校園網絡

管理與規劃華中科技大學計算機學院王天江2023年2月3日2網絡無處不在在固定地方大家用PC上網在旅途中大家用筆記本上網在運動中大家用手機上網家電開始通過網絡來控制交通工具通過網絡來導航政府通過網絡在變成電子政府商務通過網絡在變成電子商務網絡正在滲透到我們生活的方方面面2023年2月3日3什么是因特網2023年2月3日4視角1——從因特網組成看它是互連了數以百萬計的計算設備的網絡計算設備:傳統的與非傳統的稱為:主機或端系統通信鏈路:將端系統連接在一起光纖，銅纜，無線電，人造衛星傳輸速率:以bit/s為單位分組交換機:連接多條通信鏈路鏈路層交換機路由器ISP:因特網服務提供商本地ISP公司網絡區域ISP分組交換機工作站服務器移動通信設備2023年2月3日5視角2——從軟件方面因特網上信息傳輸靠軟件來處理完成要傳輸的信息被分成若干個部分（稱為分組），通過若干次接力傳輸，信息從起始節點到達目標節點軟件按一定規范（協議）要求來處理信息協議：控制報文的發送接收例如：TCP,IP,HTTP,FTP,PPP人類交流中，也遵循一定的協議2023年2月3日6視角3——從結構方面因特網是“萬網之網”表面看是一個網，實際上由無數個各種類型網絡構成松散的層次結構公共因特網（Internet）采用因特網技術的非公共因特網，稱為內聯網（intranet）2023年2月3日7視角4——從服務方面因特網是服務，為我們提供了各種各樣的服務服務由因特網上的分布式應用程序提供因特網是通信基礎設施，為分布式應用程序間通信提供支撐實現了資源的共享2023年2月3日8網絡邊緣2023年2月3日9網絡結構觀察網絡邊緣:

應用程序和主機網絡核心:

目標：在各個不同的小網絡之間轉發數據路由器網絡的網絡接入網，物理媒體：通信鏈路2023年2月3日10端系統網絡邊緣由端系統構成端系統又稱主機，分為兩類：客戶機、服務器運行網絡應用程序，如：IE、Foxmail等網絡應用程序模型客戶機/服務器模型（C/S）對等模型（P2P）端系統使用因特網實現相互通信2023年2月3日11網絡核心2023年2月3日12分組交換網絡分組交換網絡的特征數據分組傳送：被傳送的數據分成若干分組分別傳送傳輸路徑不確定：數據傳輸前不必預先確定分組的傳輸路徑交換結點共享：通信子網中的每個交換結點均為共享結點,并且都具有分組的存儲/轉發以及選擇合適路由的能力動態帶寬分配：在數據通信的過程中，通信子網斷續(動態)分配傳輸帶寬，使得通信線路的利用率得以大大提高下續2023年2月3日13分組交換的工作流程（1）在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸2023年2月3日14分組交換的工作流程（2）每一個數據段前面添加上首部構成分組首部含有地址等控制信息。分組交換機根據地址信息，決定將分組轉發到哪一個結點。請注意：現在左邊是“前面”數據數據數據報文首部首部首部分組

1分組

2分組

32023年2月3日15分組交換的工作流程（3）分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元依次把各分組發送到接收端（假定接收端在左邊）數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

32023年2月3日16分組交換的工作流程（4）接收端收到分組后剝去首部還原成報文數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3收到的數據2023年2月3日17分組交換的工作流程（5）最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文數據數據數據報文11010001101010101101010111000100110100102023年2月3日18分組傳輸過程H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發送分組H2向H6

發送分組注意分組路徑的變化！結點交換機主機2023年2月3日19分組傳輸過程H1A分組交換網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發送分組結點交換機主機在結點交換機

A

暫存查找轉發表找到轉發的端口在結點交換機

C

暫存查找轉發表找到轉發的端口在結點交換機

E

暫存查找轉發表找到轉發的端口最后到達目的主機

H52023年2月3日20接入網和物理媒體2023年2月3日21接入網和物理媒體接入網的作用將網絡邊緣與網絡核心連接起來，通常是將端系統連接到邊緣路由器上邊緣路由器：端系統到任何其它遠程端系統的路徑上的第一臺路由器接入的方式Modem撥號/ADSL撥號/HFC局域網接入：以太網無線接入2023年2月3日22接入網和物理媒體Modem撥號通過本地電話回路點對點連接ISP的撥號池（通常是路由器）速度最高可達56kbps無法實現在上網的同時撥打電話ADSL：不對稱數字用戶線下行/上行速率最高可達8Mbps/1Mbps頻分復用:0kHz—4kHz：語音4kHz—50kHz：上行50kHz—1MHz：下行帶寬獨享2023年2月3日23接入網和物理媒體HFC(HybridFiberCoaxialCable)：光纖同軸電纜混合網絡利用現行的有線電視網絡下行/上行速率最高可達40Mbps/10Mbps通過有線電視網絡部署帶寬共享2023年2月3日24接入網和物理媒體HFC：光纖同軸電纜混合網絡家庭電纜頭端電纜分配網絡信道VIDEOVIDEOVIDEOVIDEOVIDEOVIDEODATADATACONTROL123456789頻分復用:2023年2月3日25接入網和物理媒體局域網接入公司/大學的局域網

(LAN)將端系統連接到邊緣路由器以太網:

通過共享或專用的鏈路來連接端系統和路由器10Mbs,100Mbps,Gigabit以太網2023年2月3日26接入網和物理媒體無線接入有兩類無線接入方式無線局域網:802.11b(無線以太網)11Mbps通過基站（無線接入點）連入有線因特網無線廣域網:(通過移動電話基礎設施)通過電信的基站，經有線電信網連入有線因特網歐洲的WAP/GPRS/CDMA1X3G:提供超過384kbps的無線接入基站移動主機路由器2023年2月3日27接入網和物理媒體家庭網絡典型的家庭網絡構成ADSL或cablemodem路由器/防火墻/網絡地址轉換以太網無線接入點無線接入點無線筆記本電腦路由器/防火墻cablemodem到/從電纜頭端2023年2月3日28接入網和物理媒體物理媒體分類導引型媒體：信號沿著固體媒體被導引非導引型媒體：信號自由傳播導引型媒體雙絞線：兩根互相絕緣的銅導線3類線：傳統的電話線，10Mbps以太網5類線：100Mbps以太網2023年2月3日29接入網和物理媒體同軸電纜傳輸方向：雙向傳輸傳輸方式：基帶電纜上單信道以太網寬帶電纜上多信道

HFC外層屏蔽層絕緣層內導體2023年2月3日301.4接入網和物理媒體光纜在玻璃光纖傳播光脈沖，每一個脈沖一比特高速運行高速的點到點傳輸(如5Gps)低誤碼率：中繼器相隔很遠；不受電磁干擾芯(玻璃)封套(玻璃)外套(玻璃)2023年2月3日31接入網和物理媒體非導引型媒體：無線電特性通過電磁頻譜傳播信號沒有物理“線路”雙向傳輸傳播環境影響:反射被障礙物所阻隔干擾無線鏈路類型:地面微波：可達45Mbps無線局域網：2/11/54Mbps無線廣域網：如3G衛星同步衛星和低緯度衛星可達50Mbps的信道(或多個較小的信道)270毫秒的端到端延遲2023年2月3日32ISP和因特網主干2023年2月3日33ISP和因特網主干因特網的結構是松散的層次結構，依賴各級ISP進行互聯在中心:“第一層”

ISPs,實現國際間的覆蓋轉發數率極高相互間是對等的Tier1ISPTier1ISPTier1ISP第一層私下里提供互連（對等體）NAP第一層同時在網絡接入點（NAPS）提供互連2023年2月3日34ISP和因特網主干“第二層”

ISPs:較小的(通常是區域的)ISPs連接到一個或多個第一層ISPs,或者其它第二層ISPsTier1ISPTier1ISPTier1ISPNAPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISP第二層ISP為能夠連接因特網的其它區域而向第一層ISP付費第二層ISP是第一層提供商的客戶第二層ISPs私下里相互結成對等，可在NAP進行互連2023年2月3日35ISP和因特網主干“第三層”

ISPs和本地ISPs最后一跳(“接入”)網絡(與端系統最近)本地和第三層是上層ISPs的客戶，通過它們連到因特網其它區域Tier1ISPTier1ISPTier1ISPNAPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPTier3ISPlocalISPlocalISPlocalISP2023年2月3日36ISP和因特網主干分組經過多個網絡!Tier1ISPTier1ISPTier1ISPNAPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPTier3ISPlocalISPlocalISPlocalISP2023年2月3日37網絡應用協議2023年2月3日38常見的網絡應用上網瀏覽新聞——IE、Maxthon、FireFox……處理電子郵件——OutlookExpress、FoxMail、Outlook……和熟悉的或者陌生的朋友聊天——ICQ、QQ、MSNMessenger、UC……網絡電話——SkyPe、QQ、Net2Phone……網絡游戲對戰——CS、魔獸世界、聯眾……資源共享——FTP、BT、電騾……在線視頻——VOD、ppLive……搜索引擎——Google、百度、MSNSearch……2023年2月3日39網絡應用程序的體系結構客戶機/服務器體系結構（C/S）P2P體系結構混合體系結構2023年2月3日40應用層協議應用程序之間通信的規則與約定，稱之為“應用層協議”注意,應用程序與應用層協議的不同例如：HTTPFTP2023年2月3日41編寫網絡程序的接口套接字（Socket）應用進程要通信，需要使用因特網提供的服務（TCP、UDP）但用起來比較麻煩應用程序編程接口processTCPwithbuffers,variablessockethostorserverprocessTCPwithbuffers,variablessockethostorserverInternetcontrolledbyappdeveloper2023年2月3日42WEB應用和HTTP協議2023年2月3日43WEB的構成WEB服務器：IIS、Apache、TomCat……瀏覽器：IE、Maxthon、Firefox應用層協議：HTTP信息的表達采用HTML語言特別說明：WEB屬于C/S模式2023年2月3日44WEB內容的表達Web頁面由一些對象組成。對象可以是HTML文件，JPEG圖片，音頻文件，JavaApplet……HTML文件是Web頁面的基礎，它可以包括各種各樣的對象，是一個容器對象任何一個對象都可以用URL來定位URL的例子:/cs/pic.gif主機名路徑名2023年2月3日45WEB應用和HTTP協議HTTP協議客戶端/服務器模式客戶端:

瀏覽器請求、接收、展示Web對象（objects）服務器:Web服務器對請求進行響應、發送對象運行IE瀏覽器的PC運行IIS的服務器運行FireFox瀏覽器的PChttprequesthttprequesthttpresponsehttpresponse2023年2月3日46文件傳送協議：FTP2023年2月3日472.3文件傳送協議：FTPFTP簡況使用TCP協議傳輸數據C/S模式端口：21/20文件傳輸FTP服務器FTP用戶接口FTP客戶機本地文件系統遠程文件系統用戶2.3文件傳送協議：FTP2023年2月3日48

因特網中的電子郵件2023年2月3日49因特網中的電子郵件電子郵件系統的構成用戶代理郵件服務器簡單郵件傳輸協議:SMTP用戶郵箱外發報文隊列mailserveruseragentuseragentuseragentmailserveruseragentuseragentmailserveruseragentSMTPSMTPSMTP2023年2月3日50

因特網中的電子郵件一次郵件傳送過程用戶代理郵件服務器郵件服務器用戶代理123456

S:220C:HELOcrepes.frS:250Hellocrepes.fr,pleasedtomeetyouC:MAILFROM:<alice@crepes.fr>S:250alice@crepes.fr...SenderokC:RCPTTO:<bob@>2023年2月3日51DNS:因特網的目錄服務2023年2月3日52DNS:因特網的目錄服務因特網上標識主機采用IP地址（24）人類識別主機喜歡用主機名稱域名（不定長）IP地址和域名之間如何映射(轉換)?為此人類設計了DNS系統，用于IP地址和域名之間的轉換2023年2月3日53DNS:因特網的目錄服務一次最簡單的DNS解析過程假設Alice通過IE瀏覽器訪問/index.html解析過程瀏覽器從URL中抽取出域名，傳給DNS客戶機DNS客戶機向DNS服務器發出一個包含域名的查詢請求報文DNS服務器向DNS客戶機送回一個包含對應IP地址的響應報文DNS客戶機將該IP地址傳送給瀏覽器瀏覽器向該IP地址所在WEB服務器發起TCP連接2023年2月3日54DNS:因特網的目錄服務真正的DNS實現根DNS服務器.comDNS服務器.eduDNS服務器.cnDNS服務器DNS服務器DNS服務器DNS服務器DNS服務器DNS服務器DNS服務器根DNS服務器頂級域（TLD）服務器權威DNS服務器2023年2月3日552.5DNS:因特網的目錄服務根域名服務器（13個）bUSC-ISIMarinadelRey,CAlICANNMarinadelRey,CAeNASAMtView,CAfInternetSoftwareC.PaloAlto,CAiNORDUnetStockholmkRIPELondonmWIDETokyoaNSIHerndon,VAcPSInetHerndon,VAdUMarylandCollegePark,MDgDISAVienna,VAhARLAberdeen,MDjNSI(TBD)Herndon,VA2.5DNS:因特網的目錄服務2023年2月3日562.5DNS:因特網的目錄服務頂級域DNS服務器：負責頂級域名和所有國家的頂級域名解析工作，例如：com,org,net,gov,uk,cn,jp等NetworkSolution公司負責維護com頂級域DNS服務器Educause公司負責維護edu頂級域DNS服務器權威DNS服務器:

屬于某個組織的DNS服務器,為組織的服務器提供一個權威的域名到IP地址的映射服務(例如：Web和mail)這些DNS服務器一般有所屬組織或者服務提供商負責維護2.5DNS:因特網的目錄服務2023年2月3日572.5DNS:因特網的目錄服務本地DNS服務器嚴格的講，本地DNS服務器其并不屬于DNS層次結構中的一層每一個網絡服務提供商都會提供一個本地DNS服務器有時候，我們將其稱為“默認DNS服務器”當一臺主機需要做一個域名查詢的時候，查詢請求首先被發送到本地域名服務器本地域名服務器的行為就像一個代理，它會向域名的層次體系中進行進一步的域名查詢。2.5DNS:因特網的目錄服務2023年2月3日582.5DNS:因特網的目錄服務一次完整的DNS解析過程發起請求使用遞歸查詢后續解析為迭代查詢發起請求的主機根DNS服務器本地DNS服務器123456權威DNS服務器78TLDDNS服務器2.5DNS:因特網的目錄服務2023年2月3日59路由器的工作原理2023年2月3日604.3路由器的結構圖路由選擇路由選擇處理機路由選擇協議路由表3輸入端口3交換結構輸入端口輸出端口分組轉發轉發表分組處理輸出端口……11133122223——網絡層2——數據鏈路層1——物理層2023年2月3日61IP地址2023年2月3日62IP地址32位主機或路由器的接口標志符接口:連接主機,路由器之間的物理鏈路一般說來，路由器有多個接口主機也有可能有多個接口IP地址只和接口有關,而與主機,路由器卻沒有太多關聯2023年2月3日63IP地址的結構與表示方法IP地址的結構IP地址的表示方法網絡號Net-id主機號host-id32位=110111110000000100000001000000012231112023年2月3日64IP地址的分類編址0網絡號主機號10網絡號主機號110網絡號主機號1110組播地址11110保留為今后使用A類B類C類D類E類312315702023年2月3日65因特網的地址分配策略CIDR(ClasslessInterDomainRouting)背景地址空間的利用率低,地址空間面臨耗盡e.g.,一個B類網址可以容納65K臺主機,但可能被一個只有2K臺主機的單位占據CIDR編址格式IP地址::={<網絡前綴>,<主機號>}斜線記法：/24（/24也叫子網掩碼）通過子網掩碼來區分網絡號和主機號2023年2月3日66子網

B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互聯網2023年2月3日67互聯網中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互聯網路由器總是具有兩個或兩個以上的IP地址。路由器的每一個接口都有一個不同網絡號的IP地址。2023年2月3日68互聯網中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互聯網路由器總是具有兩個或兩個以上的IP地址。路由器的每一個接口都有一個不同網絡號的IP地址。2023年2月3日69IP地址的管理全球IP管理與分配機構：ICANN

ISP可以向ICANN申請獲得整塊地址ICANN:還管理一些與網絡有關的工作，象：分配IP地址管理DNS分配域名,解決域名糾紛2023年2月3日70主機如何獲得IP地址手工配置：系統管理員手工為一臺主機配置IP地址Windows:控制面板->網絡->配置->tcp/ip->屬性UNIX:/etc/rc.configDHCP:DynamicHostConfigurationProtocol（動態主機配置協議:從服務器上動態獲取IP地址“即插即用協議”

2023年2月3日71內部IP地址IP地址顯得非常地不夠用我們知道,IP地址是全球有效的保留了三部分的IP地址空間作為內部IP(本地地址)10/8172.16/12192.168/162023年2月3日72局域網--以太網2023年2月3日73以太網類型——總線式以太網B向

D發送數據CDAE匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B發送的數據2023年2月3日74以太網類型——交換式以太網集線器或交換機2023年2月3日755.6互聯:集線器和交換機集線器（或轉發器）互聯主干集線器將LAN網段互聯起來擴展了節點間的最大距離原先獨立的網段碰撞域變成了一個大的碰撞域不能將10BaseT和100BaseT以太網互聯10BaseT集線器10BaseT集線器10BaseT集線器主干集線器2023年2月3日76無線網絡2023年2月3日77無線網絡的元素--無線主機

無線主機可以是便攜機,PDA,IP電話；能運行程序；本身既可能是固定，也可能是移動的.網絡基礎設施2023年2月3日78無線網絡的元素--基站網絡基礎設施

基站典型的作用是用于連接無線網絡;負責向其覆蓋范圍內的主機發送和接收分組，在無線網絡和無線主機之間起鏈路層中繼作用。如：蜂窩塔、802.11接入點2023年2月3日79無線網絡的元素--基礎設施模式

網絡基礎設施基礎設施模式無線局域網可分為兩大類:有固定基礎設施和自組網絡(adhoc網絡)。基礎設施模式是指預先建立起來的、能夠覆蓋一定地理范圍的一批固定基站。移動主機通過基站接入有線網絡;切換:移動主機的移動可能會改變與之相關聯的基站。2023年2月3日80Adhoc網絡無基站;節點(移動主機)僅僅能夠在其覆蓋范圍內向其他節點傳送數據;節點之間相互通信組成的臨時網絡:在它們內部進行選路和地址分配.2023年2月3日816.3Wi-Fi:802.11無線LAN有固定基礎設施的無線局域網基本服務集

BSS擴展的服務集