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本文源地址：TCP/IP之大明內(nèi)閣

本文是《TCP/IP之大明王朝郵差》的前傳，講一講大明內(nèi)閣的各位大人是怎么設(shè)計TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(jīng)很久了。
內(nèi)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(fā)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(nèi)閣會議，研究下怎么建立一個可靠的、穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)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(wù)。在兩個節(jié)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(jié)點之間一次發(fā)送每一個分組，接收端收到分組的順序必然與發(fā)送端的發(fā)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(xié)議向高層協(xié)議隱藏了將數(shù)據(jù)分割成段、包或幀的過程。

虛電路是建立一條邏輯連接，發(fā)送方和接收方不需要預先建立連接。

好了，下面繼續(xù)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(zhàn)，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(xiàn)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(jīng)過很多的市鎮(zhèn)。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(zhèn)、驛站協(xié)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(jié)點協(xié)商。” 朱大人也學會了抽象，造出了”中間節(jié)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(fā)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(nóng)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(fā)送）

虛電路的特點

關(guān)于“虛電路”，從上面可以總結(jié)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(shù)據(jù)按照正確的順序發(fā)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(wěn)定的比特率和延遲時間，而虛電路服務(wù)的比特率和延遲時間要取決于以下因素:

1.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上包隊列的長度，

2.應用程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)的比特率，

3.使用統(tǒng)計多路復用技術(shù)時，共享同一網(wǎng)絡(luò)資源的其他用戶的負荷。

4.許多虛電路協(xié)議通過數(shù)據(jù)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(wù)。

虛電路是在分組交換散列網(wǎng)絡(luò)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?qū)Ｓ妹嫦蜻B接的會話。它的固有特點是，有一條通過多路徑網(wǎng)絡(luò)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(shù)上看，可以通過分組交換網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)要保持一條連接，并根據(jù)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(zhuǎn)發(fā)機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)劃分成多個更小的等長數(shù)據(jù)段，在每個數(shù)據(jù)段的前面加上必要的控制信息作為數(shù)據(jù)段的首部，每個帶有首部的數(shù)據(jù)段就構(gòu)成了一個分組。首部指明了該分組發(fā)送的地址，當交換機收到分組之后，將根據(jù)首部中的地址信息將分組轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)被稱為分組交換網(wǎng)。

分組交換網(wǎng)一般由分組交換機、網(wǎng)絡(luò)管理中心、遠程集中器、分組裝拆設(shè)備、分組終端/非分組終端和傳輸線路等基本設(shè)備組成。

分組交換的本質(zhì)就是存儲轉(zhuǎn)發(fā)，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(fā)送信息時，再將信息發(fā)送到相應的路由上，完成轉(zhuǎn)發(fā)。其存儲轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)交換，它們交換過程的本質(zhì)都是存儲轉(zhuǎn)發(fā)，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(wǎng)中。

分組由分組頭和其后的用戶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)點后，必須使用交換技術(shù)將分組從輸入端口傳送到輸出端口，實現(xiàn)輸送比特通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

好，下面繼續(xù)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(nèi)閣浪費國家人力物力，下令立即停止。
內(nèi)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(guān)的時候聽說袁崇煥使用了一個奇怪的辦法來傳遞軍務(wù)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(zhèn)，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(nóng)翻身注：驛站類似路由器，需要構(gòu)建路由表， 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)送。”

“重新發(fā)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(shù)據(jù)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(fā)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(jié)點的衙役們來決定馬匹的下一個路徑是哪一個。”
（碼農(nóng)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(jié)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(xiàn)。”

（碼農(nóng)翻身注：京城午門給內(nèi)鄉(xiāng)縣衙發(fā)了A1、A2，京城德勝門給開封府發(fā)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(jié)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(xiàn)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(wǎng)以X.25協(xié)議向用戶提供標準接口，數(shù)據(jù)以分組為單位在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存儲轉(zhuǎn)發(fā)，使不同速率終端，不同協(xié)議的設(shè)備經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供的協(xié)議變換功能后實現(xiàn)互相通信。

3、信息傳輸可靠性高：在網(wǎng)絡(luò)中每個分組進行傳輸時，在節(jié)點交換機之間采用差錯校驗與重發(fā)的功能，因而在網(wǎng)中傳送的誤碼率大大降低。而且在網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)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(fā)送到不同用戶。

5、計費與傳輸距離無關(guān)：網(wǎng)絡(luò)計費按時長、信息量計費，與傳輸距離無關(guān)，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(shù)，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(fā)起呼叫，獨占一條物理線路。當交換機完成接續(xù)，對方收到發(fā)起端的信號，雙方即可進行通信（主要應用于電話通信網(wǎng)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(shè)備成本較低。但同時也帶來線路利用率低，電路接續(xù)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(jīng)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(fā)向接收交換機或終端，它以"存儲-轉(zhuǎn)發(fā)"方式在網(wǎng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。報文交換的優(yōu)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(xiàn)不同速率、不同規(guī)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(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延大，且占用大量的交換機內(nèi)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?shù)膱笪妮^短、實時性要求較低的網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信，如公用電報網(wǎng)。電子郵件系統(tǒng)（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(shù)，甚于蒙娜麗莎的微笑。
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總結(jié)

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