n-a1计算机网络与因特网概述

n_a1计算机网络与因特网概述第一页，共54页。第1讲：计算机网络与因特网概述本讲目标:

了解环境,“感觉”网络为课程内容进行铺垫使用方法:全面讲述网络要点使用因特网作为实例教科书参考第一章第二章概述:什么是因特网?什么是协议?网络边缘网络核心访问网络,物理介质网络性能:数据丢失,延迟协议分层,服务模型骨干网络,NAP,ISP因特网简史2第二页，共54页。因特网:工程视角数以百万计的互联计算设备:主机,端接系统Pc工作站,服务器PDA电话,智能家电运行网络应用程序通信链路光纤,铜缆,无线电,卫星路由器:将数据分组(数据块)转发通过网络教科书参考第3章、第4章localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobile3第三页，共54页。因特网:工程视角协议:控制报文的收发e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特网:“万网之网”松散的层次结构公共的Internet（因特网）vs.专有的intranet（内联网）因特网标准RFC:RequestforcommentsIETF:InternetEngineeringTaskForce（因特网工程部）localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobile4第四页，共54页。因特网:服务视角通信系统基础上

运行分布式的应用程序:WWW,email,网络游戏,电子商务,数据库应用,网上调查,文件共享所提供的通信服务:无连接（connectionless）面向连接（connection-oriented）5第五页，共54页。什么是协议?人们交往的协议:“现在几点了?”“我有个问题.”彼此作自我介绍…定义发送的信息…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所有在因特网上的通信活动全部是由协议所控制的协议定义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

（语法、语义、同步或规则）6第六页，共54页。什么是协议?人际交往的协议和计算机网络协议:Q:

其它人际交往的协议?HiHiGotthetime?2:00TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.Get/index.htm<file>time7第七页，共54页。近观网络结构:网络边缘:应用程序和主机网络核心:

路由器万网之网访问网络,物理介质:

通信链路8第八页，共54页。网络边缘:端接系统(主机):运行应用程序e.g.,WWW,email在“网络的边缘”上客户端/服务器(client/server)模型客户端发出请求,接收来自服务器的服务e.g.,WWW客户端(浏览器)/服务器;email客户端/服务器对等(peer-peer)模型:

主机对称的进行交互e.g.:Gnutella,KaZaA9第九页，共54页。网络边缘:面向连接的服务目的:在端系统间进行数据传输.握手:在数据传输之前(作为准备工作)设置系统间的连接Hello,helloback人际交往协议建立连接“状态”

于两个通信主机之间TCP-TransmissionControlProtocol(传输控制协议)因特网面向连接的服务TCP服务

[RFC793]可靠,有序的字节流数据传输数据丢失:应答和重传流量控制:

发送端不会将接收端“淹没”拥塞控制:

当网络拥塞时发送端须“降低发送速率”教科书参考第8章10第十页，共54页。网络边缘:无连接的服务目标:在端接系统间传输数据与TCP一样!UDP-UserDatagramProtocol(用户数据报协议)[RFC768]:因特网的无连接服务不可靠的数据传输没有流量控制没有拥塞控制教科书参考第8章使用TCP的应用程序:

HTTP(WWW),FTP(文件传输),Telnet(远程登录),SMTP(email)使用UDP的应用程序:流媒体,视讯会议,IP电话11第十一页，共54页。网络核心由路由器勾结而成的网(眼)最根本的问题:

数据是如何传输并通过网络的?电路交换:为每个通信连接指定电路:电话网络分组交换:数据划分成分离的“数据块”通过网络传送12第十二页，共54页。网络核心:电路交换为通信(call)在两端需要预留资源链路带宽,交换能力专用资源:没有共享电路交换的通信性能(有承诺的)在通信进行之前要建立连接参考教科书（p4,图1-2）13第十三页，共54页。网络核心:电路交换网络资源(e.g.,带宽)划分成“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没有使用,则该资源片就被闲置(idle,没有共享)将链路带宽分“片”的办法频谱划分时隙划分dividinglinkbandwidthinto“pieces”frequencydivisiontimedivision14第十四页，共54页。电路交换:FDMA和TDMAFDMAfrequencytimeTDMAfrequencytime4用户例如:15第十五页，共54页。网络核心:分组交换每个端到端的数据流被划分成分组(packet)用户A,B的分组可共享网络资源

每个分组使用全部的链路带宽

资源在必要时才使用,资源竞争:

资源可能供不应求拥塞:分组排队,等待链路资源在路由器上存储转发:分组一次移动一个步跳通过链路传输等待下一条链路参考教科书p5(图1-4)带宽划分成“片”专门分配资源预留16第十六页，共54页。网络核心:分组交换分组交换vs.电路交换:可以使用饭店的经营方式比喻其他人类社会的生活实例的类比?ABC10Mb/s以太网1.5Mb/s45Mb/sDE统计多路等待输出链路的分组队列17第十七页，共54页。网络核心:分组交换分组交换:存储转发的过程将报文划分成较小的数据块:“分组（packets）”存储转发:交换机等到整个分组到达完毕后,再进行转发或路由接力Q:如果报文以整个的形式发送又将如何?参考教科书p6-7,图1-518第十八页，共54页。分组交换vs.电路交换1Mb/s链路每个用户:100Kb/s当“激活”激活时间为10%电路交换:10用户分组交换:对35个用户来说,概率:>10个用户同时激活小于.0004分组交换使得更多用户可“同时”使用网络!Nusers1Mbpslink19第十九页，共54页。分组交换vs.电路交换在突发性数据传输过程中表现优异资源共享无须事先建立连接过度拥塞:导致分组延迟和丢失需要协议来保障可靠的数据传输,拥塞控制Q:如何在分组交换网中提供电路交换的性能?为音频/视频（audio/video）应用提供带宽保障仍然是一个需要解决的问题分组交换是不是“大满贯冠军?”20第二十页，共54页。分组交换:路由选择问题目标:将分组沿路由器从信源送达信宿介绍因特网的路由选择协议(第7章)数据报网络:

由信宿地址来决定下一个步跳(hop)在会话过程中,路由可能发生变化比喻:开车问路虚电路网络:

每个分组携有标签(虚电路ID),由标签来确定下一个步跳在连接建立阶段确定固定的路由,全部数据通过该路由传递路由器为每个正在通信中的连接维持状态教科书参考（p140-146）21第二十一页，共54页。访问网络和物理介质Q:如何将端接路由器与端系统进行连接(Howtoconnectionendsystemstoedgerouter)?居民区访问网络企事业单位访问网络(学校,公司)移动访问网络时刻牢记:访问网络的带宽(b/s)?共享或独占?22第二十二页，共54页。居民区访问:点对点访问拨号访问可达56Kb/s对路由器的直接访问(理论上)ISDN(一线通):

integratedservicesdigitalnetwork:128Kb/s对路由器的全数字化连接ADSL(非对称用户线路):

asymmetricdigitalsubscriberline上行可达1Mb/shome-to-router下行可达8Mb/srouter-to-homeADSL的应用:已经普及23第二十三页，共54页。居民区访问:线缆调制解调器HFC:hybridfibercoax(光纤同轴电缆混合网络)非对称:下行可达10Mb/s,1Mb/s的上行速率光纤同轴电缆混合网络将家庭连接到ISP路由器在若干家庭用户间共享访问带宽关注点:拥塞,规模控制问题

应用:在国内的个别地区试点,e.g.,上海，个别“智能小区”24第二十四页，共54页。居民区访问:线缆调制解调器Diagram:./cmic/diagram.html25第二十五页，共54页。单位访问:局域网公司/大学局域网(LAN)将端系统连接到端接路由器以太网(Ethernet):

共享或专线电缆将端系统连接端系统和路由器10Mb/s,100Mb/s,1Gb/s以太网应用:企事业单位,家庭用户普遍使用的LANLAN:第5章26第二十六页，共54页。无线访问网络共享的无线访问网络连接端系统和路由器无线LAN:使用无线频谱替代网线e.g.,朗讯Wavelan11Mb/s广域无线访问CDPD:通过蜂窝式网络无线访问ISP路由器basestationmobilehostsrouter27第二十七页，共54页。物理介质物理链路:沿链路发送和传输数据的位流有线介质(guidedmedia):

信号沿固体介质传播:铜线缆,光纤无线介质(unguidedmedia):

信号在大气或外层空间自由传播,e.g.,无线电双绞线(TwistedPair,TP)两根互相绝缘的铜线三类线(Category3TP):普通电话线,10Mb/sEthernet五类线(Category5TP):100Mb/sEthernet28第二十八页，共54页。物理介质:同轴电缆,光纤同轴电缆:芯线(携带信号)为皮线所缠绕(屏蔽层)基带:在一条电缆中只有一路信号宽带:在一条电缆中有多个数据通道双向传输常用在10Mb/sEthernet光缆:在玻璃纤维中传播光脉冲高速运行:100Mb/sEthernet高速点对点传输(e.g.,5Gb/s)低误码率29第二十九页，共54页。物理介质:无线电使用电磁波谱传送信号不使用物理“导线”双向传输传播环境影响:反射为障碍物所阻隔干扰无线链路类型:微波e.g.可以达到45Mb/s的信道LAN(e.g.,WaveLAN)2Mb/s,11Mb/s广域网(e.g.,蜂窝电话)e.g.CDPD,10’sKb/s卫星可达50Mb/s信道(或多个较小的信道)270Ms的端对端延迟地球同步卫星vs.LEOS30第三十页，共54页。分组交换网络的延迟问题分组在端到端传输的过程中会经历延迟在每个步跳中产生的延迟可分为四种结点处理:校验错误确定输出链路排队在输出链路中等待被发送

取决于路由器的拥塞程度ABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing31第三十一页，共54页。分组交换网络的延迟问题发送延迟:R=链路带宽(b/s)L=分组长度(bits)将分组位流发送到链路上的时间=L/R传播延迟:d=物理链路的长度s=介质中的信号传播速度(~2x108m/s)传播延迟=d/sABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing注意:s和R是完全不同的两个概念!32第三十二页，共54页。排队延迟(再议)R=链路带宽(b/s)L=分组长度(bits)a=平均分组到达速率数据流量的强度=La/RLa/R~0:平均延迟时间很小La/R->1:延迟时间变长La/R>1:“任务”到达的速度超过服务能力,平均延迟趋于无穷!33第三十三页，共54页。“真正的”因特网的延迟和路由1cs-gw(54)1ms1ms2ms2(45)1ms1ms2ms3(30)6ms5ms5ms4(29)16ms11ms13ms5(36)21ms18ms18ms6()22ms18ms22ms7(6)22ms22ms22ms853(53)104ms109ms106ms9(29)109ms102ms104ms10(0)113ms121ms114ms11(4)112ms114ms112ms12nio-n2.cssi.renater.fr(3)111ms114ms116ms13nice.cssi.renater.fr(02)123ms125ms124ms14r3t2-nice.cssi.renater.fr(10)126ms126ms124ms15(4)135ms128ms133ms165(5)126ms128ms126ms17***18***19fantasia.eurecom.fr(42)132ms128ms136

msTraceroute(tracert):显示信源到信宿路径上的路由器also:pingplotter,各种视窗程序34第三十四页，共54页。协议的“层次”网络是复杂的!诸多“成分”:主机路由器各种介质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?至少要为讨论网络问题建设一个技术平台?35第三十五页，共54页。航空旅行的组织和运作一系列的步骤ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting36第三十六页，共54页。航空旅行的组织和运作:不同的视角层次:每个层次实现一种服务通过该层次本身的活动依赖于下一个层次所提供的服务ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting37第三十七页，共54页。分层的航空旅行:服务Counter-to-counterdeliveryofperson+bagsbaggage-check-to-baggage-claimdeliverypeopletransfer:loadinggatetoarrivalgaterunway-to-runwaydeliveryofplaneairplaneroutingfromsourcetodestination38第三十八页，共54页。分布式的实现分层的功能ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplaneroutingDepartingairportarrivingairportintermediateairtrafficsitesairplaneroutingairplanerouting39第三十九页，共54页。为什么要分层?对于复杂的系统: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称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对系统的其余部分是透明的e.g.,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?40第四十页，共54页。网络与我—(一个工程硕士生的感受)大四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。…

41第四十一页，共54页。因特网协议栈(计算机网络的原理体系结构)应用层:支持网络应用ftp,smtp,http传输层:主机进程间的数据传递tcp,udp网络层:将数据报从信源传递到信宿ip,路由选择协议链路层:数据在网络上的相邻结点间的传输ppp,ethernet物理层:信道上传送的位流applicationtransportnetworklinkphysical42第四十二页，共54页。分层:逻辑通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysical每个层次:分布的运行“实体”在每个节点上实现该层的功能实体实现动作,与对等实体交换信息43第四十三页，共54页。分层:逻辑通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadataE.g.:传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datatransporttransportack44第四十四页，共54页。分层:物理通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadata45第四十五页，共54页。协议分层和数据的封装每个层次都从上层取得数据加上首部信息形成新的数据单元将新的数据单元传递给下一层次applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe46第四十六页，共54页。因特网结构:万网之网松散的层次结构国家/国际骨干网络提供商(national/internationalbackboneproviders,NBP)e.g.BBN/GTE,Sprint,AT&T,IBM,UUNet对等体可以采用专有的方式,或通过公共网络访问点(

NetworkAccessPoint,NAP)互联地区性ISP连接到NBP本地ISP,公司连接到ISPNBPANBPBNAPNAPregionalISPregionalISPlocalISPlocalISP47第四十七页，共54页。国家级骨干网提供商(NBP)e.g.Sprint全美骨干网络48第四十八页，共54页。因特网简史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:DARPA构思了ARPAnet1969:

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:早期的分组交换原理49第四十九页，共54页。因特网简史1970:

ALOHAnet卫星网