第1章 tcp-ip概述

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1、李燕君李燕君 yjli 现代网络原理现代网络原理 课程介绍课程介绍 课时：课时：48学时（学时（33学时授课，学时授课，15学时上机）学时上机） 考核方式：考核方式：实验实验+口头报告口头报告(50%)+期末考试期末考试(50%) 主要内容：主要内容： 1. 网络协议分析网络协议分析 2. 网络程序编写网络程序编写 参考书：参考书： TCP/IP网络互联网络互联 卷卷1：原理，协议和体系结构：原理，协议和体系结构. 人人 民邮电出版社民邮电出版社. TCP/IP详解详解 卷卷1：协议：协议. 机械工业出版社机械工业出版社. TCP/IP指南指南(卷卷1)底层核心协议底层核心协议. 人民邮电出版

2、社人民邮电出版社 第一章第一章 TCP/IPTCP/IP概述概述 什么是因特网：“具体细节”观点 数以百万计的互联的计算 设备：主机 = 端系统 运行网络应用 通信链路 光纤，铜缆，无线电，卫 星 传输速率 = 带宽 路由器: 转发分组（数据 块） 本地ISP 公司网络 区域 ISP 路由器 工作站 服务器 移动节点 什么是因特网：“具体细节”观点 协议控制报文的发送，接收 例如，TCP, IP, HTTP, FTP, PPP 因特网：“网络的网络” 松散的等级结构 公共因特网比较专用互联网 因特网标准 RFC:请求评论（因特网标准） IETF:因特网工程任务组因特网工程任务组 本地ISP 公

3、司网络 区域 ISP 路由器 工作站 服务器 移动节点 什么是协议? 一个人类协议和一个计算机网络的协议: Hi Hi 请问几点了? 2:00 TCP 连接请求 TCP 连接响应 Get 时间 协议定义了通信实体间交 换消息的格式和顺序，以 及传输、收到消息或发生 其他事件时所采取的动作 什么是因特网：服务的观点 通信基础设施使能分布式应用： Web, email, 游戏, 电子商务，文 件共享 提供给应用通信服务: 不可靠无连接 可靠的面向连接 仔细观察网络结构 网络边缘: 应用与主机 网络核心: 路由器 网络的网络 接入网络，物理媒体: 通信链路 网络边缘 端系统 (主机): 运行应用程序

4、 例如Web, 电子邮件 在“网络边缘” 客户机/服务器模式： 客户机主机请求，从总是开的服 务器接收服务 例如Web浏览器/服务器；电子邮 件客户机/服务器 对等模式: 最小限度(或不)使用专用服务器 例如Gnutella, KaZaA 网络边缘：面向连接服务 目标: 在端系统之间传送数据 握手：事先设置准备数据传 送 人类协议Hello, 返回hello 在两台通信主机中建立“状 态” TCP - 传输控制协议 因特网的面向连接服务 TCP服务RFC 793 可靠的，有序的字节流数据传 送 丢包: 确认和重传 流控制: 发送方不能过载接收方 拥塞控制: 当网络拥塞时发送方“降低发 送速率”

5、 网络边缘：无连接服务 目的: 在端系统之间传送数据 与前面相同! UDP - 用户数据报协议RFC 768: 无连接 不可靠的数据传送 无流控 无拥塞控制 使用TCP的应用： HTTP (Web), FTP (文件传送), Telnet (远程注册), SMTP (电 子邮件) 使用UDP的应用: 流媒体，电信会议，DNS， 以太网电话 网络核心 互联的路由器形成的网孔 基本问题: 数据怎样通过网络 传送? 电路交换: 每呼叫专用的 电路：电话网 分组交换: 数据通过网络 以离散的“块”发送 网络核心：电路交换 为“呼叫”预留端到端 资源 链路带宽，交换机能力 专用资源：非共享 类电路(确保

6、的)性能 需要建立呼叫 网络核心：电路交换 网络资源(如带宽) 划 分为“片” 分配给呼叫片 如果未被拥有的呼叫使 用则资源片空闲(非共享) 将链路带宽划分为“片” 频率分割 时间分割 电路交换: FDM和TDM FDM 频率 时间 TDM 频率 时间 4 个用户 例子: 数字的例子 从主机A到主机B经一个电路交换网络发送一个 640,000 比特的文件需要多长时间？ 所有链路是1.536 Mbps 每条链路使用具有24个时隙的TDM 创建端到端电路需500 ms 将该例子计算出来将该例子计算出来! 网络核心：分组交换 每个端到端数据流划分为分组 用户A、B的分组共享网络资源 每个分组使用全部

7、链路带宽 使用所需的资源 资源争夺： 聚合资源要求可能超过可用 的量 拥塞：分组队列，等待链路 使用 存储转发：分组一次移动一 跳 带宽划分为“片” 专用分配 资源预留 分组交换：统计复用 A & B分组的序列没有固定的模式 统计复用统计复用. 在TDM中，每台主机在 循环出现的TDM帧中获得相同的帧。 A B C 10 Mbps 以太网 1.5 Mbps D E 统计复用统计复用 等待输出链路的分组队列 分组交换对比电路交换 1 Mbps链路 每个用户: 当“活跃”时100 kbps 时间的10% 活跃 电路交换: 10用户 分组交换 10人同时活跃概率很小 可容纳用户更多 分组交换允许更多

8、的用户使用网络! N 用户 1 Mbps 链路 分组交换对比电路交换 对突发数据极为有效 资源共享 较简单，无呼叫建立 过多的拥塞: 分组时延和丢包 需要可靠数据传送、拥塞控制的协议 问题: 怎样提供类似电路的行为？ 对音频/视频应用需要带宽保证 仍是一个未解决的问题 分组交换是一个“强有力的赢家”？ 分组交换：存储转发 传输(推出)L个比特到速率为 R bps链路上，需要L/R秒 在分组能向下一段链路传输 前，整个分组必须到达路由 器：存储转发 时延 = 3L/R 例子: L = 7.5 Mb R = 1.5 Mbps 时延 = 15 sec R R R L 接入网和物理媒体 问题: 端系统

9、怎样连接到边缘路 由器？ 住宅接入网 机关接入网(学校，公司) 移动接入网 记住: 接入网的带宽(每秒比特) ？ 共享或专用？ 住宅接入：点对点接入 经调制解调器拨号 最高达56Kbps直接接入到路由器 (经常较少) 不能同时上网和打电话：不能 “总是在线” ADSL: 不对称数字用户线 最高达1 Mbps 上行 (今天典型地 256 kbps) 最高达8 Mbps下行 (今天典型地 1 Mbps) FDM: 50 kHz - 1 MHz 用于下行 4 kHz - 50 kHz 用于下行 0 kHz - 4 kHz用于普通电话 住宅接入: 电缆调制解调器 HFC: 混合光纤同轴 不对称:最高达

10、30Mbps下行, 2 Mbps上行 电缆和光缆的网络将家庭连接到IPS路由器 家庭共享到路由器的接入 部署: 可利用电缆电视公司 公司接入：局域网 公司/大学局域网 (LAN) 将端系 统连接到边缘路由器 以太网: 共享或专用链路连接端系统 和路由器 10 Mbs, 100Mbps, 千兆以太网 无线接入网 共享无线接入网连接端系统到路由器 经基站，又称为“接入点” 无线LAN: 802.11b (WiFi): 11 Mbps 广域无线接入 由电信公司运营商提供 3G 384 kbps WAP/GPRS 基站 移动主机 路由器 家庭网络 典型的家庭网络组成: ADSL或电缆调制解调器 路由器

11、/防火墙/NAT 以太网 无线接入点 无线接入点 无线便携机 路由器/ 防火墙 电缆调制 解调器 到/来自 电缆头端 以太网 物理媒体 比特: 在传送器/接收器对间传 播 物理链路:位于传送器/接收器间 的东西 导引型媒体: 信息在固体媒体(同轴、光纤、 铜线)中传播 非导引型媒体: 信息自由传播，例如无线电 双绞线 (TP) 两根绝缘铜线 3类线: 传统电话线，用于10 Mbps 以太网 5类线: 100Mbps 以太网 物理媒体：同轴电缆，光纤 同轴电缆: 两根同中心的铜导体 双向的 基带: 在电缆上的单一信道 传统以太网所用 宽带: 在电缆上的多个信道 HFC 光纤电缆: 承载光脉冲的玻

12、璃纤维，每个 脉冲一个比特 高速运行: 高速点对点传输 (如 5 Gps) 低差错率：中继器相隔很远； 不受电磁噪声干扰 物理媒体：无线电 在电磁频谱中携带信号 无物理“导线” 双向 传播环境效应： 反射 物体遮挡 干扰 无线电链路类型: 陆地微波 如高达45 Mbps 信道 LAN (如 Wifi) 2Mbps, 11Mbps 广域 (如蜂窝) 如3G: 数百 kbps 卫星 高达50Mbps 信道(或多个较小信 道) 270 msec 端到端时延 同步对比低轨 因特网结构：网络的网络 大致为登记制 在中心: “第一层第一层” ISPs (如UUNet, BBN/Genuity, Sprin

13、t, AT&T), 覆盖国家/国际 互相视为对等 第一层 ISP 第一层 ISP 第一层 ISP 第一层提供商 专门互联对等 方 NAP 第一层提供商专门 也互联公共网络接 入点(NAP) 第一层ISP: 如 Sprint Sprint美国主干网络 因特网结构：网络的网络 “第二层” ISP: 较小的(常为区域的) ISPs 与一个或更多的第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连 第一层ISP 第一层 ISP 第一层ISP NAP 第二层ISP 第二层ISP 第二层ISP 第二层ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 为向 与因特网连接而向 第一层 ISP 付费 第二层 ISP 是 第一

14、层提供商的客 户 各第二层 ISP 在NAP互联，彼 此也是专门成为 对等方 因特网结构：网络的网络 “Tier-3” ISP和本地ISP 最后一跳(“接入”)网络(最靠近端系统) 第一层 ISP 第一层 ISP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地ISP 第三层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地ISP 本地和 第三层 ISP是较高层 ISP的客户，这 些较高层ISP将 它们连接到因特 网其他部分 因特网结构：网络的网络 一个分组通过许多网络传输! 第一层 I

15、SP 第一层 ISP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 第三层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 协议“分层” 网络是复杂的！ 许多“构件” 主机 路由器 各种媒体的链路 应用 协议 硬件，软件 问题: 是否存在网络的组织结构？ 或至少用于我们讨论网络？ 为什么分层? 处理复杂系统： 明确的结构使得能够标识复杂系统构件的关系 分层的 参考模型 用于讨论 模块化易于维护、系统的更新 各层服务实现的改变对于系统的其他部分透明 如改变其中一个模块不影响系统的其他部分 分层曾被认为是有害的？ 因特网协议栈 应用层应用层(application layer) 运输层运输层(transport layer) 网络层网络层(network layer) 链路层链路层(data link layer) 物理层物理层(physical layer) 数据链路层数据链路层 应用层应用层 运输层运输层 网络层网络层 链路层链路层 物理层物理层 因特网协议栈 应用: 支持网络应用 FTP, SMTP, HTTP 运输: 主机到主机数