1、计算机网络,第1章 计算机网络和因特网,2018年3月4日,2,目 录,什么是因特网网络边缘网络核心接入网和物理媒体ISP和因特网主干分组交换网络中的时延和分组丢失协议层次和它们的服务模型计算机网络和因特网的历史,什么是因特网？,2018年3月4日,4,1.1 什么是因特网,视角1因特网的构成,本地ISP,公司网络,区域ISP,分组交换机,工作站,移动通信设备,硬件方面,连接在因特网上的数以百万计的互连计算机设备: 主机 = 端系统,连接因特网上各种设备的通信链路光纤，铜缆，无线电，人造卫星传输速率 = 带宽,转发数据的分组交换机: 转发分组 (数据块)链路层交换机路由器,2018年3月4日,
2、5,1.1 什么是因特网,在因特网上运行的网络应用程序,视角1因特网的构成,软件方面,协议：控制报文的发送接收的一组规范例如：TCP, IP, HTTP, FTP, PPP,什么是协议呢？,2018年3月4日,6,1.1 什么是因特网,人类之间交流协议汉语英语法语,计算机之间交流的协议,什么是协议,同步,语法,语义,2018年3月4日,7,1.1 什么是因特网,视角2因特网能够提供的服务,因特网能提供什么样的服务呢？,为应用程序提供的通信服务,可靠的面向连接服务先行握手，建立连接确认和重传确保可靠数据传送流控制确保发送方不会过快的发送过量的分组而淹没接收方拥塞控制试图防止因特网进入迟滞状态,不
3、可靠的无连接服务,更深入的研究计算机网络,从网络边缘开始,2018年3月4日,9,1.2 网络边缘,网络结构深入研究网络边缘: 应用程序和主机网络核心: 目标：在各个不同的小网 络之间转发数据路由器网络的网络接入网：通信链路,2018年3月4日,10,1.2 网络边缘,网络边缘的构成,端系统（主机）运行应用程序，如：IE、Foxmail等,2018年3月4日,11,1.2 网络边缘,网络应用的通信模型,对等模型（P2P）所有的主机同时承担服务器和客户机的双重身份,客户/服务器模型（C/S）客户：使用服务者服务器：提供服务者,2018年3月4日,12,1.3 网络核心,基本功能将数据从一个端系统
4、传递到另外一个端系统。,怎样构建提供这样功能的网络核心呢？,2018年3月4日,13,1.3 网络核心,两种不同的方法构建网络核心,电路交换技术,分组交换技术,2018年3月4日,14,1.3 网络核心,第一代计算机网络电路交换网络,1. 拨号，等待接通,1. 建立连接,2. 通话,2. 交换数据,3. 挂机,3. 释放连接,打电话过程,数据交换过程,物理通路,#￥%&,资源独占,几乎不产生延迟,2018年3月4日,15,1.3 网络核心,连接建立成功之后，独占资源。,优：没有延迟,如何解决这个问题呢？,第一代计算机网络电路交换网络,2018年3月4日,16,1.3 网络核心,电路交换中的资源
5、复用（1）,时分复用（TDM）,频率,时间,2018年3月4日,17,1.3 网络核心,电路交换中的资源复用（2）,频分复用（FDM）,频率,时间,2018年3月4日,18,1.3 网络核心,第一代计算机网络电路交换网络,结论：电路交换技术不适合于计算机间的数据交换。,存在的问题,计算机之间的数据交换往往具有突发性和间歇性特征。而对电路交换而言，连接管理、资源独占消耗太多资源。,不够灵活。只要在通话双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对紧急和重要通信是很不利的。,2018年3月4日,19,1.3 网络核心,针对电路交换技术的问题，,分组交换技术应运而生！,它如何解
6、决电路交换技术的问题呢？,2018年3月4日,20,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络解决问题,连接,预约资源,建立物理通路,数据错误,寻址问题,分组交换核心存储转发,2018年3月4日,21,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络分组交换的工作流程,(1) 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,11010001101010101101010111000100110,2018年3月4日,22,1.3 网络核心,(2) 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”,数 据,数 据,数 据,首部,首部,首部,第二代计算机网络分组交换网络分组
7、交换的工作流程,2018年3月4日,23,1.3 网络核心,(3) 分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次发送。,第二代计算机网络分组交换网络分组交换的工作流程,2018年3月4日,24,1.3 网络核心,(4) 接收端收到分组后剥去首部还原成报文,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,第二代计算机网络分组交换网络分组交换的工作流程,2018年3月4日,25,1.3 网络核心,(5) 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文,数 据,数 据,数 据,第二代计算机网络分组交换网络分组交换的工作流程,网络中间的交换节点做了些什么呢？,2018年3月4日,26,1.3 网络核
8、心,第二代计算机网络分组交换网络,首部,包含地址等控制信息,存储转发, 接收并存储一个完整的分组,分析首部，获取地址等控制信息, 依据地址信息，确定路径转发,2018年3月4日,27,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,2018年3月4日,28,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存
9、查找转发表找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,2018年3月4日,29,1.3 网络核心,分组交换 VS 电路交换（1）假设：1Mbps的链路，每个用户需要100kbps1个用户活跃的概率为0.1,在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户,电路交换：仅支持10个用户（1Mbps/100kbps）,分组交换：35个用户条件下，11个及以上用户同时活动的概率为0.0004，即10个及10个以内用户同时活跃的概率为0.9996，基本上与电路交换性能相当,2018年3月4日,30,1.3 网络
10、核心,电路交换：该活跃用户获得100Kbps的速率,当用户数较少时，分组交换能够获得比电路交换更好的性能,分组交换 VS 电路交换（2）假设：1Mbps的链路，每个用户速率没有限制当仅有1个用户活跃时,分组交换：该活跃用户获得1Mbps的速率,2018年3月4日,31,1.3 网络核心,分组交换网络存在的问题,分组交换 VS 电路交换（3）,分组在各结点存储转发时因要排队总会造成一定的时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大,各分组必须携带一定的控制信息（说明信息），从而带来额外开销,整个分组交换网的管理和控制比较复杂,2018年3月4日,32,1.3 网络核心,网络分类,分组交换网络,虚
11、电路网络,数据报网络,数据报网络 分组内的目的地址决定下一跳在会话过程中路由可能改变路由器无需维持状态,虚电路网络 在建立连接时决定路径，并在整个连接过程中保持不变每个分组携带一个标识（虚电路号），该标识决定下一跳路由器保持每个呼叫连接的状态,2018年3月4日,33,1.3 网络核心,网络分类,电信网络,2018年3月4日,34,1.4 接入网和物理媒体,接入网的作用将网络边缘与网络核心连接起来，通常是将端系统连接到边缘路由器上边缘路由器：端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器接入的方式Modem拨号/ADSL拨号/HFC局域网接入：以太网无线接入,2018年3月4日,35,1.4
12、 接入网和物理媒体,接入网连接网络边缘和网络核心,住宅接入：将家庭端系统与 网络相连,公司接入：将机构端系统与 网络相连,无线接入：将移动端系统与 网络相连,2018年3月4日,36,1.4 接入网和物理媒体,Modem拨号通过本地电话回路点对点连接ISP的拨号池（通常是路由器）速度最高可达56kbps无法实现在上网的同时拨打电话,家庭接入（1）,ADSL：不对称数字用户线下行/上行速率最高可达8Mbps/1Mbps频分复用:0kHz4kHz：语音4kHz50kHz：上行 50kHz1MHz：下行带宽独享,2018年3月4日,37,1.4 接入网和物理媒体,HFC ：光纤同轴电缆混合网络下行/
13、上行速率最高可达40Mbps/10Mbps通过有线电视网络部署带宽共享,家庭接入（2）,2018年3月4日,38,1.4 接入网和物理媒体,HFC：光纤同轴电缆混合网络,2018年3月4日,39,1.4 接入网和物理媒体,HFC：光纤同轴电缆混合网络,家庭,电缆头端,电缆分配网络（简化）,典型的有 500到5,000个家庭,频分复用:,2018年3月4日,40,1.4 接入网和物理媒体,使用局域网 (LAN)连接端系统与边缘路由器,公司接入,通过共享或专用的链路连接端系统和路由器10 Mbs, 100Mbps, Gigabit以太网,以太网,详见第五章,2018年3月4日,41,1.4 接入网
14、和物理媒体,无线局域网:802.11b (WiFi): 11 Mbps,无线接入,广域无线接入WAP GPRS CDMACDMA2000 WCDMA TD-SCDMA,2018年3月4日,42,1.4 接入网和物理媒体,物理媒体分类,导引型媒体：信号沿着固体媒体被导引,非导引型媒体：信号自由传播,2018年3月4日,43,1.4 接入网和物理媒体,导引型媒体双绞线,双绞线：两根互相绞合的绝缘铜导线3类线：传统的电话线， 10 Mbps 以太网5类线：100Mbps 以太网,2018年3月4日,44,1.4 接入网和物理媒体,导引型媒体同轴电缆,同轴电缆50：基带同轴电缆，以10Mbps速率将基
15、带数字信号传送1Km的距离75：宽带同轴电缆，采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆,2018年3月4日,45,1.4 接入网和物理媒体,导引型媒体光纤,光纤多模光纤：光以全反射的方式在光线中传播。传输距离短、误码率高；但使用普通光源，成本低。单模光纤：光沿着光纤直线传播。传输距离远、误码率低；但必须使用激光光源，成本高。,2018年3月4日,46,1.4 接入网和物理媒体,通过电磁频谱传播信号,地面微波：可达45 Mbps,非导引型媒体无线电波,特性,没有物理“线路”,传播受环境影响: 反射、干扰、障碍物、多径传播,类型,无线局域网：2/11/54/300Mbps,无线广域网：如3G,卫星：
16、50Mbps、270 毫秒延迟、同步卫星、低纬度卫星,2018年3月4日,47,1.5 ISP和因特网主干,因特网的分层ISP等级结构,处于该结构最顶层的结构被称为 “第一层” ISP，也被称为因特网主干网络,2018年3月4日,48,1.5 ISP和因特网主干,“第二层” ISP是它所连接的第一层ISP的客户,因特网的分层ISP等级结构,2018年3月4日,49,1.5 ISP和因特网主干,本地和第三层是上层ISPs的客户，通过它们连到因特网其它区域,“第三层” ISP是端系统接入网络的最后一跳,因特网的分层ISP等级结构,2018年3月4日,50,1.5 ISP和因特网主干,Tier 1
17、ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,因特网的分层ISP等级结构,2018年3月4日,51,回顾1.3节，分组交换技术与电路交换交换技术相比有两个劣势：,延迟,数据丢失,什么原因导致延迟和数据丢失呢？,2018年3月4日,52,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,数据丢失和产生时延的原因,分组在交换设备中的处理流程,2018年3月4日,53,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,四种分组时延（1）,节点处理时延dproc检测比特差错确定输出链路,排队时延dqueue在输出链路中等待被发送取决于路由器的拥塞程度,传输时延dtransR=链路带宽 (bps)、L=分组长度 (b
18、its)将分组比特流发送到链路上的时间 = L/R,2018年3月4日,54,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,四种分组时延（2）,传播时延dpropd = 物理链路的长度s = 媒体中的传播速度 (2x108 米/秒)传播时延= d/s,2018年3月4日,55,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,节点时延,dproc 一般为几个毫秒或更短,dqueue 依赖于拥塞情况,dtrans = L/R, 对于低速链路来说很重要,dprop 几个毫秒到数百毫秒,2018年3月4日,56,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,排队时延（再次讨论）,假定R=链路带宽 (bps)L=分组长度
19、(bits)a=平均分组到达速率,流量强度：La/R,La/R=, 0: 平均排队时延很小，甚至为0, 1: 平均时延较大，且随时间推延而趋于无穷!,2018年3月4日,57,1.6 分组交换网络中的时延和分组丢失,分组丢失的原因和采取的措施,缓存中队列的容量是有限的，当分组到达时队列已满，则分组被丢弃 (丢失),丢失的分组可能会被前一个节点、源端系统重新传输，或者根本不重传,2018年3月4日,58,通过简单的介绍，我们发现一个现实：计算机网络是一个非常复杂的系统。,如何将复杂的网络依据一定的规则组织成有序结构?,1.7 协议层次和服务模型,层次通信的一个例子哲学家聊天,1.7 协议层次和服
20、务模型,层次通信的一个例子哲学家聊天,对等层通信,协议规范了处于同一个对等层上的不同通信实体的通信行为,1.7 协议层次和服务模型,层次通信的一个例子哲学家聊天,通过刚才的演示我们发现：,上层通过调用下层提供的服务，并加上自己的处理来对更上层提供承诺的服务。,只要保证对上/下层的服务接口以及服务承诺不变，如何实现这些服务对上下层透明。,2018年3月4日,62,1.7 协议层次和服务模型,协议和服务的关系,2018年3月4日,63,1.7 协议层次和服务模型,因特网的协议栈,应用层: 支持网络应用FTP, SMTP, STTP,运输层: 主机间的数据传输TCP, UDP,网络层:将数据报从源端
21、传送到目的端IP, 路由协议,链路层: 数据在网络相邻结点之间传输PPP, 以太网,物理层: 在线路上传输比特流,2018年3月4日,64,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,2018年3月4日,65,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,
22、10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的第1层收到比特流后交给第2层,2018年3月4日,66,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,第2层剥去首部和尾部后把数据部分交给第3层,H2,T2,2018年3月4日,67,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,H3,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,第3层剥去首部后把数据部分交给第4层,2018年3月4日,68,1.7 协议层次和服务模型,计
23、算机网络体系结构中数据的流动,H4,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,第4层剥去首部后把数据部分交给第5层,2018年3月4日,69,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,第5层剥去 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程,2018年3月4日,70,1.7 协议层次和服务模型,计算机网络体系结构中数据的流动,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到
24、了 AP1 发来的应用程序数据！,2018年3月4日,71,1.7 协议层次和服务模型,封装,报文,报文段,数据报,帧,源,应用层运输层网络层链路层物理层,目的地,应用层运输层网络层链路层物理层,路由器,交换机,2018年3月4日,72,总结,本章覆盖了大量的内容因特网概述什么是协议网络边缘，核心，接入分组交换与电路交换因特网/ISP 结构性能：丢失，时延分层和服务模型历史,现在你已经： 对网络有了初步的认识和“感觉”接下来的课程将在内容上更加深入，并会涉及到更多的细节,第1章 计算机网络与因特网，总结,2018年3月4日,73,课后思考题,复习题 1、3、4、5、11、19、20、23、25习 题 1、9、13、14、18-21、24讨论题 2、10,2018年3月4日,74,作业题,习题 1、9、13、14、18、24,
