计算机网络绪论部分.ppt

Introduction,1-1,计算机网络 理工大学通信工程学院 李万林 副教授,Introduction,1-2,第一章 绪论,我们的目标: 获得初步的认识 并了解相关的术语 更深层次的细节性内容将稍后再学习 方式: 使用因特网作为示例,概述: 几个网络通信的术语 因特网的组成 网络边缘 网络核心 网络接入和物理媒体 ISP(因特网服务提供商)和 因特网结构 性能：丢失和时延 协议层次及其服务模型,Introduction,1-3,第一章 绪论,1.1 几个网络通信的术语 1.2 什么是因特网 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 ISP(因特网服务提供商)和因特网结构 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层次和其服务模型,Introduction,1-4,1.1 几个网络通信的术语,我们介绍: 比特率和波特率 DTE(数据终端设备) 和 DCE(数据通信设备) 协议 同步和异步 带宽和数据率 面向连接和无连接 我们会在以后的课堂上学习一些其它的术语,Introduction,1-5,(1) 比特率和波特率,信息被编码成 一系列“01”串 比特率 是一个丈量传输装置传送数据串快慢的传输标量。,不同的物理信道有着不同特性, 为了获得更好的传输特性, 数据串不能直接在物理信道上传输, 它们必须被编成特定码元以后再传输。 波特率 是一个丈量传输装置传送码元符号快慢的传输标量。 比特率和波特率是相关的，但并不一定是相等的。,Introduction,1-6,(1) 比特率和波特率,1,1,0,1,0,0,1,信源编码后 比特率 1000 比特/秒,1,1,0,1,0,0,1,线路编码后,波特率 1000波特/秒,码元符号传送,双绞铜线传送,0,波特率 500波特/秒,码元符号传送,XXX 线传送,Introduction,1-7,(2)数据终端设备DTE和数据通信设备DCE,DTE: 数据终端设备 DCE: 数据通信设备 这两个术语经常在一起讨论. DTE: 使用/处理数据的装置，比如计算机、终端设备 DCE: 收/发数据的装置，如调制解调器、网卡。,DTE 使用 DCE 访问传输系统 DCE 将接收到的数据递交给 DTE, DTE 将要发送的数据递交给 DCE, DCE 发送这些数据. DTE 和 DCE 必须协同工作， 它们可能是分开的 (比如计算机和调制解调器), 可能是一体的 (比如笔记本电脑).,Introduction,1-8,(3) 协议,一个人类协议和一个计算机网络协议：,你好,你好,TCP 连接请求,Introduction,1-9,(3) 协议,人类协议： “现在几点钟” “我有一个问题” 介绍 特殊的报文被传送 收到报文或其它事件后采取特殊的行为,网络协议： 机器之间（模仿人类） 所有因特网上的通信行为 都被协议支配,协议定义了在网络通信实 体之间交换的报文格式和 次序，以及在报文传输和接 收时采取的动作。,Introduction,1-10,(4) 同步和异步,同步： 发方发送定时信号给收方 收方通过接收定时信号来同发方同步 数据不需要头比特，可以直接发送。 因为收方和发方有同步的定时信号， 所以收方可以正确的接收数据信号。,异步： 发方不发送定时信号给收方。 收方不需要与发方准确同步 被发送的数据需要用特殊的标志位标明数据的开始和结束。,Introduction,1-11,同步和异步,0,1,1,0,0,0,1,S,D,同步数据传送,0,1,1,0,0,0,1,异步数据传送,开始位,停止位,Introduction,1-12,同步和异步,网络通信中需要不同层次的同步措施。 位同步 要求收/发双方的高低二元数值相互匹配并且不存在错值的情况。 符号同步 要求对符号字确定开始部位和结束部位，从而确保这些符号可以被解码和解释。 帧同步 要求发方和收方对一个字符串的开始和结束有着精确相同的解释。 ,Introduction,1-13,（5）带宽与数据率,带宽与数据率是不同的概念 带宽 B(Hz) 数据率(bps) 但是在通信网的术语中，数据率经常被称做“带宽” 两者的关系: 根据香农公式：数据率上限： SNR是线路的信噪比,Introduction,1-14,（6）面向连接和无连接,我想传送数据给你,面向连接： 发方先通知收方, 在数据传送前创建“连接”,无连接： 发方不通知 收方, 直接传送数据 不建立“连接”.,数据传送完了，再见,再见,Introduction,1-15,面向连接和无连接,是通信网中非常重要的概念! 连接和无连接还有其它的含义! 稍后我们将详细探讨。,Introduction,1-16,第一章 绪论,1.1 几个网络通信的术语 1.2 因特网的组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 ISP(因特网服务提供商)和因特网结构 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层次和其服务模型,Introduction,1-17,因特网的组成,网络边缘： 应用程序和主机 网络核心: 路由器 网络形成的网络 接入网和物理媒介： 通信线路,Introduction,1-18,第一章 绪论,1.1 几个网络通信的术语 1.2 因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 ISP(因特网服务提供商)和因特网结构 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层次和其服务模型,Introduction,1-19,网络边缘,端系统 (主机): 运行应用程序 例如万维网和电子邮件 在“网络的边缘” 客户机/服务器模型： 客户机从服务器上请求并接收服务 例如 万维网浏览器/服务器; 电子邮件客户机/服务器 对等模式: 很少使用（或不使用）专用服务器 例如： Gnutella, KaZaA, BT, Emule,Introduction,1-20,网络边缘：面向连接的服务,目标: 在端系统间进行数据传输 握手: 提早建立(准备)数据传输 在两个通信主机间建立 “状态” TCP 传输控制协议 因特网面向连接服务,TCP 服务RFC 793 可靠的、按次序的字节流数据传送 丢失: 确认和重传 流控制: 保证发方不会淹没收方 拥塞控制: 当网络拥挤时，发方“放慢发送速率”,Introduction,1-21,网络边缘：无连接服务,目标:在端系统间进行数据传输 同前面一样! UDP 用户数据报协议 RFC 768: 无连接 不可靠的数据传输 无流量控制 无拥塞控制,使用TCP的应用程序: HTTP (万维网), FTP (文件传输), Telnet (远程登陆), SMTP (电子邮件) 使用UDP的应用程序: 流媒体, 电话会议, DNS, 网络电话,Introduction,1-22,第一章 绪论,1.1 几个网络通信的术语 1.2因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 ISP(因特网服务提供商)和因特网结构 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层次和其服务模型,Introduction,1-23,网络核心,互相连接的路由器构成 一个基本的问题: 数据是如何通过网络传送的？ 电路交换: 每次通话都有独享的电路: 电话网 分组交换: 数据被分为不连续的分组在网上传输,Introduction,1-24,网络核心:电路交换,为一次呼叫预约端到端的资源 链路带宽,交换容量等 专有的资源:不共享 提供类似专门线路的(有保证的)性能 需要呼叫建立时间,Introduction,1-25,网络核心:电路交换,网络资源 (例如 带宽) 分成 “片段” 片段分配给每个通信会话 当不使用自己的会话时资源片段空闲 (不共享),把连接带宽分成“片段” 频分 时分,Introduction,1-26,电路交换: FDM 和 TDM,Introduction,1-27,数值计算举例,从主机到主机经一个电路交换网络需要多长时间发送一个640,000 比特 的文件? 所有链路具有1.536 Mbps的比特速率 每一链路使用时隙数为24个/帧的TDM 需要500 毫秒创建一条端到端连接,Introduction,1-28,网络核心: 分组交换,每个端端数据流分成组 使用者A, B分组共享网络资源 每组使用全部链路带宽 按需使用资源,资源争夺: 需要的资源总量超过可提供的资源数量 拥塞: 分组排队等待链路传输 存储和转发: 分组每次移动一跳 节点在转发之前必须接收到整个分组,Introduction,1-29,分组交换: 统计复用,A和B 分组的序列并不遵循任何固定的模式 统计复用. 在TDM中每个主机都使用循环TDM帧中的相同时隙.,A,B,C,10 Mb/s 以太网,1.5 Mb/s,统计复用,等待输出链路的 分组队列,Introduction,1-30,分组交换与电路交换,1 Mb/s 链路 每个用户: 在活动期间速率100 kb/s 10% 的时间活动 电路交换: 10 个用户 分组交换: 如果有35个用户, 大于10个用户活动的概率为?,分组交换使得更多的用户使用网络!,N 个用户,1 Mbps 链路,Introduction,1-31,分组交换与电路交换,对突发数据处理顺利 资源共享 更简单, 不需要呼叫建立过程 过度阻塞: 分组时延和丢失 需要协议来实现可靠的数据传送和拥塞控制 Q:如何提供像有电路一样的行为? 声音/图像的传输需要带宽有保证 仍是一个未解决的问题,是否分组交换通常更好呢?,Introduction,1-32,分组交换:存储转发,如果一个分组是由L bits 组成，并且该分组以R bps的速率转发，则该存储转发时延是 L/R秒。 当整个分组全部到达后才能向下一链路转发该分组: 存储转发 时延 = 3L/R,例如: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps 时延 = 15 sec,R,R,R,L,Introduction,1-33,分组交换网络: 转发,目的: 通过路由器从源到目的传送分组 数据报网络: 分组中的目的地址决定了下一连接 此过程中路线可以改变 类似: 递送包裹. 虚电路网络: 每一分组携带一标签 (虚电路号), 标签决定下一连接 在建立连接时确定所用的路径，并在调用过程中保持该固定路径. 路由器必须维护每个呼叫的信息.,Introduction,1-34,网络分类,Introduction,1-35,不同连接方式之间的关系,面向连接的网络（电话网） 服务全是面向连接的 面向无连接的网络（分组交换网） 面向连接的通信方式（虚电路） 面向无连接的通信方式（数据报） 面向连接的传输层（TCP） 面向无连接的传输层（UDP）,与面向连接的网络的区别：不独占资源，链路资源在需要时才占用。不需要时给其他人使用,与面向连接的服务/网络的区别：根本不占用链路及中间节点的资源，仅在终端上保留一些与通信的相关信息，以保证数据端到端的正确、按序传输,Introduction,1-36,第一章 绪论,1.1一些网络通信的术语 1.2 因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 因特网结构和ISP 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层及其服务模型,Introduction,1-37,网络接入和物理媒体,Q: 如何将端系统连接到其边缘路由器? 住宅接入网络 公共接入网络 (学校, 公司) 移动接入网络 记住: 接入网络的带宽(b/s)? 共享还是专用?,Introduction,1-38,住宅接入: 点对点接入,拨号调制解调器 最高56Kbps 的速率接入（经常低于） 不能同时上网冲浪和打电话,ADSL: 不对称数字用户线 最高上载速率1 Mbps (今天典型的上载速率小于 256 kbps) 最高下载速率8 Mbps (今天典型的下载速率小于 1 Mbps) FDM: 下载频道50 kHz - 1 MHz 上载频道4 kHz - 50 kHz 一个普通的电话频道0 kHz - 4 kHz,Introduction,1-39,住宅接入: 电缆调制解调器,HFC: 混合光纤同轴电缆 不对称: 最高30Mbps 的下载速率, 2 Mbps 上载速率 电缆和光纤网络连接家庭和 Internet服务商 多个家庭共享接入路由器 配置: 有线电视公司提供,Introduction,1-40,住宅接入:电缆调制解调器,图表: /cmic/diagram.html,Introduction,1-41,有线电视网络结构: 示意图,家庭,头端,有线电视分发网 (简化的),Typically 500 to 5,000 homes,Introduction,1-42,电缆网络结构:示意图,家庭,头端,cable distribution network (simplified),Introduction,1-43,有线电视网络结构:示意图,家庭,头端,电缆分发网 (简化的),Introduction,1-44,有线电视网络结构:示意图,家庭,头端,FDM:,电缆分发网 (简化的),Introduction,1-45,公司接入: 局域网(local area networks),公司/大学的局域网 (LAN) 连接端系统到边界路由器 以太网: 共享的或专用的链路,用以连接端系统和路由器 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit 以太网,Introduction,1-46,无线接入网(Wireless access networks),共享的无线接入网络连接端系统到路由器 通过基站(base station)也称“接入点” 无线 LANs: 802.11b (WiFi): 11 Mbps 广域无线接入 由电信运营商提供 3G 384 kbps 中国移动提供WAP/GPRS 中国联通提供WCDMA,Introduction,1-47,家庭网络,常见的家庭网络成员: ADSL 或电缆调制解调器(cable modem) 路由器/防火墙(firewall)/NAT (后面讨论) 以太网 无线接入点,无线 接入 点,无线笔记本,路由器/ 防火墙,电缆 modem,到/来自 电缆 头端,以太网,Introduction,1-48,物理媒体,比特: 在发送者/接收者对之间传输 物理链路: 在发送者和接收者之间的线路 导向媒体(guided media): 信号在固态媒体里传输: 铜线, 光纤, 同轴 无导向媒体(unguided media): 信号自由传播, e.g., 无线电波,双绞线Twisted Pair (TP) 两根绝缘的铜导线 3类线: 传统的电话线, 可供10 Mbps 以太网使用 5类线: 可供100Mbps 以太网使用,Introduction,1-49,物理媒体: 同轴coax, 光纤fiber,同轴缆: 两个同中心的铜导体 双向 基带: 一根缆只传一路 老以太网使用 宽带: 一根缆传多路 HFC,光缆: 玻璃光纤运送光脉冲,每个脉冲发送1个比特 高速操作: 高速点到点传输 (e.g., 5 Gps) 低差错率: 再生器(repeater)相距很远, 电磁噪声对其不产生影响,Introduction,1-50,物理媒体: 无线电波,信号在电磁波中传输 无物理”线路” 传播环境效应: 反射 物体阻挡 干扰,无线链路类型: 地面微波 e.g. 可以到45 Mbps 信道 WLAN (e.g., Wifi) 2Mbps, 11Mbps 广域网 (e.g., 蜂窝网) e.g. 3G: 可以支持几百 kbps 卫星 可以支持信道速率到 50Mbps (或者多个低速信道) 270 msec 端到端延迟 地球同步卫星和低轨道卫星,Introduction,1-51,第一章 绪论,1.1一些网络通信的术语 1.2 因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 因特网结构和ISP 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层及其服务模型,Introduction,1-52,Internet 结构: 网络组成的网络,ISP: 因特网业务提供者 Internet Service Provider 基本上是分级的 中心: “第1级” ISPs (例如, UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 覆盖一个国家或一个大地区 相互之间是平等的,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Introduction,1-53,Internet 结构: 网络组成的网络,“第二级” ISPs: 小一点的 (大多数是地区性的) ISPs 与1个或多个第一级 ISP连接,可能也与其他第二级ISP连接,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Introduction,1-54,Internet 结构: 网络组成的网络,“第三级” ISPs 和本地 ISPs 最后一跳 (“接入 ”) 网络 (离端系统最近),Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Introduction,1-55,第一章 绪论,1.1一些网络通信的术语 1.2 因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 因特网结构和ISP 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层及其服务模型,Introduction,1-56,为什么会出现时延和分组丢失,路由器缓冲器中的分组排队 链路上分组的到达速率超过了输出链路的容量 分组队列，按序等待,A,B,Introduction,1-57,四种分组时延,1. 节点处理时延: 检查比特错误 确定输出链接,2. 排队时延 在输出链路上等待传输 取决于路由器堵塞程度,Introduction,1-58,分组交换网的延迟,3. 传输时延: R=链路带宽（传输速率）(bps) L=分组长度 (bits) 传输时延 = L/R,4. 传播时延: d = 物理链路长度 s = 链路传播速率 (2x108 m/sec) 传播时延 = d/s,注意：s和R是完全不一样的量,Introduction,1-59,车队模型,小车“传播”速率100km/h 收费站12秒服务一辆车 (传输时间) 小车bit; 车队 分组 Q: 多长时间后车队在第二个收费站前排队,将全部小车“推”出收费站进入高速公路所用时间： 12*10 = 120 sec 最后一辆小车从第一个收费站传播到第二个收费站所用时间： 100km/(100km/hr)= 1 hr A: 62 minutes,十辆小车组 成的车队,100 km,100 km,Introduction,1-60,节点总时延,dproc = 处理时延 经常是几个毫秒或更少 dqueue = 排队时延 依赖于阻塞 dtrans = 传输时延 = L/R, 对于低速链路非常重要 dprop = 传播时延 几个毫秒到几百个毫秒,Introduction,1-61,排队时延（再讨论）,R=链路带宽（传输速率） (bps) L=分组长度(bits) a=分组到达队列的平均速率,流量强度 = La/R,La/R 0: 平均排队时延小 La/R - 1: 时延变大 La/R 1: 到达“工作”多于可以被服务数，平均时延趋于无限,Introduction,1-62,“实际的”因特网延迟和发送,“实际的”因特网延迟和丢失看上去像什么？ Traceroute 程序:. 提供经过一系列路由器沿着端-端因特网路径从源到目的地的延迟测量： 发送三个到达路由器i的分组 路由器i将向发送者返回分组(第4章解释为什么) 发送者计算传输和回复之间的时间间隔,3 probes,3 probes,3 probes,Introduction,1-63,“实际的”因特网延迟和发送,1 cs-gw (54) 1 ms 1 ms 2 ms 2 (45) 1 ms 1 ms 2 ms 3 (30) 6 ms 5 ms 5 ms 4 (29) 16 ms 11 ms 13 ms 5 (36) 21 ms 18 ms 18 ms 6 () 22 ms 18 ms 22 ms 7 (6) 22 ms 22 ms 22 ms 8 53 (53) 104 ms 109 ms 106 ms 9 (29) 109 ms 102 ms 104 ms 10 (0) 113 ms 121 ms 114 ms 11 (4) 112 ms 114 ms 112 ms 12 nio-n2.cssi.renater.fr (3) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr (02) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (10) 126 ms 126 ms 124 ms 15 (4) 135 ms 128 ms 133 ms 16 5 (5) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr (42) 132 ms 128 ms 136 ms,traceroute: to www.eurecom.fr,Three delay measements from to ,* means no reponse (probe lost, router not replying),trans-oceanic link,Introduction,1-64,Windows 下的tracert,Introduction,1-65,分组丢失,一条链路前的队列只有有限的容量 当分组到达一个满的队列时，分组将被丢弃 丢失的分组可能会被先前的节点或者源端系统重传，也可能不重新传输。,Introduction,1-66,第一章：绪论,1.1一些网络通信的术语 1.2 因特网组成 1.3 网络边缘 1.4 网络核心 1.5 网络接入和物理媒体 1.6 因特网结构和ISP 1.7 分组交换网络中的时延和分组丢失 1.8 协议层及其服务模型,Introduction,1-67,协议“层”,网络是复杂的 许多“部分”： 主机 路由器 多种媒体链路 应用层 协议 硬件，软件,问题： 有希望构建网络体系结构么？ 或者至少可能对网络体系结构进行讨论么？,Introduction,1-68,航空业的组织结构,一系列步骤,Introduction,1-69,航线的功能分层,层：每一层执行一个服务 在这层中执行了某些动作 使用直接下面层的服务,Introduction,1-70,为什么分层？,处理复杂的系统 分层的体系结构可以明确一个大而复杂系统各部分之间的关系 分层的参考模型便于讨论 模块化易于系统的升级和维护 改变某一层提供的服务对于系统的其余部分是没有影响的 例如：登机口的功能被改变了对系统的其余部分是没有影响的 分层有害么？ 分层导致复杂性增加，并不是分层越多越好。,Introduction,1-71,OSI 七层模型,当讨论IT技术时该模型是最主要的！然而，它却很少被实际使用 应用层：为使用者提供服务，与人类交流 表示层: 程序编译，加密，等等. 对话层：保持对话, 同步, 等等 传输层：可靠的端到端传输 网络层: 寻找路径并将数据从源传输到目的地 链路层: 提供从一个节点到另一个节点的可靠的数据传输 物理层: 将单个比特从一个节点移动到下一个节点,应用层 表示层 对话层 传输层 网络层 链路层 物理层,Introduction,1-72,层1：物理层,功能: 传送比特流 构成设备间的物理接口 要解决的问题: 哪一种调制技术 (比特到脉冲)? 一比特持续多久? 串行的还是并行的比特传输? 全双工还是半双工? 网络连接器有多少个引脚？ 如何建立和终止连接?,Introduction,1-73,层2：链路层,功能: 在两个节点之间提供可靠的数据传输 从比特产生帧或分组，或者反之 提供帧一级的差错控制 提供流量控制 总的来说，对分组来讲，链路层为网络层提供了无差错的链路连接。,Introduction,1-74,层3：网络层,功能: 负责路由选择 动态路由 静态路由 数据转发(送到对应的出口) 执行拥塞控制,Introduction,1-75,层4：传输层,功能: 对会话层隐藏了网络的具体实现细节 例如：如果我们要用卫星链路替换点对点链路，这种变换不会对高层产生影响 提供可靠的端对端通信,Introduction,1-76,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,应用层协议,传输层协议,表示层协议,会话层协议,Host A,Host B,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,路由器,路由器,传输层 (contd),第一个端 到端层,Introduction,1-77,传输层 (contd),功能 (contd): 执行端到端的流量控制 网络层丢失分组后执行分组重发,Introduction,1-78,层5：会话层,可以在几个通信应用程序或逻辑传输中执行同步功能 把几个用户级的连接组合成一个“对话” 例如: 银行会议 网络会议,Introduction,1-79,层6：表示层,执行应用程序经常需要的一些特定功能 例如： 加密 ASCII 码向 Unicode编码的转化, Unicode编码向 ASCII码的转化 字节序的转换,Introduction,1-80,层7：应用层,每个应用程序其应用层协议是不同的 实现同一类型应用程序间的通信 例如: FTP http SMTP (email),Introduction,1-81,Internet 协议栈(protocol stack),应用层(应用层): 支持网络的应用程序 FTP, SMTP, STTP 运输层(运输层): 主机到主机的数据传输 TCP, UDP 网络层(网络层): 将数据报(数据报)从源选路到目的地 IP, 选路协议 链路层(链路层): 数据在邻居的网络要素之间传递 PPP, 以太网 物理层(物理层): 在线路上传输的比特,Introduction,1-82,OSI 模型和 Internet模型之间的关系,应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层,应用层 运输层 网络层 链路层 物理层,Introduction,1-83,协议和服务之间的关系,物理媒体,协议,服务,Introduction,1-84,服务访问点（SAP),SAP服务访问点，高层和低层