n-a1計算機網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)概述

n_a1計算機網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)概述第一頁，共54頁。第1講：計算機網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)概述本講目標:

了解環(huán)境,“感覺”網(wǎng)絡(luò)為課程內(nèi)容進行鋪墊使用方法:全面講述網(wǎng)絡(luò)要點使用因特網(wǎng)作為實例教科書參考第一章第二章概述:什么是因特網(wǎng)?什么是協(xié)議?網(wǎng)絡(luò)邊緣網(wǎng)絡(luò)核心訪問網(wǎng)絡(luò),物理介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)性能:數(shù)據(jù)丟失,延遲協(xié)議分層,服務(wù)模型骨干網(wǎng)絡(luò),NAP,ISP因特網(wǎng)簡史2第二頁，共54頁。因特網(wǎng):工程視角數(shù)以百萬計的互聯(lián)計算設(shè)備:主機,端接系統(tǒng)Pc工作站,服務(wù)器PDA電話,智能家電運行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序通信鏈路光纖,銅纜,無線電,衛(wèi)星路由器:將數(shù)據(jù)分組(數(shù)據(jù)塊)轉(zhuǎn)發(fā)通過網(wǎng)絡(luò)教科書參考第3章、第4章localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobile3第三頁，共54頁。因特網(wǎng):工程視角協(xié)議:控制報文的收發(fā)e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特網(wǎng):“萬網(wǎng)之網(wǎng)”松散的層次結(jié)構(gòu)公共的Internet（因特網(wǎng)）vs.專有的intranet（內(nèi)聯(lián)網(wǎng)）因特網(wǎng)標準RFC:RequestforcommentsIETF:InternetEngineeringTaskForce（因特網(wǎng)工程部）localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobile4第四頁，共54頁。因特網(wǎng):服務(wù)視角通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上

運行分布式的應(yīng)用程序:WWW,email,網(wǎng)絡(luò)游戲,電子商務(wù),數(shù)據(jù)庫應(yīng)用,網(wǎng)上調(diào)查,文件共享所提供的通信服務(wù):無連接（connectionless）面向連接（connection-oriented）5第五頁，共54頁。什么是協(xié)議?人們交往的協(xié)議:“現(xiàn)在幾點了?”“我有個問題.”彼此作自我介紹…定義發(fā)送的信息…定義信息接收后,或某個事件發(fā)生后的動作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:通信設(shè)備之間的交互而不是人們的交往所有在因特網(wǎng)上的通信活動全部是由協(xié)議所控制的協(xié)議定義網(wǎng)絡(luò)實體之間信息收發(fā)的格式和順序,以及信息發(fā)送和接收后所需采取的動作

（語法、語義、同步或規(guī)則）6第六頁，共54頁。什么是協(xié)議?人際交往的協(xié)議和計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:Q:

其它人際交往的協(xié)議?HiHiGotthetime?2:00TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.Get/index.htm<file>time7第七頁，共54頁。近觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):網(wǎng)絡(luò)邊緣:應(yīng)用程序和主機網(wǎng)絡(luò)核心:

路由器萬網(wǎng)之網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò),物理介質(zhì):

通信鏈路8第八頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)邊緣:端接系統(tǒng)(主機):運行應(yīng)用程序e.g.,WWW,email在“網(wǎng)絡(luò)的邊緣”上客戶端/服務(wù)器(client/server)模型客戶端發(fā)出請求,接收來自服務(wù)器的服務(wù)e.g.,WWW客戶端(瀏覽器)/服務(wù)器;email客戶端/服務(wù)器對等(peer-peer)模型:

主機對稱的進行交互e.g.:Gnutella,KaZaA9第九頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)邊緣:面向連接的服務(wù)目的:在端系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)傳輸.握手:在數(shù)據(jù)傳輸之前(作為準備工作)設(shè)置系統(tǒng)間的連接Hello,helloback人際交往協(xié)議建立連接“狀態(tài)”

于兩個通信主機之間TCP-TransmissionControlProtocol(傳輸控制協(xié)議)因特網(wǎng)面向連接的服務(wù)TCP服務(wù)

[RFC793]可靠,有序的字節(jié)流數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)丟失:應(yīng)答和重傳流量控制:

發(fā)送端不會將接收端“淹沒”擁塞控制:

當網(wǎng)絡(luò)擁塞時發(fā)送端須“降低發(fā)送速率”教科書參考第8章10第十頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)邊緣:無連接的服務(wù)目標:在端接系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)與TCP一樣!UDP-UserDatagramProtocol(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)[RFC768]:因特網(wǎng)的無連接服務(wù)不可靠的數(shù)據(jù)傳輸沒有流量控制沒有擁塞控制教科書參考第8章使用TCP的應(yīng)用程序:

HTTP(WWW),FTP(文件傳輸),Telnet(遠程登錄),SMTP(email)使用UDP的應(yīng)用程序:流媒體,視訊會議,IP電話11第十一頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心由路由器勾結(jié)而成的網(wǎng)(眼)最根本的問題:

數(shù)據(jù)是如何傳輸并通過網(wǎng)絡(luò)的?電路交換:為每個通信連接指定電路:電話網(wǎng)絡(luò)分組交換:數(shù)據(jù)劃分成分離的“數(shù)據(jù)塊”通過網(wǎng)絡(luò)傳送12第十二頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心:電路交換為通信(call)在兩端需要預(yù)留資源鏈路帶寬,交換能力專用資源:沒有共享電路交換的通信性能(有承諾的)在通信進行之前要建立連接參考教科書（p4,圖1-2）13第十三頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心:電路交換網(wǎng)絡(luò)資源(e.g.,帶寬)劃分成“片”各資源片分配給各個通信連接如果擁有資源的通信連接沒有使用,則該資源片就被閑置(idle,沒有共享)將鏈路帶寬分“片”的辦法頻譜劃分時隙劃分dividinglinkbandwidthinto“pieces”frequencydivisiontimedivision14第十四頁，共54頁。電路交換:FDMA和TDMAFDMAfrequencytimeTDMAfrequencytime4用戶例如:15第十五頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心:分組交換每個端到端的數(shù)據(jù)流被劃分成分組(packet)用戶A,B的分組可共享網(wǎng)絡(luò)資源

每個分組使用全部的鏈路帶寬

資源在必要時才使用,資源競爭:

資源可能供不應(yīng)求擁塞:分組排隊,等待鏈路資源在路由器上存儲轉(zhuǎn)發(fā):分組一次移動一個步跳通過鏈路傳輸?shù)却乱粭l鏈路參考教科書p5(圖1-4)帶寬劃分成“片”專門分配資源預(yù)留16第十六頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心:分組交換分組交換vs.電路交換:可以使用飯店的經(jīng)營方式比喻其他人類社會的生活實例的類比?ABC10Mb/s以太網(wǎng)1.5Mb/s45Mb/sDE統(tǒng)計多路等待輸出鏈路的分組隊列17第十七頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)核心:分組交換分組交換:存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程將報文劃分成較小的數(shù)據(jù)塊:“分組（packets）”存儲轉(zhuǎn)發(fā):交換機等到整個分組到達完畢后,再進行轉(zhuǎn)發(fā)或路由接力Q:如果報文以整個的形式發(fā)送又將如何?參考教科書p6-7,圖1-518第十八頁，共54頁。分組交換vs.電路交換1Mb/s鏈路每個用戶:100Kb/s當“激活”激活時間為10%電路交換:10用戶分組交換:對35個用戶來說,概率:>10個用戶同時激活小于.0004分組交換使得更多用戶可“同時”使用網(wǎng)絡(luò)!Nusers1Mbpslink19第十九頁，共54頁。分組交換vs.電路交換在突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸過程中表現(xiàn)優(yōu)異資源共享無須事先建立連接過度擁塞:導(dǎo)致分組延遲和丟失需要協(xié)議來保障可靠的數(shù)據(jù)傳輸,擁塞控制Q:如何在分組交換網(wǎng)中提供電路交換的性能?為音頻/視頻（audio/video）應(yīng)用提供帶寬保障仍然是一個需要解決的問題分組交換是不是“大滿貫冠軍?”20第二十頁，共54頁。分組交換:路由選擇問題目標:將分組沿路由器從信源送達信宿介紹因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議(第7章)數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò):

由信宿地址來決定下一個步跳(hop)在會話過程中,路由可能發(fā)生變化比喻:開車問路虛電路網(wǎng)絡(luò):

每個分組攜有標簽(虛電路ID),由標簽來確定下一個步跳在連接建立階段確定固定的路由,全部數(shù)據(jù)通過該路由傳遞路由器為每個正在通信中的連接維持狀態(tài)教科書參考（p140-146）21第二十一頁，共54頁。訪問網(wǎng)絡(luò)和物理介質(zhì)Q:如何將端接路由器與端系統(tǒng)進行連接(Howtoconnectionendsystemstoedgerouter)?居民區(qū)訪問網(wǎng)絡(luò)企事業(yè)單位訪問網(wǎng)絡(luò)(學(xué)校,公司)移動訪問網(wǎng)絡(luò)時刻牢記:訪問網(wǎng)絡(luò)的帶寬(b/s)?共享或獨占?22第二十二頁，共54頁。居民區(qū)訪問:點對點訪問撥號訪問可達56Kb/s對路由器的直接訪問(理論上)ISDN(一線通):

integratedservicesdigitalnetwork:128Kb/s對路由器的全數(shù)字化連接ADSL(非對稱用戶線路):

asymmetricdigitalsubscriberline上行可達1Mb/shome-to-router下行可達8Mb/srouter-to-homeADSL的應(yīng)用:已經(jīng)普及23第二十三頁，共54頁。居民區(qū)訪問:線纜調(diào)制解調(diào)器HFC:hybridfibercoax(光纖同軸電纜混合網(wǎng)絡(luò))非對稱:下行可達10Mb/s,1Mb/s的上行速率光纖同軸電纜混合網(wǎng)絡(luò)將家庭連接到ISP路由器在若干家庭用戶間共享訪問帶寬關(guān)注點:擁塞,規(guī)?？刂茊栴}

應(yīng)用:在國內(nèi)的個別地區(qū)試點,e.g.,上海，個別“智能小區(qū)”24第二十四頁，共54頁。居民區(qū)訪問:線纜調(diào)制解調(diào)器Diagram:./cmic/diagram.html25第二十五頁，共54頁。單位訪問:局域網(wǎng)公司/大學(xué)局域網(wǎng)(LAN)將端系統(tǒng)連接到端接路由器以太網(wǎng)(Ethernet):

共享或?qū)＞€電纜將端系統(tǒng)連接端系統(tǒng)和路由器10Mb/s,100Mb/s,1Gb/s以太網(wǎng)應(yīng)用:企事業(yè)單位,家庭用戶普遍使用的LANLAN:第5章26第二十六頁，共54頁。無線訪問網(wǎng)絡(luò)共享的無線訪問網(wǎng)絡(luò)連接端系統(tǒng)和路由器無線LAN:使用無線頻譜替代網(wǎng)線e.g.,朗訊Wavelan11Mb/s廣域無線訪問CDPD:通過蜂窩式網(wǎng)絡(luò)無線訪問ISP路由器basestationmobilehostsrouter27第二十七頁，共54頁。物理介質(zhì)物理鏈路:沿鏈路發(fā)送和傳輸數(shù)據(jù)的位流有線介質(zhì)(guidedmedia):

信號沿固體介質(zhì)傳播:銅線纜,光纖無線介質(zhì)(unguidedmedia):

信號在大氣或外層空間自由傳播,e.g.,無線電雙絞線(TwistedPair,TP)兩根互相絕緣的銅線三類線(Category3TP):普通電話線,10Mb/sEthernet五類線(Category5TP):100Mb/sEthernet28第二十八頁，共54頁。物理介質(zhì):同軸電纜,光纖同軸電纜:芯線(攜帶信號)為皮線所纏繞(屏蔽層)基帶:在一條電纜中只有一路信號寬帶:在一條電纜中有多個數(shù)據(jù)通道雙向傳輸常用在10Mb/sEthernet光纜:在玻璃纖維中傳播光脈沖高速運行:100Mb/sEthernet高速點對點傳輸(e.g.,5Gb/s)低誤碼率29第二十九頁，共54頁。物理介質(zhì):無線電使用電磁波譜傳送信號不使用物理“導(dǎo)線”雙向傳輸傳播環(huán)境影響:反射為障礙物所阻隔干擾無線鏈路類型:微波e.g.可以達到45Mb/s的信道LAN(e.g.,WaveLAN)2Mb/s,11Mb/s廣域網(wǎng)(e.g.,蜂窩電話)e.g.CDPD,10’sKb/s衛(wèi)星可達50Mb/s信道(或多個較小的信道)270Ms的端對端延遲地球同步衛(wèi)星vs.LEOS30第三十頁，共54頁。分組交換網(wǎng)絡(luò)的延遲問題分組在端到端傳輸?shù)倪^程中會經(jīng)歷延遲在每個步跳中產(chǎn)生的延遲可分為四種結(jié)點處理:校驗錯誤確定輸出鏈路排隊在輸出鏈路中等待被發(fā)送

取決于路由器的擁塞程度ABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing31第三十一頁，共54頁。分組交換網(wǎng)絡(luò)的延遲問題發(fā)送延遲:R=鏈路帶寬(b/s)L=分組長度(bits)將分組位流發(fā)送到鏈路上的時間=L/R傳播延遲:d=物理鏈路的長度s=介質(zhì)中的信號傳播速度(~2x108m/s)傳播延遲=d/sABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing注意:s和R是完全不同的兩個概念!32第三十二頁，共54頁。排隊延遲(再議)R=鏈路帶寬(b/s)L=分組長度(bits)a=平均分組到達速率數(shù)據(jù)流量的強度=La/RLa/R~0:平均延遲時間很小La/R->1:延遲時間變長La/R>1:“任務(wù)”到達的速度超過服務(wù)能力,平均延遲趨于無窮!33第三十三頁，共54頁。“真正的”因特網(wǎng)的延遲和路由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):顯示信源到信宿路徑上的路由器also:pingplotter,各種視窗程序34第三十四頁，共54頁。協(xié)議的“層次”網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的!諸多“成分”:主機路由器各種介質(zhì)的鏈路應(yīng)用程序協(xié)議硬件,軟件問題:

如何將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)問題依據(jù)一定的規(guī)則組織成一定的結(jié)構(gòu)?至少要為討論網(wǎng)絡(luò)問題建設(shè)一個技術(shù)平臺?35第三十五頁，共54頁。航空旅行的組織和運作一系列的步驟ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting36第三十六頁，共54頁。航空旅行的組織和運作:不同的視角層次:每個層次實現(xiàn)一種服務(wù)通過該層次本身的活動依賴于下一個層次所提供的服務(wù)ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting37第三十七頁，共54頁。分層的航空旅行:服務(wù)Counter-to-counterdeliveryofperson+bagsbaggage-check-to-baggage-claimdeliverypeopletransfer:loadinggatetoarrivalgaterunway-to-runwaydeliveryofplaneairplaneroutingfromsourcetodestination38第三十八頁，共54頁。分布式的實現(xiàn)分層的功能ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplaneroutingDepartingairportarrivingairportintermediateairtrafficsitesairplaneroutingairplanerouting39第三十九頁，共54頁。為什么要分層?對于復(fù)雜的系統(tǒng):顯式的結(jié)構(gòu)使得復(fù)雜系統(tǒng)的問題定位和不同組成部分之間的關(guān)聯(lián)討論稱為可能分層的參考模型(referencemodel)

可用于討論模塊化簡化了系統(tǒng)的維護和升級某個層次服務(wù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的其余部分是透明的e.g.,改變登機過程不會影響航空旅行的效果分層的做法有沒有壞處?40第四十頁，共54頁。網(wǎng)絡(luò)與我—(一個工程碩士生的感受)大四的上半年開了一門網(wǎng)絡(luò)課，講了一堆的東西，現(xiàn)在只記得有網(wǎng)絡(luò)的7層結(jié)構(gòu)和一些晦澀的名詞。以至于工作以后經(jīng)常分不清某某協(xié)議是那個層的，互相之間是些什么關(guān)系。特別是TCP/IP被叫的越來越響亮以后，一直想把它和7層結(jié)構(gòu)做個比較，可是越弄越糊涂?！?/p>

41第四十一頁，共54頁。因特網(wǎng)協(xié)議棧(計算機網(wǎng)絡(luò)的原理體系結(jié)構(gòu))應(yīng)用層:支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用ftp,smtp,http傳輸層:主機進程間的數(shù)據(jù)傳遞tcp,udp網(wǎng)絡(luò)層:將數(shù)據(jù)報從信源傳遞到信宿ip,路由選擇協(xié)議鏈路層:數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的相鄰結(jié)點間的傳輸ppp,ethernet物理層:信道上傳送的位流applicationtransportnetworklinkphysical42第四十二頁，共54頁。分層:邏輯通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysical每個層次:分布的運行“實體”在每個節(jié)點上實現(xiàn)該層的功能實體實現(xiàn)動作,與對等實體交換信息43第四十三頁，共54頁。分層:邏輯通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadataE.g.:傳輸層從應(yīng)用層取得數(shù)據(jù)加上地址,校驗信息形成“數(shù)據(jù)報”向?qū)Φ葘嶓w(peer)發(fā)送數(shù)據(jù)報等待對等體在接收后的應(yīng)答比喻:郵局服務(wù)datatransporttransportack44第四十四頁，共54頁。分層:物理通信applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicaldatadata45第四十五頁，共54頁。協(xié)議分層和數(shù)據(jù)的封裝每個層次都從上層取得數(shù)據(jù)加上首部信息形成新的數(shù)據(jù)單元將新的數(shù)據(jù)單元傳遞給下一層次applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe46第四十六頁，共54頁。因特網(wǎng)結(jié)構(gòu):萬網(wǎng)之網(wǎng)松散的層次結(jié)構(gòu)國家/國際骨干網(wǎng)絡(luò)提供商(national/internationalbackboneproviders,NBP)e.g.BBN/GTE,Sprint,AT&T,IBM,UUNet對等體可以采用專有的方式,或通過公共網(wǎng)絡(luò)訪問點(

NetworkAccessPoint,NAP)互聯(lián)地區(qū)性ISP連接到NBP本地ISP,公司連接到ISPNBPANBPBNAPNAPregionalISPregionalISPlocalISPlocalISP47第四十七頁，共54頁。國家級骨干網(wǎng)提供商(NBP)e.g.Sprint全美骨干網(wǎng)絡(luò)48第四十八頁，共54頁。因特網(wǎng)簡史1961:

Kleinrock–使用排隊論證明分組交換網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信方面的優(yōu)越性1964:Baran–在軍用網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)分組交換1967:DARPA構(gòu)思了ARPAnet1969:

首個ARPAnet結(jié)點運行1972:

ARPAnet向公眾展示NCP(NetworkControlProtocol)第一個主機間通信的協(xié)議

首個電子郵件程序運行ARPAnet有了15結(jié)點1961-1972:早期的分組交換原理49第四十九頁，共54頁。因特網(wǎng)簡史1970:

ALOHAnet衛(wèi)星網(wǎng)