第1章计算机网络技术及应用.ppt

计算机网络和因特网,1-1,计算机网络技术及应用,计算机网络和因特网,1-2,第一章计算机网络和因特网,计算机网络：自顶向下方法与Internet特色，第三版。JimKurose,KeithRossAddison-Wesley,2004年七月,计算机网络和因特网,1-3,第一章：计算机网络和因特网,本章目标:了解环境，“感觉”网络为后续的课程内容进行铺垫使用方法:使用因特网作为实例,概述:什么是因特网？什么是协议？网络边缘网络核心接入网，物理媒体Internet/ISP结构网络性能：数据丢失，时延协议分层，服务模型网络模型,计算机网络和因特网,1-4,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-5,什么是因特网：工程视角,数以百万计的互连计算机设备:主机=端系统运行网络应用程序通信链路光纤，铜缆，无线电，人造卫星传输速率=带宽路由器:转发分组(数据块),计算机网络和因特网,1-6,什么是因特网：工程视角,协议：控制报文的发送和接收例如：TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特网：“万网之网”松散的层次结构公共因特网（Internet）和私有的内联网（intranet）因特网标准RFC:请求评论（requestforcomments）IETF:因特网工程部（InternetEngineeringTaskForce）,计算机网络和因特网,1-7,什么是因特网：服务视角,通信基础设施为分布式应用程序提供支撑:Web冲浪,电子邮件,分布式游戏,电子商务,文件共享为应用程序提供的通信服务：不可靠的无连接服务可靠的面向连接服务,计算机网络和因特网,1-8,什么是协议？,人类交往的协议：“现在几点？”“我有个问题”介绍定义发送的消息定义信息接收后,或某个事件发生后的动作,网络协议：通信设备之间的交互而不是人们的交往因特网上所有通信行为都由协议管理,协议定义了网络实体之间信息收发的格式和顺序,以及信息发送和接收后所需采取的动作。,计算机网络和因特网,1-9,什么是协议？,人类交往的协议和计算机网络协议？,问题:其它人类交往的协议？,你好,你好,TCP连接请求,计算机网络和因特网,1-10,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-11,网络结构深入研究:,网络边缘:应用程序和主机网络核心:路由器网络和网络群接入网，物理媒体：通信链路,计算机网络和因特网,1-12,网络边缘:,端系统（主机）:运行应用程序,如：Web，电子邮件在“网络边缘”处两种类型：客户/服务器客户机从始终在线的服务器那里请求、获取服务举例：Web，电子邮件对等（P2P）模型:很少（或不）使用专用服务器如：eMule,Maze,ppLive，Gnutella,KaZaA我们的系统：GridCast,计算机网络和因特网,1-13,网络边缘：面向连接的服务（这一部分将在后续章节详细介绍，此处从略）,TCP（TransmissionControlProtocol）服务RFC793可靠、有序的字节流数据传递数据丢失:确认和重传流量控制:发送方不应发送过量数据而淹没接收方拥塞控制:当网络拥塞时发送方应“降低发送速率”,计算机网络和因特网,1-14,网络边缘：无连接服务（这一部分将在后续章节详细介绍，此处从略）,UDP用户数据报协议（UserDatagramProtocol）RFC768:无连接不可靠的数据传输无流量控制无拥塞控制,计算机网络和因特网,1-15,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-16,网络核心,互相连接的路由器构成了网状网络基本问题：数据是怎样通过网络传输的？电路交换:每次呼叫有专用电路:电话网络分组交换:数据以不连续的数据块形式通过网络,计算机网络和因特网,1-17,网络核心：电路交换,端到端连接为“呼叫”预留资源链路带宽，交换能力资源专用：不共享类似电路（有保证的）的性能需要呼叫以建立连接,计算机网络和因特网,1-18,网络核心：电路交换,网络资源(如：带宽)被分为”片“各资源片分配给各个通信连接如果拥有资源的通信连接不使用，则该资源片将被闲置（不共享）,将链路带宽划分为”片”的方法：频谱划分时隙划分,计算机网络和因特网,1-19,电路交换：FDM和TDM,计算机网络和因特网,1-20,举例：,通过电路交换网络将一个640,000比特长的文件从主机A传送到主机B需要多长时间？所有链路速率皆为1.536Mbps每条链路使用有24个时隙的TDM建立端到端的电路需要500毫秒请计算出结果！,计算机网络和因特网,1-21,网络核心：分组交换,每个端到端的数据流被划分为分组(packet)用户A,B的分组共享网络资源每个分组使用全部的链路带宽资源在需要时才被使用,资源竞争:资源可能供不应求拥塞：分组队列，等待链路资源存储转发：分组每次移动一跳结点需完整地收到分组才能进行转发,计算机网络和因特网,1-22,分组交换：统计复用,A和B的分组序列没有固定的模式统计复用TDM中每个主机从循环的TDM帧中获取相同的时隙,A,B,C,10Mb/s以太网,1.5Mb/s,统计复用,等待着输出链路的分组队列,计算机网络和因特网,1-23,分组交换vs电路交换：,1Mb/s链路，每个用户：当”活跃“时需要100kb/s活跃的概率为10%电路交换可容纳10个用户分组交换可容纳35个用户，10个用户同时活跃的可能性小于0.0004,分组交换允许更多用户使用网络,N个用户,1Mbps链路,计算机网络和因特网,1-24,分组交换vs电路交换：,对突发数据的传输非常有效资源共享更简单，没有呼叫建立过程过度拥塞时会发生分组时延和丢失需要协议来保证可靠数据传输，拥塞控制分组交换网的实时性能有待提高对音频/视频应用需要提供带宽保证仍然是一个需要解决的问题。(第六章),计算机网络和因特网,1-25,分组交换：存储转发,将L长的分组传输(推送出去)到链路（速率为Rbps）要花费L/R秒当整个分组到达路由器后才能向下条链路传输:存储转发时延=3L/R,举例:L=7.5MbitsR=1.5Mbps时延=15秒,R,R,R,L,计算机网络和因特网,1-26,分组交换网络类型,目标:通过路由器将分组从源主机移动到到目的主机我们将学习一些路径选择（如：路由）算法(第4章)数据报网络：分组内的目的地址决定下一跳在会话过程中路由可能改变类似的：驾驶，问路虚电路网络：每个分组携带一个标识（虚电路号），该标识决定下一跳在呼叫建立时决定固定的路径，并在整个呼叫过程中保持不变路由器保持每个呼叫连接的状态,计算机网络和因特网,1-27,网络分类：,电信网络,计算机网络和因特网,1-28,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-29,接入网和物理媒体：,问：如何将端系统连接到边缘路由器上？住宅接入网机构接入网(学校，公司)移动接入网请牢记：接入网的带宽(比特每秒)？共享或专用？,计算机网络和因特网,1-30,住宅接入：点对点接入,通过Modem拨号最高可达56Kbps的速率对路由器直接接入（理论上）不能同时上网冲浪和打电话：不能“一直在线”,ADSL:不对称数字用户线最高1Mbps的上行速率(目前的典型速率256kbps)最高8Mbps的下行速率(目前的典型速率1Mbps)频分复用：50kHz-1MHz用于下行4kHz-50kHz用于上行0kHz-4kHz用于普通电话,计算机网络和因特网,1-31,住宅接入:电缆调制解调器,HFC:光纤同轴电缆混合网络(Hybridfibercoaxialcable)不对称:最高30Mbps的下行速率，2Mbps的上行速率光纤同轴电缆混合网络将家庭连上ISP路由器家庭之间用共享方式接入到路由器部署:通过有线电视公司,计算机网络和因特网,1-32,住宅接入：电缆调制解调器,Diagram:,计算机网络和因特网,1-33,电缆网络体系结构:概述,家庭,电缆头端,电缆分配网络（简化）,典型的有500到5,000个家庭,计算机网络和因特网,1-34,电缆网络体系结构：概述,家庭,电缆头端,电缆分配网络（简化）,计算机网络和因特网,1-35,公司接入：局域网,公司/大学的局域网(LAN)将端系统连接到边缘路由器以太网:通过共享或专用的链路来连接端系统和路由器10Mbs,100Mbps,Gigabit以太网局域网:见第5章,计算机网络和因特网,1-36,无线接入网络,共享的无线接入网络连接端系统和路由器通过基站（无线接入点）无线局域网:802.11b(WirelessFidelity,WiFi):11Mbps广域无线接入由电信运营商提供3G384kbps会发生吗？CDMA/GPRS/WAP,计算机网络和因特网,1-37,想在家里组网吗？,典型的家庭网络构成:ADSL或cablemodem路由器/防火墙/网络地址转换以太网无线接入点,无线接入点,无线笔记本电脑,路由器/防火墙,ADSL,进线,以太网,计算机网络和因特网,1-38,物理媒体：,比特:一个信号脉冲物理媒体:位于发送方和接收方之间的介质导向型媒体:信号在固体媒体之中传播：铜线，光纤，同轴电缆非导向型媒体:信号自由传播：如无线电,双绞线(TP)两根互相绝缘的铜导线：3类线：传统的电话线，10Mbps以太网5类线:100Mbps以太网,计算机网络和因特网,1-39,物理媒体：同轴电缆，光纤,同轴电缆:两根同心的铜导体共享媒体,光缆:在玻璃光纤传播光脉冲，每一个脉冲一比特高速运行：高速的点到点传输(如5Gps)低误码率：中继器相隔很远；不受电磁干扰,计算机网络和因特网,1-40,物理媒体：无线电,通过电磁频谱传播信号没有物理“线路”传播环境影响:反射被障碍物所阻隔干扰,无线链路类型:地面微波如可达45Mbps的信道局域网(如Wifi)11M，54M，108M广域网(如cellular)如3G:数以百计的kb级接入卫星可达50Mbps的信道(或多个较小的信道)270毫秒的端到端延迟同步卫星vs低纬度卫星,计算机网络和因特网,1-41,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-42,因特网结构:万网之网,松散的层次结构在中心:“第一层”ISPs(如UUNet,BBN/Genuity,Sprint,AT车队分组问题Q:从现在到车队排列到下一个收费站前需要多长时间?,通过收费站将车队“推送”到高速公路的时间=12*10=120秒从第一个收费站到下一个收费站的汽车行驶时间:100公里/(100公里/小时)=1小时答案:62分钟,十辆汽车的车队,100km,100km,计算机网络和因特网,1-51,车队类比(续),现在汽车以1000公里/小时的速度行驶现在收费站为每辆车提供服务需耗费1分钟Q:有汽车会在所有汽车离开第一个收费站前到达下一个收费站吗？,是的!7分钟后，第一辆汽车将会到达下一个收费站，而还有3辆车仍然在第一个收费站分组在第一个路由器被全部传送出去之前，该分组的第一个比特已经到达了下一个路由器!参看AWL网站上的以太网应用程序,十辆汽车的车队,100km,100km,计算机网络和因特网,1-52,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-53,协议的“层次”,网络是复杂的！许多“部分”:主机路由器各种媒体的链路应用程序协议硬件,软件,问题:如何将复杂的网络问题依据一定的规则组织成一定的结构?或者至少要为讨论网络问题建设一个技术平台?,计算机网络和因特网,1-54,航空旅行的组织和运作,一系列的步骤,计算机网络和因特网,1-55,票务(购买)行李(托运)登机口(登机)从跑道起飞按路线飞行,离开机场,到达机场,中途空中交通控制中心,票务(投诉)行李(认领)登机口(离机)从跑道着陆按路线飞行,票务,行李,登机口,起飞/着陆,按路线飞行,航空功能的分层：,层次:每个层次实现一种服务通过该层次自身的行为依赖下一层所提供的服务,计算机网络和因特网,1-56,为何分层？,对于处理复杂的系统：显式的结构使得复杂系统的问题定位和不同组成部分之间的关联讨论成为可能分层的参考模型(referencemodel)可用于讨论模块化简化了系统的维护和升级某个层次服务实现的改变对系统的其余部分是透明的如：改变登机过程不会影响航空旅行的效果分层的做法有没有坏处?,计算机网络和因特网,1-57,因特网协议栈,应用层:支持网络应用FTP,SMTP,HTTP运输层:主机间的数据传输TCP,UDP网络层:将数据报从源端传送到目的端IP,路由协议链路层:数据在网络相邻结点之间传输PPP,以太网物理层:在线路上传输比特流,计算机网络和因特网,1-58,报文,报文段,数据报,帧,源,应用层运输层网络层链路层物理层,目的地,应用层运输层网络层链路层物理层,路由器,交换机,封装,计算机网络和因特网,1-59,第一章：目录,1.1什么是因特网?1.2网络边缘1.3网络核心1.4接入网和物理媒体1.5因特网结构和因特网服务提供者（ISP）1.6分组交换网中的时延和数据丢失1.7协议层次和服务模型1.8历史,计算机网络和因特网,1-60,LeonardKleinrock-互联网之父分组交换的鼻祖50PeopleWhoMostInfluencedBusinessThisCentury.MIT毕业，加州大学洛杉矶分校（UCLA）教授,因特网历史：,计算机网络和因特网,1-61,PaulBaran,美籍波兰人Rand公司(nonprofitinstitution)DistributedNetworks，PacketSwitching,BoththeUSandUSSRwerebuildinghair-triggernuclearballisticmissilesystems.,计算机网络和因特网,1-62,计算机网络和因特网,1-63,DonaldDavies,英国国家物理实验室（NPL）AlanTuring（图灵）的晚辈分组交换技术-packet和packetswitching名词的提出,计算机网络和因特网,1-64,LawrenceRoberts,APPAnet的设计者Kleinrock在MIT的同事,计算机网络和因特网,1-65,Thirty-fiveyearsago,onOctober29,1969,thefirstInternetmessagewassentfromcomputerscienceProfessorLeonardKleinrockslaboratoryatUCLAtoacomputer300milesawayatStanfordReseachInstitute,usheringinanewmethodofglobalcommunicationsthatforeverchangedthecourseofbusiness,politics,entertainment,education,lawandsocialinteraction.,/webcast/Inet35/,2004-,计算机网络和因特网,1-66,因特网历史：,1961:Kleinrock-使用排队论证明分组交换网络在数据通信方面的优越性1964:Baran-在军用网络中实现分组交换1967:Roberts美国高级研究计划署ARPA构思了ARPAnet（为了应付核战）1969:首个ARPAnet结点运行,1972:ARPAnet向公众展示NCP(NetworkControlProtocol)第一个主机间通信的协议首个电子邮件程序运行ARPAnet有了15结点,1961-1972:早期分组交换原理,计算机网络和因特网,1-67,因特网历史：,1970:ALOHAnet卫星网络，Hawaii1973: