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1、第一章 计算机网络回顾,计算机网络的历史和新进展计算机网络体系结构,Part 计算机网络技术的历史和新进展,关于计算机网络的三个命题,高速计算机网络是信息社会的神经和血管体系结构：网络的骨架和神经协议：网络的心脏和血液,主要内容,网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾,什么是网络-从端系统的角度看,网络提供的服务:信息传递信鸽、烽火、信使、卡车、电报、电话、Internet类比运输服务：物体的传递马、火车、卡车和飞机不同的网络以什么为区分所提供的服务服务以什么为区分延迟、带宽、丢失率、端节点数目、服务接口、可靠性,单播/多播，实时，消息/字节流,什么是网络-从网络核心
2、的角度看,电子、光子等作为传输介质链路：光纤、电缆和卫星交换节点：机械/电/光协议:TCP/IP,ATM,MPLS,SONET,Ethernet,PPP,X.25,FrameRelay,AppleTalk,IPX,SNA功能:路由，差错控制、拥塞控制、服务质量(QoS)应用：FTP、HTTP、X windows,网络类型,空间距离局域网(LAN):以太网、令牌环、FDDI城域网(MAN):DQDB,SMDS广域网(WAN):X.25,ATM,frame relay信息类型数据网络 vs.通信网络应用类型专用网络：飞机订票网，银行网，信用卡网，电话网通用网络：Internet,网络类型,使用权私
3、有：企业网公用：电话网、Internet协议的所有权私有:SNA开放:IP技术地面 vs.卫星有线 vs.无线协议IP,AppleTalk,SNA,计算机网络发展历史,计算机网络的形成多终端系统1970年代的计算机网络X.25 分组交换网：各国的电信部门建设运行各种专用的网络体系结构：SNA，DNAInternet 的前身ARPANET进行实验运行1980年代的计算机网络标准化计算机网络体系结构：OSI局域网络 LAN 技术空前发展建成NSFNET，Internet 初具规模,计算机网络发展历史,1990年代的计算机网络Internet空前发展Web技术在Internet/Intranet 得
4、到广泛应用2000年代的计算机网络IPv6网络快速发展移动技术发展迅速下一代互联网研究受到普遍重视,Internet发展历史,1969年，ARPANET产生1970年代，作为研究项目，带宽56kbps，连接计算机不超过100台。1979年，TCP/IP成熟198083，APPANet和MILNET分开，ARPANET采用TCP/IP协议1983年，BSD UNIX内含TCP/IP198586，NSF开始建设NSFNET，作为骨干网连接6个超级计算机中心，带宽1.544Mbps，连接10,000台计算机,Internet发展历史,198790，连接地区网络，NSI，ESNET，DARTnet，T
5、WBNet，计算机数量超过10万台199092，NSFNET发展到45兆带宽，连接16个地区网络1994年，NSF骨干网解体，出现多个商用骨干网今天：Internet骨干网的速率达到2.5/10Gbps，连接150多个国家的上千万台计算机2004.1，全球主要学术网宣布开通IPv6服务,中国计算机网络的发展历史,1970年代末开始1980年代局域网OSI网络体系结构低速广域网（电话线）1990年代局域网Novell,TCP/IPX.25广域网及其应用国民经济信息化高潮的到来，“金”字工程互联网Internet在中国开始大规模发展 2000推动以IPv6为基础的下一代互联网,Internet在中
6、国的发展,1988年，中国第一个电子邮件发到Internet1990 1993，通过 X.25与国际连网，Tunet1994年，中科院高能所，64K，日本1995年，CERNET,128K,Sprint；Chinanet,64K+64K,Sprint1996年，ChinaGBN,64K,Sprint1997.12，用户74万1998.12，用户达到200万2003.6，用户达到6800万2005.6，用户达到10300万,主要内容,网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾,Internet,全球范围、通用、异构的公用计算机网络Internet协议开放的标准:Intern
7、et Engineering Task Force(IETF)负责标准的制订维护和协调是其他类型网络的技术基础企业内部网（Intranet）由研究机构开发,Internet的增长,Internet上的主机数:Aug.1981 213Oct.1984 1,024Dec.1987 28,174 Oct.1990 313,000 Oct.1993 2,056,000Apr.1995 5,706,000Jul.1997 19,540,000Jul.2000 93,047,785,最近的增长(1991-2000),Internet 发展规模和趋势,Internet的发展速度是历史上发展最快的一种技术以商
8、业化后达到 5000 万用户为例电视用了13年，收音机用了38年，电话更长Internet 从商业化后达到 5000 万用户用了4 年时间Internet 正在以超过摩尔定理的速度发展,网络时代的三大基本定律,摩尔定律: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：超摩尔定律，骨干网带宽9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,网络带宽与CPU性能,光纤容量,高水平大容量光纤传输试验系统,数据流量超过话音
9、,0,RelativeCapacity(%),Voice,Data,Source:MCI(Vint Cerf),International data traffic already exceeds international voice from Australia and Scandinavia.,数据中绝大部分是IP数据,2000,1998,1996,All Other,IPX,TCP/IP,Traffic Ratios,Source:Gartner 1997,100%,90%,80%,70%,60%,50%,40%,30%,20%,10%,0%,Internet上的信息趋于交互,Rela
10、tive UserPopulation,8%,17%,39%,27%,7%,2%,13%,18%,23%,23%,16%,7%,14%,17%,12%,15%,28%,14%,To Transactional Pages(Red)andAudio/Video Content(Purple),100%,80%,60%,40%,20%,0%,2000,1998,1996,Source:The Yankee Group,1996,应用促进网络发展,Simple Video,Multimedia,Browsing,PCM Voice,IP,PCS,E-Mail,File Transfer,Paging
11、,Video Conferencing,MPEG1 NTSC Video,Telnet,VoIP,ISDN,Frame Relay,ATM/POS,T3/E3,T1/E1,New Modem,Wireless WAN,Old Modem,.004,.0192,.0288,.128,1.5,3,155,Mb/s,Minimum Bandwidth for Application per User,Virtual Reality,Medical Imaging,Data/Voice/Video 三网融合,高速信息网络的发展方向：通信与计算聚合,通信和计算技术的聚合改变了各自的原有特征高速信息网络体
12、系结构的发展趋势分层结构；分布控制、管理和安全机制分层结构应用（Application）服务（Service）基础设施（Infrastructure）,下一代互联网的技术体系结构,协议层次扁平化,ATM,SDH/SONET,IP,Optical,B-ISDN,IP over ATM,IP over SDH/SONET,IP over Optical,Long-Term Winners,IP,ATM,Optical,IP,SDH/SONET,Optical,IP,Optical,Multiplexing,Protection,and Management at Every Layer.,Elim
13、inating Layers Lowers Costs.,Internet标准化组织,Internet Engineering Task Force（IETF）：IETF负责Internet协议的研发和改进。IETF被分为很多个工作组（working groups），他们提交的文档称为RFC（Request For Comments）。IRTF（Internet Research Task Force）：IRTF由一些专注于某个领域长期发展的研究小组组成。Internet Architecture Board（IAB）：IAB负责定义Internet的整体框架，为IETF提供大方向上的指导。T
14、he Internet Engineering Steering Group（IESG）：IESG在技术方面管理IETF的活动，负责Internet标准的制定过程。,Internet标准的制定过程,所有的标准以RFC的形式发布出来，可以从免费获得。但不是所有的RFC都是Internet标准。标准形成的一般步骤是：Internet DraftsRFCsProposed StandardDraft Standard（需要两个可以工作的实现）Internet Standard（由IAB发布）David Clark,MIT,1992:We reject:kings,presidents,and vot
15、ing.We believe in:rough consensus and running code.”,Internet提供的服务,计算资源的共享访问：telnet（1970s）数据和文件的共享访问：FTP，NFS（1980s）人们互相通讯的媒介：email(1980s),网上聊天室,即时消息（1990s）语音和视频（1990s）取代电话？信息分发的媒介USENET（1980s）WWW(1990s)取代报纸、杂志？语音和视频（1990s）取代电视、CD、电影？,与网络有关的工业界,电话公司拥有传输线路和接入线路，大量的客户有线电视公司拥有接入线路无线/卫星公司通讯线路电力、铁路公司有能力铺设
16、线路,与网络有关的工业界,媒体公司可以提供内容ISP，Internet服务提供商设备制造商交换机/路由器，芯片，光纤，计算机软件公司,Internet 物理结构,Backbone,ISP,ISP,Residential AccessModemDSLCable modemSatelliteLAN,Enterprise/ISP access,Backbone transmissionT1/T3,DS-1 DS-3OC-3,OC-12ATM vs.SONET,vs.WDM,Campus networkEthernet,ATM,长距离传输链路,Types of linksT1/DS1:1.544 Mb
17、psT3/DS3:44.736 MbpsSTS-1/OC-1:51.850 MbpsSTS-3/OC-3:155.2 MbpsSTS-12/OC-12:622.080 MbpsSTS-48/OC-48:2.488 GbpsSTS-192/OC-192:9.953 GbpsHigher levels of services offered commerciallyFrame RelayATM,PossibilitiesIP over SDH/SONET IP over ATMIP over Frame RelayIP over WDM,Internet的主要技术特点,分层的分布式结构无连接的分组
18、交换技术网络互连协议IP（IP over everything）路由器加专线技术可扩展的路由技术端到端的网络连接技术层次结构的域名、网络管理技术通用的应用技术,Internet 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：NFS：MCI、IBMvBNS：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,Research and,Development,Commercialization,Partnerships,Pr
19、ivatization,NSFNET,Internet2,Abilene,vBNS,Advanced US Govt Networks,ARPAnet,gigabit,testbeds,Active,Nets,wireless,WDM,SprintLink,InternetMCI,US Govt,Networks,ANS,Interoperable,High Performance,Research&Education,Networks,21st Century,Networking,Quality of Service,(QoS),主要内容,网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络
20、技术的历史回顾,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,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,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,Baran的设计细节,
21、分布式系统所有交换节点是平等的避免了单一节点失效问题部件可以失效，但系统不可以系统的健壮性来自于足够的物理（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,鲜为人知的故事.,当时很多电信界的人认为Baran的设计是完全荒谬的。“they kicked,screamed,grumbled,and worse.Their response tended to be emotional
22、,often with anger,rarely with humor”“outsiders could not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network”,两种实现可靠系统的思路,电话系统 笨终端，聪明的网络 确保每个网络部件都是可靠的 系统可靠性部件可靠性 通过局部冗余实现部件的高可靠性 期望每个部件都能正常工作，部件失败的可能性很低 需要人工配置的，高度控制的网络 Baran的系统 建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统 自适应的系统 聪明的终端，可以修正传输错误,Baran
23、设计思想的一种实现:the Internet,连接异构的子网，提供两种基本功能 全球唯一的地址 报文通过动态路由从源节点发送到目的节点 特性:simple,flexible,scalable,and robust,IPs view of the world,分组交换的特点：简单性,每个报文携带各自的地址信息 一个路由表可以为所有的流量服务 可以适应爆炸性的增长 越简单越不容易出错 越简单越容易增长 对基本网络功能的要求少，可以在其上建立多种类型的网络,分组交换的特点：灵活性,可以在各种底层物理网络上运行 Ethernet,FDDI,Frame Relay,ATM,SONET,DWDM 可以支持
24、各种类型应用 telnet,ftp,email,多媒体,web,电子商务What will the future bring?The best bet would be to stay flexible,分组交换的特点：可扩展性,可扩展的系统必须能对付端系统的增加 流量的增加 网络规模的增长 大的路由表 路由频繁的变化 With IP,“the network knows nothing about individual end applications;end applications know nothing about network internals”Van Jacobsonmade
25、 it possible to aggregate routing table entries according to scaling need,分组交换的特点：健壮性,动态路由具有自适应的特性动态路由和报文转发相辅相成周期性路由更新默认:现有的部件会失效，会有新的部件加入，认为变化是正常的牺牲一定的带宽的利用率，提高健壮性(报文头开销，更新开销),今天的Internet,与30年前相比 规模更大 用户更多 功能更多，更有价值 但是，健壮性、适应性和互联程度都下降了.地址空间趋于耗尽 越来越多的用户通过NAT访问网络,NAT:a feature or a problem?,NAT解决了地址耗
26、尽的问题，并且增强了安全性和控制性 NAT打破了许多协议和应用基于IP地址全球唯一的假设无法支持peer to peer的应用。端到端的报文传输路径变成多个NAT域的级联，相当于虚电路,NAT:a feature or a problem?,NAT导致随着时间推移，Internet原有结构遭到破坏为了恢复Internet原有结构，必须过渡到IPv6解决地址短缺的问题为什么IPv6还未大规模使用，一些反对者的说法NAT喜好者:NAT比过渡到IPv6便宜而且容易地址不会这么快耗尽，至少可以支撑到2010，甚至2020年,How Soon?,IPv4地址何时耗尽?NAT可以保证地址永远够用，但是降低整个网络的互通性IPv6的部署宜早不宜迟对于指数增长的网络，问题拖得越久越难解决等两年就意味着问题的难度增长了4倍,小结,基于分组交换的IP结构使网络的持续增长成为可能Internet需要过渡到IPv6以阻止目前网络结构的破坏和保证将来的增长过渡到IPv6将会是困难和昂贵的，需要一个过程,
