1、网络科学技术发展概论 Developments of Network Science and Technologies,华师大计算机学院 范冰冰 教授,一、网络发展回顾和主要概念,三、现代网络发展趋势,二、计算机网络发展,一、网络发展回顾和主要概念,通信是现代社会三大基础结构之一（能源、交通和通信），人类进步主要标志。,传统网络主要是通信网，如电报传真网、电话交换网PSTN、数字数据网DDN、分组交换公用数据网PSPDN，及后来帧中继网FRN、ATM网、移动通信网等；计算机网络指LAN和互联网； NGN指两者融合的网络。,网络是实现信息（语音、文本、数据或集合）交互（通信）和应用的网元设备和协
2、议集合。,应用是网络最终表现形式，支撑网络业务和应用开发和运行是网络必须解决的问题。,你所认识网络？网络怎样发展而来的呢？网络技术主要内容？网络技术体系核心？附属的网络概念和技术？因特网应用体系？怎样开发网络应用？分布式网络协同计算网络技术未来发展,网络研究的主要领域（问题）,使用TCP/IP的互连,自顶而下，自下而上的网络分析方法,网络应用和网络编程,数据通信,分组交换和联网技术,附属的网络概念和技术,网络发展的回顾,古代通信网：烽火台网络和军邮接力通信网，利用简易的声、光、旗帜通信和运动通信（信鸽、驿马和人），信息量小，实时性差。,近代通信网（第1阶段）：19世纪中-20世纪中，人类第一次
3、以电磁信号实现信息远距离传输，有线/无线的电话电报，点对点、人工转接和城市交换网。,网络第2阶段： 50-70年代，中容量微波/载波传输体系、自动交换和卫星通信的应用，实现国家、全球自动电话交换通信网络，电路交换、容量稍小、话音通信,网络第3阶段： 70-80年代，数据通信网络、分组交换系统、 LAN和光传输系统SDH。除话音外的局域和远程数据通信网，极大容量光骨干网络。,网络发展的回顾,网络第4阶段：始于80年代中期，综合业务数字网 N-ISDN、B-ISDN/ATM、GSM移动通信网 。,网络第5阶段：1990年代初开始, 互联网异构互联、因特网、极大丰富的网络应用时代；融合网络与NGN。
4、,人类历史上网络最快速发展的时期，移动通信网在几十年停滞后得到快速发展；信息社会转型起步标志期。,网络第6阶段：2007开始,移动互联网、云计算、物联网。目前移动互联网进入快速发展期，云计算、物联网在发展起步阶段。,PSTN电路交换网，采用电路交换方式，高质量管理和对称业务；但信令系统建立呼叫和维护连接状态信息代价大，对大量突发、非对称小数据量的应用（如网页浏览）是低效率。,分组交换：数据分组(块)、分组地址、分组存储路由/交换转发，新革命性的通信思想。,联网的核心概念,电路交换：建立虚电路（交换）电路、资源预留，拆除电路，信令系统，传统通信电路建立思想。,以太网、ATM、因特网等都采用分组交
5、换方式，高质量管理和对称业务；分组通信利用效率远远高于传统通信网，但网络管理不同网络设计差异性大。,面向连接的流模式，连接是通信对等实体开始通信前建立的一种结合和预处理，然后业务流在此约束管理下交互。,面向连接流模式是最常用的方式，电信网（PSTN、FR、ATM分组、因特网TCP ）都采用面向连接的业务流的传输。面向连接和电路或分组交换无关，可以是虚电路（如 PSTN 、FR、ATM），也可以不是（如TCP）。,通信交互的核心概念,互联网无连接的尽力传送方式，通过简单、灵活的寻址和选路功能，不需信令系统管理，即发送数据不需要预先和接收端发生关系，也不要预定资源。,报文模式的无连接分组传输，动态
6、分配资源和发送，呈现出的一种孤立和离散的分组传输特征（比特流，而不是业务数据流），使用报文方式的传送信息适合突发性消息发送，简单低成本，但也无法解决乱序、丢包等质量问题。,报文模式（逐跳尽力传输） ，面向无连接的尽力传送方式。,网络交换技术的演进路线,二、计算机网络发展,60年代开始，计算机网络经历了面向终端的网络、面向通信的网络和面向应用的网络的主体发展过程，逐步从互连和资源共享，走向基于网络的一体化应用体系。,网络互连研究怎样完成计算机广域互连，一种跨越不同操作系统和通信链路的广泛互连技术，以及在之上实现信息交互和业务应用，即互联网（TCP/IP）技术。,70年代开始，计算机网络核心内容：
7、LAN、网络互连；LAN研究解决小区域计算机高速互连和信息共享的体系。,2.1、以太网技术发展,Ethernet以太网发展,以太网特色：广泛的用户基础，桌面OS和以太网深度融合。从广域、城域、局域到桌面接入使用统一的帧格式，以统一的帧格式方便地建立端到端的连接，其接口简单、简洁和易管理是任何其它网络所不具备的。,LAN（Ethernet）：从早期共享介质发展为交换以太网，VLAN技术，光Ethernet技术的发展，形成区域、城域的高速网；WLAN出现和发展，和2G/3G一起形成移动网络环境。,目前以太网技术以经济、宽带和简单满足日益发展的低成本、高带宽的市场需求，特别适合中国办公、居住密度大的
8、国情；已是校园网、行业骨干网建设首选形式，也适用于中小型新兴运营商和城域网。,共享粗缆1M /细缆2M,交换的双绞线10M/100M,共享双绞线10M/100M,交换的光纤100M/1000M,交换的光纤10G,交换的光纤10G,Ethernet问题,没有TDM电路（共享复用方式）；解决广播域和共享域冲突问题，密集2层交换和3层高速路由的有效结合；以太网没有网络级管理能力，缺乏全网故障定位和监测告警，路由选择、拥塞控制、故障恢复、路径保护和流量管理无法满足高可靠性要求；以太网只能实现CoS，没有端到端的QoS保证，无法实现不同用户的带宽要求，无法SLA承诺；缺乏可运营性，设备不能提供运营管理的
9、统计信息，而通过IP层软件提供；,Ethernet三层交换发展,当以太网交换解决带宽和覆盖范围后，LAN间实现广播域分割和路由转发的相应提速，怎样解决圆区网、城域网中LAN间的第三层IP高速转发。（局域网L3交换）,1997年提出（出现）了结合路由和交换的优点的解决方案局域网L3交换。L3交换设备是第三层路由功能的第二层交换机有机结合，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。,可靠的以太网DPT/RPR,双环结构是可靠组网的传统技术，如SDH。 弹性分组环RPR，吸收了千兆以太网的经济性、SDH对延时和抖动的严格保障、可靠时钟和50ms环保护和恢复，具有带宽动态分配、统
10、计复用、支持业务级别等特点的新融合技术。 RPR具有承载突发性IP业务，同时支持实时传送，适合于中小型城域网。RPR2000年前后得到业界的广泛关注和重视，IEEE802.17工作组完成了RPR标准化。,IP Over Ethernet发展,以太网和MPLS、RPR、DWDM技术结合所构建的宽带IP网，在可靠性，安全性和QoS和用户接入、带宽和运营的可管理性方面不断完善。,将来完全可能发展成为一种开放的标准网络平台，但引发另一个技术思想的争议。,以太网交换、智能路由选择（3层交换）、CoS和高端口密度，千兆、链路聚合和万兆光以太网，大容量VLAN MAC地址，接入认证技术和等技术进展，使以太网
11、从局域网（接入网）走向城域网和广域网，成为承载IP有竞争力的网络技术。,WLAN发展,WiFi、WiMAX、构成无线城市基础， WLAN3G4G、自组织网络将架构未来移动互联网的基础。,高速、远距离、安全可靠，以及漫游移动性WLAN，灵活组网方式，和3G4G融合将成为当前移动互联网基础技术的发展方向。,移动互联网是桌面互联网之后正在快速发展的技术，是网络技术与应用目前发展重点。,移动互联网主要问题：移动基础网络WLAN 、2.5G3G4G，移动智能终端（手机、Pad），终端基础软件OS浏览器系统，应用服务平台和应用。,云环境下以太网新发展,1、云数据中心大量服务器和虚拟化部署，使服务器之间横向
12、交互流浪大增，传统STP（生成树协议），限制一条路径方法，严重阻碍了快速扩展和大规模流量（交换机端口、链路浪费）。 CISCO的FabricPath，IETF 的TRILL（多链接半透明互联，IEEE的SPB(最短桥接路径）标准802.1aq。解决： 任意两点间多路径同时转发流量ECMP 快速收敛、防止广播风暴、配置管理简洁性,2、运行虚拟机的服务器和交换机、存储设备的扩展较多网线（光纤，常见6-8线，网卡或总线适配卡）连接，带来布线、能耗和故障增加。 FCoE（ 以太网光纤通道）：将服务器面向LAN和FC SAN连接融合，形成FCoE交换机，实现多种模式服务器-交换机存储组网结构。,3、物理
13、服务器中多虚拟机的运行都挤占相同网络出口，但虚拟机OS和网络不再唯一对应关系，带来流量拥挤、管理复杂性、安全问题（如染毒）。 虚拟交换机和虚拟网卡技术：物理服务器中虚拟器间的交换、高带宽的外部交换。,4、SDN软件定义的网络，传统网络交换、安全、负载均衡独立处理，怎样解决直接根据的策略直接转发流量？,2.2、互联网技术发展,互联网发展,互联网采用TCP/IP技术的异构互联系统, 是上个世纪最具代表性的科学和技术奇迹之一 。互联网发展3阶段: 第1阶段基本雏形（60年代初70年代初），设计具有“graceful degradation”特性的由多个分散结点组成的非集中式网络系统 ，采用的分组交换
14、技术 ；实现计算资源共享。 第2阶段开放型结构 (70年代初90年代初)，Kahn 1972 年提出著名的“Open-Architecture Networking”, 早期互联网体系结构的4 条重要设计原则,即各个网络的自治性、尽力而为传输模型、无状态的路由设备、非集中式的控制，提出了TCP/IP协议。从追求单一联网技术，转向从另一个角度的异构网络互联一体化。 互联网FTPEmail等信息交互早期功能，体现出方便和新视野。,第3阶段万维网出现(90年代初至今) ，Berners Lee 发明的WWW技术为互联网的应用模式带来了革命性变革；各种新的互联网应用和服务如雨后春笋层出不穷,互联网快速
15、遍布全社会,渗透到各行各业, 成为信息社会的主流表现形式。,互联网各个阶段目标不同，研究重点也不同：初期从着眼方便实现的角度研究体系结构；在开放互联阶段，从不同网络系统互联、互通角度研究体系结构；在现阶段，则主要从互联网应用的角度研究体系结构（WebService、社交网络、云计算） 体会互联网体系结构、需求和技术相互关系？,第4阶段移动互联网和云计算(2008至今） ？ iphone Appstore Amason出现，进入移动互联网和云计算新时代。,互联网怎样实现异构网络互连？,统一标准层和各自独立嵌套传输。建立标准IP数据报面向统一应用，IP包进入物理网络前，路由器把IP数据报作为完整的
16、帧数据重新封装到一个帧中，这个帧格式符合某个物理网络传送的硬件要求。,互联网分层嵌套和分用,互联网分层架构实现应用层、运输层、网际层、数据链路层的独立，大大简化设备和应用设计开发。,其他主干网,其他主干网,WESTNET,因特网实际架构、选路协议和算法,NSFNET主干网,ISP1区域网,BARRNET,小公司,UA,对等汇接中心,大公司,内部网关协议IGP 主要有RIP、OSFP等，外部网关协议目前常用是BGP等,广域网MPLS技术发展,IP数据包转发具有路由多向性和路径动态灵活性，但路由表查询的寻址机制速度慢，MPLS主要目的是将第三层的智能、灵活和可扩展性与第二层交换的硬件化处理、流量控
17、制和质量保证等优点结合。,在IP应用快速发展（特别是话音、视频），IP核心骨干带宽需求快速增长，IP骨干路由器面临速度局限。,2.3、网络应用发展,C/S模式提出、B/S模式形成和SIP协议,交互过程冲突？,网络环境中的信息交互和协调？,在网络环境下，位于不同主机中的两个进程之间的通信和协调工作，两方怎样协调地通信：谁发谁收、信息什么时候发。 （试比较人的电话通信协调）,传统计算机API推广到网络通信交互，而不需要处理网络的细节，是网络应用发展的一大进步。,API体现了现代网络又一个重要思想应用程序与网络“一体”又“分离”。,一体：把网络通信对上抽象API成为计算机OS体系组成部分，网络API
18、定义与设计已成为所有处理网络应用与网络通信底层接口的实际方法，在3G/4G，NGN网络中最大标准组就是解决其API的问题。,分离：实现高效、简捷API，就意味着实现应用与网络通信底层“分离”，就可不关心通信实现的细节，大大降低了网络应用开发难度，促进应用发展。,网络应用程序怎样和网络协议接口？, 互联网应用经过信息共享、Web/浏览器基本阶段，逐渐形成以Web Service、P2P网络分布计算与应用框架为主流的协同计算/业务阶段。, 从独立业务系统，向一体化业务发展。多部门业务协同，如数字化校园；到行业/政府服务一体化协同服务，如联合审批、龙头和配套企业、专业和行业一体化协同。,移动互联网与
19、智能终端融合计算。 IaaS计算资源、存储资源、网络资源的虚拟化、动态调配和统一管理，SaaS网络业务、应用和服务标准化， PaaS应用服务开发和运行开放支撑 。,早期网络应用（FTP/EMAIL/Web)独自定义建立了严格、完整的应用（从终端界面、应用协议等）。,网络应用开发技术形成和发展,网络应用迅速发展推动基于Web协议的标准化开发技术，Web Service架构和核心技术标准，以及J2EE和.NET产品化推广，开创了网络WS标准和组件化结构的网络应用软件体系结构，API、组件和脚本。,网络业务同时正在向P2P、BT，实时多媒体应用领域发展，IPPhone，IPTV，多媒体实时交互。,云
20、计算应用,互联网应用发展,物联网应用,多媒体应用,E-mail ，FTP 信息交互,静态网页信息发布,动态网页信息发布,网上营销,电子商务/政务,综合业务应用,信息交互,互联网不仅是计算机互连技术，还是全球统一应用互联体系,协同电子商务/政务,三、现代网络科技发展趋势,1、传统电信网络与计算机网络深刻融合，不断产生新技术、设备服务商,传统电信网络以对称话音业务为基础的传输与交换技术向IP为基础新网络转化。IP over Everything；,电信设备与计算机设备厂家、技术与产品融合，MSTP、MSPP、MPLS、DPR、RPR,计算机LAN和互联网从企业网、科研网向公众运营网转化。硬件交换、
21、QoS、可运营性、可管理性；,全新的华为：云管端，传统末路：北电、马可尼、朗讯、摩托罗拉,IP支撑网络技术的演进路线,基于IP 各类应用技术,路由器,2、因特网协同计算和应用体系发展。, 互联网应用从信息交互共享与Web静态浏览器基本阶段，逐渐形成以Web Service、P2P网络分布计算与应用框架为主流的协同计算/业务阶段。,主流网络应用发展：搜索、社交网络、商务、LBS,面向SOA服务体系，一体化电子政务，统一平台（统一基础平台、资源数据库/数据标准、应用支撑平台、统一安全体系、门户），数据交换，多层工作流等。,网格计算和云计算，网络资源紧密共享利用、虚拟化、协同（分布）计算，协同计算为
22、基础的向上提供标准化的应用 。,云计算服务,云音乐,云打印,云存储,云旅游,云导航,车联网,飞行器联网,3、网络快速发展辅助问题成为热点, 网络安全：从单点、单层、附加和被动，基于边界和规则的安全机制；向基于可信计算、一体化主动防御的，基于全面和行为的安全网络发展。, 网络运维管理：从设备独立管理，向全面的OSS、BSS建设是方向，ITSM标准和运维体系。, 系统集成：综合布线、规划与设计、组网和配置、网络测试与优化，集群计算、网络存储、数据/系统与应用软件一体化集成。,随新应用出现和丰富,更高的质量需求(QoS、用户可管理、安全可保障）不断提出。,高速LAN、 IPV6、3G/4G、WiFi
23、/WiMax的下一代融合网络；并形成全新移动互联网服务和融合服务。,互联网体系结构的不足和局限性日渐凸现,:旧互联网体系结构与发展的应用需求矛盾，网络透明性的消失、路由器越来越复杂、信任基础逐渐丧失、脆弱互联网等。,斯蒂夫.乔布斯（苹果）、马克.贝尼奥夫（saleforce)的预言：基于云、移动的计算体系就是宣告PC桌面互联网终结？IBMHPDELL PC转型。,4、互联网基础体系的演变,互联网不断自我完善？流交换/路由、可信计算、新运营模式还是加快向IPV6过渡？全新计算网络？,5 物联网发展,人联网，到物联网（Internet of Things ）。2009奥巴马正式提出物联网， “物联
24、网”是在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换、通信和处理服务。 更大、更广泛网络和应用。,物联网（早期传感网）：通过标识（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。核心技术：标识-感知-信息传送-处理。,物联网技术架构,通信网、3G/4G、LAN/WLAN、互联网、NGN与IPV6、自组织/主动/超宽带网络、存储网络与备份,6、网络知识的工程体系（不含数据通信）,网络技术,综合布线、网络规划与设计组网和配置、网络测试与优化网络计算环境
25、,网络安全/管理,网络工程,防火墙/IDS/IPS/UTM、可信计算、安全评估、防病毒、主动防御;OSS运行支撑管理、BSS业务支撑管理、 ITSM，ITIL,信息交互、搜索、即时通信、电商； SOA架构，协同/分布式计算（WS、P2P、Grip、云计算)，知识表达和推理， NGN业务支撑环境。,网络应用,局域网交换技术局域网L3和L4交换虚拟局域网VLAN无线局域网云计算的网络技术,关于本课程的主要内容体系,现代以太网,网络安全概论网络性能和服务质量网络管理概论,网络计算和应用,网络安全与管理,网络应用体系和技术发展的网络应用网络应用开发技术云计算技术和发展移动互联网,因特网协议体系广域网M
26、PLS技术IP承载网技术IPV6 技术,现代路由,关于教学参考书,现代网络技术教程(2版) 张公忠,2004,电子工业出版社计算机网络和因特网(4、5版) Douglas E. Comer 林生、范冰冰等译，机械工业出版社 2009计算机网络高级教程 吴功宜 清华大学出版社 2007.10计算机网络系统方法(3版) Larry L.Peterson机械工业出版社 2005TCP/IP指南（券1底层核心协议），（券2应用层协议）Charles M.Kozierok，陈鸣译 2008,人民邮电出版社云计算和大数据时代网络技术揭秘，徐立冰 2013，人民邮电出版社自编新教材？,关于教学方法,学习、思
27、考和交互学习，教学改革。怎样增进独立思考习惯？学生分组3个左右？课时60学时，授课时间：共15周；讲授和讨论（课堂讲授一半时间，课堂讨论或分组讨论一半时间）12-13周；主体分单元讲课（提纲与快捷，约26课时）、交流讨论（课内、或专门讨论课，约26课时）分组专题报告3-4周（12-16课时）。,关于课程考核,学习、思考和交互学习，教学改革。每次抽查8-10学生（5分钟/人）讨论发言或分组举行报告，讨论发言内容包括上次课或本单元相关内容。通过分组专题研究报告形式完成，最后4周组织学生进行报告交流。每组提交报告作业。课程成绩：专题报告40%+课程讨论60%（每次计分）。,关于课程网站,http:/
28、211.66.96.5:8080/SaaSWebCourses/channel/142.jspx （华师内网）阅读了解课程内容和相关资料阅读下载课件，我的空间中提交作业交流学习文章和参考资料怎样完善和更好利用平台，大家努力！,谢谢！,什么是网络、网络组成元素，什么是网络协议和算法计算机网络涉及的5大主要方面。电路交换、分组交换和IP分组交换TCP/IP怎样解决异构网络互联？互联网、以太网、Intranat、ExtranetTCP/IP怎样解决IP包可靠交付实现网络通信和网络应用一体化的途径什么是连接，连接与呼叫控制、连接和预留资源流模式和报文模式，端到端、点对点通信协议栈分层，互联网分层结构，各层协议分布。怎样理解互联网体系结构、需求和技术演变？TCP/IP协议体系组成，分层与交互，协议嵌套和分用网络应用发展过程和未来展望怎样理解网络体系结构的演变？,第一章 作业思考,
