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1、计算机网络和因特网概述,1,第1章 计算机网络和因特网概述Computer Networks and the Internet,计算机网络：自顶向下方法 (原书第三版)陈鸣译，机械工业出版社，2005年Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2004.,计算机网络和因特网概述,2,第1章 计算机网络和因特网,我们的目标： 找到“感觉”，学习术语在后面的课程中更深入地学习，更为细致方法:使用因特网
2、作为例子,概述:什么是因特网什么是协议？网络边缘网络核心接入网，物理媒体因特网/ISP结构性能：丢包率，时延协议层次，服务模型网络模型,计算机网络和因特网概述,3,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,4,什么是因特网：“具体细节”观点,数以百万计的互联的计算设备：主机 = 端系统运行网络应用 通信链路光纤，铜缆，无线电，卫星传输速率 = 带宽路由器: 转发分组（数据块）,计算机网络和因特网概述,5,什么是因特网：
3、“具体细节”观点,协议控制报文的发送，接收例如，TCP, IP, HTTP, FTP, PPP因特网：“网络的网络”松散的等级结构公共因特网比较专用互联网因特网标准RFC:请求评论（因特网标准）IETF:因特网工程任务组,计算机网络和因特网概述,6,什么是因特网：服务的观点,通信基础设施使能分布式应用：Web, email, 游戏, 电子商务，文件共享提供给应用通信服务:不可靠无连接可靠的面向连接,计算机网络和因特网概述,7,什么是协议?,人类协议:“几点了?”“我有一个问题”介绍 发送特定的消息 当收到消息或发生其他事件，采取特定的动作,网络协议:及其而不是人类因特网中的所有活动均有协议支配
4、,协议定义了格式，网络实体间发送和接收报文顺序，和传输，收到报文所采取的动作,计算机网络和因特网概述,8,什么是协议?,一个人类协议和一个计算机网络的协议:,问题: 其他人类协议?,Hi,Hi,TCP 连接请求,计算机网络和因特网概述,9,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,10,仔细观察网络结构,网络边缘: 应用与主机网络核心: 路由器网络的网络接入网络，物理媒体: 通信链路,计算机网络和因特网概述,11,网络
5、边缘,端系统 (主机):运行应用程序例如Web, 电子邮件在“网络边缘”客户机/服务器模式：客户机主机请求，从总是开的服务器接收服务例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户机/服务器对等模式:最小限度(或不)使用专用服务器 例如Gnutella, KaZaA,计算机网络和因特网概述,12,网络边缘：面向连接服务,目标: 在端系统之间传送数据握手：事先设置准备数据传送人类协议Hello, 返回hello在两台通信主机中建立“状态”TCP - 传输控制协议因特网的面向连接服务,TCP服务RFC 793可靠的，有序的字节流数据传送丢包: 确认和重传流控制: 发送方不能过载接收方拥塞控制: 当网络拥塞时
6、发送方“降低发送速率”,计算机网络和因特网概述,13,网络边缘：无连接服务,目的: 在端系统之间传送数据与前面相同!UDP - 用户数据报协议RFC 768: 无连接 不可靠的数据传送无流控无拥塞控制,使用TCP的应用：HTTP (Web), FTP (文件传送), Telnet (远程注册), SMTP (电子邮件)使用UDP的应用:流媒体，电信会议，DNS，以太网电话,计算机网络和因特网概述,14,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史
7、,计算机网络和因特网概述,15,网络核心,互联的路由器形成的网孔基本问题: 数据怎样通过网络传送?电路交换: 每呼叫专用的电路：电话网分组交换: 数据通过网络以离散的“块”发送,计算机网络和因特网概述,16,网络核心：电路交换,为“呼叫”预留端到端资源链路带宽，交换机能力专用资源：非共享类电路(确保的)性能需要建立呼叫,计算机网络和因特网概述,17,网络核心：电路交换,网络资源(如带宽) 划分为“片”分配给呼叫片如果未被拥有的呼叫使用则资源片空闲(非共享),将链路带宽划分为“片”频率分割时间分割,计算机网络和因特网概述,18,电路交换: FDM和TDM,计算机网络和因特网概述,19,数字的例子
8、,从主机A到主机B经一个电路交换网络发送一个640,000 比特的文件需要多长时间？所有链路是1.536 Mbps每条链路使用具有24个时隙的TDM创建端到端电路需500 msec将该例子计算出来!,计算机网络和因特网概述,20,网络核心：分组交换,每个端到端数据流划分为分组用户A、B的分组共享网络资源每个分组使用全部链路带宽使用所需的资源,资源争夺： 聚合资源要求能超过可用的量拥塞：分组队列，等待链路使用存储转发：分组一次移动一跳节点在转发前接收完整的分组,计算机网络和因特网概述,21,分组交换：统计复用,A & B分组的序列没有固定的模式 统计复用.在TDM中，每台主机在 循环出现的TDM
9、帧中获得相同的帧。,A,B,C,10 Mbps以太网,1.5 Mbps,统计复用,等待输出链路的分组队列,计算机网络和因特网概述,22,分组交换对比电路交换,1 Mbps链路每个用户: 当“活跃”时100 kbps时间的10% 活跃电路交换: 10用户分组交换 有35个用户，概率 10 活跃小于.0004,分组交换允许更多的用户使用网络!,N 用户,1 Mbps 链路,计算机网络和因特网概述,23,分组交换对比电路交换,对突发数据极为有效资源共享较简单，无呼叫建立过多的拥塞: 分组时延和丢包需要可靠数据传送、拥塞控制的协议问题: 怎样提供类似电路的行为？对音频/视频应用需要带宽保证仍是一个未解
10、决的问题,分组交换是一个“强有力的赢家”？,计算机网络和因特网概述,24,分组交换：存储转发,传输(推出)L个比特到速率为R bps链路上，需要L/R秒 在分组能向下一段链路传输前，整个分组必须到达路由器：存储转发时延 = 3L/R,例子:L = 7.5 MbR = 1.5 Mbps时延 = 15 sec,R,R,R,L,计算机网络和因特网概述,25,分组交换网络：转发,目的: 从源到目的地通过路由器移动分组我们将学习几种路径选择(即选路)算法 (chapter 4)数据报网络: 分组中的目的地址决定下一跳在会话中路由可以变化类比: 驾车，询问方向虚电路网络: 每个分组携带标签(虚电路ID)，
11、标签决定下一跳固定的路径在呼叫建立时决定，在呼叫期间保持不变路由器保持每呼叫状态,计算机网络和因特网概述,26,网络分类,电信网络,数据报网络不是面向连接的，而是无连接的 。 因特网为应用提供了面向连接服务 (TCP) 和无连接服务 (UDP) 。,计算机网络和因特网概述,27,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,28,接入网和物理媒体,问题: 端系统怎样连接到边缘路由器？住宅接入网机关接入网(学校，公司) 移动
12、接入网记住: 接入网的带宽(每秒比特) ？共享或专用？,计算机网络和因特网概述,29,住宅接入：点对点接入,经调制解调器拨号最高达56Kbps直接接入到路由器(经常较少)不能同时上网和打电话：不能“总是在线”,ADSL: 不对称数字用户线最高达1 Mbps 上行 (今天典型地 256 kbps)最高达8 Mbps下行 (今天典型地 1 Mbps)FDM: 50 kHz - 1 MHz 用于下行 4 kHz - 50 kHz 用于下行 0 kHz - 4 kHz用于普通电话,计算机网络和因特网概述,30,住宅接入: 电缆调制解调器,HFC: 混合光纤同轴不对称:最高达30Mbps下行, 2 Mb
13、ps上行电缆和光缆的网络将家庭连江到IPS路由器家庭共享到路由器的接入部署: 可利用电缆电视公司,计算机网络和因特网概述,31,住宅接入: 电缆调制解调器,Diagram: http:/,计算机网络和因特网概述,32,电缆网络体系结构：概述,家庭,电缆头端,电缆分布网络(简化的),通常 500 到5,000 家,计算机网络和因特网概述,33,电缆网络体系结构：概述,家庭,电缆头端,电缆分布网络(简化的),计算机网络和因特网概述,34,电缆网络体系结构：概述,家庭,电缆头端,电缆分布网络(简化的),计算机网络和因特网概述,35,电缆网络体系结构：概述,家庭,电缆头端,电缆分布网络(简化的),FD
14、M:,计算机网络和因特网概述,36,公司接入：局域网,公司/大学局域网 (LAN) 将端系统连接到边缘路由器以太网: 共享或专用链路连接端系统和路由器10 Mbs, 100Mbps, 千兆以太网LAN: 参见第5章,计算机网络和因特网概述,37,无线接入网,共享无线接入网连接端系统到路由器经基站，又称为“接入点”无线LAN:802.11b (WiFi): 11 Mbps广域无线接入由电信公司运营商提供3G 384 kbps何时能实现?在欧洲WAP/GPRS,计算机网络和因特网概述,38,家庭网络,典型的家庭网络组成: ADSL或电缆调制解调器路由器/防火墙/NAT以太网无线接入点,无线接入点,
15、无线便携机,路由器/防火墙,电缆调制解调器,到/来自电缆头端,以太网,计算机网络和因特网概述,39,物理媒体,比特: 在传送器/接收器对间传播物理链路:位于传送器/接收器间的东西导引型媒体: 信息在固体媒体(同轴、光纤、铜线)中传播非导引型媒体: 信息自由传播，例如无线电,双绞线 (TP)两根绝缘铜线3类线: 传统电话线，用于10 Mbps 以太网5类线: 100Mbps 以太网,计算机网络和因特网概述,40,物理媒体：同轴电缆，光纤,同轴电缆:两根同中心的铜导体双向的基带:在电缆上的单一信道传统以太网所用宽带:在电缆上的多个信道 HFC,光纤电缆:承载光脉冲的玻璃纤维，每个脉冲一个比特高速运
16、行:高速点对点传输 (如 5 Gps)低差错率：中继器相隔很远；不受电磁噪声干扰,计算机网络和因特网概述,41,物理媒体：无线电,在电磁频谱中携带信号无物理“导线”双向传播环境效应：反射 物体遮挡干扰,无线电链路类型:陆地微波如高达45 Mbps 信道LAN (如 Wifi)2Mbps, 11Mbps广域 (如蜂窝)如3G: 数百 kbps卫星高达50Mbps 信道(或多个较小信道)270 msec 端到端时延同步对比低轨,计算机网络和因特网概述,42,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中
17、的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,43,因特网结构：网络的网络,大致为登记制在中心: “第一层第一层” ISPs (如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 覆盖国家/国际互相视为对等,第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,计算机网络和因特网概述,44,第一层ISP: 如 Sprint,Sprint美国主干网络,计算机网络和因特网概述,45,因特网结构：网络的网络,“第二层” ISP: 较小的(常为区域的) ISPs与一个或更多的第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连,第一层ISP,第一层 ISP,第一
18、层ISP,计算机网络和因特网概述,46,因特网结构：网络的网络,“Tier-3” ISP和本地ISP 最后一跳(“接入”)网络(最靠近端系统),第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,计算机网络和因特网概述,47,因特网结构：网络的网络,一个分组通过许多网络传输!,第一层 ISP,第一层 ISP,第一层 ISP,计算机网络和因特网概述,48,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,49,丢包和时延是怎样出现的
19、？,分组在路由器缓存中排队 分组到达链路的速率超过输出链路能力分组排队，等待交换,A,B,计算机网络和因特网概述,50,分组时延的4种来源,1. 节点处理: 检查比特差错决定输出链路,2. 排队等待输出链路传输的时间取决于路由器拥塞的等级,计算机网络和因特网概述,51,在分组交换网中的时延,3. 传输时延:R= 链路带宽 (bps)L= 分组长度 (比特)发送比特进入链路的时间= L/R,4. 传播时延:d = 物理链路的长度s = 在媒体中传播的速度 (2x108 m/sec)传播时延 = d/s,注意: s 和R 是极为不同的量！,计算机网络和因特网概述,52,车队的类比,车以100 km
20、/hr 速度“传播” 收费站12 sec服务一辆车(传输时间)车比特；车队分组问题: 在第二个收费站前排起车队需多长时间？,通过收费站向公路“推出”整个车队的时间= 12*10 = 120 sec最后一辆车从第一到第二个收费站传输的时间： 100km/(100km/hr)= 1 hr答案: 62分钟,10辆车的车队,100 km,100 km,计算机网络和因特网概述,53,车队的类比(续),车现在以1000 km/hr “传播” 收费站现在服务一辆车需1分钟问题: 在第一个收费站服务所有车之前，有车到达第二个收费站？,是的! 7分钟后，第一辆车到达第二个收费站，第三辆车仍在第一个收费站。在分组
21、全部在第一个路由器传输之前，该分组的第一个比特能够到达第二个路由器！参见位于AWL Web site 上的 以太网Java小程序。,10辆车的车队,100 km,100 km,计算机网络和因特网概述,54,节点时延,dproc = 处理时延通常几个微秒或更少dqueue = 排队时延取决于拥塞dtrans = 传输时延= L/R, 对低速链路很大dprop = 传播时延几微秒到几百毫秒,计算机网络和因特网概述,55,排队时延 (再次讨论),R= 链路带宽 (bps)L= 分组长度 (比特)a= 平均分组到达速率,流量强度 = La/R,La/R 0: 平均排队时延小La/R - 1: 时延变大
22、La/R 1: 更多“工作”到达，超出了服务能力，平均时延无穷大！,平均排队时延,计算机网络和因特网概述,56,“实际的”因特网时延和路由,“实际的”因特网时延和丢包是怎样的呢？Traceroute程序: 为路由器提供从源到目的地，朝着目的地沿着端到端因特网路径的时延测量。对所有i:发送3个分组，该分组在朝着目的地的路径上到达路由器 i路由器i 将向发送方返回分组发送方度量传输和响应间的时间间隔。,3 探测分组,3 探测分组,3 探测分组,计算机网络和因特网概述,57,“实际的”因特网时延和路由,1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1
23、-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0- (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0- (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 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid
24、.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2- (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater- (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr
25、(195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom- (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms,traceroute: gaia.c
26、s.umass.edu to www.eurecom.fr,Three delay measements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu,* means no reponse (probe lost, router not replying),trans-oceaniclink,计算机网络和因特网概述,58,分组丢失,在链路前缓存中的排队(又称为buffer) 具有有限的能力当分组到达满的队列时，分组被丢弃(又称为lost)丢失的分组可能由前面的节点或由源端系统重传，或根本不重传,计算机网络和因特网概述,59,第1章 要点,1.1 什么
27、是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,60,协议“分层”,网络是复杂的！许多“构件”主机路由器各种媒体的链路应用协议硬件，软件,问题: 是否存在网络的组织结构？或至少用于我们讨论网络？,计算机网络和因特网概述,61,空中旅行的组织机构,一系列步骤,票务（购买）票务（投诉） 行李（托运）行李（认领）登机口（登机）登机口（离机）跑道起飞跑道着陆飞机飞行飞机飞行飞机飞行,计算机网络和因特网概述,62,ticket (purchase)baggag
28、e (check)gates (load)runway (takeoff)airplane routing,离开机场,到达机场,中间空中交通控制中心,airplane routing,airplane routing,ticket (complain)baggage (claimgates (unload)runway (land)airplane routing,票务,行李,门,起飞/着陆,按路线飞行,定期航班功能的分层,层次: 每一层实现一种服务经它自己的层内动作依赖由下面层次提供的服务,计算机网络和因特网概述,63,为什么分层?,处理复杂系统：明确的结构使得能够标识复杂系统构件的关系分层
29、的 参考模型 用于讨论模块化易于维护、系统的更新各层服务实现的改变对于系统的其他部分透明如改变登机过程不影响系统的其他部分分层曾被认为是有害的？,计算机网络和因特网概述,64,因特网协议栈,应用: 支持网络应用FTP, SMTP, STTP运输: 主机到主机数据传输TCP, UDP网络: 从源到目的地数据报的选路IP, 选路协议链路: 在邻近网元之间传输数据PPP, 以太网物理: “在线上”的比特,计算机网络和因特网概述,65,报文,段,数据报,帧,源,应用层运输层层网络层链路层物理层,目的地,应用层运输层层网络层链路层物理层,路由器,交换机,封装,计算机网络和因特网概述,66,第1章 要点,
30、1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4 网络接入和物理媒体1.5 因特网结构和ISP1.6 分组交换网络中的时延和丢包率1.7 协议层次与服务模型1.8 历史,计算机网络和因特网概述,67,因特网历史,1961: Kleinrock 排队表明了分组交换的效能1964: Baran 在军事网络中的分组交换1967:由高级研究项目局 构想的 ARPAnet 1969: 首个ARPAnet 节点运行,1972: ARPAnet对公众演示NCP (网络控制协议) 第一个主机到主机协议第一个电子邮件程序ARPAnet有15个节点,1961-1972: 早期分组交换原则,计算机网络和
31、因特网概述,68,因特网历史,1970: 在夏威夷的ALOHAnet 卫星网络1973: Metcalfes博士论文提出了以太网1974: Cerf 和Kahn：互联网络的体系结构20世纪70年代后期：专用体系结构: DECnet, SNA, XNA20世纪70年代后期： 交换固定长度的分组 (ATM先驱)1979: ARPAnet 具有200个节点,Cerf 的Kahn的网络互联原则：最低限度的，自治的-不需要互联网络改变其内部尽力而为的服务模型无状态路由器分布式控制定义了今天的因特网体系结构,1972-1980: 联网, 新的和专用网络,计算机网络和因特网概述,69,因特网历史,20世纪9
32、0年代：ARPAnet退役1991: NSF为NSFnet的商用设置了限制 (1995退役)20世纪90年代早期: Web超文本 Bush 1945, Nelson 1960sHTML, HTTP: Berners-Lee1994: Mosaic, 以后Netscape20世纪90年代: Web的商业化,20世纪90年代以后：更多的招人喜爱的应用：即时讯息 ，P2P文件共享网络安全成为热点估计5千万台主机，10亿以上用户主干链路的速率在Gbps级,1990, 2000年代: 商业化, Web, 新型应用,计算机网络和因特网概述,70,计算机网络和因特网概述,71,小结,涉及大量的素材!因特网概述什么是协议？网络边缘，核心，接入网分组交换对比电路交换因特网/ISP结构性能：丢包率，时延分层和服务模型历史,你现在已经: 前因后果，概述，“感受”网络后面有更深入的细节,
