Internet协议和性能.ppt

66 1 Internet的组成部分 Internet的提供服务 硬件组成 终端系统通讯连接包交换设备软件组成 分布式应用系统 作为网络基础设施 为应用系统提供通讯服务 面向连接可靠服务无连接不可靠服务 Internet上无处不在的协议 运行在终端系统 连接及包交换设备中 网络边缘 终端系统 客户机 服务器点对点模式网络为终端系统上运行应用系统提供无连接服务与面向连接服务 网络核心 线路交换 分组交换分组交换 虚电路网络数据报网络Internet Review 什么是Internet 网络的网络 网络访问 拨号 宽带 ADSL 缆线接入 无线接入等 66 2 林楠 电子邮件 lynn linnan 办公电话 0371 63887293办公室 408 Internet协议与性能 第三讲 66 3 第三讲Internet协议与性能 协议栈 服务模式分组交换网络的性能 数据报的时延与丢失 66 4 网络非常复杂许多 块 主机路由器各种连接 传输介质分布式应用系统网络协议硬件 软件 协议栈 服务模式 问题怎样有组织地管理网络 66 5 多种通信媒介 有线 无线 不同种类的设备 通用 专用 不同的操作系统 Unix Windows 不同的应用环境 固定 移动 不同种类业务 分时 交互 实时 宝贵的投资和积累 有形 无形 它们互相交织 形成了非常复杂的系统应用环境 协议栈 服务模式 问题 是否有希望有组织地管理网络结构 66 6 一系列的步骤 票 购买 行李 检查 登机门 承载 跑道 起飞 飞机行程安排 票 检查 行李 提取 登机门 卸载 跑道 着陆 飞机行程安排 飞机行程安排 协议栈 服务模式 66 7 起飞机场 降落机场 航空交通控制中心 机票 行李 登机 起飞 降落 飞行安排 通过层次来描述服务功能的全过程每一层提供一种服务 下一层向上一层提供服务 每一层的服务形式改变不影响其他层 协议栈 服务模式 机票 检查 行李 提取 登机口 下飞机 跑道 降落 飞机行程安排 机票 购买 行李 安检 登机口 上飞机 跑道 出发 飞机行程安排 66 8 协议栈 服务模式 66 9 一个协议层可以由软件 硬件 或两者同时完成服务功能 不同层的协议总合为协议栈 protocolstack 协议栈 服务模式 物理层 数据链接层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 OSI七层协议实际生活中从来没有实现过 物理层 数据链接层 网络层IP 运输层TCP 应用层 Internet五层协议 网络接口层 网络层 运输层 应用层 TCP IP四层协议 66 10 为了解决不同媒介连接起来的不同设备和网络系统 在不同的应用环境下实现互操作的问题 采用分层的方法 将网络互联庞大而复杂的问题划分为若干个较小而容易解决的问题 计算机网络的各层和层间协议的集合称为 网络体系结构 把网络操作分成复杂性较低的单元 结构清晰 易于实现和维护 定义并提供了具有兼容性的标准接口 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块 独立性强 上层只需了解下层通过层间接口提供的服务 适应性强 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变 一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络 因此每个区域的网络可单独升级或改造 协议栈 服务模式 66 11 ISO组织 InternationalStandardsOrganization 20世纪70年代末创建了OSI开放系统互联模型 OpenSystemsInterconnection 将网络的结构分为七层协议的模型 每一层完成相关的工作 物理层 数据链接层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 物理层 数据链接层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 发送主机A 接收主机B OSI七层协议 66 12 OSI参考模型分层化的优点 1允许多厂家共同发展网络标准化组件 2允许不同类型的网络硬件和软件相互通信 3防止其中某层的变化影响到其他层 牵制整个模型 两个开放系统之间的通信 对等层通信 网络体系结构禁止不同主机的对等层之间的直接通信 想一想 为什么 实际上 每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信 上层使用下层提供的服务 Serviceuser下层向上层提供服务 Serviceprovider OSI七层协议 66 13 OSI参考模型各层功能与任务 任务 为应用选择适当的服务 功能 提供文件打印 数据库和其他应用程序等服务 任务 提供编码转换 数据重新格式化 功能 数据加密 压缩 翻译等 任务 主机间通信 功能 会话控制 任务 提供端到端的数据完整通信 功能 提供可靠与不可靠数据传输 任务 寻址和最短路径 路由 功能 提供逻辑地址 用于路由路径的选择 任务 相邻结点间透明 可靠的信息传输 功能 把字节性质的数据包组成帧 错误检测但不更正 任务 为数据传输提供通路 在设备之间传输比特 功能 定义物理拓扑结构 定义电压 线速 针脚等物理规范 OSI七层协议 66 14 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流 定义了激活 维护和关闭终端用户之间机械的 电气的 过程的和功能的特性 机械特性 物理连接器的尺寸 形状 规格 电气特性 信号电平 脉冲宽度 频率 数据传送速率 最大传送距离等 功能特性 接口引脚的功能作用 规程特性 信号时序 应答关系 操作过程 OSI七层协议 物理层Physical 物理层 数据链接层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层 66 15 OSI七层协议 数据链路层Datalink 在物理线路上的两个相邻结点间提供可靠的数据传输 使相邻结点间的链路对网络层呈现为一条无错的链路 数据传输单位是帧 所关心的问题包括 物理地址 网卡地址 链路维护 组帧 把数据封装在帧中 按顺序传送 定界与同步 产生 识别帧边界 差错恢复 采用重传 ARQ 的方法 流量控制 收发双方传输速率的匹配 66 16 OSI七层协议 网络层Network 使主机可以把数据分组发往任何网络 并使数据分组独立地传送到目标主机 负责由一个端点到另一个端点的路径选择 具体提供以下服务 路由选择和数据分组中转 流量控制和拥塞控制 差错检测与恢复 流量统计和记账 66 17 OSI七层协议 运输层Transport 为信源进程与信宿进程的通信提供数据传输服务 屏蔽各类通信子网的差异 使应用层不受通信子网技术变化的影响 进行数据分段并组装成报文流 传输单位为 报文提供 面向连接 虚电路 和 无连接 数据报 两种服务 提供传输差错校验与恢复 流量控制 拥塞控制 66 18 OSI七层协议 会话层Session 会话层 Session 对不同开放系统中两个进程间通信的过程进行管理和协调 不参与数据传输 表示层 Presentation 向应用进程提供资料表示 如信息编码 数据转换 数据压缩与恢复等 将不同系统的不同表示方法转换成标准形式 66 19 OSI七层协议 应用层Application 为用户的应用进程提供网络通信服务 识别并证实目的通信方的可用性 使协同工作的应用程序之间实现同步 判断是否为通信过程申请了足够的资源 处理被传送数据的表示问题 即信息的语义 直接面向用户 为用户提供各种网络服务 应用层协议的例子 远程登录协议Telnet 文件传输协议FTP 超文本传输协议HTTP 域名服务DNS 简单邮件传输协议SMTP 邮局协议POP3等 66 20 OSI七层协议 66 21 网络与我 一个工程硕士生的感受 大三的上半年开了一门网络课 讲了一堆的东西 现在只记得有网络的7层结构和一些晦涩的名词 以至于工作以后经常分不清某某协议是那个层的 互相之间是些什么关系 特别是TCP IP被叫的越来越响亮以后 一直想把它和7层结构做个比较 可是越弄越糊涂 66 22 应用层 支持网络各种应用程序运输层 主机与主机之间传输数据段网络层 从发送端到接收端路由数据报链路层 临近的两个结点之间传输帧物理层 临近的两个结点之间传输帧中的一位针对不同的以太网使用不同的物理层标准 物理层 数据链接层 网络层IP 运输层TCP 应用层 Internet协议栈 Internet协议栈 使用TCP IP协议 在现实网络中广泛使用 Internet协议栈 66 23 进程 主机 进程 主机 结点 结点 结点 结点 结点 数据链路层 网络层 运输层 运输层 实现进程与进程之间的通信 网络层 实现主机与主机之间的通信 数据链路层 实现结点与结点之间的通信 Internet协议栈 66 24 Internet协议栈 物理层 Internet协议栈 物理层PhysicalLayer通过介质传送比特流 提供机械及电气规格说明 接口和介质的物理特性 定义了设备和传输介质之间接口的特性 还定义了传输介质的类型 比特的表示 物理层数据由比特 0 1 流组成 要进行传输 必须把比特流编码成信号 电信号或光信号 数据速率 bps 由物理层定义 比特同步 发送方和接收方不但要采用相同的比特速率 而且还要在比特层次上达到同步 即发送方和接收方的时钟必须同步 66 25 Internet协议栈 数据链路层 Internet协议栈 数据链路DataLinkLayer负责将比特组成帧 并将帧从一个结点传输到另一个结点 分帧 链路层将接收来自上层网络层的数据报 划分成便于管理的数据单元 帧 物理寻址 链路层会在帧中加入头部信息 包括物理地址 用来定义该帧的发送与接收方 流量控制 如接收方接收速率低于发送方的发送速率 链路层会采取流量控制机制来防止数据淹没接收方 差错控制 通过采取检测和重传损坏或丢失的帧的机制 与物理层相比 数据链路层更加可靠 访问控制 当两台或两台以上的设备连接到同一链路时 数据链路层协议就必须决定哪台设备在什么给定的时间内具有控制权 66 26 Internet协议栈 网络层 Internet协议栈 网络层NetworkLayer负责把数据报从发送主机传输到目的主机 提供网络互联 逻辑寻址 IP地址 负责处理本地网络的寻址问题 如果数据报通过网络边界 网络层就在上层的数据报上加个头部信息 用来定义该分组的发送与接收方的逻辑地址 路由选择 当独立的网络连起来组成一个互联的网络时 交换设备 交换机或路由器 对数据报进行路由或交换 寻找一条能够把数据报送到目的地的路径 最终到达目的地 主要协议IP 所有Internet组成必须运行IP 网络层提供无连接不可靠的传输服务 不保证数据完整送达 不保证数据按顺序传输 66 27 Internet协议栈 运输层 Internet协议栈 运输层TransportLayer提供两端点上进程与进程之间的数据传输 端口寻址 运输层通过端口地址 传送数据从一台计算机上的特定进程到另一台计算机上的特定进程 分割与重组 将一个数据包分成数个可以发送的数据段 并在接收时重组 连接控制 运输层可以是面向连接或无连接 流量控制 类似链路层 运输层也负责流量控制 但运输层的流量控制是端到端的 不是通过单一的链路相临结点之间的 差错控制 类似链路层 运输层也负责差错控制 但运输层的差错控制是端到端的 不是通过单一的链路相临结点之间的 66 28 Internet协议栈 应用层 Internet协议栈 应用层ApplicationLayer负责向用户提供服务 允许用户访问网络资源 文件传输FTP TFTP NFS电子邮件SMTP POP3WWW应用HTTP远程登录Telnet网络管理SNMP域名管理DNS 66 29 Internet协议栈 各层协议 Internet协议栈 应用层 SMTP HTTP FTP DNS 运输层 TCP UDP 网络层 IP ICMP ARP 链路层 以太网Ethernet802 3 ATM 帧中继 不同的物理网络标准不同 物理层 无特定协议 不同的传输介质标准不同 所有运行网络层的Internet组成必须运行IP 66 30 OSI和TCP IP协议模型 66 31 66 32 世界上最全的网络协议图 66 33 对等实体间相互通信 实体 entity 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 实体在每个结点上实现该层的功能 实现动作与对等实体交换信息 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合 Internet协议栈 分层逻辑通信 66 34 举例 运输层从应用层取得数据 加上地址 校验信息形成 数据报 向对等实体 peer 发送数据报 等待对等体在接收后的应答 比喻 邮局服务 运输层 运输层 Internet协议栈 分层逻辑通信 66 35 Internet协议栈 分层物理通信 66 36 在网络体系结构中 对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit Internet协议栈 协议数据单元PDU 66 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 信息 头部中含有完成本层数据传输所需的控制信息 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 在物理线路上传输的数据 其外面实际上被包装多层 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 Internet协议栈 协议数据单元PDU 66 38 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 就是在数据前面加上特定的协议头部信息 数据 协议头 上层PDU 本层PDU 数据 协议头 服务数据单元SDU 服务数据单元SDU 下层PDU Internet协议栈 数据封装 66 39 数据 段头 数据 报头 帧头 帧尾 应用层 数据 11010000110000101001011110110 运输层 数据段 网络层 数据报 数据链路层 帧 物理层 比特 电脉冲 数据封装 Internet协议栈 数据封装 66 40 每个层次都从上层取得数据加上首部信息形成新数据单元将新的数据单元传递给下一层 Internet协议栈 数据封装 66 41 数据多层封装 Internet协议栈 数据封装 66 42 网络协议配置 66 43 配置协议属性 安装新协议 网络协议配置 66 44 网络协议配置 安装新协议 66 45 网络协议配置 配置协议属性 66 46 第三讲Internet协议与性能 协议栈 服务模式分组交换网络的性能 时延与丢失 66 47 数据包时延的起因 数据包到达速度超出连接的输出能力 数据包在路由器的缓冲池中排队 等待 注意 数据包完整地被接收后才被发送 A B 空闲缓冲块 因为没有空闲缓冲块 来到的数据包将丢失 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 48 1 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间 检测数据包头信息 检测校验位有错 确定数据包的出口连接等 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量 A B 传播时延 发送时延 处理时延 排队时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 结点时延 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延 66 49 2 排队时延 结点缓存队列中数据包排队所经历的时延 在出口等待被发送 依赖于路由器拥塞水平 每个数据包的排队延迟不尽相同 A B 传播时延 发送时延 处理时延 排队时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 结点时延 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延 66 50 结点时延 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延 3 发送时延 发送数据时 数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间 信道带宽 数据在信道上的发送速率 数据在信道上的传输速率 A B 传播时延 发送时延 处理时延 排队时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 51 4 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间 A B 传播时延 发送时延 处理时延 排队时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 结点时延 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延 66 52 信号传输速率R 带宽b s 和信号传播速率s m s 概念完全不同R是路由器接口的发送速度 s是传输介质的传输速度 发送时延与包的长度有关 完整的包到达后才开始发送 传播时延与包的长度无关 与两结点之间的距离有关 分组交换网络的性能 时延与丢失 对于高速网络链路 我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率 提高链路带宽减小了数据的发送时延 66 53 分组交换网络的性能 时延与丢失 结点时延 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延 66 54 旅行队模拟 车 位 车队 数据包 在一收费站等所有的车都到齐了再出发 车 传播 速度为100公里 小时 收费站花12秒处理一辆车 处理时延 问 最后一辆车从第一个收费站到第二个收费站的时间 100公里 100公里 小时 1小时12 10 120秒 所有车队通过收费站到高速公路的时间 1小时2分钟 忽略发送时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 55 旅行队模拟 车 位 车队 包 在一收费站等所有的车都到齐了再出发 车 传输 速度为1000公里 小时 收费站花1分钟处理一辆车 处理时延 问 最后一辆车从第一个收费站到第二个收费站的时间 100公里 1000公里 小时 0 1小时 6分钟 1 10 10分钟 所有车队通过收费站到高速公路的时间 16分钟 忽略发送时延 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 56 时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度 时延带宽积 传播时延 秒 带宽 比特 秒 传播时延 链路 带宽 分组交换网络的性能 时延与丢失 1011001 1011001 往返时延RTT Round TripTime 表示从发送端发送数据开始 到发送端收到来自接收端的确认 接收端收到数据后立即发送确认 总共经历的时延 66 57 包丢失与其他三种延迟不同 不同包的排队延迟的时间是不同的 所以排队延迟的计算引入统计的概念 计算排队延迟的平均值 缓冲区中能容纳的排队数据包是有限的 当数据包到达时 缓冲区排满了 数据包将丢失 丢失的数据包可能重新发送 从上一结点重新发送 或从发送主机重新发送 或根本不重新发送 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 58 Tracert路由器跟踪命令提供延迟测量 从发送主机到目的主机的路由器 沿点对点的Internet路径 Tracert向目的主机 发送三个测试ICMP数据包 设置参数TTL time to live 数据包生存时间 为1 跳 Tracert向目的主机 发送三个测试ICMP数据包 设置参数TTL time to live 数据包生存时间 为2 跳 接着发送 设置TTL为3 依此类推 直到目的主机接收到数据包为止 Tracert从到达目的主机路径的各个路由器上收到 TTL过期 的反馈数据 最后到达目的主机并收到正常的 响应 反馈数据 通过反馈数据获得数据包经过的路径信息 发送探测包 3个探测包 3个探测包 3个探测包 最后3个探测包 每过一跳TTL自动减1 等于0时结点不再转发 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 59 分组交换网络的性能 时延与丢失 66 60 分组交换网络的性能 时延与