数据通信与网络技术

1、第1章 概 述,Internet 数据通信系统主要的性能指标 交换技术,数据通信与计算机网络,计算机网络的定义P17,用通信设备和线路将分散在各个地点，并具有独立功能的多台计算机系统连接起来，并按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的计算机集合。,PC,Server,Cisco Catalyst 3550交换机,10Base2,100BaseT,Hub,cisco 12810/800-DC,cisco12816/1280-4AC,wenzhan,2,School of Communication Engineering, CUIT,局域网实例,wenzhan,3,School of Commu

2、nication Engineering, CUIT,广域网实例,wenzhan,4,School of Communication Engineering, CUIT,一个引例PC访问新浪主页 ,从平面角度看数据的流动： 掌握数据交换的过程； 掌握网络设备(router, switch, etc.)的工作原理； 掌握通信系统的性能指标。,wenzhan,5,School of Communication Engineering, CUIT,一个引例(续1),从立体角度看数据的流动： 掌握计算机网络体系结构(TCP/IP)； 掌握体系结构中各层的功能和具体协议； 掌握对等层通信过程。,wenz

3、han,6,School of Communication Engineering, CUIT,一个引例(续2),用tracert命令打印从本机到sina的web服务器传输路径信息。,wenzhan,7,School of Communication Engineering, CUIT,1.1 计算机网络在信息时代的作用,计算机网络是计算机技术和通信技术相互结合的产物，是信息化社会的主要基础设施。 计算机网络的作用是利用快速的信息传送，实现广泛的资源共享。 连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可

4、以是硬件共享。,wenzhan,8,School of Communication Engineering, CUIT,网络与互联网,wenzhan,9,School of Communication Engineering, CUIT,因特网时代,20世纪80年代末，Internet飞速发展，并成为最大的国际性互连网，90年代后进入因特网时代； 因特网发展过程 第一阶段:从单个网络ARPANET向互连网发展 1969年，第一个分组交换网ARPANET诞生，规模快速扩大； 1983年TCP/IP协议成为其标准协议，实现互连网通信，因特网诞生； 1984年接入ARPANET的主机超过1000台，

5、逐渐出现不能满足所有通信的问题； 1990年，ARPANET完成实验任务，正式关闭。,wenzhan,10,School of Communication Engineering, CUIT,因特网时代(续1),第二阶段：建成三级结构的因特网 1985年起，NSF (National Science Foundation)围绕6大计算机中心建立计算机网络； 1986年，NSF建立了一个三级结构的网络NSFNET，分为主干网、地区网和校园网(或企业网)，主干速率仅56Kb/s; 1989年，NSFNET主干网速率达1.544Mb/s(T1)，成为因特网的主要部分； 1991年，因特网主干网开始由

6、私人公司运营，并收费； 1992年，主机超过1百万； 1993年，因特网主干速率提高到45 Mb/s (T3) ，并演进到第三阶段。,wenzhan,11,School of Communication Engineering, CUIT,三级结构的因特网,各网络之间需要使用路由器来连接。 主机到主机的通信可能要经过多种网络。,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,国家主干网,wenzhan,12,School of Communication Engineering, CUIT,因特网时代(续2),第三阶段：多级结构的因特网逐渐形成 1993年起，NSFNET逐渐被商用因特网主干网

7、替代，出现了因特网服务提供商(ISP)； 因特网逐渐成为基于ISP和网络接入点(NAP，Network Access Point)的多级美国的 NAP 的数量已达到十几个。 从 1994 年到现在，结构；1994 年开始创建了 4 个NAP，分别由 4 个电信公司经营。 NAP 是用来交换因特网上流量的结点，其中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，因特网逐渐演变成多级结构网络。 1999年底，因特网上的注册主机超过1千万，成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络。 当前，大致上可将因特网分为五个接入级：网络接入点NAP、国家主干网(主干 ISP)、地区 ISP、本地 ISP和校园网、企业

8、网或 PC 机上网用户。,wenzhan,13,School of Communication Engineering, CUIT,基于ISP的多层结构的因特网,一级 ISP,一级 ISP,第一层 ISP,大公司,本地 ISP,大公司,大公司,公司,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,第二层 ISP,NAP,NAP,A,B,主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B,第一层 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第一层 ISP,第一层,第二层,第三层,本地 ISP,第二层 ISP,

9、本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,wenzhan,14,School of Communication Engineering, CUIT,1.2.3 关于因特网的标准化工作,因特网协会 ISOC,因特网研究指导小组 IRSG,因特网研究部 IRTF,因特网工程部 IETF,因特网工程指导小组 IESG,RG,WG,RG,领域,领域,因特网体系结构 研究委员会 IAB,WG,WG,WG,wenzhan,15,School of Communication Engineering, CUIT,机构职责,ISOC（h

10、ttp:/）,提供对Internet标准化过程的支持,IAB（）,监督TCP/IP协议族的连续发展，编辑管理RFC,IRTF（）,负责Internet协议、应用、体系结构和技术的长期发展,IETF（）,找出并解决Internet运行问题，开发并评审Internet标准,ICANN（）,管理Internet域名和地址,wenzhan,16,School of Communication Engineering, CUIT,标准化组

11、织,标准创建委员会 行动缓慢，按章办事,ISO（International Standards Organization，国际标 准化组织）,ITU-T（International Telecommunications Union Telecommunication Standardization Sector，国际 电联电信标准部）,ANSI（American National Standards Institute，美国国 家标准化局）,IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineering，电气与电子工程师学会）,EIA（Elec

12、tronic Industries Association，电子工业协 会）,wenzhan,17,School of Communication Engineering, CUIT,RFC成熟等级,RFC2026：The Internet Standards Process Revision 3,wenzhan,18,School of Communication Engineering, CUIT,示例：RFC Index,rfc2616 HTTP,RFC793 TCP,RFC1058 RIP,RFC1723 RIPv2,Internet标准RFC（Request For Comments

13、） 要获得RFC文档或到目前已经发布的RFC索引，可查 ,wenzhan,19,School of Communication Engineering, CUIT,1.3 因特网的组成,从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块： 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。 (2) 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。,wenzhan,20,School of Communication Engineering

14、, CUIT,因特网的核心部分,因特网的边缘部分,主机,网络,路由器,因特网的边缘部分与核心部分,wenzhan,21,School of Communication Engineering, CUIT,1.3.2 因特网的核心部分,在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。,cisco 12810/800-DC,cisco12816/1280-4AC,D-Link DI-504M,cisco 2801,wenzhan,22,School of Communic

15、ation Engineering, CUIT,1.3.1 因特网的边缘部分,处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。 “主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”,wenzhan,23,School of Communication Engineering, CUIT,两种通信方式*,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： 客户服务器方式（C/

16、S 方式） 即Client/Server方式 对等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式,wenzhan,24,School of Communication Engineering, CUIT,1. 客户服务器方式*,客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。,wenzhan,25,School of Communication Engineering, CUIT,客户服务器方式举例HTTP的工作过程,因特网,服务器 ,链接到URL的超链,HT

17、TP 使用此 TCP 连接,浏览器 程序,服务器 程序,HTTP,客户,访问新浪主页,wenzhan,26,School of Communication Engineering, CUIT,2. 对等连接方式*,对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。 只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。,wenzhan,27,School of Communication Engineering, CUIT,对等连接方式的特点,对等连接

18、方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。,wenzhan,28,School of Communication Engineering, CUIT,网络边缘,网络核心,运行 P2P 程序,运行 P2P 程序,D,C,E,F,运行 P2P 程序,运行 P2P 程序,对等连接方式的特点,wenzhan,29,School of Communication Engineering, CUIT,. 因特网的核心部分,因特网核

19、心部分是一个分组交换网。 网络的核心部分是由路由器和连接路由器的链路构成。 路由器的实现分组交换的关键设备，任务是转发收到的分组。,wenzhan,30,School of Communication Engineering, CUIT,交换的产生,交换由共享产生； 交换按照某种方式动态分配传输线路的资源； 交换可以基于很多参数(space, time, label, etc.) 交换可以面向连接(connection-oriented)或无连接(connectionless-oriented)。,wenzhan,31,School of Communication Engineering,

20、CUIT,电路交换的产生,最初两部电话机通信只需要用一对电线就能够互相连接起来。,当电话机的数量很大时，就必须使用电话交换机进行连接。,但若要将 5 部电话机两两相连，则需要 10 对电线。,wenzhan,32,School of Communication Engineering, CUIT,电路交换的特点*,电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因此电路交换必定是面向连接的，必须经历以下三个步骤： 建立连接（请求占用通信资源） 通信（一直占用通信资源） 释放连接（归还占用的通信资源）,注意理解：占用通信资源的含义！,

21、电路交换中“占用”的含义是独占！排它的！ 在通信过程中所占用的通信资源其它用户是无法使用的，必须等到释放连接以后，才能供其它用户使用。 这与分组交换有着本质的区别！,wenzhan,33,School of Communication Engineering, CUIT,电路交换举例*,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,(,wenzhan,34,School of Communication Engineering, CUIT,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在

22、 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,注意：连接是指一条链路，而 不是具体的物理线路。因为通过 复用技术(FDM,TDM)，可在一条 物理线路上产生多条通信链路。,电路交换举例,wenzhan,35,School of Communication Engineering, CUIT,电路交换优缺点*,优点: 传输数据的时延非常小。 通路建立随时可以通信，实时性强。 按顺序发送，无失序问题。 适用于传输模拟信号和数字信号。 交换设备及控制均较简单。 缺点： 平均建立时间较长。 信道利用率低。(?) 不同类型、不

23、同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。,wenzhan,36,School of Communication Engineering, CUIT,电路交换的缺点和分组交换的产生,电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。 但计算机数据具有很大的突发性。使用电路交换会导致网络资源严重浪费。 计算机逐渐增多，连网的需求日益迫切，计算机网络需要使用更加有效的连网技术。,wenzhan,37,School of Communication Engineering, CUIT,电路交换的缺点和分组交换的产生(续),美国军方促进了计算机网络的发展。 是

24、20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。(此需求导致了分组交换的产生) 传统的电路交换的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。,wenzhan,38,School of Communication Engineering, CUIT,分组交换,

25、分组交换采用存储转发传输方式： 将一个较长的报文先分割为若干个较短等长的数据段； 在每个数据段前，加上头部(Header)后，构成一个分组(Packet)； 然后把这些分组逐个的发送出去； 接收方重组。,wenzhan,39,School of Communication Engineering, CUIT,报文,2. 分组交换的主要特点*,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,为什么要划分成短的、固定长度的数据段？,短的报文便于处理； 固定长度可简化操作。,wenzhan,40,School of Communication Engineering, CUIT,数 据,数

26、 据,数 据,添加首部构成分组*,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,为什么要添加首部？首部包含些什么信息,首部含有地址等控制信息，供 路由器进行存储转发。,标签？,wenzhan,41,School of Communication Engineering, CUIT,分组交换的传输单元*,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端。,wenzhan,42,School of Communication Engineering, CUIT,收到分组后剥去首部*,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据

27、,通过首部信息,如何区别分组的顺序？,wenzhan,43,School of Communication Engineering, CUIT,数 据,数 据,数 据,最后还原成原来的报文*,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,wenzhan,44,School of Communication Engineering, CUIT,H1,H5,H2,H4,H3,H6,网络核心部分,主机,wenzhan,45,School of Communication Engineering, CUIT,分组交换网的示意图*,H1

28、,A,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,路由器,主机,互联网,wenzhan,46,School of Communication Engineering, CUIT,注意分组的存储转发过程*,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,wenzhan,47,School of Com

29、munication Engineering, CUIT,P14分组交换的优缺点*,优点： （P14） 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用； 灵活：每个结点均有智能，可以为每一个分组独立地选择路由； 迅速：以分组作为传送单位，通信之前可以不先建立连接就能发送分组； 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络具有很好的生存性。 缺点： 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延，当网络通信量过大时，时延可能会很大。 分组所必须携带的控制信息(如Header)造成一定的开销。 整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。,wenzhan,48,

30、School of Communication Engineering, CUIT,报文交换,在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。,wenzhan,49,School of Communication Engineering, CUIT,三种交换的比较*,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送 的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储 转发,存储 转发,存储 转发,存储

31、转发,wenzhan,50,School of Communication Engineering, CUIT,电路和分组交换的比较*,wenzhan,51,School of Communication Engineering, CUIT,课后作业,P33 1-02 1-03,wenzhan,52,School of Communication Engineering, CUIT,1. 4 计算机网络在我国的发展,目前，我国有9个公用计算机网（基于Internet技术并与Internet互联）： 中国公用计算机互连网 CHINANET 中国教育和科研计算机网 CERNET 中国科学技术网 C

32、STNET 中国联通互连网 UNINET 中国网通公用互连网 CNCNET 中国国际经济贸易互连网 CIETNET 中国移动互连网 CMNET 中国长城互连网 CGWNET（建设中） 中国卫星集团互连网 CSNET（建设中) 由中科院、北京大学、清华大学等在中关村地区建立的中国高速互连研究试验网(NSFnet)，是用以研究Internet新技术的高速网络。,wenzhan,53,School of Communication Engineering, CUIT,骨干网的国际出口带宽数,1994 年4 月 20 日我国用64kbps链路正式接入因特网。(2011年 12月底为 1,389,529

33、Mbps，较 2010 年同期上涨26.4%。）,wenzhan,54,School of Communication Engineering, CUIT,骨干网的国际出口带宽数(续),各主干网国际出口带宽分布如下：,wenzhan,55,School of Communication Engineering, CUIT,网民规模,截至2011年12月底，中国网民规模达到5.13亿人，普及率达到38.3%。 其中手机网民3.56亿。,部分国家的互联网普及率,wenzhan,56,School of Communication Engineering, CUIT,国际经合组织主要国家互联网下行带

34、宽（kbit/s）,wenzhan,57,School of Communication Engineering, CUIT,2008.12 -2009.6年中国大陆互联网基础资源对比,wenzhan,58,School of Communication Engineering, CUIT,1.5 计算机网络的分类,1.5.1 计算机网络的不同定义 最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 因特网(Internet)是“网络的网络”。,wenzhan,59,School of Communication Engineering, CUIT,1.5.2 几种不同类别的网络,

35、不同作用范围的网络* 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network),wenzhan,60,School of Communication Engineering, CUIT,2. 不同使用者的网络,从网络的使用者进行分类 公用网 (public network) 专用网 (private network),wenzhan,61,School of Communication Enginee

36、ring, CUIT,用来把用户接入到因特网的网络,接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。 由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。,wenzhan,62,School of Communication Engineering, CUIT,1.6 计算机网络的性能*,1.6.1 计算机网络的性能指标 P18 1. 速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。 速率：指网络上主机在数字信道上传送数据的速率。也称数据率(data rate)或比特率(bit rate)，是计算机网络中

37、最重要的一个性能指标。 速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等,wenzhan,63,School of Communication Engineering, CUIT,2. 带宽*,对模拟信号来说，带宽是指信道允许通过的信号频带范围，单位是赫兹(Hz) （或千赫、兆赫、吉赫等） 。 对数字信号来说，带宽是指数字信道所能传送的“最高数据率” ，即每秒发送多少比特，单位为bit/s或bps。P19 注意区别比特/秒(b/s)与字节/秒(byte/s)。,wenzhan,64,School of Communication Engineering, CUIT,常用的带宽单位*

38、,更常用的带宽单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240。,wenzhan,65,School of Communication Engineering, CUIT,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,在宽带线路上比特传播得快,在窄带线路上比特传播得慢,关于宽带错误的概念,wenzhan,66,School of Communication Engineeri

39、ng, CUIT,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,67,A,B,A,B,宽带线路,窄带线路,关于带宽正确的概念,宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到通信线路。 只要通信介质一样，宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。,通信系统中的两种速率*,在通信中有两种不同的速率： 计算机向通信网发送比特的速率（比特/秒） 信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒） 这两种速率的意义和单位完全不同。,wenzhan,68,School of Communication Engineering, CUIT,数字信号流

40、随带宽的变化,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,wenzhan,69,School of Communication Engineering, CUIT,3. 吞吐量,吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,wenzhan,70,School of Communication Engineering, CUIT,4. 时延(delay或latency)P19*,时延：指一个报文或分组从一个网络（或一条链路

41、）的一端传送到另一端所需要的时间。 总时延发送时延传播时延处理时延排队时延,1 0 1 1 0 0 1,在队列中产生排队时延,在发送器产生 发送时延,在链路上产生 传播时延,存储转发产生排队时延,wenzhan,71,School of Communication Engineering, CUIT,时延(delay 或 latency)*,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。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,wenzhan,72,School of Communication Engineering, CUIT,时延(delay 或 latency)*,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。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传