授课教师：谢怡 csyxie@xmu.edu.cn 计算机网络与通信 授课教师：谢怡 csyxie@xmu.edu.cn 1

谢希仁, 计算机网络（第 5 版）,电子工业出版社, 2009 年。 讲义 基于谢希仁教授的随书课件，进行适当更新。 习题课 1个月安排一次。 答疑 周三，1：30～2：15，科研二403 助教 刘薇、孙锡龙 谢希仁, 计算机网络（第 5 版）,电子工业出版社, 2009 年。 2

3

Network layers (TCP/IP) Physical layer Data link layer Medium access control (MAC) sublayer Network layer Transport layer Application layer Network security, wireless network and IPv6 Networking protocols IP, TCP, UDP, RIP, OSPF, BGP, DNS, SNMP, DHCP, NAT, etc. Networking tools tcpdump, netstat, ping, traceroute, etc. Network Analysis Queuing theory and game theory 4

L.L.Peterson，B.S.Davie，Computer Networks A Systems Approach, Second Edition, Morgan Kaufmann Publisher , 机械工业出版社(影印版), 2004。 J.F.Kurose, K.W.Ross, Computer Networking, A Top Down Approach Featuring the Internet, Third Edition, Pearson Education Publisher, 高等教育出版, 2005。 Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, Prentice Hall Publisher, 清华大学出版社 (影印版), 2008。 5

20%-- Assignments, tests, project 20% -- Experiments 60% -- Final examination 6

1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.3 因特网的组成 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.2.3 因特网的标准化工作 1.3 因特网的组成 1.3.1 因特网的边缘部分 1.3.2 因特网的核心部分 7

1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.5.1 计算机网络的定义 1.5.2 几种不同类别的网络 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1.6.2 计算机网络的非性能特征 8

1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点 1.7.5 TCP/IP 的体系结构 9

21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化。 一个以网络为核心的信息时代 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。 网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。 什么是“网络融合”？ 10

连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。 11

进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。 从最初的教育科研网络发展成为商业网络。 成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。 现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。p. 2 正面影响? 负面影响? 12

A global, low-cost network? English displaces other languages? Is autonomous technology a problem? Does transparency build a better world, despite the loss of privacy? Is virtual reality a drain on society? Does the internet open worldwide access to success and alter social groupings? Will more go "off the grid" and will some Luddites commit terror acts? 3721公司提供的中文上网服务 The term off the grid or off-grid refers to living in a self-sufficient manner without reliance on one or more public utilities. 19世纪，许多工人认为自己的不幸遭遇是机器带来的。据说，英国莱切斯特郡的一名叫卢德的工人，在1811年第一个起来破坏机器，发泄对资本家的不满，其他工人群起效仿。后来，人们就把这种破坏机器的运动称为“卢德运动”。 13

Google won’t make us stupid. Reading, writing, and the rendering of knowledge will be improved. Innovation will continue to catch us by surprise. Respondents hope information will flow relatively freely online, though they expect there will be flashpoints over control of the Internet. Anonymous online activity will be challenged, though a modest majority still think it will possible in 2020. 3721公司提供的中文上网服务 The term off the grid or off-grid refers to living in a self-sufficient manner without reliance on one or more public utilities. 19世纪，许多工人认为自己的不幸遭遇是机器带来的。据说，英国莱切斯特郡的一名叫卢德的工人，在1811年第一个起来破坏机器，发泄对资本家的不满，其他工人群起效仿。后来，人们就把这种破坏机器的运动称为“卢德运动”。 Autonomous technology refers to machines that act independently of humans. They may do things we find boring or don't like doing, or behave in ways that mimics humans. http://www.elon.edu/e-web/predictions/expertsurveys/2010survey/default.xhtmlf 14

Prediction survey in 2012 http://www.elon.edu/e-web/predictions/expertsurveys/2012survey/default.xhtml

1.2.1 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 1.2.1 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 结点: 计算机、集线器、交换机或路由器等。 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 习惯上,人们把连接在因特网上的计算机称为主机(host)。 16

(a) (b) 网络 互联网（网络的网络） 结点 链路 网络连接许多计算机。 一朵云表示一个网络。 因特网连接许多网络。

主机 因特网 网络把许多计算机连接在一起，而因特网则把许多网络连接在一起。——硬件+软件

第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。 20世纪70年代：作为一个研究项目开始启动，带宽56kbps，连接计算机不超过100台。 1980~1983：APPANET和Military Network分开 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议--因特网的诞生。 19

Internet & internet 以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。 以大写字母I开始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。 20

第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 1985~1986：NSF开始建设NSFNET，作为骨干网连接6个超级计算机中心，带宽1.5Mbps，连接10,000台计算机 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。 1987~1990：连接地区网络，NSI，ESNET，DARTnet，TWBNet，计算机数量超过10万台。 1990~1992：NSFNET发展到45兆带宽，连接16个地区 网络。 1994：NSF骨干网解体，出现多个商用骨干网。 21

第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。 出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 互联网应用、无线网络与网络安全技术的发展。 22

用户 因特网 服务提供者 因特网 ISP1 ISP2 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。

本地 ISP 第三层 本地 ISP 本地 ISP 第二层 本地 ISP 第二层 ISP 大公司 第一层 本地 ISP 大公司 本地 ISP NAP 一级 ISP NAP 第一层 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 大公司 本地 ISP 本地 ISP NAP（Network Access Point）最高级的接入点。向各ISP提供交换设施，使他们能够互相通信。相互之间是对等关系。 本地 ISP 本地 ISP 公司 A B 校园网 校园网 校园网 校园网 主机A → 本地 ISP → 第二层 ISP → NAP → 第一层 ISP → NAP → 第二层 ISP → 本地 ISP → 主机B 24

因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。 因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。 25

Internet的增长 Internet上的主机数: Aug. 1981 213 Oct. 1984 1,024 Dec. 1987 28,174 Oct. 1990 313,000 Oct. 1993 2,056,000 Apr. 1995 5,706,000 Jul. 1997 19,540,000 Jul. 2000 93,047,785 26

https://www.isc.org/solutions/survey/history 27

网络时代的三大基本定律 摩尔定律: 光纤定律Gilder’s Law ： 迈特卡尔夫定律:联网定律， CPU性能18个月翻番,10年100倍。 所有电子系统（包括电子通信系统，计算机）都适用 光纤定律Gilder’s Law ： 超摩尔定律，骨干网带宽6个月翻番，10年10000倍。带宽需求呈超高速增长的趋势 迈特卡尔夫定律:联网定律， 网络价值随用户数平方成正比。未联网设备增加N倍，效率增加N倍。联网设备增加N倍，效率增加N2倍 http://www.jimpinto.com/writings/3laws.html 28

因特网协会 ISOC 因特网体系结构 研究委员会 IAB 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组 IESG 因特网研究指导小组 IRSG … 领域 领域 RG … RG … … WG WG WG WG 29

所有的标准以RFC的形式发布出来，可以从www.ietf.org免费获得。 标准形成的一般步骤： 因特网草案(Internet Draft) ——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) —— 需要两个可以工作的实现。 因特网标准(Internet Standard)——由IAB发布。 Not all RFCs become Internet Standards ! (There are >3000 RFCs and about 70 Internet standards) 30

因特网草案 实验的 RFC 建议标准 提供信息的 RFC 草案标准 6 种 RFC 因特网标准 历史的 RFC 31

David Clark, MIT, 1992: "We reject: kings, presidents, and voting David Clark, MIT, 1992: "We reject: kings, presidents, and voting. We believe in: rough consensus and running code.” 32

从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块： (1) 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。 (2) 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。 33

因特网的边缘部分与核心部分 因特网的边缘部分 主机 路由器 网络 因特网的核心部分

处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)。 “主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信” 35

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： 客户服务器方式（C/S 方式） 即Client/Server方式 特例：浏览器服务器方式（B/S方式） 对等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式 36

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。 客户是服务的请求方 服务器是服务的提供方。 37

客户 A 向服务器 B 发出请求服务， 而服务器 B 向客户 A 提供服务。 运行 客户 网络边缘 程序 运行 服务器 程序 A ① 请求服务 B ② 得到服务 客户 网络核心 服务器 客户 A 向服务器 B 发出请求服务， 而服务器 B 向客户 A 提供服务。

被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。 39

一种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。 系统启动后即自动调用并一直不断地运行/监听着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。 40

对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。 41

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。 42

运行 P2P 程序 运行 P2P 程序 E C 网络边缘 网络核心 F 运行 P2P 程序 D 运行 P2P 程序

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 44

路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。 45

电路交换技术:公众电话网（PSTN网） 报文交换技术:公用电报网 分组交换技术:Internet ATM技术 在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除/释放之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。 报文交换技术:公用电报网 报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。 分组交换技术:Internet 与报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。 ATM技术 46

两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。   47

 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。  48

当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。   …   交换机      49

在这里，“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 50

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接 在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。 51

( ( ( ( A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行 交换机 中继线 交换机 用户线 中继线 A B 交换机 C 用户线 ( D 52

( ( ( ( C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行 交换机 中继线 交换机 用户线 中继线 A B 53

计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。 54

在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输 55

每一个数据段前面添加上首部构成分组。 请注意：现在左边是“前面” 报文 分组 1 数 据 数 据 数 据 首部 分组 2 首部 分组 3 数 据 数 据 数 据 首部 分组 2 首部 分组 3 首部 请注意：现在左边是“前面” 56

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端。 数 据 首部 分组 1 数 据 首部 分组 2 数 据 首部 分组 3 数 据 首部 分组 1 数 据 首部 分组 2 数 据 首部 分组 3 57

分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。 58

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。 分组 1 首部 数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部 数 据 收到的数据 59

最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。 报文 1101000110101010110101011100010011010010 数 据 数 据 数 据 2月19日 60

因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。 在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。 主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。 61

网络核心部分 H4 H2 路由器 H6 网络 主机 H1 H5 H3

网络核心部分 H4 H2 路由器 B H6 D E 主机 A H1 H5 C 发送的 分组 H3

在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 E 暂存 查找转发表 H4 H2 在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 D 路由器 H1 向 H5 发送分组 B H6 主机 H1 E A H5 C H3 互联网 64

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。 路由器处理分组的过程是： 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 把分组送到适当的端口转发出去。 65

主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。 66

注意分组路径的变化！ H2 向 H6 发送分组 H1 向 H5 发送分组 H4 H2 D 路由器 B H6 主机 H1 E A H5 C 互联网 67

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。 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。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 68

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。 还有其它的影响么？ 需要专门的管理和控制机制。 69

电路交换 报文交换 分组交换 A B C D A B C D A B C D 报 文 P1 连接建立 P2 P1 P3 P2 P1 P4 数据传送 报文 P3 P4 连接释放 报 文 t A B C D A B C D A B C D 报文 报文 报文 分组 分组 分组 比特流直达终点 数据传送 的特点 存储 转发 存储 转发 存储 转发 存储 转发 70

如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。 71

Paul Baran在分布式通信方面的贡献 时间: 1960 - 1964 目标:建造一套健壮的通信系统可以承受核攻击 结果: 分组交换网络 DST Distance Nxt-H Destination address data 72

Baran的设计细节 自适应系统: 热土豆路由策略 如果不知道正确的路由，就把报文转发给所有的邻居节点 通过观察路过的报文更新路由表，旧的路由表项会过期而被删除 尽可能快的转发报文 不需要每次都沿着最短路径转发 学习并适应变化的环境 73

Baran的设计细节 报文发送 每个交换节点根据自己的路由表判断如何转发报文 每个报文的转发都是独立于其他报文的 交换节点不保存端节点的状态 可扩展性好 不是最有效的网络 发送不是完美的 端节点必须能容忍发送错误并从中恢复 74

Baran的设计细节 分布式系统 所有交换节点是平等的 部件可以失效，但系统不可以 系统的健壮性来自于 避免了单一节点失效问题 足够的物理（硬件）冗余 适应性路由 模拟实验表明： “extremely survivable networks can be built using a moderately low redundancy of connectivity level”—Paul Baran, 1964 75

鲜为人知的故事... 当时 很多电信界的人认为Baran设计是完全荒谬的。 “they kicked, screamed, grumbled, and worse. Their response tended to be emotional, often with anger, rarely with humor…” “outsiders could not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network” 76

网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。 77

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。 78

以主机为中心 以分组交换网为中心 主机 终端 主机 分组交换网 79

(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) 中国金桥信息网 CHINAGBN (5) 中国联通互联网 UNINET (6) 中国网通公用互联网 CNCNET (7) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (8) 中国移动互联网 CMNET (9) 中国长城互联网 CGWNET http://www.edu.cn/xiang_guan_lian_jie/jiu_da_wang_luo/index.htm 80

中国的高速计算机网络研究计划 国家“九五”、“十五” 科技攻关项目 国家 863 高技术研究发展计划 国家 “十五”863高技术研究发展计划 863计算机主题，863通信主题 中国高速信息示范网络 CAINONET（863-300） 国家 “十五”863高技术研究发展计划 中国高速互连网络示范工程 CAINET 中科院、上海市、广电部、铁道部联合建设 中国高速计算机互连试验网络 NSFCNET 国家自然科学基金会 中国下一代互联网示范工程CNGI 81

1.5.1 计算机网络的不同定义 1.5.2 几种不同的类别的网络 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。 1.5.1 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”。 1.5.2 几种不同的类别的网络 不同作用范围的网络 从网络的使用者进行分类 82

不同作用范围的网络 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 83

从网络的使用者进行分类 公用网 (public network) 专用网 (private network) 84

接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。 由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。 85

1. 速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 1. 速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。 文献中的网络速率一般指额定速率或标称速率。 86

标称速率，是设备本身能够达到的最高速率。但进行数据传输时是达不到标称速率的，这是因为在每一帧被传送的数据量中还包括同步码、纠错误等辅助成份。 在标称速率中扣除这部分辅助成份，就产生了“有效速率”的概念。有效速率是在理想信号条件下传送文件的理论最高速率。 为了进一步提高数据传输速度，常常对文件进行压缩处理（当然文件必须是可压缩的）。经过压缩处理的文件比普通文件传输送速率快几倍，称为压缩速率。 压缩速率是软件的作用，并不反映硬件设备的能力。 87

“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）。 例如，传统电话信号的标准带宽3.1kHz (0.3~3.4kHz), 也称为通频带。 现在“带宽”表示数字信道传送数据的能力，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 单位时间内从网络的某一点到另外一点所能通过的“最高数据率” 。 88

更常用的带宽单位是 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 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/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。 89

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 每秒 106 个比特 时间 1 0 1 0 1 1 1 s 带宽为 1 Mb/s 时间 每秒 4  106 个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s 90

吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 例如，100Mbps以太网的典型吞吐量为70Mbps。 吞吐量也可以用每秒的字节数或帧数来表示。 91

传输时延（发送时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 92

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。 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。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒） 93

处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。 无穷大的排队时延？ 94

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和： 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 一般的，小时延网络优于大时延网络 低速率+小时延 vs. 高速率+大时延？ 95

从结点 A 向结点 B 发送数据 在结点 A 中产生 处理时延和排队时延 在链路上产生 传播时延 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 数据 … 1 0 1 1 0 0 1 队列 链路 结点 A 发送器 结点 B 96

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时延。 97

时延带宽积 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，也是从发送端发出但未到达接收端的比特。 链路的充分利用如何体现？ （传播）时延 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，也是从发送端发出但未到达接收端的比特。 链路的充分利用如何体现？ 98

往返时间RTT （Round-Trip Time） 从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接受方的确认，总共经历的时间。 接收方何时发送确认是由协议决定的。 与所发送的分组长度有关。 往返时间的组成？ 往返时间×带宽？ 99

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。 完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率越高越好么？ 100100

根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系： U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。 101

时延 D 时延 急剧 增大 D0 利用率 U 1

费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护 103

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 其中的几个重要的工作, p.24。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 早期的分层标准——IBM的SNA 104

法律上的(de jure)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(de facto) 国际标准。 105

只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 106

Internet及其协议的成功经验 有远见的政府不断支持：1969－ 有风险的企业参与和投入： 联合协作的开放式研究：IETF/RFC NFS：MCI、IBM vBNS：MCI；Abilene: Qwest，CISCO 联合协作的开放式研究：IETF/RFC 教育和科研的示范网络为起点 具有实验物理学的研究特点 ARPAnet、NSF、ANS、vBNS 简单实用的技术路线：TCP/IP 107

Commercialization Privatization Research and Development Partnerships 21st Century Interoperable Networking High Performance SprintLink Research &Education InternetMCI US Govt Networks Networks ANS ARPAnet Active NSFNET gigabit Nets testbeds wireless Internet2, Abilene, vBNS WDM Quality of Service Advanced US Govt Networks (QoS) Research and Development Partnerships 108

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步的意义？）。 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 109

语义 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 事件实现顺序的详细说明。 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 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 事件实现顺序的详细说明。 110

两个主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。 主机 1 向主机 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。 两个主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。 111

只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的 主机 1 主机 2 文件传送模块 文件传送模块 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 112

主机 1 主机 2 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 文件传送模块 文件传送模块 通信服务模块 通信服务模块 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 113

例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。 主机 1 主机 2 文件传送模块 文件传送模块 通信服务模块 通信服务模块 网络 接口 网络 接口 网络接入模块 通信网络 网络接入模块 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。 114

协议的分层和层间结构 Layering principle Layer N software on the destination computer must receive exactly the message sent by layer N software on the sending computer. Mathematically, if the sender applies a transformation T, the receiver must apply the inverse T-1. 协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。 115

每一相邻层之间有一个接口（Interface），它定义了下层向上层提供的原语操作和服务。 对于第N层协议来说，它有如下特性 不知道上、下层的内部结构 独立完成某种功能 为上层提供服务 使用下层提供的服务 116

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。 117

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。 各层需要完成的功能举例，p. 27。 Cross-layer? 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。 各层需要完成的功能举例，p. 27。 Cross-layer? 118

计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 119

应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 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 。 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) 5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据链路层 数据链路层 1 物理层 120

应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部，成为应用层 PDU 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 Protocol Data Unit 2 2 1 1 121

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 应用层 PDU 再传送到运输层 4 加上运输层首部，成为运输层报文 4 3 3 2 2 1 1

加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 运输层报文再传送到网络层 4 3 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 3 2 2 1 1

IP 数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 数据链路层帧再传送到物理层 2 2 1 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 1

应用层(application layer) 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层 1 1 应用层(application layer) 物理传输媒体

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 1 物理层接收到比特流，上交给数据链路层 1

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层 2 2 1 1

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层 3 3 2 2 1 1

主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层 4 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 主机 2 AP1 AP2 应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1

注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 主机 1 主机 2 AP1 应用层首部 AP2 应 用 程 序 数 据 运输层首部 5 5 H5 AP2 应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 5 5 应 用 程 序 数 据 H3 网络层首部 4 H5 应 用 程 序 数 据 4 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 1 1 10100110100101 比 特 流 110101110101

计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 应 用 程 序 数 据 H2 T2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 1 1 10100110100101 比 特 流 110101110101

数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 应 用 程 序 数 据 3 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 H2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 T2 1 1

网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 1 1

运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 应 用 程 序 数 据 5 应 用 程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 5 H4 H5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 3 2 2 1 1

应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 主机 1 主机 2 AP1 应 用 程 序 数 据 AP2 5 H5 应 用 程 序 数 据 5 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 4 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1

实体(entity) 表示任何可发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。 140

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)。 141

服务用户 协议(n + 1) 第 n + 1 层 交换原语 交换原语 第 n 层 服务提供者 协议(n) 实体(n + 1) SAP SAP 第 n 层 服务提供者 实体(n) 协议(n) 实体(n) 142

协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。 143

占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100 %而不是99.999…%）取得胜利？ 144

明日正午进攻，如何？ 同意 收到“同意” 这样的协议无法实现！ 收到：收到“同意” … … … … … …

这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。 没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。 146

路由器在转发分组时最高只用到网络层 而没有使用运输层和应用层。 主机A 主机B 4 3 2 1 应用层 运输层 网际层 网络 接口层 应用层 网络 1 网络 2 路由器在转发分组时最高只用到网络层 而没有使用运输层和应用层。 147

Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务 IP over Everything … … 应用层 HTTP SMTP DNS RTP 运输层 TCP UDP 网际层 IP 网络接口层 … 网络接口 1 网络接口 2 网络接口 3 148

应用层 应用层 ① 客户发起连接建立请求 客户 服务器 ② 服务器接受连接建立请求 运输层 运输层 所有的通信都使用下层 提供的服务 (使用 TCP 和 IP） 网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 因特网 149

数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机 1 客户 1 计算机 2 客户 2 计算机 3 应用层 服务器 1 服务器 2 运输层 因特网 课件制作人：谢希仁 150

小结(第一周小结) 计算机网络的两大基本功能 因特网的概念、发展过程、结构、标准化和分类 边缘+核心，两大通信方式 核心的关键—路由器及分组交换技术 网络性能指标与非性能指标 速率, bps / 带宽，hz、bps / 吞吐量，bps 时延 (总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延) 时延带宽积, bit，往返时间RTT，信道/网络利用率 (与时延的关系) 协议分层的重要性及其原则， OSI&TCP/IP 网络的体系结构及其实现 发送和接收数据的实例(垂直&水平) 实体、协议、服务和服务访问点 TCP/IP IP over everything / Everything over IP 151

1-03，1-10，1-15，1-18，1-19，1-27 附加题： Consider the queuing delay in a router buffer. Suppose all packets are L bits, the transmission rate is R bps, and that N packets simultaneously arrive at the buffer every LN/R seconds. Find the average queuing delay of a packet. 152