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1、计算机网络 第1章 计算机网络和因特网 第一章 计算机网络和因特网 目 录 n什么是因特网 n网络边缘 n网络核心 n接入网和物理媒体 nISP和因特网主干 n分组交换网络中的时延和分组丢失 n协议层次和它们的服务模型 n计算机网络和因特网的历史 第一章 计算机网络和因特网 1.1 什么是因特网 n视角1因特网的构成 q硬件方面 n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 n连接因特网上各种设备的通信链 路 q光纤，铜缆，无线电 ，人造卫星 q传输速率 = 带宽 n转发数据的分组交换机: 转发分组 (数据块) q链路层交换机 q路由器 本地ISP 公司网络 区域ISP
2、分组交换机工作站 服务器 移动通信设备 第一章 计算机网络和因特网 1.1 什么是因特网 n视角1因特网的构成 q软件方面 n在因特网上运行的网络应用程序 n协议：控制报文的发送接收 q例如：TCP, IP, HTTP, FTP, PPP q因特网： “万网之网” n松散的层次结构 n公共因特网（Internet）和私有的内联网（intranet） q因特网标准 nRFC: 请求评论（request for comments） nIETF: 因特网工程部（ Internet Engineering Task Force ） 第一章 计算机网络和因特网 1.1 什么是因特网 n什么是协议 q人类
3、之间交流的语言（协议） n汉语 n英语 n法语 n q计算机之间交流的语言（协议） n语法 n语义 n同步 第一章 计算机网络和因特网 1.1 什么是因特网 n视角2因特网能够提供的服务 q通信基础设施为分布式应用程序提供支撑 q为应用程序提供的通信服务 n可靠的面向连接服务 q先行握手，建立连接 q确认和重传确保可靠数据传送 q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 q拥塞控制试图防止因特网进入迟滞状态 n不可靠的无连接服务 q不承诺“从发送方到接收方传递数据所需的时间 长度” 第一章 计算机网络和因特网 1.2 网络边缘 n网络结构深入研究 q网络边缘: n应用程序和主机
4、q网络核心: n目标：在各个不同的小网 络之间转发数据 n路由器 n网络的网络 q接入网，物理媒体：通信链路 第一章 计算机网络和因特网 1.2 网络边缘 n网络边缘的构成 q端系统（主机） n运行应用程序，如：IE、Foxmail等 n网络应用的通信模型 q客户机/服务器模型（C/S） n客户机：使用服务的主机 n服务器：提供服务的主机 q对等模型（P2P） n所有的主机同时承担服务器和客户机的双重身份 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n基本问题：数据是怎样通过网络传输的？ n第一代计算机网络电路交换网络 q数据交换过程 n第一步：建立连接 n第二步：交换数据 n第三步：释放连
5、接 q电路交换的特性 n数据交换前需建立起一条从发端到收端的物理通路 n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 n交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第一代计算机网络电路交换网络 q电路交换中的复用 n时分复用（TDM） n频分复用（FDM） 频率 时间 频率 时间 4 对用户 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第一代计算机网络电路交换网络 q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？ n所有链路速率皆为1.536 Mbps n每条链路使用有24个时隙的
6、TDM n建立端到端的电路需要500毫秒 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第一代计算机网络电路交换网络 q存在的问题 n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 n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。 结论：电路交换技术不适合于计算机间的数据交换。 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q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
7、义上的计算机网络必 须满足： n不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送 n能够连接不同类型的计算机 n所有的网络结点同等重要，不能有特别重要的结点 n必须有冗余路由 n网络结构尽可能简单，能够可靠传送数据 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q计算机网络的演化 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q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 报文 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输 第一
8、章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q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 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 3 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q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 ） 数 据首部 分组 1 数 据首部 分组 2 数 据首部 分组 3 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换的
9、工作流程 (5) 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 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 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q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 数 据数 据数 据 报文 1101000110101010110101011100010011010010 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换的工作流程 备注2：分组首部的重要性： n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 n分组交换网中的结点交换机根据收到
10、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。 n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。 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 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 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组
11、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 H5 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换网络的结构 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（switch node）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
12、成，主要承担数据处理任务。 资源子网 通信子网 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换网络的特征 n被传送的数据分成若干分组分别传送 n数据传输前不必预先确定分组的传输路径 n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 n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 下续 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换网络的特征 n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
13、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； n通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q转发 n目标: 通过路由器将分组从源主机移动到到目的主 机 q我们将学习一些路径选择（如：路由）算 法 (第4章) n数据报网络 q分组内的目的地址决定下一跳 q在会话过程中路由可能改变 q类似的：驾驶，问路 n虚电路网络 q每个分组携带一个标识（虚电路号），该 标识决定下一跳 q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 q路由器保持每个呼叫连接的状态 第一章 计算机网络
14、和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换 VS 电路交换 n假设： q1Mbps的链路，每个用户需要100kbps q分组交换下1个用户活跃的概率为0.1 n电路交换：仅支持10个用户（1Mbps/100kbps） n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 下续 在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换 VS 电路交换 n更一般的分组交换 q用户速
15、率无限制 n假设： q同一时刻仅有一个用户传输1M的数据 q电路建立时间可忽略不计 n电路交换所需时间：10s n分组交换所需时间：1s 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 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换 VS 电路交换 将L长的分组传输 (推送出去) 到链路（速率为R bps）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 = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps 时延 = 15 秒 L RRR 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n
16、第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换 VS 电路交换 n分组交换网络存在的问题 q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 q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 q整个分组交换网的管理和控制比较复杂 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n第二代计算机网络分组交换网络 q分组交换 VS 电路交换 n结论 q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 q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 第一章 计算机网络和因特网 1.3 网络核心 n网络核心分类 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
