ARPANET
网络拓扑结构设计思路
数据传输方式
- 线路交换（circuit switching）
- 报文交换（message switching）
- **分组交换 / 包交换**（packet switching）
- - 数据报方式
  - 虚电路方式
- 三种交换的比较
提出通信子网和资源子网
TCP/IP协议研究与发展

ARPANET

计算机网络的形成与发展过程中有三个标志性的网络：

ARPANET、NSFNET与Internet
ARPANET，一个专门用于传输军事命令与控制信息的网络

ARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 美国国防部高级研究计划署

ARPANET的研究背景：

军方需要一个专用军事网络 (可靠、容错、容侵)

通信网络方案的设计要解决两个基本问题：

网络拓扑结构
数据传输方式

网络拓扑结构设计思路

因为要满足可靠性，所以选择分布式网络的拓扑构型：高度分布与具有容错能力的网状结构

没有中心交换结点，每个节点与相邻结点连接，构成网状结构。如果有结点损坏，数据可通过其他路径传输

数据传输方式

线路交换（circuit switching）

线路交换是面向连接的服务，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接

线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段

优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信
缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑通信量

典型应用：电话交换网

两部电话机互相连接只需一对电线
5部电话机两两相连, 需10对电线
N 部电话机两两相连, 需N(N–1)/2 对电线
当电话机的数量增多时,就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机被用来搭建实际的物理线路

数据传输方式为什么不能采用电话交换网？

电话交换网（用于传输语音信号）：

一种低速模拟信号传输过程，误码率高
呼叫过程10~20s，相对整个通话过程可接受

计算机的数据传输：

要求准确传输每个bit；
一般是突发性的，真正用于传输的时间很短，线路大多数时间空闲。

报文交换（message switching）

报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送

分组交换 / 包交换（packet switching）

报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送

通常把采用分组交换(包交换)方式的计算机网络称为分组交换网

分组：在分组交换网络中，交换单元是大小可变的数据块，称为分组
存储转发：在每个节点，分组将被暂时储存，然后按照分组头中的信息规定的路线发送
路由选择：转发节点选择合适的传输路径

每一个数据段前面添加上首部构成分组。每一个分组的首部都含有地址等控制信息
分组交换网中的结点根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地
接收端收到分组后剥去首部还原成报文

分组交换带来的问题：
分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延
分组必须携带的首部也造成了一定的开销

分组交换又可以分为：数据报、虚电路

数据报方式

面向非连接的数据传输方式

在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立 “线路连接”：

源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径。因此，每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机

缺点：

分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象

优点：

灵活、高效：以分组为传送单位，查找路由，有利于提高路由器检错、重传的效率，提高路由器存储空间的利用率
迅速、可靠：不必先建立连接就能向其他主机发送报文分组。可以根据链路通信状态、网络拓扑变化，为不同分组动态选择传输路径，减少分组传输延迟。使网络有很好的生存性

虚电路方式

面向连接的数据传输方式

虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果：

虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路
虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段

一条虚电路组成如下：

源和目的主机之间的路径
分组首部携带虚电路号 (沿着该路径的每段链路一个号码)
沿着该路径的每台路由器的转发表项

虚电路方式与线路交换方式的不同之处：
虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接。每个结点到其它结点间可能有无数条虚电路存在，一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路。

三种交换的比较

线路交换建立了实际的物理线路，所以可以直接将数据传输到终点。而报文交换和分组交换则需要经过若干次的存储转发

提出通信子网和资源子网

ARPANET 使用了 IMP (接口报文处理机) 完成分组接收、校验、存储、转发，并用 IMP 将主机和终端接入网内

IMP 即为路由器的雏形

TCP/IP协议研究与发展

70~80年代网络技术发展迅速，出现大量计算机网络：军用网、研究试验网络、公共服务网络、校园网等

“网络互联” (internet / internetworking) 研究，将不同类型的网络互联起来。需要克服异构网络在分组长度、格式、分组头与传输速率上的差异。

1977年10月，ARPANET研究人员决定将初期的网络协议分为 传输控制协议（TCP） 与 互联网络协议（IP）

TCP协议主要用于实现源主机与目的主机之间的分布式进程通信的功能
IP协议主要用于实现分组通过通信子网的路由选择功能。

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