计算机网络02讲

1、1,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。,2,分组交换带来的问题,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。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,3,三种交换的比较,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,4,ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化,早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网 各终

2、端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。 分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。,5,从主机为中心到以网络为中心,以主机为中心,以分组交换网为中心,6,1.2.2 因特网时代,因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。 但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。,7,因特网发展的第一阶段,第一个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网。 ARPA 研究多种网络互连的技术。 1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。 同年，ARPA

3、NET分解成两个网络： ARPANET进行实验研究用的科研网 MILNET军用计算机网络 19831984 年，形成了因特网 Internet。 1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。,8,因特网发展的第二阶段,1986 年，NSF 建立了国家科学基金网。 NSFNET。它是一个三级计算机网络： 主干网 地区网 校园网 1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。 1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。,9,三级结构的因特网,各网络之间需要使用路由器来连接。 有时在结构图中可不画出路由器。,校园网,校园网,校

4、园网,校园网,校园网,校园网,国家主干网,10,三级结构的因特网,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,11,因特网发展的第三阶段,从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。 1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。 NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。 从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。,12,多

5、级结构的因特网,大公司,地区 ISP,网络接入点 NAP （对等点）,公司,主干服务 提供者,本地 ISP,地区 ISP,地区 ISP,地区 ISP,本地 ISP,本地 ISP,大公司,大公司,网络接入点 NAP （对等点）,主机到主机的通信可能经过多种 ISP。,13,今日的多级结构的因特网,大致上可将因特网分为以下五个接入级 网络接入点 NAP 国家主干网（主干 ISP） 地区 ISP 本地 ISP 校园网、企业网或 PC 机上网用户,14,1.2.3 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

6、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,15,制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段,因特网草案(Internet Draft) 在这个阶段还不是 RFC 文档。 建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就成为 RFC 文档。 草案标准(Draft Standard) 因特网标准(Internet Standard),16,1.2.4 计算机网络在我国的发展,(1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网

7、 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中） (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）,17,1.3 计算机网络的分类,1.3.1 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”。 1.3.2 几种不同的分类方法 从网络的交换功能进行分类 从网络的作用范围进行分类 从网络的使用者进行分类,18,1.3.2 几种不同的分类方法（一）,从网络的交换功能分类 电路交换

8、报文交换 分组交换 混合交换,19,1.3.2 几种不同的分类方法（二）,从网络的作用范围进行分类 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 接入网 AN (Access Network),20,广域网、城域网、接入网以及局域网的关系,城域网,城域网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,广域网,局域网,局域网,校园网,企业网,21,1.3.2 几种不同的分类方法（三）,从网络的使用者进行分类 公用网 (public network) 专用网

9、 (private network),22,1.3.2 几种不同的分类方法 （三）,从拓扑结构划分 计算机网络按拓朴结构分为：星型网络、环型网络、总线型网络、树型网络、网状型网络。,23,1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽,“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。,24,常用的带宽单位,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

10、/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。,25,数字信号流随时间的变化,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,26,时延(delay 或 latency),发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。,27,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播速率是完全不同的概念。,28,时延(delay 或 latency),处理时延 交换结点为存储转发

11、而进行一些必要的处理所花费的时间。 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 有时可用排队时延作为处理时延。,29,时延(delay 或 latency),数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：,总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延,30,三种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,31,容易产生的错误概念,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

12、时延。 例1：一个长度为100MB数据块在带宽为1Mb/s信道上，用光纤传送到1000km和1km远的目的计算机所需的时间。发送时延=100*220 *8/106=838.9s，1000km的传播时延=1000/200000=0.005s=5ms，若传播距离为1km，则传播时延会减小到原来的千分之一,32,容易产生的错误概念,例2：在带宽分别是1Mb/s和1Gb/s的情况下，用光纤传送一个字节的数据到1000km远的目的计算机上所需的时间。在1Mb/s的信道上，发送时延=8/106=8us，传播时延为5ms，总时延=5.008ms，即使将信道的带宽提高到1Gb/s，总时延也不会减少多少，,33

13、,1.4.3 时延带宽积和往返时延,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积 = 传播时延 带宽,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,34,例：设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mb/s，则时延带宽积= 20*10-3*10*106=2*105bit。这表示，若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了20万个比特，而这20万个比特都正在链路上传输。,35,往返时延 RTT,往返时延 RTT (Round-Trip Time) 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。,3

14、6,习题,1、试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x（bit），从源站到目的站共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为C（bit/s）。在电路交换时电路的建立时间为s（s）。在分组交换时分组长度为p（bit），且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？,37,答案,对电路交换，当t=s时，链路建立； 当t=s+x/C，发送完最后一bit； 当t=s+x/C+kd，所有的信息到达目的地。 对分组交换，当t=x/C， 发送完最后一bit； 为到达目的地，最后一个分组需经过k-1个分组交换机 转发，每次转发的时间为p/C，所以总

15、的延迟= x/C+(k-1)p/C+kd所以当分组交换的时延小于电路交换 x/C+(k-1)p/C+kds+x/C+kd时， (k-1)p/Cs,38,习题,2、试计算以下两种情况的发送时延和传播时延： 1）数据长度为107bit，数据发送速率为100kbit/s，传播距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2108m/s。 2）数据长度为103bit，数据发送速率为1Gbit/s，传输距离和信号在媒体上的传播速率同上。,答案：（1）：发送延迟=107/（1001000）=100s 传播延迟=10001000/（2108）=510-3s=5ms （2）：发送延迟=103/（109）=10-

16、6s=1us 传播延迟=10001000/（2108）=510-3s=5ms,39,相关标准化组织,国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union） 它的任务是国际电信的标准化。它的前身为CCITT。它的成员为政府部门和电信厂商。 国际标准化组织（ISO，International Standards Organization） 它的成员为国家标准化组织，如美国的ANSI 。它的标准化程序：从CD（Committee Draft）到DIS （Draft International Standard），再到IS（International Sta

17、ndard）。 Internet体系结构委员会（IAB，Internet Architecture Board）它是一个非正式的标准化组织。它的标准化程序：草案标准（DS，Draft Standard）到RFC （Request For comments），再到IS（Internet Standards）。,40,1.5 计算机网络的体系结构,分层的好处 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。 分层注意事项 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。 每一层的功能应当时非常明确的；层与

18、层的边界应选择的使通过这些边界的信息量尽量少些，否则不方便,41,划分层次的概念举例,计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。,42,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,通信服务模块,通信服务模块,43,再设计一个网络接入模块,文件传

19、送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络 接口,网络 接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,44,1.5.1 ISO/OSI参考模型,OSI参考模型的由来: 1974年IBM公司的SNA、1975年DEC公司的DNA、HP公司的DSN日本富士通公司的FNA等。这些种类繁多的网络体系结构,由于各自所定义的层数、每层所采用的协议常常不一样,造成彼此之间不兼容,这些系统常被称为“封闭”系统。 1978年,国际标准化组织ISO(International Organizat

20、ion for Standardization)的技术委员会TC97 建立了一个分委员会 SC16 专门研究开放系统互联 OSI (Open System Interconnection),并于1983年春季,使开放系统互联基本参考模型OSI/RM成为正式的国际标准(ISO7498)开放系统互联参考模型(OSI Reference Model:简称OSI/RM).,45,1.5.1 ISO/OSI参考模型,OSI参考模型的核心 1、服务：为上一层提供的服务 2、接口：上一层如何访问 3、协议：每一层用到的对等协议 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 p

21、rotocol),简称协议。主要由以下三要素组成： 语法（“如何讲”即数据与控制信息的结构或格式） 语义（“讲什么”即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应） 同步（“讲话的次序”即事件实现顺序的详细说明）。,46,1.5.1 ISO/OSI参考模型,OSI 参考模型的层次结构,47,48,数据在各层传递的过程,主机A,主机B,数据链路层,应用层,数据链路层,物 理 传 输 媒 体,01100010 比 特 流 10011100,数据部分,首部,尾部,数据部分,首部,数据部分,首部,数据部分,首部,应用程序数据,49,实体、协议、服务和服务访问点,实体(entity) 表示任何可发

22、送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。,50,本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。,实体、协议、服务和服务访问点,51,实体、协议、服务和服务访问点,服 务 用 户,第 n

23、 层,第 n + 1 层,服 务 用 户,52,OSI 参考模型的缺点,糟糕的时机,53,OSI 参考模型的缺点,糟糕的技术 技术复杂 糟糕的实现 实现困难 糟糕的策略 非TCP/IP的开放式的系统,54,两种国际标准,法律上的(from the law)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的(from the fact) 国际标准。,55,1.5.2 TCP/IP体系机构,56,OSI模型与TCP/IP对应关系,应用层,表示层,会话层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,运输层,网际层,应用层 （各种应用

24、层协议如FTP,TELNET,SMTP等）,网络接口层,(a) OSI体系结构,(b) TCP/IP体系结构,57,应用层的客户-服务器方式,在 TCP/IP 的应用层协议使用的是 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。 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。,58,客户软件的特点,在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算。 被用户调用并在用户计算机上运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信。 可与多个服务器进行通信。 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。,59,服

25、务器软件的特点,专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。 在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着。 被动等待并接受来自多个客户的通信请求。 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。,60,客户进程和服务器进程-使用 TCP/IP 协议进行通信,数据链路层,物理层,运输层,网络层,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,应用层,因特网,以后就逐级使用下层 提供的服务 (使用 TCP 和 IP）,61,功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程,数据链路层,物理层,运输层,网络层,应用层,计算机 3,因特网,62,TCP/IP协议体系结构的缺点,没有

26、区分服务、接口和协议 不是一个具有普遍性的模型 主机和网络层之间必是一个真正的层，而是接口 TCP/IP没有区分物理层和数据连路层 许多协议很难更新,63,1.5.2 五层协议的体系结构,因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。,64,五层协议的体系结构,应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理

27、层,65,第2章 物理层,基本内容：计算机网络物理层的基本概念，数据通信系统的模型、信道及其传输速率的计算，数字编码技术、常用的传输媒体，信道复用技术。,计算机网络物理层的基本概念 信道及其传输速率的计算 信道复用技术 常用物理传输介质,重点掌握：,66,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身。网络中的物理设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有多种方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使上一层感觉不到这些差异。物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性：,（1）机械特性 接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。 （2）

28、电气特性 接口电缆上各线的电压范围。 （3）功能特性 指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。 （4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,67,2.2 数据通信基础知识,2.2.1 数据通信的基本概念,通信：将信息从一个地方传送到另一个地方 。 数据（data）:运送信息的实体。 信号（signal）：数据的电气的或电磁的表现。 模拟的（信号或数据）（analog)：连续变化的。 数字的（信号或数据）（digital)：取值仅允许为有限的几个离散值。,t,t,t,U,U,U,0,0,0,（a）模拟信号,（b）数字信号1,（c）数字信号2,68,数字通信的特点,抗干扰能力强、无

29、噪声积累 便于加密处理 便于存储、处理和交换 设备便于集成化、微型化 占用信道频带较宽,69,2.2.2 数据通信系统的模型,一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。,70,调制与解调,调制：将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。,解调：将模拟信号转换为数字信号的过程叫做解调。,在公共电话网上，有些地区是数数字网、有些地区是模拟网，也有的是数字、模拟共存的综合业务网。,公用电话网,71,基带信号和宽带信号,基带信号 就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 基带传输 指通过有线信道直接传输基带信号，

30、一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统。 宽带信号 则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,72,2.2.3 信道及其传输速率,1、几个概念,信 道（channel）,信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 信道按所传输的信号可分为模拟信道和数字信道，信道上传输的信号还有基带信号和宽带信号之分。,通信双方的交互方式,单向通信（单工方式）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通信。 双向交替通信（Half Duplex 半双工方式）：一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不能双方同时

31、发送，也不能同时接收。也称半双工通信。 双向同时通信（Full Duplex 全双工方式）：通信双方可以同时发送和接收信息，也称全双工通信。,73,信道的最高码元传输速率,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,74,有限带宽的信号分析,75,数字信号通过实际的信道,失真不严重 失真严重,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形 (失真不严重),76,传输速率,77,示例,78,2、信道的最高码元传输速率奈奎斯特(Nyquist)公式,每赫带宽的理想

32、低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),79,另一种形式的奈氏准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),80,即：奈奎斯特(Nyquist)公式,理想低通信道：,信道的最高码元传输速率 2 W (Baud),理想带通信道：,信道的最高码元传输速率

33、W (Baud),信道的码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。单位为：码元/秒，称为：波特（Baud）。 对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。 对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。,81,示例,82,对多值信令而言，奈氏公式变为：,Nyquist Theorem: C=2Wlog2M 实际上，二进制传输: C=2W,83,要强调以下两点,实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率

34、也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。,84,“比特/秒”与“波特”,信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,85,3、信道的极限信息传输速率香农(Shannon)公式,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S

35、/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。S/N通常用dB表示，10lg(S/N),86,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,C = W log2(1+S/N),87,练习,1、允许双向同时对话的连接方式被称作： A：半双工 B：全双工 C：单工 D：数据报 2、对于带宽为4kHz的信道，使用4电平的数字信号。问：无噪声情况下信道容量是多少？ 答案：C = 2Wlog2M = 2*4000*log24 =16000b/s,88,练习,3、如果在一个3KHz的信道上发送一个二进制信号，该信道的信噪比为20dB,则最大可达到的数据传输率为多少？ 答案：1）20=10*lg(S/N),S/N=100 2）根据香农公式： C=3000*log2(1+S/N)=19.975Kbp