - 允许文件在一定范围内共享。
  - 允许共享打印机。
  - 收发企业内部邮件更为便捷。
  - 进入“无纸化办公”模式，文件保存在服务器上，减少丢失几率，更方便修改使用和保存。

WAN (wide area network)：广域网，指的是连接不同站点的网络。
- 广域网特征：
  - 广域网不归组织或公司所有，但可以用它来连接站点或分支机构。
  - 可使用公共交换电话网络公司(PSTN)连接（即拨号上网），价格便宜，但传输质量差。
  - 传输介质将是光纤电缆。
  - WAN内的传输将在交换机之间进行。
  - 交换机将WAN连接到每个站点。
  - 任何终端系统都不会直接连入广域网。
- 使用广域网的好处：
  - 可使用其他地方的计算机进行办公（如需要使用特定的软件）。
  - 能够使用远程计算机中的数据库。
  - 可远程传输信息。

2.1.3 Explain the client-server and peer-to-peer models of networked computers 解释联网计算机的客户端-服务器和对等模型

Roles of the different computers within the network and subnetwork models 网络和子网模型中不同计算机的角色
Benefits and drawbacks of each model 每种模式的优缺点
Justify the use of a model for a given situation 证明在给定情况下使用模型的合理性

Client-server models：客户端-服务器模式，指的是企业通过一台中央计算机作为服务器与WAN相连，其他客户端通过LAN与该服务器相连的模式。
- 以下场景适用本模式：
  - 客户端需要访问服务器上的数据库。
  - 客户端需要搜索服务器上的信息和资料，或者利用服务器进行交易。
- 使用Client-server models的好处：
  - 组织或公司可以控制文件的下载和使用。
  - 由于服务器会使用适当的防病毒软件进行定期扫描，因此可以更好地保护文件免受恶意软件攻击。
Peer-to-peer models：点对点模式，指的是每台机器上都存放有一部分文件的模式，因此每台机器既是索取信息的客户端，又是发送信息的服务器。
- 以下场景适用本模式：
  - 文件分享和下载。
- 使用Peer-to-peer models的好处：
  - 当许多客户端同时尝试下载文件时，可以避免网络拥塞。
  - 部分文件可以单独下载。
  - 文件的分包可从不同的机器获得。

2.1.4 Show understanding of thin-client and thick-client and the differences between them 了解瘦客户机和胖客户机以及它们之间的区别

Thin-client：瘦客户机，指仅提供对应用程序的数据输入与结果返回的客户端。其调用的应用程序处于服务器内，该客户端仅能输入与读取。
Thick-client：胖客户机，指可以独立进行一些运算的客户端。该客户端在使用服务器内的应用程序前后，可自行做一些运算。此外，也可以将服务器内的应用下载到本地进行使用。

2.1.5 Show understanding of the bus, star, mesh and hybrid topologies 展示对总线、星形、网状和混合拓扑的理解

Understand how packets are transmitted between two hosts for a given topology 了解数据包如何在给定拓扑的两台主机之间传输
Justify the use of a topology for a given situation 证明在给定情况下使用拓扑的合理性

数据传输媒介：数据的传输可通过cable电缆线、air空气（比如wifi等）等途径进行传播，数据在媒介中传播的方向可分为以下三种：
- Simplex：单向传播，仅以一种方向进行。
- Half duplex：半双向传播，可以两个方向进行传播，但无法同时进行。
- Full duplex：全双向传播，可以同时两个方向进行传播。
Message作为一种数据，其传播方式可分为以下三种：
- Broadcast：广播，指一对全（全部的设备）。
- Multicast：多播，指一对多。
- Unicast：单播，指一对一。

Point-to-point network：点对点网络，采用一对一形式连接两台设备，其通信既可以是单向，也可以是双向。如下图所示：

Topology：拓扑（本义为“结构”），用于描述网络中的众多设备是如何连接在一起的。常见的拓扑种类如下所示：
- bus topology：总线拓扑，指使用一条总线将各个设备连接起来的网络。该类拓扑必须采用broadcast广播传输，各个设备之间没有直接联系，即使出问题也不会影响到其他设备的数据传输。如下图所示：

- star topology：星状拓扑，指每个客户端设备都和一个中心设备连接，各客户端设备和中心设备点对点连接，该类拓扑的传输是双向的，可以以broadcast、multicast或unicast的方式进行。各个设备之间没有直接联系，即使出问题也不会影响到其他设备的数据传输，但中心设备一旦出问题则会影响到所有设备。如下图所示：

- mesh topology：网格拓扑，指每个设备之间都以点对点的方式进行连接的网络。该类拓扑的传输是双向的，可以以broadcast、multicast或unicast的方式进行。如下图所示：

- - 注意：因为线路过多，现实中难以实现，一般仅用于一定范围内的路由器的连接。
- hybrid topology：混合拓扑，指在搭建时不同的部分采用不同的拓扑类型的网络。

2.1.6 Show understanding of cloud computing 展示对云计算的理解

Including the use of public and private clouds. 包括使用公共云和私有云
Benefits and drawbacks of cloud computing 云计算的优缺点

private cloud：私有云，指由某个企业私人专用并管理的云。
public cloud：公共云，指由第三方企业提供并管理的云。

云计算的好处：
- 无需被自己拥有的系统所限，可以使用服务器上的硬件与软件。
- 降低企业成本，无需大量购买昂贵的软件。
- 企业可考虑无需再额外雇佣或减少雇佣网络维护专家。
云计算的问题：
- 第三方企业能够查看企业全部数据，甚至可能会非法备份，安全性令人担忧。
- 第三方企业并不能保证数据不丢失。

2.1.7 Show understanding of the differences between and implications of the use of wireless and wired networks 了解使用无线和有线网络的区别和影响

Describe the characteristics of copper cable, fibre-optic cable, radio waves (including WiFi), microwaves, satellites 描述铜缆、光缆、无线电波（包括WiFi）、微波、卫星的特性

wired networks：有线网络，指使用电缆等方式进行信号传输的网络。
- 常见的有线网络transmission media传输媒介：
  - copper cable：铜缆，常见的铜缆有twisted pair cable双绞线和coaxial cable同轴电缆。
    - twisted pair cable双绞线的价格便宜，但数据传输的质量较差，常用于电话线的布置。
    - coaxial cable同轴电缆一般用于电视网络和城域网。
  - fibre-optic cable：光纤，传输速度快，质量好，适用于长距离传输，但价格较贵。每根电缆中有多根独立的光纤。
- 有线网络传输媒介的对比如下：

- 使用有线网络通信的好处：
  - 对于全球长距离通信，主要还是使用卫星或海底光缆传输。
  - 受到外界干扰小。
- 使用有线网络通信的坏处：
  - 铺设电缆有时需要取得土地所有者许可。
  - 需要中继器来加强信号。
  - 无法实现移动电话通信的需要。
  - 在小空间内铺设电缆会造成各条线一定程度的拥挤和混乱。

wireless networks无线网络：使用红外线、微波或无线电等方式进行信号传输的网络。
- 常见的无线网络transmission media传输媒介：
  - radio waves (including WiFi)：无线电。其穿透能力较强。
  - microwaves：微波。其带宽相较无线电更好，适用于大多数情况。
  - infrared：红外线。因为衰减比较厉害，一般用于室内环境。
  - satellites：卫星。可用于远距离传输，但容易出现延迟。
    - GEO卫星：地面静止轨道卫星，该层面的卫星用于长距离电话与计算机网络通信。（只需3颗即可覆盖全球）
    - MEO卫星：中地面轨道卫星，该层面的卫星用于提供GPS定位系统。（只需10颗即可覆盖全球）
    - LEO卫星：近地面轨道卫星，该层面的卫星用于补充移动电话网络通信。（只需50颗即可覆盖全球）
- 无线网络传输媒介的对比如下：

- 使用无线网络通信的好处：
  - 有时候空中传输无需获得使用权许可。
  - 无需中继器。
  - 能够满足移动电话通信需求。
  - 无需铺设有形线路，节约空间。
- 使用有线网络通信的坏处：
  - 容易受到外界干扰，信号衰减较严重。
  - 某些传输频率需要获得政府许可，受到监管。

2.1.8 Describe the hardware that is used to support a LAN 描述用于支持局域网的硬件

Including switch, server, Network Interface Card (NIC), Wireless Network Interface Card (WNIC), Wireless Access Points (WAP), cables, bridge, repeater 包括交换机、服务器、网络接口卡（NIC）、无线网络接口卡（WNIC）、无线接入点（WAP）、电缆、网桥、中继器

Switch：交换机。用来实现局域网络内计算机的互联，能够向指定的设备发送信息。星状拓扑中一般用作中心设备。
Server：服务器。为终端设备提供计算或应用服务。
Network Interface Card (NIC)：网络接口卡。用于鉴别不同的终端设备。LAN的接口连接在NIC上，每个NIC在制作时为其赋予了唯一的网络地址，因此能够区分设备。
Wireless Network Interface Card (WNIC)：无线网络接口卡。用于在WiFi局域网中为设备提供NIC功能。
Wireless Access Points (WAP)：无线接入点。无线局域网中的连接设备，可与客户端进行连接，通常是有线网络的一个终端，承担着无线网络与有线网络相连的功能。
Cables：电缆。用于信号传输。
Bridge：桥。用于连接无线局域网中两个部分的设备。桥中储存着两个部分的终端地址。
Repeater：中继器。用于连接两根电缆并将信号完整传到下一根电缆的设备。

2.1.9 Describe the role and function of a router in a network 描述路由器在网络中的作用和功能

Router：路由器。在网络中承担节点作用的设备。当电缆以网状拓扑的形式相交时，每个相交的位置就是一个node节点，而该节点处的设备即为路由器。
- 路由器的作用：和其他路由器相连，为数据传输选择最优路径。

2.1.10 Show understanding of Ethernet and how collisions are detected and avoided 了解以太网以及如何检测和避免冲突

Including Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA / CD) 包括载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD)

Collisions：冲突，指两个终端想通过同一条线路同时传送信息。如果出现冲突，则信息可能会损坏，因此需要不断检测和避免冲突。
CSMA / CD：载波侦听多路访问/冲突检测，主要用于检测broadcast广播信息时可能发生的冲突。
- 检查冲突的过程：检查传输媒介上的电压（可显示线路使用情况），如果检测到线路在使用就稍后再试，如果没有使用则开始传输。传输过程中持续重复上述过程，如果检测到冲突则停止传输并警告所有终端，稍后再试。

2.1.11 Show understanding of bit streaming 展示对比特流的理解

Methods of bit streaming, i.e. real-time and on-demand 比特流的方式，即实时和点播
Importance of bit rates / broadband speed on bit streaming 比特率/宽带速度对比特流的重要性

bit streaming：比特流，指数据以字节形式存储，然后源源不断地传输。常见的比特流分类如下：
- on demand：点播（按需索取），指用户需要调用哪段数据时（如看某部电影、听某首歌时），相关的数据会不断下载到计算机的buffer缓冲区内，然后计算机不断从缓冲区调用数据进行播放，用户不必等待全部数据下载完毕。
- real-time：直播（实时），指数据一边产生一边传输，其传递到用户的过程和on demand一致。由于要满足大量用户同时在线观看，直播数据会先上传到服务器，然后再传输给用户。

bit rate：比特率，指每秒能传输的bit比特的数量。比特率越高，数据质量越好。
- 不同类型的数据对比特率的要求不一样，比如300kbps的视频质量很差，但128kbps的音频质量还不错。

2.1.12 Show understanding of the differences between the World Wide Web (WWW) and the internet 了解万维网和互联网之间的差异

Internet：因特网，是Internetwork的简称，指将各个小型网络（子网）连接起来而形成的全球信息大汇总，是信息资源整理与共享的集合。
World Wide Web (WWW)：万维网，指互联网中可以使用的一种应用技术。万维网采用Hyperlink超文本链接的形式，通过点击跳转到关联网站或网页，以此实现各个网络、页面的连接。

2.1.13 Describe the hardware that is used to support the internet 描述用于支持互联网的硬件

Including modems, PSTN (Public Switched Telephone Network), dedicated lines, cell phone network 包括调制解调器、PSTN（公共交换电话网络）、专线、手机网络

Modems：调制解调器，用于数字信号与模拟信号之间的转换。在互联网发展初期，人们借助modem调制解调器进行信号转换，以此实现使用传输模拟信号的电话线进行数字信号传输，即“拨号上网”。
PSTN (Public Switched Telephone Network)：公共交换电话网络，原本用于电话通信，但为互联网的发展提供了很大帮助。一开始互联网会通过“拨号上网”占用电话线来进行信号传输，但后来PSTN也进行了改进，发展了宽带技术和WiFi技术。
Dedicated lines：专用线，是PSTN为个人或企业提供的专门用于网络通信的线路，支付一定的费用后，可以获得保证传输速度的专用、永久传输线路。
Cell phone network：移动电话网络，通过ISP网络服务商来接入无线互联网。

2.1.14 Explain the use of IP addresses in the transmission of data over the internet 解释在互联网上传输数据时 IP 地址的使用

Including: 包括：
· format of an IP address including IPv4 and IPv6 IP 地址的格式，包括 IPv4 和 IPv6
· use of subnetting in a network 在网络中使用子网划分
· how an IP address is associated with a device on a network IP 地址如何与网络上的设备相关联
· difference between a public IP address and a private IP address and the implications for security 公共 IP 地址和私有 IP 地址之间的区别以及对安全性的影响
· difference between a static IP address and a dynamic IP address 静态 IP 地址和动态 IP 地址的区别

Protocol：网络协议，指计算机之间必须共同遵从的一组约定，如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。
IP addressing：IP寻址，指计算机在连入互联网时需要具有的唯一的地址编码，数据才可能准确无误地传送到指定位置。常见的两类IP寻址形式如下：
- IPv4：Internet Protocol version 4的简称，由4个字节（32 bits）构成，能够提供2³²个（约40亿）不同的地址，但目前已经不够用。为书写与阅读方便，4个二进制数字多写为十进制数字，如128.12.2.30。
- IPv6：Internet Protocol version 6的简称，长度达128 bits（16个字节），能够提供2¹²⁸个不同的地址。为书写与阅读方便，IPv6的地址分成8个部分，每个部分16 bits，按照十六进制表示（4位的十六进制码），如：68E6:7C48:FFFE:FFFF:3D20:1180:695A:FF01。
  - 注意：因为IPv6的地址很长，因此，“:0000:0000:”可简化为“::”；每个部分的开始如果有0可以省略。

关于IPv4寻址最初设计思想的说明：
- IPv4是按照层级进行设计的，层级分为netID和hostID。互联网上的数据先根据netID分配到相应的路由器上，再根据hostID找到对应的终端。
- IPv4的32位二进制码的最初划分方法为：层级代码+netID+hostID。例子如下图所示：

- - 层级A的代码为0（占1位），分配给netID共7位，能够提供给2⁷=128个机构。分配给hostID共24位，代表每个机构可以拥有的终端数最高为2²⁴个。这种分配方式适用于超大型企业。地址一共32位。
  - 层级C的代码为110（占3位），分配给netID共21位，能够提供给2²¹个机构。分配给hostID共8位，代表每个机构可以拥有的终端数最高为2⁸=256个。这种分配方式适用于小型企业。地址一共32位。
  - 这种划分方法的问题在于一些企业的终端数量超过了低一级的层级，但明显少于高一级的层级，很多IP地址被浪费掉了。现实中有很多方式可以改进这种寻址方法，比如CIDR、子网掩码等。

Classless inter-domain routing (CIDR)：无类域间路由，是对IP寻址最初设计方案的改进。该方式不再划分类别，而是通过一个8位的suffix后缀来说明二进制码中有多少位用于了netID，剩下的部分则为hostID。例子如下图所示：

- Suffix后缀为21，说明在32位的IP地址中，前21位用于表示netID，后11位用于表示hostID。
- 最初方案中的A、B、C三类，对应CIDR方案中后缀为8、16、24的情况。

Sub-netting：子网，将一个IP地址做更加细致的划分，使其能够更加充分被机构利用，提高利用率，节约IP地址。
- 如一家小企业，无需采用多个C类IP地址进行部门分类，可只使用一个C类IP地址，通过将最后8位分拆成部门编号和设备编号，来做出企业内部的区分。比如前3位表示部门号，后5位表示设备号，则0111000表示第三部门（011）的第16号设备（1000）。
- 子网的分拆可通过子网掩码实现。

Network address translation (NAT)：网络地址转换，指的是通过NAT box将企业内部的私网与互联网（外网）连接起来，连接时使用的是NAT box的地址，以此节约IP数量，同时也能保护企业数据安全。
- public IP address：公网IP地址，指互联网内通信使用的IP地址，需要申请，外部侦测时能够看到该地址。
- private IP address：私网IP地址，指本地局域网内通信使用的IP地址，只能使用规定范围内的IP地址，但无需申请。由于外部侦测时只能看到NAT的IP地址而无法看到内部设备的私网IP地址，因此通过NAT能够提高数据通信安全性。

static IP address：静态IP地址，指不会改变的IP地址。
- 向ISP网络服务商申请使用静态地址时需要支付一笔费用，此后该IP地址将会专门用于本人的数据通信，如果本人不使用则闲置，不收回。
dynamic IP address：动态IP地址，指会改变的IP的地址。
- ISP网络服务商支持的用户数量很可能会多于ISP手中掌握的hostID数量，但绝大多数时候，人们并不会同时上网。因此ISP会不断回收闲置的IP地址（人们停止上网则自动断开连接，成为闲置IP地址），并将其重新分配给需要使用的人。
- 通过动态IP地址的使用，也可以节约IP地址数量。

2.1.15 Explain how a Uniform Resource Locator (URL) is used to locate a resource on the World Wide Web (WWW) and the role of the Domain Name Service (DNS) 解释如何使用统一资源定位器 (URL) 来定位万维网 (WWW) 上的资源以及域名服务 (DNS) 的作用

Domain Name Service (DNS)：域名服务器，指记录了使用自然语言缩写的地址（字符型地址）与IP地址的对应关系的服务器。
- 人们更习惯于用字符型地址来代替难记的数字组合，因此域名的使用能够让人们更方便地使用和记忆网站。
- 域名的设定是按层级进行的，有超过250个top-level domains顶级域，下面再划分各类子域。常见的顶级域包括通用型（.com，.edu，.gov等）和国家型（.uk，.jp等）。
- 域名按照等级从右往左写，越靠右的域名层级越高。比如.eng.cisco.com表示的是.com顶级域下的.cisco域下的.eng子域。
- IP地址和域名是一一对应的，通过domain name域名去寻找对应的IP地址的过程称为name resolution域名解析。
- 域名解析时可能出现的情况：
  - 属于本服务器内的域名，则直接返回对应的IP地址。
  - 属于本服务器缓存内的域名，但已经过期，也可以返回对应的IP地址。
  - 不属于本服务器内的域名，则发送回root service根服务器，由根服务器选择合适的top-level domain顶级域，再在该顶级域下搜索该域名对应的IP，直到返回正确的IP地址。

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

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