计算机网络教程主讲人程向前.ppt

第一讲 计算机网络与因特网概述,1,计算机网络教程 主讲人：程向前,教科书：计算机网络教程 谢希仁 人民邮电出版社参考书：Computer Networking James. F. Kurose 高等教育出版社,第一讲 计算机网络与因特网概述,2,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,3,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,4,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: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Force（因特网工程部）,local ISP,companynetwork,regional ISP,router,workstation,server,mobile,第一讲 计算机网络与因特网概述,5,第一讲 计算机网络与因特网概述,6,什么是协议?,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）,第一讲 计算机网络与因特网概述,7,什么是协议?,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?,Hi,Hi,TCP connection req.,第一讲 计算机网络与因特网概述,8,第一讲 计算机网络与因特网概述,9,第一讲 计算机网络与因特网概述,10,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, hello back 人际交往协议 建立连接“状态” 于两个通信主机之间 TCP - Transmission Control Protocol(传输控制协议) 因特网面向连接的服务,TCP服务 RFC 793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,第一讲 计算机网络与因特网概述,11,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 - User Datagram Protocol(用户数据报协议) RFC 768: 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,第一讲 计算机网络与因特网概述,12,第一讲 计算机网络与因特网概述,13,第一讲 计算机网络与因特网概述,14,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,dividing link bandwidth into “pieces”frequency divisiontime division,第一讲 计算机网络与因特网概述,15,电路交换: FDMA和TDMA,第一讲 计算机网络与因特网概述,16,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),第一讲 计算机网络与因特网概述,17,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?,A,B,C,10 Mb/s以太网,1.5 Mb/s,45 Mb/s,统计多路,等待输出链路的分组队列,第一讲 计算机网络与因特网概述,18,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1-5,第一讲 计算机网络与因特网概述,19,分组交换vs. 电路交换,1 Mb/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!,N users,1 Mbps link,第一讲 计算机网络与因特网概述,20,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?”,第一讲 计算机网络与因特网概述,21,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）,第一讲 计算机网络与因特网概述,22,第一讲 计算机网络与因特网概述,23,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): integrated services digital network: 128Kb/s对路由器的全数字化连接 ADSL(非对称用户线路): asymmetric digital subscriber line上行可达 1 Mb/s home-to-router下行可达 8 Mb/s router-to-homeADSL 的应用: 已经普及,第一讲 计算机网络与因特网概述,24,居民区访问: 线缆调制解调器,HFC: hybrid fiber coax(光纤同轴电缆混合网络)非对称: 下行可达 10Mb/s, 1 Mb/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”,第一讲 计算机网络与因特网概述,25,居民区访问: 线缆调制解调器,Diagram: http:/www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html,第一讲 计算机网络与因特网概述,26,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10 Mb/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,第一讲 计算机网络与因特网概述,27,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 Wavelan 11 Mb/s广域无线访问CDPD: 通过蜂窝式网络无线访问ISP路由器,第一讲 计算机网络与因特网概述,28,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(guided media): 信号沿固体介质传播: 铜线缆, 光纤无线介质(unguided media): 信号在大气或外层空间自由传播, e.g., 无线电,双绞线(Twisted Pair ,TP)两根互相绝缘的铜线三类线(Category 3 TP): 普通电话线, 10 Mb/s Ethernet五类线(Category 5 TP): 100Mb/s Ethernet,第一讲 计算机网络与因特网概述,29,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/s Ethernet,光缆:在玻璃纤维中传播光脉冲高速运行:100Mb/s Ethernet高速点对点传输 (e.g., 5 Gb/s)低误码率,第一讲 计算机网络与因特网概述,30,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45 Mb/s的信道 LAN (e.g., WaveLAN)2Mb/s, 11Mb/s广域网 (e.g., 蜂窝电话)e.g. CDPD, 10s Kb/s卫星可达 50Mb/s 信道 (或多个较小的信道)270 Ms的端对端延迟地球同步卫星vs. LEOS,第一讲 计算机网络与因特网概述,31,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,32,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 (2x108 m/s)传播延迟 = d/s,注意: s 和 R 是完全不同的两个概念!,第一讲 计算机网络与因特网概述,33,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/R,La/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!,第一讲 计算机网络与因特网概述,34,“真正的” 因特网的延迟和路由,1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms,Traceroute(tracert): 显示信源到信宿路径上的路由器 also: pingplotter, 各种视窗程序,第一讲 计算机网络与因特网概述,35,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?,第一讲 计算机网络与因特网概述,36,航空旅行的组织和运作,一系列的步骤,第一讲 计算机网络与因特网概述,37,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,38,分层的航空旅行: 服务,Counter-to-counter delivery of person+bagsbaggage- check -to-baggage-claim deliverypeople transfer: loading gate to arrival gaterunway-to-runway delivery of plane,airplane routing from source to destination,第一讲 计算机网络与因特网概述,39,分布式 的实现分层的功能,第一讲 计算机网络与因特网概述,40,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(reference model) 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?,第一讲 计算机网络与因特网概述,41,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。,第一讲 计算机网络与因特网概述,42,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,43,第一讲 计算机网络与因特网概述,44,第一讲 计算机网络与因特网概述,45,第一讲 计算机网络与因特网概述,46,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,第一讲 计算机网络与因特网概述,47,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/international backbone providers ,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( Network Access Point, NAP) 互联地区性ISP连接到 NBP本地ISP, 公司连接到 ISP,NBP A,NBP B,regional ISP,regional ISP,第一讲 计算机网络与因特网概述,48,国家级骨干网提供商(NBP),e.g. Sprint 全美骨干网络,第一讲 计算机网络与因特网概述,49,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 (Network Control Protocol) 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,第一讲 计算机网络与因特网概述,50,因特网简史,1970: ALOHAnet 卫星网络, Hawaii1973: Metcalfe在其博士论文中建议了Ethernet1974: Cerf 和 Kahn 提出网络互连的体系结构late70s: 厂家标准: DECnet, SNA, XNAlate 70s: 交换固定长度的分组 (ATM的先驱)1979: ARPAnet有了 200 结点,Cerf和Kahns 网络互连的原则:minimalism, autonomy - no internal changes required to interconnect networksbest effort service modelstateless routersdecentralized control定义了今天因特网的体系结构,1972-1980: 网络互连, 新型和厂商网络,第一讲 计算机网络与因特网概述,51,因特网简史,1983: 开始使用 TCP/IP1982: 定义了smtp e-mail 协议 1983: 定义了DNS 用于 name-to-IP-address 转换1985: 定义了ftp 协议1988: TCP 拥塞控制,新的国家级网络: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel100,000 台主机加入到网络联盟中,1980-1990: 新的协议, 网络的大量增殖,第一讲 计算机网络与因特网概述,52,因特网简史,Early 1990s: ARPAnet 退役1991: NSF 取消了禁止商业化使用 NSFnet的限制 (退役, 1995)early 1990s: WWW超文本链接 Bush 1945, Nelson 1960sHTML, http: Berners-Lee1994: Mosaic, later Netscapelate 1990s: WWW的商业化,Late 1990s:估计因特网中有5千万台主机接入估计1亿个网络用户主干链路的运行速率在 1 Gb/s,1990s: 商业化, WWW,第一讲 计算机网络与因特网概述,53,本讲小结,本讲内容的覆盖面甚广!因特网的概述什么是协议?网络边缘, 核心, 访问网络分组交换vs. 电路交换网络性能:数据丢失,延迟分层和服务模型骨干网络, NAP, ISP因特网简史,诸位同学: “感觉”到网络了吗?后继课程将对网络各层的问题和网络应用的专题展开讨论,