第一講計算機網絡與因特網概述1第1章：計算機網絡與因特網概述本講目標:

了解環境,“感覺”網絡為課程內容進行鋪墊使用方法:全面講述網絡要點使用因特網作為實例教科書參考第一章第二章概述:什么是因特網?什么是協議?網絡邊緣網絡核心訪問網絡,物理介質網絡性能:數據丟失,延遲協議分層,服務模型骨干網絡,NAP,ISP因特網簡史第一講計算機網絡與因特網概述1第1章：計算機網絡與因特網概第一講計算機網絡與因特網概述2第1章：目錄1.1什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4接入網絡和物理介質1.5Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述2第1章：目錄1.1什么是I第一講計算機網絡與因特網概述3因特網:工程視角數以百萬計的互聯計算設備:主機,端接系統Pc工作站,服務器PDA電話,智能家電運行網絡應用程序通信鏈路光纖,銅纜,無線電,衛星路由器:將數據分組(數據塊)轉發通過網絡教科書參考第3章、第4章localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobile第一講計算機網絡與因特網概述3因特網:工程視角數以百萬計第一講計算機網絡與因特網概述4因特網:工程視角協議:控制報文的收發e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特網:“萬網之網”松散的層次結構公共的Internet（因特網）vs.專有的intranet（內聯網）因特網標準RFC:RequestforcommentsIETF:InternetEngineeringTaskForce（因特網工程部）localISPcompanynetworkregionalISProuterworkstationservermobileRFC(RequestForComments)——意即“請求注解”，包含了關于Internet的幾乎所有重要的文字資料。如果你想成為網絡方面的專家，那么RFC無疑是最重要也是最經常需要用到的資料之一，所以RFC享有網絡知識圣經之美譽。通常，當某家機構或團體開發出了一套標準或提出對某種標準的設想，想要征詢外界的意見時，就會在Internet上發放一份RFC，對這一問題感興趣的人可以閱讀該RFC并提出自己的意見；絕大部分網絡標準的指定都是以RFC的形式開始，經過大量的論證和修改過程，由主要的標準化組織所指定的，但在RFC中所收錄的文件并不都是正在使用或為大家所公認的，也有很大一部分只在某個局部領域被使用或并沒有被采用，一份RFC具體處于什么狀態都在文件中作了明確的標識。RFC的網址是：/rfc.html第一講計算機網絡與因特網概述4因特網:工程視角協議:控第一講計算機網絡與因特網概述5“Cool”internetappliancesIPpictureframe/Web-enabledtoaster+weatherforecasterInternetphonesZebraNet(Princeton)Whereisyourzebra?第一講計算機網絡與因特網概述5“Cool”interne第一講計算機網絡與因特網概述6什么是協議?人們交往的協議:“現在幾點了?”“我有個問題.”彼此作自我介紹…定義發送的信息…定義信息接收后,或某個事件發生后的動作網絡協議:通信設備之間的交互而不是人們的交往所有在因特網上的通信活動全部是由協議所控制的協議定義網絡實體之間信息收發的格式和順序,以及信息發送和接收后所需采取的動作

（語法、語義、同步或規則）第一講計算機網絡與因特網概述6什么是協議?人們交往的協議:第一講計算機網絡與因特網概述7什么是協議?人際交往的協議和計算機網絡協議:Q:

其它人際交往的協議?HiHiGotthetime?2:00TCPconnectionreq.TCPconnectionreply.Get/index.htm<file>time第一講計算機網絡與因特網概述7什么是協議?人際交往的協議和第一講計算機網絡與因特網概述8第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4接入網絡和物理介質1.5Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述8第1章：目錄1.1什么是I第一講計算機網絡與因特網概述9網絡邊緣:面向連接的服務目的:在端系統間進行數據傳輸.握手:在數據傳輸之前(作為準備工作)設置系統間的連接Hello,helloback人際交往協議建立連接“狀態”

于兩個通信主機之間TCP-TransmissionControlProtocol(傳輸控制協議)因特網面向連接的服務TCP服務

[RFC793]可靠,有序的字節流數據傳輸數據丟失:應答和重傳流量控制:

發送端不會將接收端“淹沒”擁塞控制:

當網絡擁塞時發送端須“降低發送速率”教科書參考第8章第一講計算機網絡與因特網概述9網絡邊緣:面向連接的服務目第一講計算機網絡與因特網概述10網絡邊緣:無連接的服務目標:在端接系統間傳輸數據與TCP一樣!UDP-UserDatagramProtocol(用戶數據報協議)[RFC768]:因特網的無連接服務不可靠的數據傳輸沒有流量控制沒有擁塞控制教科書參考第8章使用TCP的應用程序:

HTTP(WWW),FTP(文件傳輸),Telnet(遠程登錄),SMTP(email)使用UDP的應用程序:流媒體,視訊會議,IP電話第一講計算機網絡與因特網概述10網絡邊緣:無連接的服務目第一講計算機網絡與因特網概述11第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3網絡核心1.4接入網絡和物理介質1.5Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述11第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述12網絡核心:電路交換網絡資源(e.g.,帶寬)劃分成“片”各資源片分配給各個通信連接如果擁有資源的通信連接沒有使用,則該資源片就被閑置(idle,沒有共享)將鏈路帶寬分“片”的辦法頻譜劃分時隙劃分dividinglinkbandwidthinto“pieces”frequencydivisiontimedivision第一講計算機網絡與因特網概述12網絡核心:電路交換網絡資第一講計算機網絡與因特網概述13電路交換:FDMA和TDMAFDMAfrequencytimeTDMAfrequencytime4用戶例如:第一講計算機網絡與因特網概述13電路交換:FDMA和TD第一講計算機網絡與因特網概述14網絡核心:分組交換每個端到端的數據流被劃分成分組(packet)用戶A,B的分組可共享網絡資源

每個分組使用全部的鏈路帶寬

資源在必要時才使用,資源競爭:

資源可能供不應求擁塞:分組排隊,等待鏈路資源在路由器上存儲轉發:分組一次移動一個步跳通過鏈路傳輸等待下一條鏈路參考教科書p5(圖1-4)帶寬劃分成“片”專門分配資源預留第一講計算機網絡與因特網概述14網絡核心:分組交換每個端第一講計算機網絡與因特網概述15網絡核心:分組交換分組交換vs.電路交換:可以使用飯店的經營方式比喻其他人類社會的生活實例的類比?ABC10Mb/s以太網1.5Mb/s45Mb/sDE統計多路等待輸出鏈路的分組隊列第一講計算機網絡與因特網概述15網絡核心:分組交換分組交第一講計算機網絡與因特網概述16網絡核心:分組交換分組交換:存儲轉發的過程將報文劃分成較小的數據塊:“分組（packets）”存儲轉發:交換機等到整個分組到達完畢后,再進行轉發或路由接力Q:如果報文以整個的形式發送又將如何?參考教科書p6-7,圖1-5第一講計算機網絡與因特網概述16網絡核心:分組交換分組交第一講計算機網絡與因特網概述17分組交換vs.電路交換1Mb/s鏈路每個用戶:100Kb/s當“激活”激活時間為10%電路交換:10用戶分組交換:對35個用戶來說,概率:>10個用戶同時激活小于.0004分組交換使得更多用戶可“同時”使用網絡!Nusers1Mbpslink第一講計算機網絡與因特網概述17分組交換vs.電路交換1第一講計算機網絡與因特網概述18分組交換vs.電路交換在突發性數據傳輸過程中表現優異資源共享無須事先建立連接過度擁塞:導致分組延遲和丟失需要協議來保障可靠的數據傳輸,擁塞控制Q:如何在分組交換網中提供電路交換的性能?為音頻/視頻（audio/video）應用提供帶寬保障仍然是一個需要解決的問題分組交換是不是“大滿貫冠軍?”第一講計算機網絡與因特網概述18分組交換vs.電路交換在第一講計算機網絡與因特網概述19分組交換:路由選擇問題目標:將分組沿路由器從信源送達信宿介紹因特網的路由選擇協議(第7章)數據報網絡:

由信宿地址來決定下一個步跳(hop)在會話過程中,路由可能發生變化比喻:開車問路虛電路網絡:

每個分組攜有標簽(虛電路ID),由標簽來確定下一個步跳在連接建立階段確定固定的路由,全部數據通過該路由傳遞路由器為每個正在通信中的連接維持狀態教科書參考（p140-146）第一講計算機網絡與因特網概述19分組交換:路由選擇問題目標第一講計算機網絡與因特網概述20第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4接入網絡和物理介質1.5Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述20第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述21居民區訪問:點對點訪問撥號訪問可達56Kb/s對路由器的直接訪問(理論上)ISDN(一線通):

integratedservicesdigitalnetwork:128Kb/s對路由器的全數字化連接ADSL(非對稱用戶線路):

asymmetricdigitalsubscriberline上行可達1Mb/shome-to-router下行可達8Mb/srouter-to-homeADSL的應用:已經普及第一講計算機網絡與因特網概述21居民區訪問:點對點訪問撥第一講計算機網絡與因特網概述22居民區訪問:線纜調制解調器HFC:hybridfibercoax(光纖同軸電纜混合網絡)非對稱:下行可達10Mb/s,1Mb/s的上行速率光纖同軸電纜混合網絡將家庭連接到ISP路由器在若干家庭用戶間共享訪問帶寬關注點:擁塞,規模控制問題

應用:在國內的個別地區試點,e.g.,上海，個別“智能小區”第一講計算機網絡與因特網概述22居民區訪問:線纜調制解調第一講計算機網絡與因特網概述23居民區訪問:線纜調制解調器Diagram:/cmic/diagram.html第一講計算機網絡與因特網概述23居民區訪問:線纜調制解調第一講計算機網絡與因特網概述24CableNetworkArchitecture:Overviewhomecableheadendcabledistributionnetwork(simplified)Typically500to5,000homes第一講計算機網絡與因特網概述24CableNetwork第一講計算機網絡與因特網概述25單位訪問:局域網公司/大學局域網(LAN)將端系統連接到端接路由器以太網(Ethernet):

共享或專線電纜將端系統連接端系統和路由器10Mb/s,100Mb/s,1Gb/s以太網應用:企事業單位,家庭用戶普遍使用的LANLAN:第5章第一講計算機網絡與因特網概述25單位訪問:局域網公司/大第一講計算機網絡與因特網概述26無線訪問網絡共享的無線訪問網絡連接端系統和路由器無線LAN:使用無線頻譜替代網線e.g.,朗訊Wavelan11Mb/s廣域無線訪問CDPD:通過蜂窩式網絡無線訪問ISP路由器basestationmobilehostsrouter第一講計算機網絡與因特網概述26無線訪問網絡共享的無線訪問第一講計算機網絡與因特網概述27物理介質物理鏈路:沿鏈路發送和傳輸數據的位流有線介質(guidedmedia):

信號沿固體介質傳播:銅線纜,光纖無線介質(unguidedmedia):

信號在大氣或外層空間自由傳播,e.g.,無線電雙絞線(TwistedPair,TP)兩根互相絕緣的銅線三類線(Category3TP):普通電話線,10Mb/sEthernet五類線(Category5TP):100Mb/sEthernet第一講計算機網絡與因特網概述27物理介質物理鏈路:沿鏈路第一講計算機網絡與因特網概述28物理介質:同軸電纜,光纖同軸電纜:芯線(攜帶信號)為皮線所纏繞(屏蔽層)基帶:在一條電纜中只有一路信號寬帶:在一條電纜中有多個數據通道雙向傳輸常用在10Mb/sEthernet光纜:在玻璃纖維中傳播光脈沖高速運行:100Mb/sEthernet高速點對點傳輸(e.g.,5Gb/s)低誤碼率第一講計算機網絡與因特網概述28物理介質:同軸電纜,光第一講計算機網絡與因特網概述29物理介質:無線電使用電磁波譜傳送信號不使用物理“導線”雙向傳輸傳播環境影響:反射為障礙物所阻隔干擾無線鏈路類型:微波e.g.可以達到45Mb/s的信道LAN(e.g.,WaveLAN)2Mb/s,11Mb/s廣域網(e.g.,蜂窩電話)e.g.CDPD,10’sKb/s衛星可達50Mb/s信道(或多個較小的信道)270Ms的端對端延遲地球同步衛星vs.LEOS第一講計算機網絡與因特網概述29物理介質:無線電使用電磁第一講計算機網絡與因特網概述30第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4

接入網絡和物理介質1.5Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述30第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述31Internetstructure:networkofnetworksroughlyhierarchicalatcenter:“tier-1”ISPs(e.g.,MCI,Sprint,AT&T,CableandWireless),national/internationalcoveragetreateachotherasequalsTier1ISPTier1ISPTier1ISPTier-1providersinterconnect(peer)privatelyNAPTier-1providersalsointerconnectatpublicnetworkaccesspoints(NAPs)第一講計算機網絡與因特網概述31Internetstru第一講計算機網絡與因特網概述32Internetstructure:networkofnetworks“Tier-2”ISPs:smaller(oftenregional)ISPsConnecttooneormoretier-1ISPs,possiblyothertier-2ISPsTier1ISPTier1ISPTier1ISPNAPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPpaystier-1ISPforconnectivitytorestofInternettier-2ISPiscustomeroftier-1providerTier-2ISPsalsopeerprivatelywitheachother,interconnectatNAP第一講計算機網絡與因特網概述32Internetstru第一講計算機網絡與因特網概述33Internetstructure:networkofnetworks“Tier-3”ISPsandlocalISPslasthop(“access”)network(closesttoendsystems)Tier1ISPTier1ISPTier1ISPNAPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPTier-2ISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPTier3ISPlocalISPlocalISPlocalISPLocalandtier-3ISPsarecustomersofhighertierISPsconnectingthemtorestofInternet第一講計算機網絡與因特網概述33Internetstru第一講計算機網絡與因特網概述34第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4

接入網絡和物理介質1.5

Internet結構和ISPs1.6分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述34第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述35分組交換網絡的延遲問題分組在端到端傳輸的過程中會經歷延遲在每個步跳中產生的延遲可分為四種結點處理:校驗錯誤確定輸出鏈路排隊在輸出鏈路中等待被發送

取決于路由器的擁塞程度ABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing第一講計算機網絡與因特網概述35分組交換網絡的延遲問題分組第一講計算機網絡與因特網概述36分組交換網絡的延遲問題發送延遲:R=鏈路帶寬(b/s)L=分組長度(bits)將分組位流發送到鏈路上的時間=L/R傳播延遲:d=物理鏈路的長度s=介質中的信號傳播速度(~2x108m/s)傳播延遲=d/sABpropagationtransmissionnodalprocessingqueueing注意:s和R是完全不同的兩個概念!第一講計算機網絡與因特網概述36分組交換網絡的延遲問題發送第一講計算機網絡與因特網概述37CaravananalogyCars“propagate”at

100km/hrTollboothtakes12sectoserviceacar(transmissiontime)car~bit;caravan~packetQ:Howlonguntilcaravanislinedupbefore2ndtollbooth?Timeto“push”entirecaravanthroughtollboothontohighway=12*10=120secTimeforlastcartopropagatefrom1stto2ndtollboth:100km/(100km/hr)=1hrA:62minutestollboothtollboothten-carcaravan100km100km第一講計算機網絡與因特網概述37Caravananalo第一講計算機網絡與因特網概述38Caravananalogy(more)Carsnow“propagate”at

1000km/hrTollboothnowtakes1mintoserviceacarQ:

Willcarsarriveto2ndboothbeforeallcarsservicedat1stbooth?Yes!After7min,1stcarat2ndboothand3carsstillat1stbooth.1stbitofpacketcanarriveat2ndrouterbeforepacketisfullytransmittedat1strouter!SeeEthernetappletatAWLWebsitetollboothtollboothten-carcaravan100km100km第一講計算機網絡與因特網概述38Caravananalo第一講計算機網絡與因特網概述39Nodaldelaydproc=processingdelaytypicallyafewmicrosecsorlessdqueue=queuingdelaydependsoncongestiondtrans=transmissiondelay=L/R,significantforlow-speedlinksdprop=propagationdelayafewmicrosecstohundredsofmsecs第一講計算機網絡與因特網概述39Nodaldelaydp第一講計算機網絡與因特網概述40排隊延遲(再議)R=鏈路帶寬(b/s)L=分組長度(bits)a=平均分組到達速率數據流量的強度=La/RLa/R~0:平均延遲時間很小La/R->1:延遲時間變長La/R>1:“任務”到達的速度超過服務能力,平均延遲趨于無窮!第一講計算機網絡與因特網概述40排隊延遲(再議)R=鏈路第一講計算機網絡與因特網概述41第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4

接入網絡和物理介質1.5

Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述41第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述42協議的“層次”網絡是復雜的!諸多“成分”:主機路由器各種介質的鏈路應用程序協議硬件,軟件問題:

如何將復雜的網絡問題依據一定的規則組織成一定的結構?至少要為討論網絡問題建設一個技術平臺?第一講計算機網絡與因特網概述42協議的“層次”網絡是復雜第一講計算機網絡與因特網概述43航空旅行的組織和運作一系列的步驟ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplanerouting第一講計算機網絡與因特網概述43航空旅行的組織和運作一系列第一講計算機網絡與因特網概述44航空旅行的組織和運作:不同的視角層次:每個層次實現一種服務通過該層次本身的活動依賴于下一個層次所提供的服務ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runway(takeoff)airplaneroutingdepartureairportarrivalairportintermediateair-trafficcontrolcentersairplaneroutingairplaneroutingticket(complain)baggage(claimgates(unload)runway(land)airplaneroutingticketbaggagegatetakeoff/landingairplanerouting第一講計算機網絡與因特網概述44航空旅行的組織和運作:不第一講計算機網絡與因特網概述45分層的航空旅行:服務Counter-to-counterdeliveryofperson+bagsbaggage-check-to-baggage-claimdeliverypeopletransfer:loadinggatetoarrivalgaterunway-to-runwaydeliveryofplaneairplaneroutingfromsourcetodestination第一講計算機網絡與因特網概述45分層的航空旅行:服務Co第一講計算機網絡與因特網概述46分布式的實現分層的功能ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runwaytakeoffairplaneroutingticket(complain)baggage(claim)gates(unload)runwaylandingairplaneroutingairplaneroutingDepartingairportarrivingairportintermediateairtrafficsitesairplaneroutingairplanerouting第一講計算機網絡與因特網概述46分布式的實現分層的功能t第一講計算機網絡與因特網概述47為什么要分層?對于復雜的系統:顯式的結構使得復雜系統的問題定位和不同組成部分之間的關聯討論稱為可能分層的參考模型(referencemodel)

可用于討論模塊化簡化了系統的維護和升級某個層次服務實現對系統的其余部分是透明的e.g.,改變登機過程不會影響航空旅行的效果分層的做法有沒有壞處?第一講計算機網絡與因特網概述47為什么要分層?對于復雜的系第一講計算機網絡與因特網概述48因特網協議棧(計算機網絡的原理體系結構)應用層:支持網絡應用ftp,smtp,http傳輸層:主機進程間的數據傳遞tcp,udp網絡層:將數據報從信源傳遞到信宿ip,路由選擇協議鏈路層:數據在網絡上的相鄰結點間的傳輸ppp,ethernet物理層:信道上傳送的位流applicationtransportnetworklinkphysical第一講計算機網絡與因特網概述48因特網協議棧(計算機網絡的第一講計算機網絡與因特網概述49協議分層和數據的封裝每個層次都從上層取得數據加上首部信息形成新的數據單元將新的數據單元傳遞給下一層次applicationtransportnetworklinkphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe第一講計算機網絡與因特網概述49協議分層和數據的封裝每個層第一講計算機網絡與因特網概述50因特網結構:萬網之網松散的層次結構國家/國際骨干網絡提供商(national/internationalbackboneproviders,NBP)e.g.BBN/GTE,Sprint,AT&T,IBM,UUNet對等體可以采用專有的方式,或通過公共網絡訪問點(

NetworkAccessPoint,NAP)互聯地區性ISP連接到NBP本地ISP,公司連接到ISPNBPANBPBNAPNAPregionalISPregionalISPlocalISPlocalISP第一講計算機網絡與因特網概述50因特網結構:萬網之網松散第一講計算機網絡與因特網概述51國家級骨干網提供商(NBP)e.g.Sprint全美骨干網絡第一講計算機網絡與因特網概述51國家級骨干網提供商(NBP第一講計算機網絡與因特網概述52第1章：目錄1.1

什么是Internet?1.2

網絡邊緣1.3

網絡核心1.4

接入網絡和物理介質1.5

Internet結構和ISPs1.6

分組交換網絡中的延遲和丟失1.7

協議層次和它們的服務模型1.8Internet的發展史第一講計算機網絡與因特網概述52第1章：目錄1.1什么是第一講計算機網絡與因特網概述53因特網簡史1961:

Kleinrock–使用排隊論證明分組交