Day1：計算機網絡概述——基本concept、網絡結構：網絡邊緣、網絡核心、接入網絡；多路複用

文章目錄

• 一 、計算機網絡？
• • 1.計算機網絡簡介
  • 2.什麼是Internet ——組成細節的角度
  • 3.什麼是Internet——服務角度
  • 4.什麼是網絡協定？
  • 5.課後思考。（視訊課後讨論題目：
• 二、計算機網絡結構（Construction）
• • 1.網絡邊緣（如下三種“邊緣”）
  • 2.接入網絡
  • 3.網絡核心
  • • 3.資料交換
    • 3.1電路交換(又稱線路交換circuit switch )
    • 3.2多路複用技術
    • 3.3資料交換—封包、分組交換（1）(分組交換packet switching )
    • 3.4資料交換—封包、分組交換（2）
    • 3.5資料交換—封包、分組交換（3）
  • 4.Internet結構：網絡之網絡
  • • 2.課後讨論
    • 4.課後交流

一 、計算機網絡？

計算機網絡是通信技術與計算機技術緊密結合的産物，即計算機網絡=通信技術+計算機技術

計算機網絡就是一種通信網絡

通信系統模型：

1.計算機網絡簡介

Definition：計算機網絡就是互連的、自治的計算機集合

• 自治：無主從關系
• 互連：互聯互通
  • 通過通信鍊路互聯

    

  • 通過交換網絡互連主機

    

2.什麼是Internet ——組成細節的角度

• Global最大的網際網路絡
  • ISP(Internet Service Provider)網絡互連的 “網絡之網絡“
• 數以百萬計的、互連的、計算裝置集合:（在Internet中互聯的不單單是傳統計算機，還有智能手機、pc機、智能穿戴等等）
  • 主機(hosts)=端系統（end systems） （計算機網絡中各種計算裝置、或計算機統 稱為主機/端系統）
  • 運作各種Internet Applications
• 通過通信鍊路連結
  • 光纖, 銅纜, 無線電, 衛星……
• 分組交換:轉發分組(資料包)
  • 路由器(routers) 和交換機(switches)
• 一些有趣的END裝置

  

  根據天氣情況而定烤一個天氣形狀的土司機。。。。

3.什麼是Internet——服務角度

• 為網絡應用提供通信服務的通信基礎設施:
  • Web, VoIP, email, 網絡遊戲,電子商務, 社交網絡, qq，wechat…
• 為網絡應用提供應用程式設計接口（API）:
  • 支援應用程式“連接配接”Internet，發送/接收資料
  • 提供類似于郵政系統的資料傳輸服務

    

    Internet 示意圖

    

    截圖自P3 1.1 什麼是Internet？

銜接問題：僅有硬體*（主機、Routers、鍊路…)連接配接，Internet能否順暢running？能否保證應用資料有序傳遞？

答：Absolutely not！We still need a rule——network protocol

4.什麼是網絡協定？

• 網絡協定(network protocol)

  簡稱為協定，是為進行網絡中的資料交換而建立的規則、标準或約定

  協定規定通信實體之間所交換的消息的格式、意義、順序以及針對收到資訊或發生的事件所采取的動作(actions）

• 是計算機網絡有序運作的重要保證

  硬體（主機、路由器、通信鍊路等）是計算機網絡的基礎

  計算機網絡中的資料交換必須遵守事先約定好的規則，如同交通系統

• 協定是計算機網絡的重要内容

  - 1.協定規範了網絡中所有資訊 發送和接收過程。 如：e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11

  - 2.學習網絡的重要内容之一

  - 3.網絡創新的表現形式之一

  - 4.Internet協定标準

  RFC: Request for Comments（一個很權威的Document）

  IETF:網際網路工程任務組（Internet Engineering Task Force）所有的網絡協定都在這裡權威定義和釋出

  

  如圖，人類交談。任何通信或資訊交換過程都需要規則

  再反觀下圖的網絡通信

  

  3點說明：

   通信主體是“機器”而不是人

   交換“電子化”或“數字化”消息

  計算機網絡的所有通信過程都必須遵守某種/些規則—協定

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- 協定的三要素：

（舉一個不甚得當的例子：

好比寫幾封有順序封郵寄的信件（現在好少寫情書信件了…

首先要按格式（文法）填編碼、寫位址、貼郵票；

然後寫好信的内容（語義）；

隔一段時間投遞郵箱（時序））

• 文法（Syntax）

   資料與控制資訊的結構或格式

   信号電平

• 語義（Semantics）

   需要發出何種控制資訊

   完成何種動作以及做出何種響應

   差錯控制

• 時序（Timing）

   事件順序

   速度比對

5.課後思考。（視訊課後讨論題目：

網絡協定對于計算機網絡十分重要，是計算機網絡的重要内容。

有人甚至聲稱學習計算機網絡就是學習網絡協定，

1.那麼我們到底應該如何了解網絡協定？

2. 如何了解網絡協定的三個基本要素？

3. 網絡通信過程是網絡協定完成的嗎？

一、就像老師視訊中所說的一樣，網絡協定對于計算機網絡就像是交通規則對于交通系統，雖然它不是計算機網絡的實體組成部分， 但計算機網絡的正常運作少不了網絡協定。

二、網絡協定的三個要素包括：語義，文法與時序。

(1)語義是解釋控制資訊每個部分的意義。它規定了需要發出何種控制資訊，以及完成的動作與做出什麼樣的響應。

(2)文法是使用者資料與控制資訊的結構與格式，以及資料出現的順序。 時序是對事件發生順序的詳細說明。 形象的說:語義表示要做什麼，文法表示要怎麼做，時序表示做的順序。

三、網絡通訊并不通過協定完成，網絡通信過程是憑借着主機、鍊路、路由器等硬體設施，遵循着網絡協定完成的。

——ZM_FZU031802…2020-2-10

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二、計算機網絡結構（Construction）

按照節點鍊路劃分：

1.網絡邊緣: 主機、 網絡應用（用戶端和伺服器）

2.接入網絡，實體媒體: 有線或無線通信鍊路

3.網絡核心（核心網絡）: 互聯的路由器（或分組轉發裝置）、網絡之網絡

按照ISP來說明：

網絡之網絡

1.網絡邊緣（如下三種“邊緣”）

• （主機）端系統:

   位于“網絡邊緣”

   運作網絡應用程式 ， 如：Web, email

   在網絡邊緣

• 客戶/伺服器(client/server)應用模型：（主從模式，expandability 差）

   客戶發送請求，接收伺服器響應， 如：Web應用，檔案傳輸FTP應用

• 對等(peer-peer, P2P)應用模型:

   通信在對等實體之間直接進行，如：Gnutella, BT, Skype, QQ

   無（或不僅依賴）專用伺服器

  

• 基礎設施為網絡應用提供服務的兩個通信方式：
• 1、面向連接配接的服務

  

  流量控制，考慮到客戶機的“接受能力”服務機不能太快；擁塞控制，考慮傳輸鍊路的“交通情況”，降低流量；
• 2、無連接配接的服務

  

2.接入網絡

Q: 如何将網絡邊緣接入核心網（邊緣路由器）?

A: 接入網絡（如下的類别劃分，并不嚴格意義上的

•  住宅（家庭）接入網絡

  （modem貓，天翼網關）

•  機構接入網絡 (學校,企業等)  移動接入網絡

  然而作為使用者，關心是:

   帶寬(bandwidth) (bps)？  共享/獨占？

下面看幾個有代表性的接入網絡

• 接入網絡: 數位用戶線路 (DSL) 特點如下

  • 利用已有的電話線連接配接中心局的DSLAM

     資料通信通過DSL電話線接入Internet

     語音（電話）通過DSL電話線接入電話網

  • < 2.5 Mbps上行傳輸速率 (典型速率 < 1 Mbps)（上傳）
  • < 24 Mbps下行傳輸速率 (典型速率 < 10)（下載下傳）

  • FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行

    4 kHz - 50 kHz用于上行

    0 kHz - 4 kHz用于傳統電話

該圖中的生疏的名詞，日後會做解釋：DSL接入多路複用器等

• 接入網絡: 電纜網絡（線纜網絡，cable ）（有線電視網絡
  • 頻分多路複用: 在不同頻帶（載波）上傳輸不同頻道（看電視換台

    

    平時 看電視換台，調的就是上圖的頻道

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    如圖：

  • HFC:混合光纖同軸電纜（ hybrid fiber coax）

     非對稱: 下行高達30Mbps傳輸速率，上行為2 Mbps傳

    輸速率(何謂上行下行

  • 各家庭（裝置）通過電纜網絡→光纖接入ISP路由器

     各家庭共享家庭至電纜頭端的接入網絡

     不同于DSL的獨占至中心局的接入

• 典型家庭網絡的接入&機構（企業）接入網絡 (Ethernet)

  

  

  英文字的說明

主要用于公司、高校、企業等組織機構

典型傳輸速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps

目前，端系統通常直接連接配接以太網交換機（switch）

• 無線接入網絡

  • 通過共享的無線接入網絡連接配接端系統與路由器

     通過基站（base station）或稱為“接入點”（access point）

    • 無線區域網路（LANs）:（如下左圖

       同一建築物内 (30m)

       802.11b/g (WiFi): 11Mbps、

      54Mbps傳輸速率

    • 廣域無線接入：（如下右圖

       通過電信營運商 (蜂窩網) ，接入

      範圍在幾十公裡~  帶寬：1 Mbps、10 Mbps、

      100Mbps

       3G、 4G: LTE

       移動網際網路

      

• 實體媒體

  

  

  

  還有一種尚在實驗當中的LiFI（light fidelity），号稱有光的地方就可以上網

3.網絡核心

路由器的網狀網絡，互聯的路由器網絡

網絡核心解決的基本問題：

Q：如何實作資料從源主機通過網絡核心送達目的主機？

A：資料交換

•  電路交換：

  為每個呼叫預留一條專有電路：如電話網

•  分組交換：

   将要傳送的資料分成一個個機關：分組

   将分組從一個路由器傳到相鄰路由器（hop），一段段最終從源端傳到目标端

   每段：采用鍊路的最大傳輸能力（帶寬）

網絡核心的關鍵功能:路由+轉發

• 路由(routing):

  确定分組從源到目的傳輸路徑 路由算法

• 轉發(forwarding):

  将分組從路由器的輸入端口交換至正确的輸出端口

  

本篇文章涉及到好多陌生的名詞，視訊中，老師說日後會講到。秉持治學嚴謹态度，我信了這老師的話。

3.資料交換

• 需要交換網絡,理由如圖

  

  交換網絡（網絡核心）可以想象成一個連有所有終端巨大的交換裝置
• 何謂交換？

  

• 資料交換類型有三
  • 電路交換
  • 封包交換
  • 分組交換

3.1電路交換(又稱線路交換circuit switch )

• 電路交換的特點
  • 最典型電路交換網絡：電話網絡

  • 電路交換的三個階段：

     建立連接配接（呼叫/電路建立）

     通信

     釋放連接配接（拆除電路）

  • 獨占資源 ——電路交換最顯著的一點（疑問：那是不是打電話的時候不能被監聽？

    比如說：兩人通話，,占用的信道資源，不能被第三方使用，保障了通話性能。

    當釋放了連接配接， 那麼資源被釋放

    

  當一個網絡采用電路交換通信，任何兩個主機之間的通信都要建立一條電路。

  實際上，采用多路複用（Multiplexing）技術

  就可以實作電路交換網絡共享中繼線，實作電路交換網絡的鍊路共享，

  如圖：

  

3.2多路複用技術

• 多路複用(multiplexing)，簡稱複用，是通信技術中的基本概念

  

  這裡的複用和分用，可以很巧妙和粗淺的了解稱力的正交合成與正交分解

有些實體鍊路的通信傳輸能力比如光纖，遠大于一路電話通信所需的傳輸能力，于是就可以實作共享信道。 實作共享信道的技術，最典型的就是Multiplexing。

• 多路複用
  • 鍊路/網絡資源（如帶寬）劃分為“資源片”
  • 将資源片配置設定給各路“呼叫”（calls）
  • 每路呼叫獨占配置設定到的資源片進行通信
  • 資源片可能“閑置”(idle) (無共享)
• 典型多路複用方法:（在電路交換網絡、或在通信網絡中使用比較多的
  • 頻分多路複用( frequency division multiplexing-FDM )
  • 時分多路複用( time division multiplexing-TDM )

  • 波分多路複用(Wavelength division multiplexing-WDM)

    WDM的實質是FDM。

  • 碼分多路複用( Code division multiplexing-CDM )

多路複用逐個簡介：

• 頻分多路複用FDM
  • 頻分多路複用的各使用者占用不同的帶寬資源（請注意，這裡的“帶寬”是頻率帶寬（機關：Hz）而不是資料的發送速率）
  • 使用者在配置設定到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶

    

    圖文并茂，好了解：不同顔色就是不同使用者占用的頻率
• 時分多路複用TDM
  • 時分複用則是将時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM 幀），每個使用者在每個 TDM 幀中占用固定序号的時隙
  • 每使用者所占用的時隙是周期性出現（其周期就是TDM 幀的長度）
  • 時分複用的所有使用者是在不同的時間占用相同的頻帶寬度

    

    

• 波分多路複用WMD

  波分複用就是光的頻分複用

  

  一覽大緻

  

  一覽細節

  不同使用者使用不同波長的光

• 碼分多路複用CMD

  這是一個很聰明的”正交“應用

  先附一篇很棒的文章來了解：

  《碼分多路複用的生動闡述》

  （ 這篇文章，涉獵很廣，談及學數學、學資訊技術之間的微妙關系，讓我這個讀了十來年書的大學生淚目啊。給人一種相見恨晚，遇故知的親切感，感謝計算機網絡，讓我們相遇

  • 再來了解概念定義

    • 廣泛應用于無線鍊路共享 (如蜂窩網,衛星通信等)  每 個 用 戶 分 配 一 個 唯 一 的 m bit 碼 片 序 列 (chippingsequence)，其中**“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表 示，**

      例如： S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

    • 各使用者使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼資料

    • 編碼信号 = (原始資料) × (碼片序列)  如發送比特 1（+1），則發送自己的 m bit 碼片序列

      如發送比特 0（-1），則發送該碼片序列的m bit 碼片序列的反碼

    • 各使用者碼片序列互相正交(orthogonal)（正交，相交、交的很”正“）

      

      視訊課程中的CMD距離不如上附的文章說的生動詳盡，不寫進來了。

3.3資料交換—封包、分組交換（1）(分組交換packet switching )

二者交換均采用存儲-轉發交換方式

差別：

 封包交換以完整封包進行“存儲-轉發”

 分組交換以較小的分組進行“存儲-轉發”

• 封包：源（應用）發送資訊整體 比如：一個檔案

  

• 存儲 → 轉發
• 如果沒有存儲轉發，就是獨占了線路了。

  

  封包交換以完整封包進行存儲-轉發

• 分組交換
  • 分組：封包分拆出來的一系列相對較小的資料包
  • 分組交換需要封包的拆分與重組
  • 産生額外開銷（時間、資源的開銷等開銷、

    • 排隊和延遲：

       如果到達速率>鍊路的輸出速率:  分組将會排隊，等待傳輸

       如果路由器的緩存用完了，分組将會被抛棄

      頭部的額外開銷

      

看下面幾張圖就懂了

所謂同通過Routers，就是一次在Router上的存儲和轉發，

源主機不斷的向路由器發送分組資料，并行工作

• 是時候提及一個新的多路複用技術：

  分組交換:統計多路複用（Statistical Multiplexing），如圖：

  

  按需共享， 不像前面電路交換的多路複用技術都是實作配置設定好了鍊路資源。

3.4資料交換—封包、分組交換（2）

二者的交換，哪種交換更好呢？

兩位在傳輸時延的層面來決鬥吧！(傳輸時延，延遲，傳輸資料的傳遞時

分組傳輸的延遲計算

搭建一個決鬥場： 如圖，資料從左邊主機經兩路由器，傳到右邊主機，孰快孰慢？

戰力分析

封包交換	分組交換
封包長度為M bits	 封包被拆分為多個分組
每次傳輸封包需要M/R秒	 分組長度為L bits
鍊路帶寬為R bps	 每個分組傳輸時延為L/R秒

此外，不考慮分組交換産生的其他額外開銷

戰報資料

戰果：分組交換大比分勝出。

現在賽後采訪分組交換獲勝的秘訣：

• 分組交換的封包傳遞時間

  分組交換笑了笑不說話，并抛出一張秘籍圖檔

  

3.5資料交換—封包、分組交換（3）

做第一個例題：（所有例題都會整理到本欄目的例題文章中。

執行個體化了3.4的公式

上節回顧： 分組交換在檔案傳遞時間上完敗封包交換

但又出現了一個新的挑戰者：電路交換

此次他們要在另一個決鬥場比拼， 如圖多個使用者共用一個鍊路的時候，誰支援的使用者數量更多？

戰力分析

電路交換	分組交換
電路交換，建立電路獨占信道，即便占用資源不活動，别的使用者不能使用。
最大可供10使用者	對于35個使用者, 大于10個使用者同時活動的機率<0.0004

戰果：分組交換允許更多使用者同時使用網絡！——網絡資源充分共享

但是不能說，分組交換絕對優于電路交換，理由如下：

• 适用于突發資料傳輸網絡

  資源充分共享簡單、無需呼叫建立

• 可能産生擁塞（congestion）: 分組延遲和丢失

  需要協定處理可靠資料傳輸和擁塞控制

• Q: 如何提供電路級性能保障? 

  例如，音/視訊應用所需的帶寬保障

4.Internet結構：網絡之網絡

注意這裡Internet翻譯成網際網路或網際，Network才翻譯成網絡。

ISP:Internet Service Provider(網際網路服務提供商，如中國電信、中國移動、中國聯通)

• 端系統通過接入ISP（access ISPs ）連接配接到Internet

   家庭、公司和大學ISPs

• 接入ISP必須進一步互連

   這樣任意兩個主機才可以互相發送分組

• 構成複雜的網絡互連的網絡

   經濟和國家政策是網絡演進的主要驅動力

• 讓我們采用漸進方法來描述目前網際網路的結構

  Q: 數以百萬計的接入ISP是如何互連在一起的呢？

  A1：每個接入ISP直接互相連接配接？No way .技術經濟都不可行（規模是等差數列和，(a1+an)n/2)

  

  A2：将每個接入ISP連接配接到一個國家或全球ISP（Global ISP）?

  但是從商業角度，必定有競争者…，這些ISP網絡必須互連

  …可能出現區域網絡（regional networks）連接配接接入ISP和營運商ISP

  … 内容提供商網絡(content provider networks，如： Google,

  Microsoft等) 可能運作其自己的網絡，并就近為端使用者提供服務、内容

  

  

  IXP（Internet exchange point）本身也是一個高速的網絡

• 在網絡中心：少數互連的大型網絡
  •  “一級”(tier-1)商業ISPs (如：網通、電信、Sprint、 AT&T)，提供國家或國際範圍的覆寫
  •  内容提供商網絡（content provider network， 如：Google)：私有網絡，連接配接其資料中心與Internet，通常繞過一級ISP和區域ISPs

    

     在網絡的最中心，一些為數不多的充分連接配接的大範圍網絡（分布廣、節點有限、

    但是之間有着多重連接配接）  “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 國家或者國際

    範圍的覆寫  content provider network (e.g., Google): 将它們的資料中心接入ISP，友善周邊

    使用者的通路；通常私有網絡之間用專網繞過第一層ISP和區域ISPs

2.課後讨論

掌握網絡拓撲結構的意義

Internet是全球最大的網際網路絡，其網絡拓撲結構極其複雜，而且具有很強的動态性，有很多研究機構或研究團隊在開展網絡拓撲結構發現相關問題研究。請大家搜尋閱讀相關文獻，并讨論實作網絡拓撲發現的意義有哪些？

網絡拓撲圖形中能更直覺明了的看清楚網絡中各個節點之間的連結，還有接口之間的連結，也就是反應網絡中各實體間的結構關系，這樣友善配置和排除錯誤。網絡拓撲設計地好壞對整個網絡的性能和經濟性有重大影響。

FZU物信黃福…2020-2-16

采用合适的網絡拓撲結構

(1)可以盡可能提高可靠性,以保證所有資料流能準确接收;還要可提高系統的可維護性,使故障檢測和故障隔離較為友善

(2)降低建網費用

(3)提高系統的擴充性

(4)為使用者提供盡可能短的響應時間和最大的吞吐量。

孤島violet2020-2-20

網絡核心：路由器的網狀網絡

4.課後交流

存儲-轉發方式的分組交換

分組交換是現代計算機網絡重要的理論基礎之一，也是目前在計算機網絡中廣泛采用的資料交換技術，存儲-轉發則是分組交換的基本工作方式。

請大家讨論一下，分組交換是否可以采取其他工作方式？有什麼樣的優缺點？

分組交換除了存儲轉發之外，還可以直通轉發。

優點：①加速了資料在網絡中的傳輸。因為分組是逐個傳輸，可以使後一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發操作并行，這種流水線式傳輸方式減少了封包的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩沖區比傳輸一份封包所需的緩沖區小得多，這樣因緩沖區不足而等待發送的機率及等待的時間也必然少得多。

②簡化了存儲管理。因為分組的長度固定，相應的緩沖區的大小也固定，在交換結點中存儲器的管理通常被簡化為對緩沖區的管理，相對比較容易。

③減少了出錯機率和重發資料量。因為分組較短，其出錯機率必然減少，每次重發的資料量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。

④由于分組短小，更适用于采用優先級政策，便于及時傳送一些緊急資料，是以對于計算機之間的突發式的資料通信，分組交換顯然更為合适些。

缺點：①盡管分組交換比封包交換的傳輸時延少，但仍存在存儲轉發時延，而且其結點交換機必須具有更強的處理能力。

②分組交換與封包交換一樣，每個分組都要加上源、目的位址和分組編号等資訊，使傳送的資訊量大約增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了處理的時間，使控制複雜，時延增加。

③當分組交換采用資料報服務時，可能出現失序、丢失或重複分組，分組到達目的結點時，要對分組按編号進行排序等工作，增加了麻煩。若采用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、資料傳輸和虛電路釋放三個過程。

還可以采用直通式和碎片隔離

1.直通式 優點：不需要存儲 ，延遲非常小、交換非常快，這是它的優點。 缺點：因為資料包内容并沒有 被以太網交換機儲存下來，是以無法檢查所傳送的資料包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由于沒有緩存，不能将具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丢包。

2.碎片隔離 它檢查資料包的長度是否夠64個位元組，如果小于64位元組，說明是假包，則丢棄該包;如果大于64位元組，則發送該包。 缺點：這種方式也不提供資料校驗。 優點：它的資料處理速度比存儲轉發方式快，但比直通式慢。

FZU-03180254…2020-2-13

分組交換除了存儲轉發之外，還可以直通轉發。

優點：加速了資料在網絡中的傳輸。因為分組是逐個傳輸，可以使後一個分組的存儲操作與前一個分組的轉發操作并行，這種流水線式傳輸方式減少了封包的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩沖區比傳輸一份封包所需的緩沖區小得多，這樣因緩沖區不足而等待發送的機率及等待的時間也必然少得多。

簡化了存儲管理。因為分組的長度固定，相應的緩沖區的大小也固定，在交換結點中存儲器的管理通常被簡化為對緩沖區的管理，相對比較容易。

減少了出錯機率和重發資料量。因為分組較短，其出錯機率必然減少，每次重發的資料量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。

由于分組短小，更适用于采用優先級政策，便于及時傳送一些緊急資料，是以對于計算機之間的突發式的資料通信，分組交換顯然更為合适些。

17計科5班43…2020-3-25

本篇結束