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 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

第1讲：计算机网络与因特网概述 本讲目标: 教科书参考 概述: 了解环境, “感觉” 网络 什么是因特网? 什么是协议? 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

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 运行 网络应用程序 通信链路 路由器: 将数据分组(数据块)转发通过网络 local ISP company network regional ISP router workstation server mobile 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

因特网: 工程视角 协议: 控制报文的收发 因特网: “万网之网” 因特网标准 router 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 comments IETF: Internet Engineering Task Force（因特网工程部） router workstation server mobile local ISP regional ISP company network 第一讲 计算机网络与因特网概述

因特网: 服务视角 通信系统基础上 运行分布式的应用程序: 所提供的通信服务: WWW, email, 网络游戏, 电子商务, 数据库应用, 网上调查, 文件共享 所提供的通信服务: 无连接（connectionless） 面向连接（connection-oriented） 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 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

什么是协议? 人际交往的协议和计算机网络协议: Hi Hi 2:00 <file> time Q: 其它人际交往的协议? TCP connection req. Hi TCP connection reply. Got the time? Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm 2:00 <file> time Q: 其它人际交往的协议? 第一讲 计算机网络与因特网概述

近观网络结构: 网络边缘: 应用程序和主机 网络核心: 路由器 万网之网 访问网络,物理介质: 通信链路 第一讲 计算机网络与因特网概述

网络边缘: 端接系统 (主机): 客户端/服务器(client/server )模型 对等(peer-peer)模型: 运行应用程序 e.g., WWW, email 在 “网络的边缘”上 客户端/服务器(client/server )模型 客户端发出请求, 接收来自服务器的服务 e.g., WWW客户端(浏览器)/ 服务器; email 客户端/服务器 对等(peer-peer)模型: 主机对称的进行交互 e.g.: Gnutella, KaZaA 第一讲 计算机网络与因特网概述

网络边缘: 面向连接的服务 目的: 在端系统间进行数据传输. TCP服务 [RFC 793] 可靠, 有序的字节流数据传输 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

网络边缘: 无连接的服务 目标: 在端接系统间传输数据 使用TCP的应用程序: 使用UDP的应用程序: 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

网络核心 由路由器勾结而成的网(眼) 最根本的问题: 数据是如何传输并通过网络的? 电路交换: 为每个通信连接指定电路: 电话网络 分组交换: 数据划分成分离的“数据块” 通过网络传送 第一讲 计算机网络与因特网概述

网络核心: 电路交换 为通信(call)在两端需要预留资源 链路带宽, 交换能力 专用资源: 没有共享 电路交换的通信性能 (有承诺的) 链路带宽, 交换能力 专用资源: 没有共享 电路交换的通信性能 (有承诺的) 在通信进行之前要建立连接 参考教科书（p4,图1-2） 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 division time division 第一讲 计算机网络与因特网概述

电路交换: FDMA和TDMA 例如: FDMA 4 用户 frequency time TDMA frequency time 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

网络核心: 分组交换 参考教科书p5(图1-4) 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) 带宽划分成“片” 专门分配 资源预留 第一讲 计算机网络与因特网概述

网络核心: 分组交换 C A B D E 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? 10 Mb/s 以太网 C A 统计多路 1.5 Mb/s B 等待输出链路的分组队列 45 Mb/s D E 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? 第一讲 计算机网络与因特网概述

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

分组交换vs. 电路交换 分组交换使得更多用户可“同时”使用网络! 1 Mb/s链路 每个用户: 电路交换: 分组交换: N users 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 N users 1 Mbps link 第一讲 计算机网络与因特网概述

分组交换vs. 电路交换 分组交换是不是 “大满贯冠军?” 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 数据报网络: 虚电路网络: 教科书参考（p140-146） 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

访问网络和物理介质 Q: 如何将端接路由器与端系统进行连接(How to connection end systems to edge router)? 居民区访问网络 企事业单位访问网络 (学校, 公司) 移动访问网络 时刻牢记: 访问网络的带宽 (b/s)? 共享或独占? 第一讲 计算机网络与因特网概述

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-home ADSL 的应用: 已经普及 第一讲 计算机网络与因特网概述

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

居民区访问: 线缆调制解调器 第一讲 计算机网络与因特网概述 Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html 第一讲 计算机网络与因特网概述

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LAN LAN: 第 5章 第一讲 计算机网络与因特网概述

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: router 广域无线访问 base station mobile 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 base station mobile hosts router 第一讲 计算机网络与因特网概述

物理介质 物理链路: 沿链路发送和传输数据的位流 双绞线(Twisted Pair ,TP) 两根互相绝缘的铜线 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

物理介质: 同轴电缆, 光纤 同轴电缆: 光缆: 芯线(携带信号)为皮线所缠绕 (屏蔽层) 在玻璃纤维中传播光脉冲 高速运行: 低误码率 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

物理介质: 无线电 无线链路类型: 微波 使用电磁波谱传送信号 LAN (e.g., WaveLAN) 不使用物理 “导线” 双向传输 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, 10’s 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 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 结点处理: 在每个步跳中产生的延迟可分为四种 排队 A B 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 A B propagation transmission nodal processing queueing 第一讲 计算机网络与因特网概述

分组交换网络的延迟问题 发送延迟: 传播延迟: R=链路带宽 (b/s) d = 物理链路的长度 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! A B propagation transmission nodal processing queueing 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 第一讲 计算机网络与因特网概述

“真正的” 因特网的延迟和路由 Traceroute(tracert): 显示信源到信宿路径上的路由器 also: pingplotter, 各种视窗程序 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

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? 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

航空旅行的组织和运作 一系列的步骤 ticket (purchase) ticket (complain) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing 一系列的步骤 第一讲 计算机网络与因特网概述

航空旅行的组织和运作: 不同的视角 ticket (purchase) ticket (complain) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing 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

分层的航空旅行: 服务 Counter-to-counter delivery of person+bags baggage- check -to-baggage-claim delivery people transfer: loading gate to arrival gate runway-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

分布式 的实现分层的功能 Departing airport arriving airport ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing Departing airport arriving airport intermediate air traffic sites 第一讲 计算机网络与因特网概述

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

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

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 application transport network link physical 第一讲 计算机网络与因特网概述

分层: 逻辑通信 每个层次: 分布的运行 “实体” 在每个节点上实现该层的功能 实体实现动作, 与对等实体交换信息 application transport network link physical 第一讲 计算机网络与因特网概述

分层: 逻辑通信 E.g.: 传输层 从应用层取得数据 加上地址,校验信息形成 “数据报” 向对等实体( peer)发送数据报 data E.g.: 传输层 从应用层取得数据 加上地址,校验信息形成 “数据报” 向对等实体( peer)发送数据报 等待对等体在接收后的应答 比喻: 邮局服务 application transport network link physical transport ack data data transport 第一讲 计算机网络与因特网概述

分层: 物理通信 data application transport network link physical network link 第一讲 计算机网络与因特网概述

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 source application transport network link physical source destination M H t n l message segment datagram frame 第一讲 计算机网络与因特网概述

因特网结构: 万网之网 NBP B NAP NAP NBP A 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 local ISP regional ISP NBP B NAP NAP NBP A regional ISP local ISP 第一讲 计算机网络与因特网概述

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

因特网简史 1961-1972: 早期的分组交换原理 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ARPAnet 1969: 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

因特网简史 1972-1980: 网络互连, 新型和厂商网络 1970: ALOHAnet 卫星网络, Hawaii 1973: Metcalfe在其博士论文中建议了Ethernet 1974: Cerf 和 Kahn – 提出网络互连的体系结构 late70’s: 厂家标准: DECnet, SNA, XNA late 70’s: 交换固定长度的分组 (ATM的先驱) 1979: ARPAnet有了 200 结点 Cerf和Kahn’s 网络互连的原则: minimalism, autonomy - no internal changes required to interconnect networks best effort service model stateless routers decentralized control 定义了今天因特网的体系结构 第一讲 计算机网络与因特网概述

因特网简史 1980-1990: 新的协议, 网络的大量增殖 1983: 开始使用 TCP/IP 1982: 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, Minitel 100,000 台主机加入到网络联盟中 第一讲 计算机网络与因特网概述

因特网简史 Late 1990’s: 1990’s: 商业化, WWW 估计因特网中有5千万台主机接入 估计1亿个网络用户 Early 1990’s: 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 1960’s] HTML, http: Berners-Lee 1994: Mosaic, later Netscape late 1990’s: WWW的商业化 Late 1990’s: 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 第一讲 计算机网络与因特网概述

本讲小结 本讲内容的覆盖面甚广! 诸位同学: 因特网的概述 “感觉”到网络了吗? 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 第一讲 计算机网络与因特网概述