第一章 计算机网络和Internet

第一章: 计算机网络和Internet 目标: 理清本书章节关系 直观感受计算机网络,了解计算机网络术语 后续章节深入、详细展开 方法途径: 简单描述 以Internet为实例

第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISPs的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1.1 什么是Internet？ 首先补充“计算机网络”定义： 两台以上具有独立操作系统的计算机通过某些介质连接成的相互共享软硬件资源的集合体。 对于Internet，无法给出一个明确的定义 无论是从它的硬件和软件组件上看，还是从它所提供的服务上看，都很复杂

1.1.1 什么是Internet: 具体构成描述 主机hosts或端系统end-systems： 数以亿计的计算设备互连 主机-PCs, workstations, servers 端系统-PDAs,phones, 家用电器等 运行着各种网络应用程序 通信链路 双绞线,光纤, 无线电频谱, 卫星 传输速率 = 带宽 路由器和交换机: 转发分组 (包) 本地ISP 公司网络 区域ISP router workstation server mobile

1.1.1 什么是Internet:具体构成描述（续） 本地ISP 公司网络 区域ISP router workstation server mobile 协议控制发送和接收消息, e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet标准 IETF: Internet Engineering Task Force 因特网工程任务组 RFC: Request for comments 请求评论 Internet: “由网络构成的网络” 松散分层 公共Internet与专用intranet

1.1.2 什么是Internet: 服务上描述 通信基础设施 允许终端系统上运行分布式应用程序，并彼此交换数据: Web, email, games, e-commerce, database, VOIP, P2P file sharing 为分布式应用程序提供的通信服务: 无连接服务connectionless 面向连接服务connection-oriented 不提供数据传递时间保证（发送端到接收端）的服务 电脑空间cyberspace [Gibson]《巫师（Neuromancer）》: “世界各国数以亿计的人们每天都可以拥有的一种共同感受或幻觉...."

1.1.3 什么是协议? 人类活动的类比: “what’s the time?” “I have a question” … 发送特定报文 … 发送特定报文 … 当收到报文或发生其他事件时，采取特定的行动（响应） Hi Hi Got the time? 2:00 time

1.1.3 什么是协议? 网络协议: 计算机代替人 Internet中所有的通信活动均由协议来支配 TCP connection req TCP connection response 协议：定义了两个或多个通信实体间所交换报文的格式和次序，以及在报文发送和/或接收或者其他事件方面所采取的行动（响应）。 协议的基本要素：语法、语义和同步 Get a file <file> time

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

网络的结构组成: 网络边缘部分: 网络应用程序和主机 /端系统 网络核心部分: 路由器 由网络构成的网络 接入网络和物理介质: 通信链路

1.2.1 端系统、客户和服务器: 端系统 (/主机): 客户/服务器C/S模型 端对端模型peer-peer model: 运行网络应用程序 处在网络的边缘 传统主机/网络计算机和瘦客户 客户/服务器C/S模型 客户请求，并接收服务器提供的服务 e.g. Web browser/server; email client/server 端对端模型peer-peer model: 极少或不采用专门服务器 e.g. Gnutella, KaZaA

1.2.2 因特网提供的服务: 因特网为端系统应用程序提供了哪些服务呢？

1.2.2 面向连接的服务 TCP 服务 [RFC 793] 目的: 在端系统间传送数据。 可靠、顺序、字节流传输: 流量控制: 拥塞控制: 目的: 在端系统间传送数据。 握手: 客户和服务器事先进入戒备状态，为接下来的分组交换做好准备 如同Hello, hello back 这样的人类电话通信 建立“连接” ，在两个彼此通信的端系统之间 TCP - Transmission Control Protocol Internet的面向连接的服务 TCP 服务 [RFC 793] 可靠、顺序、字节流传输: 丢失: 确认和重传 流量控制: 发送者不至于淹没接收者 拥塞控制: 当网络拥塞时发送者降低发送速率

1.2.2 无连接服务（续） 目的: 在端系统间传送数据。 使用TCP的网络应用: 使用UDP的网络应用: 目的: 在端系统间传送数据。 UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Internet无连接服务 不可靠数据传输 无流量控制 无拥塞控制 使用TCP的网络应用: HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email) 使用UDP的网络应用: 流媒体, 视频会议, DNS, Internet电话

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1.3.1 网络核心部分 相互连接的路由器构成的网络 基本原理: 如何在这个网络中 传送数据？ 电路交换: 每次会话预留沿其路径（线路）所需的独占资源－－电话网 分组交换: 数据以离散的数据块通过网络来发送

1. 电路交换 网络资源（如带宽）被分片 分片分配到会话 分片没有被会话使用的情况下，分片空载(不共享) 电路级性能（有保证） 要求呼叫建立－－建立一个专门的端到端线路(意味着每个链路上预留一个线路) 链路带宽分片 频分－frequency division 时分－time division

1. 电路交换(续: FDMA and TDMA) Example: FDMA 4 users frequency time TDMA Two simple multiple access control techniques. Each mobile’s share of the bandwidth is divided into portions for the uplink and the downlink. Also, possibly, out of band signaling. As we will see, used in AMPS, GSM, IS-54/136

电路交换举例 从主机A到主机B经一个电路交换网络需要多长时间发送一个640Kb的文件? 假设： 所有链路都是 1.536 Mbps 每个链路使用TDM划分成24个时隙 创建一条端到端的链路需要500msec

2. 网络核心部分: 分组交换 每个端到端的数据流被划分成分组 所有分组共享网络资源 每个分组使用全部链路带宽 资源按需使用 带宽分片 独占分配资源 资源预留

2. 网络核心部分: 分组交换－统计复用 A & B 分组没有固定的顺序 è 统计复用。 10 Mbs Ethernet C A 统计复用 1.5 Mbs B 等待输出链路 的分组队列 D E A & B 分组没有固定的顺序 è 统计复用。 在时分复用中，每个主机获得各TDM循环帧的固定时隙。

2. 网络核心部分: 分组交换 资源竞争: 资源需求总量可以大于可 获得资源的总量 拥塞: 采用分组队列, 等待使用链路 存储转发: 分组每次转发1站 在1个链路上传输 每经过1个链路转发1次 转发分组前，要求收到完整分组

比较分组交换与电路交换 分组交换允许更多的用户使用网络 ! 假设： 用户共享1 Mbps 的链路 每个用户: 电路交换: 分组交换: 活动期传输率100 kbps 只有10%的时间活动 电路交换: 10 users 分组交换: 如果35个用户 10个以上活动用户的概率小于 0 .0004 N users 1 Mbps link

比较分组交换与电路交换 ”分组交换是最后的赢家吗?” 大量的突发数据 资源共享 简单, 不需要建立连接 过渡竞争: 分组延迟与丢失 需要可靠数据传输、拥塞控制协议 Q: 如何提供电路级的性能? 对于音视频的网络应用需要带宽保障 仍然是1个没有解决的问题 (chapter 6)

2. 分组交换网络有两大类 数据报网络: TCP/IP 分组目的地址决定下一跳 会话期间路由可以改变 比方: 驱车逐段问路 虚电路网络: X.25,FR,ATM 每个分组有1个标签 (虚电路号,virtual circuit ID), 标签决定下1跳 连接建立时确定固定的路径, 并且将保持于整个会话期间 路由器必须为每个连接维护状态信息

网络的分类 电信网络 电路交换网络 FDM TDM 分组交换网络 虚电路网络 数据报网络 虚电路网络一定是面向连接的。 数据报网络既可以提供面向连接的服务也可以提供无连接的服务。如： Internet为网络应用既提供面向连接的传输服务 (TCP)，也提供无连接的传输服务(UDP)。

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1.4.1 接入网络 Q: 如何将终端系统连接到网络边缘的路由器? 一种粗糙分类： 住宅接入网络 机构接入网络 (学校, 公司) 无线接入网络 注意: 接入网络的带宽(bps)? 共享/独占?

1. 住宅接入网络: 点对点接入 拨号线路上使用modem 可达56Kbps 直接接入边缘路由器 (实际远小于该值,数字模拟调制解调) 不能同时网上冲浪和拨打电话: 不能一直在线 ISDN: 窄带综合业务数字网,数字数据传输,2D+B,128Kbps ADSL: 非对称数字用户线路（asymmetric digital subscriber line） 可达1 Mbps 上行速率 (目前典型 < 256 kbps) 可达 8 Mbps 下行速率 (目前典型 < 1 Mbps) FDM: 50 kHz - 1 MHz 高速下行通道 4 kHz - 50 kHz 高速上行通道 0 kHz - 4 kHz 普通双向电话通道

1. 住宅接入网络: cable modems（线缆调制解调器） HFC:混合光纤同轴电缆 (hybrid fiber coaxial cable) 非对称: 可达2Mbps 上行速率, 30Mbps下行速率 光纤/同轴电缆混网连接家庭住宅到ISP路由器 各住宅共享到路由器之间的广播信道 引起问题: 拥塞, 规模 部署: 可以通过广电公司提供该网络接入服务

Cable Network 体系结构: 概述 Typically 500 to 5,000 homes cable headend home cable distribution network (simplified)

Cable Network体系结构: 概述 cable headend home cable distribution network (simplified)

Cable Network体系结构: 概述 server(s) cable headend home cable distribution

Cable Network体系结构: 概述 FDM: Channels cable headend home V I D E O A T C N R L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 cable headend home cable distribution network

2. 机构接入网络: local area networks (LAN) 公司/大学局域网 local area network (LAN) 连接端系统到边缘路由器 以太网Ethernet: 共享（共享式以太网）或独占（交换式以太网）链路连接端系统和边缘路由器 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet,10Gbps 部署: 机构、住宅局域网正在普及 LANs: chapter 5

3. 无线移动接入网络 共享的无线接入网络连接端系统到边缘路由器 无线局域网wireless LANs: 广域无线接入网 通过基站，即接入点 “access point” 无线局域网wireless LANs: 802.11a/b (WiFi): 2/11 Mbps 广域无线接入网 wide-area wireless access 由电信运营商提供, 均支持IP WAP/GPRS或CDMA 3G提供超过384 kbps的带宽 base station mobile hosts router

家庭网络举例： 典型家庭网络的构建: ADSL 或 cable modem router/firewall/NAT Ethernet wireless access point 电话网 wireless laptops ADSL router/ firewall wireless access point Ethernet (switched)

1.4.2 物理介质 物理链路:在发送方和接受方间,传播位（bit）信号 导引型媒体: 非导引型媒体: 信号在固态介质中有向传播, 如：光纤、双绞线和同轴电缆等 非导引型媒体: 信号在大气空间或外太空空间自由传播, 如：无线电

1.4.2 物理介质-双绞线 两根彼此绝缘、相互缠绕成螺旋状的铜线。缠绕的目的是减少电磁干扰，提高传输质量。 屏蔽双绞线 (STP， Shielded Twisted Pair) 非屏蔽双绞线 (UTP， Unshielded Twisted Pair )

1.4.2 物理介质-双绞线 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP

1.4.2 物理介质：同轴电缆和光纤线缆 (2).同轴电缆: 两根彼此绝缘的同心导体 双向传输 基带baseband: 50Ω，1cm 单信号频带 细缆以太网10base-2 宽带broadband: 75Ω，较粗 多信号频带 用于光纤同轴混合网HFC อญะพ พ๘ิตฒใ อโตผฬๅฦมฑฮฒใ ฑฃปคฬื

1.4.2 物理介质：同轴电缆和光纤线缆 (3).光纤线缆: 光纤传导光脉冲, 每个光脉冲代表1位 高速传输: 高速点对点传输 (可达数十或数百 Gbps) 低误码率: 中继到更远传输距离 ; 防止电磁干扰 难以被分光窃听 多模 MMF 输入电信号 单模 SMF

2. 物理介质：无线电磁波 (4).无线链路类型: 以电磁频谱承载信号 没有物理连线 双向 传播环境的影响: 地面微波 e.g. 达 45 Mbps 信道 局域无线通道 (e.g., WiFi) 11Mbps, 54Mbps 广域无线通道 (e.g., cellular) e.g.GPRS,CDMA e.g. 3G: hundreds of kbps 卫星通信 高达数百Mbps 信道 (或多个更小的信道) 250 msec毫秒端到端延迟 地球同步卫星与低轨道卫星 （铱星系统－66颗低空卫星） 以电磁频谱承载信号 没有物理连线 双向 传播环境的影响: 多路径衰落－干扰物表面反射 盲区衰落－障碍物绕/透 干扰－其他电磁信号

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1. Internet结构组成: 网络的网络 松散分层，由众多网络构成的网络 构成Internet核心主干: “第一层” ISPs ＝NSP国家/国际级ISP(e.g., UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 覆盖国际区域的 NSP彼此对等，直接互连或通过网络接入点互连 第一层ISP 第一层提供 专用对等互连 NAP 第一层也提供公用的网络接入点 (NAPs)

3.第二层ISP(区域级ISP): “第二层” ISPs: 较小的(通常是区域级的) ISPs 第一层ISP 第一层ISP 第一层ISP 连接到1个或多个 tier-1 ISPs, 也可能连接其他 tier-2 ISPs 第二层ISP之间可以使用专用对等点互连，或使用NAP互连 第二层ISP 第二层ISP需要向第一层ISP付费 第二层ISP是第一层ISP的客户 第一层ISP NAP 第一层ISP 第一层ISP

4. Tier-3 ISP(本地ISP): “Tier-3” ISPs and local ISPs 最后的接入网络 (最接近端系统) Local and tier- 3 ISPs are customers of higher tier ISPs connecting them to rest of Internet Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

5. Internet结构组成与分组传送 一个分组可能要穿越很多网络 Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP local ISP Tier 3 ISP local ISP local ISP local ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1.6 分组丢失和延迟是如何产生的? 路由器分组缓冲区队列 分组到达输出链路的速率超过输出链路的容量,产生延迟,甚至丢失 分组在缓冲区队列排队, 按序等待 分组传输 (时延) A 空闲缓冲区: 如果没有空闲缓冲区， 则到达的分组将被丢失。 分组排队 (时延) B

分组延迟的4种类型 1. 节点处理时延 nodal processing delay: 2. 排队时延 queueing delay: 检查错误位 选择输出链路 高速路由器处理延迟－微妙级 2. 排队时延 queueing delay: 等待被发送到输出链路上的时间 取决于路由器的拥塞程度 A B 传 播 传输 节点处理 排队等待

s = 介质的信号传播速度 (~2x108 m/sec) 传播延迟 = d/s 3. 传输时延 Transmission delay: 4. 传播时延 Propagation delay: d = 物理链路的长度 s = 介质的信号传播速度 (~2x108 m/sec) 传播延迟 = d/s 3. 传输时延 Transmission delay: R=链路带宽 (bps) L=分组长度 (bits) 发送分组比特流的时间 = L/R 注意: s和R是两个完全不同的速度参量! A B 传 播 传输 节点处理 排队等待

车队举例 整个车队通过收费站进入高速公路的时间 小车速度100 km/hr 10辆小车 小车速度100 km/hr 收费站 12 sec 服务1辆小车 (transmission time) 小车~bit; 车队 ~ packet Q: 整个车队到达第2个收费站的时间? 整个车队通过收费站进入高速公路的时间 = 12*10 = 120 sec 最后1辆小车从第1个收费站到第2个收费站的时间: 100km/(100km/hr)= 1 hr A: 62 minutes

Yes! 7 min后, 第1辆小车到达第2个收费站，还有3辆小车在第1个收费站 100 km 100 km 10辆小车 Yes! 7 min后, 第1辆小车到达第2个收费站，还有3辆小车在第1个收费站 分组在被第1个路由器发送完以前，分组的第1个位 可以传播到第2个路由器! 小车速度1000 km/hr 收费站 1 min 服务1辆小车 Q: 在所有小车收费全部收费完成以前，有小车到达第2个收费站吗 ?

总的节点延迟 dproc = 节点处理时延－nodal processing delay 典型几个微妙或更小 dqueue = 排队时延－queuing delay 取决于路由器的拥塞程度 dtrans = 传输时延－transmission delay = L/R, 低带宽链路比较显著 dprop = 传播时延－propagation delay 几个微妙到数百毫秒（卫星通信高传播延迟）

排队时延(详解) R=链路带宽 (bps) L=分组长度 (bits) a=平均分组到达率 average packet arrival rate 流量强度 traffic intensity = La/R La/R ~ 0: 分组稀疏到达,无队列,平均排队延迟极小接近于0 La/R -> 1: 分组猝发到达,形成队列,队列长度迅速增加,排队延 迟大幅增大 La/R > 1: 输出队列平均位到达速率超过送走这些位的极限速 率，输出队列持续增长，排队延迟趋于无穷大。

真实的Internet 时延和路由 真实的Internet分组时延和丢失看起来怎么样呢? Traceroute 程序: 提供从源节点至目的节点路径上所有路由器的延迟测量. 对所有 router i: 发送3个分组到源节点至目的节点路径沿路所有路由器（ router i ） 路由器（router i ）将返回发送者3个分组 发送方在发送和响应期间计时 推荐访问http://www.traceroute.org 3 probes 3 probes 3 probes

真实的Internet 延迟和路由 traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr Three delay measements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu 1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms 2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms 3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms 4 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 ms 7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms 8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms 9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms 10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms 11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms 12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms 15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms 16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms 越洋链路trans-oceanic link * means no reponse (probe lost, router not replying)

分组丢失 路由器输出链路入口点的缓冲区输出队列容量有限 当分组到达路由器输出队列发现缓冲区队列已满，路由器只好丢弃分组 丢失的分组可能被前路由节点、源节点重传，或不重传

端到端延迟 前面集中讨论单台路由器中的延迟 假设 1. 源到目的端之间存在Q-1个路由器 2. 无拥塞(从而忽略不计排队延迟） 所有节点延迟累加＝端到端延迟

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

1.7.1 分层的体系结构 Internet极端复杂: hosts routers links of various media applications protocols hardware, software

民航系统飞机旅行的过程 机票(购买) 机票(投诉) 行包 (托运) 行包 (认领) 登机口 (登机) 登机口 (离机) 跑道起飞 跑道着路 导航飞行 机票(投诉) 行包 (认领) 登机口 (离机) 跑道着路 飞机导航

民航系统功能的水平分层 分层: 每层实现一个服务 自己本层的具体实现 依赖于直接下层提供的服务

为什么要分层? 处理复杂的系统: 清楚的结构允许我们对大型复杂系统定义其特定部分，探讨其各部分的关系 分层参考模型的讨论 模块化使得系统的维护、升级简化 改变其某一层服务的具体实现对系统其余部分透明（不影响） e.g.,改变登机口程序（不影响系统其余部分） 分层的弊端? 各层可能重复较低层功能 ...

网际协议栈 应用层application: 支持网络应用，报文传送 传输层transport: 主机进程间数据段传送 application FTP, SMTP, STTP … 传输层transport: 主机进程间数据段传送 TCP, UDP 网络层network: 主机(源目标节点)间分组传送 主要是IP协议, 路由协议 … 链路层link: 相邻网络节点间的数据帧传送 PPP, Ethernet … 物理层physical: 物理介质上的比特传送 application transport network link physical message segment datagram frame bit

分层: 逻辑通信 各层: 分布式 在各节点的网络实体(entities) 实现了各层的功能 主机实现5层功能，路由器和交换机实现2-3层功能。 网络实体完成功能动作, 对等实体交换消息 application transport network link physical 实体: 定义自身功能的硬/软件的集合 对等实体: 两台计算机上同一层所属的程序、进程或实体称为该层的对等程序、对等进程或对等实体。

分层: 逻辑通信 E.g.: 传输层 从应用层获取消息 添加地址可靠校验等，创建报文段 发送报文段 等待对方应答 transport data E.g.: 传输层 从应用层获取消息 添加地址可靠校验等，创建报文段 发送报文段 等待对方应答 application transport network link physical transport ack data data transport

分层: 物理通信 data application transport network link physical network link

协议分层与数据 各层发方从上层到下层，收方从下层到上层传递数据 发方添加头部信息创建新的数据单元，收方去掉头部 传递新的数据单元到下层/上层 各层传送不同的协议数据单元PDU application transport network link physical source destination M H t n l message segment datagram frame bit

source 封装 destination application transport network link physical link message M application transport network link physical segment Ht M datagram Ht Hn M frame Ht Hn Hl M link physical Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M switch destination network link physical Ht Hn M Ht Hn M M application transport network link physical Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M Ht M Ht Hn M router Ht Hn Hl M

1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 第一章: 内容大纲 1.1 什么是Internet? 1.2 网络边缘部分 1.3 网络核心部分 1.4 接入网络和物理介质 1.5 Internet主干/ISP的结构组成 1.6 分组交换网络中的延迟和丢失 1.7 协议层及其服务模型 1.8 计算机网络和Internet发展史

计算机网络和Internet发展史 如果说18世纪是机械时代，19世纪是蒸汽机时代，人类用机器来代替手。那么20世纪则是计算机时代，人类开始用机器来代替脑。而21世纪则将是信息时代，或者说是网络时代。 计算机网络和Internet可以追根溯到1960s。当时，电话网络使用电路交换技术传输信息，分时操作系统计算机允许散布各地的用户通过电话网络共享使用。但是通信量的突发性却导致线路利用率极低。

1. 分组交换原理的早期发展与演化：1961-1972 1961: Kleinrock – 用排队理论成功的论证了分组交换方法在处理猝发通信量上的有效性 1964: Baran – 在军用网络上传输语音，研究使用分组交换技术 1967: 美国国防部高级研究计划署DARPA始建ARPAnet 1969: 第1台ARPAnet接口消息处理机IMP研制并安装使用 1972: Robert Kahn首次公开演示ARPAnet 制订第1个主机到主机的协议NCP (Network Control Protocol) 研制第1个电子邮件程序 ARPAnet 增长到15个节点

2. 网际互连与新兴的专属网络：1972-1980 1970: ALOHAnet微波网络出现在Hawaii 1973: Robert Metcalfe’s PhD论文提出了Ethernet 1974: Vinton Cerf and Robert Kahn –网际互连的网络体系结构 late70’s: 专属网络体系结构: DECnet, SNA, XNS late70’s: 固定长度的分组交换 (ATM先驱) 1979: 200个节点连接到ARPAnet Cerf and Kahn’s 开放网络体系结构的系统设计原则: 最简单化,自治原则 – 网络独立运作，与其他网络互连时无须进行内部改动 尽力服务原则– 提供尽最大努力的端到端服务 无状态路由器 – 路由器无须维护连接状态信息 分散式控制 定义了当今Internet体系结构的理论基础－－30年后

3. TCP/IP新协议与网络数量激增：1980-1990 1983: 正式部署TCP/IP替代NCP 1982: 定义了SMTP e-mail协议 1983: 开发了DNS 实现 name-to-IP-address 转换 1985: 定义了FTP protocol 1988: 实现了TCP congestion control late80’s:新的国家网络: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel late80’s: 100,000主机连接到多个网络组成的联盟

3. 商业化, Web, 新的网络应用：1990-2000 Early 1990’s: ARPAnet完成使命终结 1991: NSF放宽NSFnet的商业使用限制 (1995完成使命终结) early 1990s: Web 超文本 [源于Bush 1945, Nelson 1960’s的早期研究] HTML, HTTP: 由Berners-Lee及其同事开发 1994: Mosaic浏览器及公司, 后来Netscape late 1990’s: Web的商业使用 1996:Microsoft大规模进军Web Late 1990’s – 2000’s: 电子商务应用激增 高速路由器和路由技术以及高速局域网技术进展显著 音视频流媒体实时通信、播放的成功应用 更多的杀手级应用: 及时通信IM, P2P文件共享 (e.g., Naptser) 网络安全走向前沿 估计5千万主机, 1亿多用户 主干链路带宽达到 Gbps

以太网在不到十年的期间，其容量从10Mbps发展到 1000Mbps，很快将发展到 10000Mbps 全球Internet从1980年正式成立以来用户早已超过7亿。 中国的Internet： Internet用户已超过8千万人。上网计算机已超过3千万台 建立了多个国家范围的网络。ChinaNet、CerNet、CstNet、ChinaGBN和UniNet等等 “网络就是计算机” “以网络为中心的计算。” 第十三次中国互联网发展状况统计报告 2006年7月,中国互联网络信息中心CNNIC发布了第18次 《中国互联网发展状况统计报告》，中国网民总数已达到12300万人, 上网计算机总数为5450万台 。

第一章: 小结 本章覆盖了大量基本知识和素材! 什么是Internet？Protocol? 网络边缘部分、核心部分、接入网络及其物理介质 分组交换与电路交换 (packet-switching versus circuit-switching) Internet主干/ISP 组成结构 分组交换网络的性能：延迟和丢失 协议层及其服务模型 计算机网络和Internet发展史

第一章：复习大纲 计算机网络的定义 协议的定义和基本要素 Internet的构成描述： 分组交换网络中的延迟及其计算 具体构成：边缘（端系统，包括软件和硬件）、核心、接入网络和物理介质 网络交换方式：电路和分组 电路：时分和频分 分组：数据报和虚电路 分组交换网络中的延迟及其计算 TCP/IP的分层模型，各层PDU的名称和功能