第1章 计算机网络与因特网

计算机网络课程第1章计算机网络和因特网目录分组交换网络中的时延和分组丢失ISP和因特网主干接入网和物理媒体网络核心网络边缘协议层次和它们的服务模型什么是因特网计算机网络和因特网的历史目录分组交换网络中的时延和分组丢失ISP和因特网主干接入网和物理媒体网络核心网络边缘协议层次和它们的服务模型什么是因特网计算机网络和因特网的历史1.1什么是因特网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2020年2月16日4本地ISP公司网络区域ISP分组交换机工作站服务器移动通信设备视角1—因特网的构成视角1——因特网的构成（续）软件方面在因特网上运行的网络应用程序协议：控制报文的发送接收•例如：TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特网：“万网之网”松散的层次结构公共因特网（Internet）和私有的内联网（intranet）因特网标准RFC:请求评论（requestforcomments）IETF:因特网工程部（InternetEngineeringTaskForce）2020年2月16日51.1什么是因特网什么是协议人类之间交流的语言（协议）汉语英语法语……计算机之间交流的语言（协议）语法语义同步61.1什么是因特网视角2——因特网能够提供的服务通信基础设施为分布式应用程序提供支撑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不可靠的无连接服务不承诺“从发送方到接收方传递数据所需的时间长度”71.1什么是因特网目录分组交换网络中的时延和分组丢失ISP和因特网主干接入网和物理媒体网络核心网络边缘协议层次和它们的服务模型什么是因特网计算机网络和因特网的历史网络结构深入研究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，物理媒体：通信链路91.2网络边缘网络边缘网络边缘的构成端系统（主机）•运行应用程序，如：IE、Foxmail等网络应用的通信模型客户/服务器模型（C/S）•客户：使用服务者•服务器：提供服务者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101.2网络边缘目录分组交换网络中的时延和分组丢失ISP和因特网主干接入网和物理媒体网络核心网络边缘协议层次和它们的服务模型什么是因特网计算机网络和因特网的历史网络核心基本问题：数据是怎样通过网络传输的？第一代计算机网络——电路交换网络数据交换过程•第一步：建立连接•第二步：交换数据•第三步：释放连接电路交换的特性•数据交换前需建立起一条从发端到收端的物理通路•在数据交换的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输信道•交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟12第一代计算机网络——电路交换网络（1）电路交换中的复用时分复用（TDM）频分复用（FDM）2020年2月16日13频率时间频率时间4对用户1.3网络核心第一代计算机网络——电路交换网络（2）例题计算通过电路交换网络将一个640,000比特长的文件从主机A传送到主机B需要多长时间？•所有链路速率皆为1.536Mbps•每条链路使用有24个时隙的TDM•建立端到端的电路需要500毫秒142020年2月16日1.3网络核心第一代计算机网络——电路交换网络（3）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，用户支付的费用则是按用户占用线路的时间来收费的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。2020年2月16日15结论：电路交换技术不适合于计算机间的数据交换。1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（1）引入分组交换网络的动机美国军方针对“数据”交换的特征以及电路交换技术存在的局限性，提出真正意义上的计算机网络必须满足：不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送能够连接不同类型的计算机所有的网络结点同等重要，不能有特别重要的结点必须有冗余路由网络结构尽可能简单，能够可靠传送数据2020年2月16日161.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（2）计算机网络的演化2020年2月16日171.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（3）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2020年2月16日18报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（4）分组交换的工作流程(2)每一个数据段前面添加上首部构成分组2020年2月16日19请注意：现在左边是“前面”数据数据数据报文首部首部首部分组1分组2分组31.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（5）分组交换的工作流程(3)分组交换网以“分组”作为数据传输单元(4)依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）2020年2月16日20数据首部分组1数据首部分组2数据首部分组31.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（6）分组交换的工作流程(5)接收端收到分组后剥去首部还原成报文2020年2月16日21数据首部分组1数据首部分组2数据首部分组3收到的数据1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（7）分组交换的工作流程(6)最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文2020年2月16日22数据数据数据报文11010001101010101101010111000100110100101.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（8）分组交换的工作流程2020年2月16日23备注2：分组首部的重要性：每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用此种存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。备注1：这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（9）2020年2月16日24H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1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1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（10）2020年2月16日25H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组结点交换机主机在结点交换机A暂存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H51.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（11）分组交换网络的结构2020年2月16日26采用分组交换技术的计算机网络，从概念上可以看成是由两个子网构成，一是通信子网，另一是资源子网，如图所示。其中,通信子网由若干个中间交换结点（switchnode）和连接这些交换结点的链路组成，主要承担数据通信任务。所谓资源子网主要由网络主机和各种可提供共享资源的设备（如打印机、光盘库等）组成，主要承担数据处理任务。资源子网通信子网1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（12）分组交换网络的特征被传送的数据分成若干分组分别传送数据传输前不必预先确定分组的传输路径通信子网中的每个交换结点均为共享结点,并且都具有分组的存储/转发以及选择合适路由的能力在数据通信的过程中，通信子网断续(动态)分配传输带宽，使得通信线路的利用率得以大大提高2020年2月16日27下续1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（13）分组交换网络的特征为了提高分组交换网的可靠性，通信子网常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数中间交换结点、链路出现故障时，可灵活地改变路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪；通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成2020年2月16日281.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（14）转发目标:通过路由器将分组从源主机移动到到目的主机•我们将学习一些路径选择（如：路由）算法(第4章)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•类似的：驾驶，问路虚电路网络•每个分组携带一个标识（虚电路号），该标识决定下一跳•在呼叫建立时决定固定的路径，并在整个呼叫过程中保持不变•路由器保持每个呼叫连接的状态2020年2月16日291.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（15）分组交换VS电路交换假设：•1Mbps的链路，每个用户需要100kbps•分组交换下1个用户活跃的概率为0.1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2020年2月16日30在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（16）分组交换VS电路交换更一般的分组交换•用户速率无限制假设：•同一时刻仅有一个用户传输1M的数据•电路建立时间可忽略不计电路交换所需时间：10s分组交换所需时间：1s2020年2月16日31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下续1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（17）分组交换VS电路交换2020年2月16日32将L长的分组传输(推送出去)到链路（速率为Rbps）要花费L/R秒当整个分组到达路由器后才能向下条链路传输:存储转发时延=3L/R举例:L=7.5MbitsR=1.5Mbps时延=15秒LRRR1.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（18）分组交换VS电路交换分组交换网络存在的问题•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2020年2月16日331.3网络核心第二代计算机网络——分组交换网络（19）分组交换VS电路交换结论•若要连续传送大量数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换较为合适•分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率2020年2月16日341.3网络核心网络核心分类2020年2月16日35电信网络电路交换网络FDMTDM分组交换网络虚电路网络数据报网络•数据报网络既不是面向连接的也不是无连接的•Internet为应用程序同时提供面向连接服务（TCP）和无连接服务（UDP）1.3网络核心目录分组交换网络中的时延和分组丢失ISP和因特网主干接入网和物理媒体网络核心网络边缘协议层次和它们的服务模型什么是因特网计算机网络和因特网的历史接入网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2020年2月16日371.4接入网与物理媒体接入方式（1）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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:•