Chapter1-计算机网络和Internet(2012)

计算机网络自顶向下方法ComputerNetworking:ATop-DownApproach第一章计算机网络和InternetSchoolofComputerScience&Technology21.1什么是Internet?公用Internet是成千上万的计算设备利用通信链路和网络设备互联在一起而形成的世界范围的计算机网络组成组成计算机网络/Internet的基本硬件、软件组件计算设备，通信链路，交换机/路由器,协议……SchoolofComputerScience&Technology3通信链路communicationlink用于互连计算设备以组成网络光纤,同轴电缆,双绞线,无线电,卫星等传输速率：bitspersecond(bps)1.1什么是Internet？1组成(Nuts-and-Bolts)SchoolofComputerScience&Technology4计算设备通常使用叫做分组交换机（packetswitch）的网络设备相互连接在一起.将从输入端口到达的分组(packet)传输(转发,forward)到输出端口.分组是计算机网络信息交换的单位.路由器和链路层交换机1.1什么是Internet？1组成(Nuts-and-Bolts)SchoolofComputerScience&Technology5网络协议(protocol)控制信息的发送和接收.协议是通信双方共同遵守的一组规则.TCP/IPTCP:transmissioncontrolprotocol传输控制协议IP:Internetprotocol网际协议1.1什么是Internet？1组成(Nuts-and-Bolts)SchoolofComputerScience&Technology62接入网络接入网络(accessnetwork)指将端系统与边缘路由器连接的物理链路.边缘路由器:分组从源端到目标端传输路径上经过的第一台路由器.firsthoprouter网络接入的类型:家庭接入residentialaccess单位接入companyaccess无线接入wirelessaccess1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology7将家庭端系统与边缘路由器连接.拨号上网(Dial-upMODEM)通过传统电话线路上网MODEM完成数字-模拟信号之间的转换理论上的最高速率为56Kbpsaccessnetwork=一台用户侧modem+一条电话线路+一台路由器侧modem上网和打电话不同能同时进行接入网络是专用的2.1家庭接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology8宽带(Broadband)家庭接入DSL(digitalsubscriberline,数字用户线)在传统电话线路上采用了新的调制-解调技术.通过限制传输距离获得高传输速率DSL接入网络是专用的传输速率通常是不对称的(asymmetrical)(why？)ADSL:(asymmetricdigitalsubscriberline)下行速率:10Mbps上行速率:1MbpsHFC(hybridfiber-coaxialcable)混合光纤同轴电缆FTTH/B(FiberToTheHome/Building，光线到户/楼)2.1家庭接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology9使用DSL，上网和电话可以同时进行.DSL在家庭和ISP间将通信链路划分成3个互不重叠的频段频分复用FDM50kHz-1MHz用于下行信道4kHz-50kHz用于上行信道0kHz-4kHz用于传统的电话信道带宽与数据传输速率Bandwidth(B)：频带宽度R=Blog2(1+S/N)(香农定理)2.1家庭接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology10HFC（hybridfiber-coaxialcable)源自有线电视系统.三网融合利用线缆调制解调器(cableMODEM)进行模数转换也是非对称的asymmetric上行速率1Mbps下行速率=10Mbps共享/广播媒体与其他用户共享链路带宽2.1家庭接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology11公司/大学通常使用LAN连接端系统与边缘路由器LAN：LocalAreaNetwork局域网WAN：WideAreaNetwork广域网MAN：MetropolitanAreaNetwork城域Ethernet目前是单位接入的主流技术10/100Mbps,GigabitEthernet,10GE,100GE…2.2单位接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology12移动一般需要无线传输技术支持无线局域网WirelessLAN,WLAN.IEEE802.11a/b/g/n802.11b有时也叫做WiFi.WiFi是一种商标，与标准没有关系.广域无线接入网(Wide-areaWirelessAccessNetwork)电信公司提供,传输速率较低(3G:384kbps),网络覆盖范围大.TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMAbasestationmobilehostsrouter2.3无线接入1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology13两根相互绝缘的导线绞在一起目的是屏蔽干扰课本13页，了解屏蔽干扰的原理屏蔽/非屏蔽双绞线（STP/UTP)STP-ShieldedTPUTP-UnshieldedTP3.1双绞线(TwistedPair,TP)1.2网络边缘SchoolofComputerScience&Technology14构建网络核心的两种交换技术电路交换circuitswitching:每个呼叫(call)使用自己的专用电路(circuit)发送数据前必须建立连接、传输路径固定.预留资源/资源独占、有性能保证.电话网络分组交换packetswitching:数据被装成分组、每个分组均携带目的地址.按需(on-demand)使用资源(无预留)、无性能保证路由器为每个分组独立地确定转发路径计算机网络简介1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology15如何在一条链路上实现多条电路(circuit)?多路复用技术(Multiplexing)“多路复用”是将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法.信道(channel)指以物理传输介质为基础的信号通路。1.2电路交换网络的复用技术1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology16多路复用技术的种类频分复用(frequencydivisionmultiplexing,FDM）按频率区分信号的方法波分复用(Wavelengthdivisionmultiplexing,WDM)时分复用(time-divisionmultiplexing,TDM）按时间区分信号的方法码分复用(code-divisionmultiplexing,CDM)按扩频码区分信号的方式称为码分复用1.2电路交换网络的复用技术1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology17在通信系统中，信道所能提供的带宽通常要比传送一路信号所需的带宽宽得多。将链路所支持的频谱分成多个小的频带(band)，给每个连接(呼叫)分配一个频带.带宽(Hz)1.2.1复用技术-频分复用FDMband1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology18将时间划分成包含定长的Frame(帧),每个Frame划分成固定数量的时隙(slot)。为连接在每个Frame分配一个slot利用不同的时隙传送不同的信号。1.2.2复用技术-时分复用TDM1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology19Introduction1-19FDMfrequencytimeTDMfrequencytime4usersExample:1.2.2复用技术-TDM&FDM1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology20问题：电路交换技术存在资源浪费问题独占的资源在连接空闲时被闲置.Example:计算将一个文件从A发送到B所需的时间(图)假设：文件大小:640,000bits连接建立时间:500msec;链路传输速率:1.536Mbps;一个Frame中包含24个Slot传输时间=640000bits/(1.536Mbps/24)+0.5s=10.5s1.2.3电路交换1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology21通信双方相互交换消息(message)，消息并被划分成一个或多个分组(Packet).分组携带目的地址(destinationaddress)分组交换机根据目的地址转发分组在每条链路上，传输速率为链路全速率.按需使用资源，无需事先建立连接.1.3分组交换技术1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology22存储转发(storeandforward)——分组交换技术的最大特点分组交换机只有在完整地收到一个分组的所有位后才能开始从输出链路上传输第一位.存储转发延迟(store-and-forwarddelay)存储转发延迟在每条链路的输入端均存在存储转发延迟与分组长度成正比分组长度=Lbits，链路速率=Rbpsstore-and-forwarddelay=L/Rs1.3.1分组交换技术-存储转发1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology23从源端到目标端的传输路径共包括Q条链路链路传输速率均为:Rbps忽略排队延迟和传播延迟每条链路的存储转发延迟为L/Rs端到端延迟：QL/Rs1.3.1分组交换技术-存储转发1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology24Internet为什么选用了分组交换技术？资源有效利用共享vs.独占可靠性传输路径固定的电路交换技术可靠性不高连接建立与维护复杂、代价太高.语音通信比较平稳数据通信呈现的突发性特性1.3.4两种交换技术的比较1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology251.3.4两种交换技术的比较分组交换网络可以容纳比电路交换网络更多的用户!当轻载时，分组交换技术网络延迟较小.分组交换网络以链路全速率发送每个用户的分组.1.3网络核心SchoolofComputerScience&Technology26处理延迟(processingdelay)检查分组,以确定出口链路所需时间排队延迟(queuingdelay)在buffer中等待输出链路空闲的时间传输延迟(transmissiondelay)将分组的所有位发送出去所需的时间StoreandForwarddelay传播延迟(propagationdelay)任意1位从链路一头到达另一头所需时间1.分组网络中的延迟1.4分组交换网络的延迟,丢包和吞吐率SchoolofComputerScience&Technology271.1处理延迟处理延迟从完整收到分组到被放入buffer所需的时间检查是否发生错误、确定出口……通常在微秒(microseconds)量级上处理完成后，分组