第一章 计算机网络概述.ppt

1、,计算机网络原理,谭 邦 计算机学院 2015-2016（2）,联系方式,Office：8-208 Tel:mobile phone) 8281267(office) Email: ,考核方式,计算机网络原理： 期末考试：70% 作业：15% 课堂表现：15% 主动帮助同学 +5% 计算机网络原理实验： 机房实验：40% 管理、配置、验证实验: 60%,4,课程简介,课程地位 高校多专业普遍开设，原理知识为必备，实践能力为必须 课程目标 以TCP/IP技术为代表，系统地讲解计算机网络基本概念、原理和技能 提升分析解决问题能力，培养创新思维能力，提高信息素质 计划学时

2、48学时理论/32学时实验 学习方法和要求 预习思考、讲授、分组研讨、复习作业、实验验证,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,课程教学改革任务,三个实践要点“问题猜想，事实验证和理性思考” 采用“预习-课堂研讨-实验验证-网上讨论”训练模式 变被动学习过程为知识发现过程 自己成为学习的主体 强化实践动手能力 强化沟通协作能力 改变考核计分规则,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,5,不出户，知天下；不窥牖，见天下。 上士闻到，勤而行之；中士闻道，若存若亡；下士闻道，大笑之，不笑不足以为道 。,第1章 计算机网络概论,教学提示,教学目的 总体把握网络的分层体系结构，理解重

3、要概念、术语、性能测度，理解导致因特网成功的关键结构特征，奠定后继学习基础 重要知识点 因特网结构与端到端原则 网络协议 学习方法 总体把握，理解概念,8,计算机网络：原理与实践,第1章 计算机网络概论,分层服务模型 TCP/IP沙漏模型 分组交换网性能指标,第1讲 网络定义与概念,第1章 内容提要,1.1计算机网络定义 1.2因特网的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史 1.6小结,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,10,网络无所不在：网空灿烂，万千气象,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,11,计算机网络：原理与实践,1

4、-12,因特网应用:丰富多彩，创造无限,后PC时代，嵌入式端系统遍及人类社会生活的方方面面！ 计算机=主机(host)=端系统(end system),世界最大的Web服务器 /shri/iPic.html,IP 像框 ,Web使能的烤面包机+ 天气预报,因特网电话,第1章 计算机网络概论,因特网冰箱,计算机网络应用实例,军事方面 将正确的信息在正确的时间以正确的形式传递到正确的接收者手中，将“谋求信息优势”转化为“谋求决策优势” 学习方面 知道如何在网络上找到其相关细节 医疗方面 对搜索关键词“流感”计算，定位流感病毒肆虐地区 电子商务 1

5、3小时促销某购物网站销售额高达192亿,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,13,什么是计算机网络？,计算机网络(computer network)定义 由通信信道连接的主机和网络设备的集合，以方便用户共享资源和相互通信 现代社会不可或缺的基础设施 对人类的生活方式及政治、军事、经济、文化都产生了重大影响 主要特征 通用性，不对特定应用优化, 能支持广泛、不断出现的新型应用,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,14,计算机网络用途,共享信息 具有访问在共享存储设备上的数据和信息的能力 协同计算 组织许多计算机共同完成特定的计算任务 方便通信 人之间的信息沟通 共享硬件

6、访问和使用网络上的特定硬件（打印机、网盘）,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,15,网络组成,网络实体可抽象为两种基本构件： 结点(node)(亦称节点)：计算设备 链路(link)：物理媒体,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,16,构成网络的三种方式:直接连接,直接连接的网络 由某种物理媒体直接相连所有主机组成 直接连接的网络的分类 物理链路与一对结点相连：点到点链路(point-to-point link) 多结点共享同一物理链路：多路访问链路(multiple access),第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,17,构成网络的三种方式:网络云,网

7、络云 交换结点(switching node)形成了交换网，交换网可视为一朵网络云 网络云抽象将网络云内部结点和网络云外部结点分开,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,18,网络云表示任何类型的网络 通常采用分组交换技术 主机间接连通的第一种方法,两种传递数据的方法,电路交换(circuit switching) 主要用于电话网，在发送方和接收方之间通过多台交换机建立一条连接(电路circuit) 分组交换(packet switching) 主要用于计算机网络 分组(packets) 长报文(message)划分为等长的短段，并为每个段加上首部,第1章 计算机网络概论,计算机网络

8、：原理与实践,19,构成网络的三种方式:网络云互联,网络云互联 递归地连接网络云形成更大规模的网络，有很好的扩展性 由网络云构建成网络称为互联网，或网络的网络,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,20,当前使用TCP/IP的国际互联网写成Internet即因特网 技术术语internet即互联网 连接两个或多个网络云的结点称路由器 主机间接连通的第二种方法,网络服务,网络服务是向用户所提供的有用网络功能，由运行在网络中不同主机上的网络应用程序协作提供 网络为分布于主机中的应用程序进程提供了通信基础设施 应用程序运行在端系统上，而不运行在交换机和路由器上 因特网成功的因素： 在网络边

9、缘用软件实现，方便地增加 新的网络应用功能,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,21,主机操作系统提供的两种API,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,22,应用程序编程接口(Application Programming Interface, API),第1章：内容提要,1.1计算机网络定义 1.2因特网的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史 1.6小结,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,23,因特网组成,网络边缘(edge): 应用与主机 网络核心(core): 路由器(网络的网络),接入网(access n

10、etwork)： 连接两者的通信链路,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,24,因特网结构特点,“端到端原则(end-to-end arguments)” 边缘智能，核心简单 将复杂的网络处理功能(如差错控制、流量控制功能、安全保障和应用等)置于网络边缘 相对简单的分组交付功能(如分组的选路和转发功能)置于网络核心 位于网络边缘的端系统的强大计算能力，用软件方式处理大量复杂的控制和应用逻辑，位于网络核心的路由器尽可能简单，以高速地转发分组,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,25,因特网边缘,端系统 (主机): 运行应用程序 例如Web, 电子邮件 在“网络边缘” 客户

11、(client) /服务器(server)模式： 客户主机请求，从总是打开的服务器接收服务 例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户/服务器,对等(peer-to-peer, P2P)模式: 最小限度(或不)使用专用服务器 例如BitTorrent, Skype,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,26,接入网(access network),将端系统连接到其边缘路由器(edge router)的物理链路及设备的集合,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,27,计算机网络：原理与实践,28,因特网核心：网络的网络,由许多路由器形成的网状网，大致为等级制 在中心: “第一层”

12、ISP(如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 覆盖国家/国际 互相视为对等,第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,29,因特网核心：网络的网络,“第二层” ISP: 较小的(常为区域的) ISP(如中国电信、中国网通、中国移动) 与一个或更多的第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连 大公司和内容提供商(如谷歌) 直接与区域ISP甚至第一层ISP相连,第一层ISP,第一层 ISP,第一层ISP,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,30,因特网核心：网络的网络,“第三层” ISP和本地I

13、SP 最后一跳(“接入”)网络(最靠近端系统),第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,第1章 计算机网络概论,网络核心: 少量的良好互联的大型网络 内容提供商(如Google): 将其数据中心与因特网连接，常绕过第一层ISP、区域ISP,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,1-31,因特网核心：网络的网络,分组通过因特网核心,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,32,第1章：内容提要,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,33,1.1计算机网络定义 1.2因特网的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史 1.6

14、小结,计算机网络：原理与实践,34,什么是协议?,人类协议vs. 计算机网络协议:,问题: 其他人类协议?,Hi,Hi,第1章 计算机网络概论,网络协议,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议(network protocol) 约会看电影的例子 网络协议3要素： 语法 ：数据与控制信息的结构或格式 语义：发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应 定时：事件实现顺序的详细说明 网络协议不是万能的：红蓝军问题,第1章 计算机网络概论,计算机网络：原理与实践,35,第1章：内容提要,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,36,1.1计算机网络定义 1.2因特网

15、的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史 1.6小结,计算机网络：原理与实践,37,协议“分层”,网络是复杂的！ 有许多“组件” 主机 路由器 各种媒体的链路 应用 协议 硬件，软件,问题: 是否存在某种组织网络结构的方式，使之协调工作？,第1章 计算机网络概述,网络中采用“分而治之”的方法,网络设计存在巨大复杂性，要采用科学有效的方法 对付复杂系统最为有效的方法：“分而治之” 例子：秦始皇统一中国后(BC221)的治理办法 网络中如何“分而治之”： 找出相对独立的重要功能 梳理功能间关系，使一个功能为另一功能提供服务 相近功能仅在一个层次中实现，并尽

16、可能位于较高层次,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,38,复杂系统的例子,两名大公司总裁签署合同过程：,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,39,层次: 每一层实现一种服务 经其层内功能 依赖下层提供的服务,计算机网络：原理与实践,40,为何要分层?,处理复杂系统： 简化系统设计 明确结构能够标识复杂系统构件间的关系 模块化易于维护、系统的更新 改变各层服务实现对系统其他部分透明 如运邮件由飞机变为高速铁路不影响系统其他部分 分层的负面影响 信息冗余，降低性能 层次难以确定 协议首部越来越大,跨层设计,第1章 计算机网络概述,引入网络分层方法,网络应用与通信技术密不可

17、分，难发展 引入多个中间抽象层次，网络呈模块化设计 好处： 接口灵活，隐藏技术细节，易于扩展新功能，各层独立发展 缺点： 可能降低系统性能，分布式操作复杂,网络分层方法要点： 网络功能模块化，去除不同网络应用之间以及网络应用与网络技术之间的紧密耦合 用端到端原则决定网络关键功能应当在哪些模块中实现,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,41,一个分层的体系结构允许通过定义良好的接口，将大而复杂的系统划分为不同层次,报文在各层之间的传递,协议栈 对等层,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,42,垂直通信,水平通信,水平协议和垂直服务,向上一层提供服务(service) 协议

18、是“水平的”，服务是“垂直的” 向上的服务利用了下层的功能,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,43,几种体系结构的比较,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,44,TCP/IP体系结构特点,协议栈呈“沙漏”形状 IP是“细腰” 细腰部代表最小、精选的通用功能集 使高层应用和低层通信网技术独立发展,因特网设计实现时，为提高效率并未严格分层,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,45,计算机网络：原理与实践,46,报文,段,数据报,帧,源,应用层 运输层层 网络层 链路层 物理层,目的地,应用层 运输层层 网络层 链路层 物理层,路由器,交换机,报文流经端系统、路

19、由器和链路层交换机的层次,第1章 计算机网络概述,端到端原则,David D. Clark著名的“端到端原则” 决定网络某个特定功能应当放在哪个层次模块中为好 如路由选择、数据可靠传输等,边缘智能，核心简单 端系统处理能力日益增强，用软件来增强网络协议的处理能力，性价比不断提高 降低网络的复杂性，等价于提升网络的传输速率，也等价于增强网络适应新兴应用的灵活性,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,47,两种文件可靠传输方案比较,方案一 保证文件在每两个结点之间都能可靠传输，从而最终到达接收方 方案二 只进行发送方到接收方的端到端检查，如果有必要则再重传该文件,方案一不够全面 结点存储

20、出错、缓存不足等 方案二则更完善和简单 无需链路层、网络层和运输层分别提供，使传输更为快速,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,48,端到端原则：如果在较高层能够完善地实现某种功能，就无需再由较低层提供这种功能,因特网标准化工作,分类： 专用的、开放的和事实上的 因特网标准是开放、免费的 请求评论(Request For Comments，RFC),因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF) 因特网研究任务组(Internet Research Task Force, IRTF) 电气及电子工程师协会(IEEE) 802工程,第1

21、章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,49,第1章：内容提要,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,50,1.1计算机网络定义 1.2因特网的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史 1.6小结,计算机网络：原理与实践,51,时延和丢包是怎样产生的？,分组在路由器缓存中排队 分组到达链路的速率超过输出链路能力将导致分组排队 分组在缓存中排队等待交换，排队过多则丢包,A,B,第1章 计算机网络概论,四种时延：位置和原因,第1章 计算机网络概述,52,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生 处理时延和

22、排队时延,数据,链路,检查比特差错 决定输出链路,等待输出链路传输的时间 取决于路由器拥塞的等级,R= 链路带宽 (bps) L= 分组长度 (比特) 发送比特进入链路的时间= L/R,d = 物理链路的长度 s = 在介质中传播的速度 (2x108 m/sec) 传播时延 = d/s,计算机网络：原理与实践,计算机网络：原理与实践,53,排 队,R= 链路带宽 (bps) L= 分组长度 (比特) a= 平均分组到达速率,流量强度 = La/R,La/R 0: 平均排队时延小 La/R 1: 时延急剧变大 La/R 1: 更多“工作”到达，超出了服务能力，平均时延无穷大！,平均排队时延,第1

23、章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,54,结点时延,dproc = 处理时延 通常几个微秒或更少 dqueue = 排队时延 取决于拥塞 dtrans = 传输时延 = L/R, 对低速链路很大 dprop = 传播时延 几微秒到几百毫秒,第1章 计算机网络概述,计算时延的例子,50MB数据块通过1Mbps信道传输 传输时延502208/106 = 419.45s(近7分钟) 用光纤传送到1000km远，传播时延=5ms 传输时延占主导 若采用100Gbps高速信道 传输时延502208/1011 = 4.1945ms 传输时延和传播时延相当(两者占主导) 若传播距离减小到1km 传输

24、时延则占主导,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,55,在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析,丢包率,定义： 在一定的时段内在两结点间传输过程丢失分组数量与总的分组发送数量的比率 无拥塞时为0%，轻度拥塞为14%，严重拥塞为515% 丢包率高的网络无法使网络应用正常工作,IP网丢包主要原因 路由器无法容纳到达的分组，只能丢弃(drop) 到达的分组 丢包率指标非常重要,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,56,带宽和吞吐量,网络带宽 链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值 吞吐量 网络在单位时间内无差错地传输数据的能力,瓶颈链路 路径中可用带宽最

25、小的链路) 可用带宽 带宽与干扰流量之差,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,57,跳与路径,路径可以定义为形式为的序列，是单向的 每个hi是一个结点 每个 li 是一条hi-1到hi之间的链路 对于端到端路径而言，h0和hn是端系统，而 h1hn-1 是路由器。每个二元组被称为一“跳”,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,58,时延与带宽乘积,物理意义 应用进程之间的信道看作中空的管道，时延相当于管道的长度，带宽相当于管道的直径，则时延与带宽乘积就是管道的容积，即管道能够容纳的比特数 应用场合 发送方协议在没有填满管道之前就停下来等待接收方的响应，剩余部分的带宽就会被

26、白白浪费掉,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,59,第1章：内容提要,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,60,1.1计算机网络定义 1.2因特网的结构 1.3协议分层与服务模型 1.4分组交换网的性能指标 1.5计算机网络简史(自学) 1.6小结,计算机网络：原理与实践,61,因特网历史,1961: Kleinrock 排队表明了分组交换的效能 1964: Baran 在军事网络中的分组交换 1967:由高级研究项目局 构想的 ARPAnet 1969: 首个ARPAnet 节点运行,1972: ARPAnet对公众演示 NCP (网络控制协议) 第一个主机到主机协议 第一个电子邮件程序 ARPAnet有15个节点,1961-1972: 早期分组交换原则,第1章 计算机网络概述,计算机网络：原理与实践,62,因特网历史,1970: 在夏威夷的ALOHAnet 卫星网络 1973: Metcalfes博士论文提出了以太网 1974: Cerf 和Kahn：互联网络的体系结构 20世纪70年代后期：专用体系结构: DECnet, SNA, XNA 20世纪70年代后期： 交换固定长度的分组 (ATM先驱) 1979: ARPAnet 具有2