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本文源地址：TCP/IP之大明內閣

本文是《TCP/IP之大明王朝郵差》的前傳，講一講大明內閣的各位大人是怎么設計TCP/IP網絡的。

大明天啟年間，明熹宗朱由校醉心于木工，重用宦官魏忠賢，不上朝已經很久了。
內閣首輔葉大人憂心忡忡，大明各地民不聊生，大片田地荒蕪，強盜、野獸橫行。之前修建的官道也基本廢棄了，不但收不到各地送來的奏報， 自己昨天好不容易擺脫魏忠賢，面見了一次皇上，但是請求頒發的一道圣旨竟然無法送到各個府縣，送信的郵差都被半路搶劫了，或者失蹤了！
葉首輔決定召開一次內閣會議，研究下怎么建立一個可靠的、穩定的、通暢的上情下達機制。

虛電路（Virtual Circuit）

首先來看一下“360百科（虛電路）”給出的解釋：虛電路是分組交換的兩種傳輸方式中的一種。在通信和網絡中，虛電路是由分組交換通信所提供的面向連接的通信服務。在兩個節點或應用進程之間建立起一個邏輯上的連接或虛電路后，就可以再兩個節點之間一次發送每一個分組，接收端收到分組的順序必然與發送端的發送順序一致，因此接收端無須負責在收集分組后重新進行排序。虛電路協議向高層協議隱藏了將數據分割成段、包或幀的過程。

虛電路是建立一條邏輯連接，發送方和接收方不需要預先建立連接。

好了，下面繼續原文。

前來開會的大人們聽了葉首輔說的情況，立刻都是愁眉苦臉的，面對這么一個艱巨的挑戰，沒人愿意開口，都是在不住的嘆氣搖頭。
過了一炷香功夫，韓大人看到首輔不斷的給自己使眼色，只好開口了： “各位大人，我有個不成熟的想法，說出來大家評判一下。現在主要的問題是強盜橫行、野獸出沒。我想我們可以派出我們的大軍，沿路站崗，五步一崗，三部一哨， 給官道建立一個可靠的保障。”
朱大人道：“韓大人此法差矣！我大明這么多官道，大軍再多也不夠用啊。”
韓大人笑道： “朱大人，看來你沒明白，我的意思不是把所有的官道都布上崗哨， 而是說我們要建立一個連接通道！”
“連接？什么連接？ ” 朱大人說 ，“沒聽說過”。

?“假如我們京城要和開封府通信，中間會經過很多的市鎮。我們只需要派出一隊官兵，把從京城到開封府的道路給保護好就可以了，這樣就不怕那些強盜虎豹，等到雙方通信一完，大軍即可撤回，去保護另外一個通信通道，這就是用官兵建立一個連接！”

葉首輔道：“韓大人說的有道理，至少能解決問題。不過我們的主力大軍都被派到東北對付努爾哈赤去了。所以，我們需要和沿途的市鎮、驛站協商，主要讓他們出兵， 和京城的大軍一起建立安全的通道。”

“這樣的話在一次通信中都可以走這個安全的通道，很寬敞、很可靠。但是代價也很高，為了通信一次，得動用這么多士兵，還得和中間節點協商。” 朱大人也學會了抽象，造出了”中間節點“這樣的新詞兒。
韓大人道：“嗯， 還有一點就是如果通道暫時不發信件的話，就閑置浪費了。”

葉首輔道：“那也是沒有辦法的事情，我們先這么試行一段時間吧。”

（碼農翻身公眾號注：這就是所謂的虛電路，綠色部分為連接通道，所有的消息都從同一個通道上發送）

虛電路的特點

關于“虛電路”，從上面可以總結出其如下特點：

虛電路通信與電路交換類似，兩者都是面向連接的，即數據按照正確的順序發送，并且在連接建立階段都需要額外開銷。但是，電路交換提供穩定的比特率和延遲時間，而虛電路服務的比特率和延遲時間要取決于以下因素:

1.網絡節點上包隊列的長度，

2.應用程序產生數據的比特率，

3.使用統計多路復用技術時，共享同一網絡資源的其他用戶的負荷。

4.許多虛電路協議通過數據重傳，包括檢錯糾錯和自動重傳請求(ARQ)，提供可靠的通信服務。

虛電路是在分組交換散列網絡上的兩個或多個端點站點間的鏈路。它為兩個端點間提供臨時或專用面向連接的會話。它的固有特點是，有一條通過多路徑網絡的預定路徑。提前定義好一條路徑，可以改進性能，并且消除了幀和分組對頭的需求，從而增加了吞吐率。從技術上看，可以通過分組交換網絡的物理路徑進行改變，以避免擁擠和失效線路，但是兩個端系統要保持一條連接，并根據需要改變路徑描述。

分組交換

先看一下摘選自“360百科（分組交換）”上的解釋：

在通信過程中，通信雙方以分組為單位、使用存儲-轉發機制實現數據交互的通信方式，被稱為分組交換(PS:packet switching)。

分組交換也稱為包交換，它將用戶通信的數據劃分成多個更小的等長數據段，在每個數據段的前面加上必要的控制信息作為數據段的首部，每個帶有首部的數據段就構成了一個分組。首部指明了該分組發送的地址，當交換機收到分組之后，將根據首部中的地址信息將分組轉發到目的地，這個過程就是分組交換。能夠進行分組交換的通信網被稱為分組交換網。

分組交換網一般由分組交換機、網絡管理中心、遠程集中器、分組裝拆設備、分組終端/非分組終端和傳輸線路等基本設備組成。

分組交換的本質就是存儲轉發，它將所接受的分組暫時存儲下來，在目的方向路由上排隊，當它可以發送信息時，再將信息發送到相應的路由上，完成轉發。其存儲轉發的過程就是分組交換的過程。

分組交換的思想來源于報文交換，報文交換也稱為存儲轉發交換，它們交換過程的本質都是存儲轉發，所不同的是分組交換的最小信息單位是分組，而報文交換則是一個個報文。由于以較小的分組為單位進行傳輸和交換，所以分組交換比報文交換快。報文交換主要應用于公用電報網中。

分組由分組頭和其后的用戶數據部分組成，分組頭包含接收地址和控制信息，其長度為3-10B，用戶數據部分長度是固定的，平均為128B，最長不超過256B。分組交換路由選擇確定了輸出端口和下一個節點后，必須使用交換技術將分組從輸入端口傳送到輸出端口，實現輸送比特通過網絡節點。

好，下面繼續正文：

“虛電路”運行了半年，終于勉強上情下達了。但是被魏忠賢得知，添油加醋的給皇帝朱由校說了很多壞話，木匠皇帝雷霆大怒，大罵內閣浪費國家人力物力，下令立即停止。
內閣恨透了魏忠賢，但是又不得不停止。
這一天皇上又沒上早朝，大家愁眉苦臉的聚到一起商議。
禮部右侍郎孫承宗突然想起了一件事情：“我巡防邊關的時候聽說袁崇煥使用了一個奇怪的辦法來傳遞軍務物資，他不用軍隊在官道站崗，不用建立安全的連接通道，完全依靠馬匹、騾子這樣的牲畜進行通信。”
“怎么可能？ 馬匹不通人性，跑丟了怎么辦？”
孫承宗道：“他這些馬是訓練過的，身上帶著信件或者物資，可以在官道上走，每到一個驛站或者市鎮，里邊的衙役看看信件的目的地，喂喂馬，然后把馬引到下一個官道就可以了。很省事！?當然具體到那個官道是衙役決定的，他會搜集各種消息，確定那個官道匪患少、虎狼少。”（碼農翻身注：驛站類似路由器，需要構建路由表， 轉發數據分組）
“這還解決不了問題，路上沒官兵保護，馬可能會把搶走，或者被虎豹吃掉，這樣物資還是丟了。”
孫承宗道：“這一點袁崇煥他們也想到了，他們發明了一種叫失敗重傳的方法，如果收不到對方的確認回信，就會重新發送。”

“重新發送的代價太高了吧，畢竟是物資啊！”（在計算機中，物資是很廉價的數據分組）

“是這樣，他們一般把一個大件的物資拆成小塊，因為一匹馬也拉不了多少，然后給每個小塊變編號，哪個小塊丟了，就只發送那個編號的。袁崇煥說他們有個叫‘幻月寶鏡’的東西，丟了的東西可以從中再取出來！”
“這真是個寶貝啊， 一般人怎么可能有啊。”
葉首輔道：“不過這倒是一個有意思的思路，不需要事先建立真正的連接通道，每個編號小塊走的路可能也不一樣，完全由中間節點的衙役們來決定馬匹的下一個路徑是哪一個。”
（碼農翻身注： 這叫做分組交換）
孫承宗補充道：”葉大人看的很透徹，不僅路徑不同，這些小塊也可能不按次序（失序）到達。他用這種方法其實是說中間節點并不承諾提供可靠的連接通道，物資完全可能失序、重復、甚至丟失。所謂可靠的傳輸完全由兩個端點（例如京城和開封府）來實現。”

（碼農翻身注：京城午門給內鄉縣衙發了A1、A2，京城德勝門給開封府發送B1、B2、B3，圖中顯示分組的路徑）

韓大人道：“首輔大人，要不我們也試試？不過我們得想辦法把幻月寶鏡弄來。 ”
葉首輔道：“我們奏請皇上讓袁崇煥進京述職，讓他把寶鏡帶來，這一次一定得讓皇上支持，要不然還會中途夭折，我馬上進宮，大家靜候佳音吧。”

分組交換的特點

補充知識，從上面的形象案例總結一下分組交換的特點，如下：

1、線路利用率高：分組交換以虛電路的形式進行信道的多路復用，實現資源共享，可在一條物理線路上提供多條邏輯信道，極大地提高線路的利用率。使傳輸費用明顯下降。

?

2、不同種類的終端可以相互通信：分組網以X.25協議向用戶提供標準接口，數據以分組為單位在網絡內存儲轉發，使不同速率終端，不同協議的設備經網絡提供的協議變換功能后實現互相通信。

3、信息傳輸可靠性高：在網絡中每個分組進行傳輸時，在節點交換機之間采用差錯校驗與重發的功能，因而在網中傳送的誤碼率大大降低。而且在網內發生故障時，網絡中的路由機制會使分組自動地選擇一條新的路由避開故障點，不會造成通信中斷。

4、分組多路通信：由于每個分組都包含有控制信息，所以分組型終端可以同時與多個用戶終端進行通信，可把同一信息發送到不同用戶。

5、計費與傳輸距離無關：網絡計費按時長、信息量計費，與傳輸距離無關，特別適合那些非實時性，而通信量不大的用戶。

?（END）

?補充知識

除了虛電路、分組交換技術，還有電路交換和報文交換。

電路交換

電路交換就是計算機終端之間通信時，一方發起呼叫，獨占一條物理線路。當交換機完成接續，對方收到發起端的信號，雙方即可進行通信（主要應用于電話通信網中）。在整個通信過程中雙方一直占用該電路。它的特點是實時性強，時延小，交換設備成本較低。但同時也帶來線路利用率低，電路接續時間長，通信效率低，不同類型終端用戶不能通信等缺點。電路交換比較適用于信息量大、長報文，經常使用的固定用戶之間的通信。

報文交換

將用戶的報文存儲在交換機的存儲器中。當所需要的輸出電路空閑時，再將該報文發向接收交換機或終端，它以"存儲-轉發"方式在網內傳輸數據。報文交換的優點是中繼電路利用率高，可以多個用戶同時在一條線路上傳送，可實現不同速率、不同規程的終端間互通。但它的缺點也是顯而易見的。以報文為單位進行存儲轉發，網絡傳輸時延大，且占用大量的交換機內存和外存，不能滿足對實時性要求高的用戶。報文交換適用于傳輸的報文較短、實時性要求較低的網絡用戶之間的通信，如公用電報網。電子郵件系統（E-mail）也適合采用報文交換方式。

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寫代碼是一種藝術，甚于蒙娜麗莎的微笑。
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總結

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