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1,第3章 因特网的发展和体系结构,本课内容 因特网概述 因特网的产生和发展 因特网的功能和服务模式 因特网的体系结构,2,3.1 因特网概述,什么是因特网？ 因特网是在TCP/IP协议基础上建立的国际互联网。它是“计算机网络的网络”，即将全世界不同国家、不同地区、不同部门和机构的不同类型的计算机网络互联在一起，形成一个世界范围的信息网络。,3,3.1 因特网概述,因特网是全球信息基础设施的重要组成部分，作为全球信息高速公路的雏形，它将全世界范围内几乎所有国家与地区的各领域的信息资源联为一体，组成一个庞大的电子资源数据库，供全世界的网上用户共享。它对全人类社会发展和文明进步起到了巨大的推动作用。,4,成百上千万相互连接的主机（host)和端系统（end-systems） pcs workstations, servers PDA running network apps 通信链路 光纤，同轴电缆，微波，卫星 路由器： 通过网络转发数据分组,什么是Internet?,5,协议： 控制发送和接收消息 e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: “网络的网络” 松散，有层次的网络 Internet 和 intranet Internet 标准 RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force,什么是Internet?,6,什么是Internet?,是通信的基础设施，能够支持多种分布式的应用： WWW, email, games, e-commerce, database., voting, file (MP3) sharing 提供的通信服务： 无连接服务（connectionless） 面向连接服务（connection-oriented）,7,什么是协议?,人际交流的协议: introductions “I have a question” “whats the time?” 说明发送的消息 说明接收到某消息后所应采取的行动,网络协议: 计算机之间 Internet中所有的通信活动都是由协议所控制,协议： 定义了网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取得行动,8,人的协议和网络协议之间的对比,Hi,Hi,TCP connection req.,什么是协议?,9,3.2 因特网的产生和发展,利奥纳德科仑洛克他在其博士论文中最早用排队论证明分组交换网络的优越性(1961)。并在1969年12月，参与了美国四所大学使用接口消息处理器（IMP) 建立起阿帕网(ARPA Net)。,Leonard Kleinrock,10,3.2 因特网的产生和发展,APARNet实际上是冷战的产物。1969年美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Research Project Agency，DARPA)决定研究一种计算机网络，能够在战争状态下经受得起局部被破坏，即一种无中心的网络，并能够将使用不同计算机和操作系统的网络连接在一起。,11,3.2 因特网的产生和发展,APARNet联接了犹他大学、斯坦福研究所、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和加利福尼亚大学洛杉矶分校四个不同的计算机系统，这就是因特网的前身。,12,3.2 因特网的产生和发展,APARNet是美国军方建立的实验性网络， 其发展受到诸多限制 最初4个节点1970s的60多个节点 地域跨越美洲、欧洲 具有现代网络的许多特征，例如 分组交换 分层次的网络体系结构 较为完善的通信协议,13,3.2 因特网的产生和发展,1974年，斯坦福大学的两位研究员瑟夫（cerf）和康恩（kahn）发表了互联网络的基本原则： 小型化、自治：各种网络可以自行运行，当需要互联时不必在其内部再进行修改。 尽力而为的服务: 互联网络提供尽力而为的服务，如果需要可靠的通信，则由发送端通过重传丢失的报文来实现。 无状态路由器: 互联网络中的路由器不保存任何现行连接中已经发送过的信息流状态。 分散化的控制结构：在互联网络中不存在全局性的控制机制,14,3.2 因特网的产生和发展,以太网在1980s在全世界开始普及，也是目前因特网中数量最多的局域网络。,曾在施乐公司工作的迈特考夫博士（Dr. Metcalfe) 于1973年发明了与传统的计算机网络实现方法完全不同的局域网络-以太网（ Ethernet）。,15,3.2 因特网的产生和发展,1970s末，ARPA开始了一个称为Internet的研究计划，主要研究如何将各种局域网（LAN）和广域网（WAN）互联起来，这个研究项目的成果就是TCP/IP协议。 TCP/IP协议和过去某些计算机公司开发的协议不同点在于它是完全开放的，其所有的技术和规范都是公开的，任何公司都可以利用其来开发兼容的产品。 以这两个协议为中心，以ARPAnet为主干网开始将许多不同的网络联在一起，构成了因特网的原型。,16,3.2 因特网的产生和发展,蒂姆.本尼斯李(Tim Berners-Lee)于1989年在欧洲粒子物理实验室主持研制出万维网的原型。并将全部技术公诸于世，无偿地供他人使用。 万维网的出现，是因特网爆炸性发展的导火索。,17,3.2 因特网的产生和发展,丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的 主要驱动力 截止到2000年,因特网的规模为 网络数105（以数十万计）, 主机数107 （以数千万计）, 用户数108 （以数亿计） ，主干速率为2.5Gb/s 美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是 主干网的速率比现在的因特网高1000倍 端到端的速率要达到100Mb/s10Gb/s,18,3.3 因特网的功能和服务模式,资源共享（包括计算处理能力、数据资源、软件等通过Telnet、FTP实现） 信息交流（电子邮件、BBS、ICQ） 获取信息(北大天网、新浪) 信息发布（万维网是继电视、广播、报纸、杂志之后的第五媒体） 电子商务的运行平台,33 因特网的功能和服务模式,端接系统（PC、服务器、PDA等） 交换/节点设备（路由器、集线器、交换机等） 通信链路（光纤、线缆、无线信号等） 因特网服务提供商（ISP）提供网络接入,20,3.3 因特网的功能和服务模式,客户/服务器（Client/Server）模式 客户模块(Client module):在本地主机上运行，用来访问网络上其他计算机的资源； 服务器模块(Server module)：一般在远程主机上运行，用来应答来自其他计算机的客户程序请求，提供其本身的服务资源；,21,3.3 因特网的功能和服务模式,网络协议：通信中必须遵守的规则和约定； 常用协议组：TCP/IP(应用于所有现代NOS) NetBEUI(应用于早期的MS_NOS) IPX/SPX(应用于早期的NetWare) 网卡和驱动程序：局域网中的通信控制器或通信处理机，负责执行通信协议。,23,3.4 因特网体系结构,因特网从1983年开始使用传输控制/网间协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，TCP/IP)参考模型。 不是一个单个的协议，而是由数十个具有一定层次结构的协议组成的一个协议集。而TCP和IP是该协议中两个最重要的协议。整个协议集常被称为TCP/IP体系结构或简称为TCP/IP。,24,层次性的协议,网络是非常复杂的！ 许多异质性 “部分”： hosts routers links of various media applications protocols hardware, software,问题： 有什么方法能合理的组织网络的结构？,25,Organization of air travel,a series of steps,ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing,ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing,airplane routing,26,Organization of air travel: a different view,层次结构： 每一层实现一种服务 通过自己内部的功能 依赖自己的下层提供的服务,27,Layered air travel: services,airplane routing from source to destination,Counter-to-counter delivery of person+bags,baggage-claim-to-baggage-claim delivery,people transfer: loading gate to arrival gate,runway-to-runway delivery of plane,28,层次功能的分布式实现,ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing,ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing,Departing airport,arriving airport,intermediate air traffic sites,29,3.4 因特网体系结构,应用层： 网络应用 ftp, smtp, http 传输层： 进程到进程的数据传输 tcp, udp 网络层： 将分组从信源主机路由到信宿主机 ip, routing protocols 链路层： 在相邻的网络节点间传输数据 ppp, ethernet 物理层：bits “on the wire”,30,Layering: 逻辑通信,每一层： 分布的 在每个节点都有实现该层的功能的“实体” 实现该层的“实体”和其他节点的对等实体交换消息，执行相应的动作 以邮局为例,31,信件内容,邮件地址,货物地址,发信人,邮政局,运输系统,信件内容,邮件地址,货物地址,收信人,对信件内容的共识,对信件如何传递的共识,对货物如何运输的共识,P3,P2,P1,公路，铁路，航空,对等层逻辑通信示例：邮局,问题： 1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？ 2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 3、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？,邮政局,运输系统,32,Layering: 逻辑通信,例如：传输层 从应用层得到数据 添加地址、可靠性检查等信息形成“数据包” 发送数据报给对等实体 等待对方的应答,transport,transport,33,P3,P2,P1,对等层逻辑通信的实质： 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成 右图给出了对等层通信更一般的抽象。,2,1,3,2,1,物理通信线路,3,N+1,N,N-1,N+1,N,N-1,Pn-1,Pn,Pn+1,系统A,系统B,消息,消息,34,Layering: 物理通信,35,协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit),每一层从它的上一层得到数据： 添加“头信息”（header information）以生成新的数据单元 将新的数据单元 传递给它的下一层,source,destination,message,segment,datagram,frame,36,数据封装 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。,发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号。,数 据,37,网络体系结构中每一层都要依靠下一层提供的服务。 为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。 这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。 但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。,38,数据,数据 段 数据包 帧 比特 电脉冲,011101000011000010100101111010110,数据多层封装,39,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头