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1、互联网原理与应用发展,（计算机学院 范冰冰教授）,你所认识互联网？ 互联网怎样发展而来的呢？又往何处去？ 网络技术主要内容？ 互联网核心技术体系 附属的网络概念和技术？ 因特网有哪些主要应用？ 互联网上怎样构作应用的？ ,第1章、互联网技术与应用概述,1.1 互联网发展背景,1.2 互联网设计思想与特点,1.3 互联网基础协议体系结构,1.4 互联网应用,1.5 互联网最新趋势,参考教材1、2、32章,1.1.1 传统网络技术,1.1 互联网发展概述,通信是现代社会三大基础结构之一（能源、交通和通信）。,传统电信网络主要是电报传真网、电话交换网PSTN、数字数据网DDN、分组交换公用数据网PS
2、PDN，以及后来的帧中继网FRN、ATM网、 Ethernet、移动通信网等。,网络是实现信息（语音、文本、数据或集合）交互（通信）的网元设备和协议集合。,传统电信网络主要为特定的用户需求设计，实现多业务综合承载应用很困难，经历电路交换到分组交换发展。,1.1.2 计算机网络五个关键方面,1、数据通信Data Communication。通过物理介质实现信息传送的低层机制和技术。,2、分组交换和联网技术。满足不同速率、距离和成本等需要分组交换技术（分组长度、寻址方式）。,3、TCP/IP联网技术。异构网络（不同分组交换技术）互连方法，容纳新网络；强大生命力。,5、附加的网络概念和技术。涉及管理
3、、安全、服务质量等。,4、网络应用和网络编程。网络上实现具体服务的应用系统，软件交互、网络有效结合和简单化开发方法。,1.1.3 计算机网络和网络互连,70年代开始，联网技术计算机网络，核心内容：LAN、网络互连；LAN研究解决小区域计算机互连和信息共享的体系，目前主要是Ethernet：共享介质以太网、交换以太网；Ethernet并随着光收发技术发展，向区域网、城域网发展。,不同目的（速率、距离和成本等） /时间、厂商的各种网络技术，1973 Vinton Cerf/Robert Kahn指出：实际上不可能存在单一分组网络技术能满足所有需求，特别是极低成本小容量家庭/办公网络需要，建议停止单
4、一最佳解决方案寻找。,解决统一网络的出路：探索把多种分组网络互联成一个有机整体的方法，形成全局服务。 计算机广域互连，一种跨越不同底层网络技术、操作系统的LAN广泛互连技术，以及在之上实现信息交互和业务应用，即互联网（TCP/IP）技术。,互联网原理和应用，在了解IP编址、IP协议、TCP协议基础上，进一步了解TCP/IP协议体系和工作原理，以及因特网应用系统和编程方法。,互联网internet：通过路由器连接的一组网络，使网中的任何计算机之间可以通信，目前主要运用TCP/IP协议。它可能是任何组织的网络，如Cernet、Jxnet,1.1.4 internet Internet 和Intra
5、net,因特网Internet：运用TCP/IP协议，接受因特网组织统一管理（InterNIC 地址、域名）、全球开放的互联网，前身ARPANET。它是一个特定组织的网络，目前已成为全球计算机互连和应用互联的基础设施，并在和电信网融合成为统一的NGN。,内联网Intranet：运用TCP/IP技术，企业、学校等单位内部互连的网络。,1.2.1 互联网要解决的核心问题,1、网络通信必须解决寻址问题，在网络设备和计算机间的统一虚拟编址和实现准确的传送定位。,1.2 互联网技术思想与特点,2、解决网络可靠性（出错控制）和可管理性问题，网络通信必须解决可靠问题。计算机通信是计算机运行程序之间的通信，所
6、以应当由谁负责可靠交付？因特网和传统电信网的思路不同。,地址转换问题：互联网采用物理链路2层之上独立的第3层地址编制，实际寻址过程需要2、3层地址转换，如ARP、RARP协议。,3、怎样解决网络通信交互和实际应用的结合、网络应用编程、开放性问题。在TCP/IP核心之上开发和建立一系列的实际应用，而且希望使网络技术和计算机技术一体化，方便应用开发推广。,因特网以IP 协议、动态选路协议来提供计算机间的尽力分组传输，网络简单、灵活性好、价格便宜。但没有传统网络严格的呼叫控制和可靠管理功能，只通过简单差错告知协议ICMP、简单网管协议SNMP； 因特网通过增加 TCP 协议，建立计算机进程间的连接，
7、实现计算机程序之间的相对可靠通信。,4、解决网络的安全性、服务质量QoS等问题，互联网初始设计基本没有考虑以上问题，所以，存在结构性问题，以后不断通过技术补充来完善。,互联网开放环境安全成为互联网技术重要分支，NAT、防火墙、入侵检测、 VPN/IPSEC、加密/认证、SSL/TSL、PKI/CA、漏洞扫描和安全评估、网络攻击和防御,互联网服务质量QoS是不断发展的领域，由于IP的特性，目前互联网QoS本质上CoS，通过区分服务DiffServ、资源预留协议RSVP等适当解决。,互联网通过网络API设计，视网络为可标准调用的计算机外部资源，大大简化了程序员对低层网络通信要求。互联网通过C/S，
8、B/S模式简化呼叫控制。互联网相比电信网促进了网络应用的蓬勃发展。,1.2.2 网络基本传输交换方式,虚电路、交换电路,最早的PSTN电路交换网，采用电路交换方式，预留资源、建立电路，然后通信，拆除电路 。可实现高质量管理和对称业务；但信令系统建立每一次呼叫和维护连接状态信息，虚电路对大量突发、非对称小数据量的应用（如网页浏览）是低效率、高代价的。,建立连接 预留资源,电路交换方式,分组路由/交换？,60年代，数据通信出现了一个革命性的新概念：分组通信分组交换把数据划分成许多小的数据块（分组），每个分组中包含接收方的地址。网络的每个交换设备都保留有分组如何抵达所有可能目的地的信息。互联网分组通
9、信利用效率远远高于传统通信网，且可以支持应用非常广泛，通信费用也比传统网络低得多。,分组存储 转发？,分组交换方式,1.2.3 面向连接的/无连接的流模式和报文模式,面向连接的流模式传输,通常电信网（无论是FR或ATM分组）的都采用面向连接的传输交换方式，连接是对等实体为进行通信而进行的一种结合（打招呼，预处理），面向连接的流传输方式，可以是预留资源虚电路（如 FR、ATM），也可以不预留方法（如TCP） 。,面向连接,FBB: 什么是连接？对等实体为进行通信而进行的一种结合。 面向连接要素：连接建立、数据通信和连接释放三阶段。,连接要素,建立连接 预留资源,建立连接 不预留资源,分组从 A
10、传送到 B 的过程,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,无连接的报文传输-互联网的IP分组路由方式,范冰冰: 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 因特网中这样一个分组称为IP数据报，也称IP包。 通过存储转发，hop by hop尽力逐跳把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,数据报,逐跳尽力传输,互联网IP技术采用面向无连接的尽力传送方式（报文模式），只通过简单、灵活的寻址和选路功能，不需信令系统；即发送数据不需要预先和接收建立连接，既不要预定资源，也不确定
11、资源，动态分配资源和发送，使用报文方式的传送信息适合突发性消息发送，简单低成本。,同时IP包不能解决丢报、重复或失序。技术的可靠性、安全性、业务质量保证等方面性能不高，所以使用一种折中的TCP流模式传输。尽管目前主要优点使人们容忍其缺陷，但也是NGI、NGN发展动力。,1.2.4 互联网核心协议 TCP/IP,因特网,什么是点对点传输？什么是端到端传输？ 什么是协议：控制两个对等实体进行通信的规则集合。,IP数据包怎样通过不同的网络？,在某个IP数据报进入网络传递以前，路由器把IP数据报作为完整的帧数据重新封装到一个帧中，这个帧格式符合某个物理网络传送的硬件要求。,终点,包裹,（原始标签）,包
12、裹目的地,不能用身份证号码作地址通信一样！,0.0.0.0-127.255.255.255,128.0.0.0-191.255.255.255,192.0.0.0-223.255.255.255,224.0.0.0-239.255.255.255,240.0.0.0-247.255.255.255,1.3.1 网络协议分层,复杂性：一个公司（产品）越来越无法完成一个系统所有的事情。,开放互连： 原有技术通常只有通信底层和独立的应用层，在不同基础上完成广泛互连，必须定义超越旧体系、新的工作层。,标准化：解决复杂性和互连不能依赖某些公司产品技术，建立既分工的、有统一协调的体系。,早期网络是不分层，
13、为什么要进行分层处理？,范冰冰:早期计算机应用程序和网络基本两个独立的体系，计算机通信（串口、Moden、DDN、X.25) 独立编程完成数据传输，通过操作系统底层向应用呈现提供数据，交互灵活性很差、不标准，从而无法形成更广泛的网络应用。,1.3 互联网协议体系结构,1.3.1 TCP/IP协议结构,网络接口层,IP (RIP OSFP BGP),各种应用层协议 HTTP, FTP, SMTP, DNS 等,TCP,网际层,运输层,UDP,应用层,TCP/IP是协议栈:不仅包含了网络互连IP、传输控制TCP等基本的协议，但更多是应用协议，而且仍在不断发展。,ICMP,IGMP,ARP,RARP
14、,TCP/IP体系一般认为是四层结构，但本质上三层应用层、运输层和网络层；网络接口层具体内容不多。,物理层,NAT,BOOTP/DHCP,1.3.4 TCP/IP协议分层与交互,用户进程,用户进程,用户进程,TCP,UDP,IP,ICMP,IGMP,介质,RARP,硬件接口,用户进程,应用层,运输层,网络层,链路层,ARP,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,IP 层上的互联网,IP2,IP4,IP3,IP5,R2,I
15、P 数据报,硬件地址,MAC 帧,MAC 帧,MAC 帧,IP 地址,R1,TCP连接,1.3.5 协议嵌套和分用,互联网通过一组相同的协议连接在一起网络。,某个具体协议（FTP、TCP、IP、Ethernet）， 只能在同一协议层对等工作。,每个协议都在处理数据分组（或帧）。发送端，每个下层协议分组对上层协议传来的内容进行封装；多层协议之间分组的封装形成分组嵌套。,相反，接收端每个下层协议对分组数据进行拆封后，根据协议要求传递给相应的上层协议，完成分用。,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物 理 传 输 媒 体,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,10100
16、110100101 比 特 流 11 010111010,T2,计算机 1,FTP,AP2,AP1,应 用 程 序,计算机 2,比特,帧,数据报,TCP包,FTP协议,TCP,FTP,头部,用户使用的网络服务和功能都是由应用软件的提供的。网络应用是为一定应用目标，编写通过因特网进行通信的程序。,1.4 互联网应用,网络数据（二进制比特）通信通常是基础过程，建立依靠网络的适应社会需求的应用，创造社会价值和进步才是最终目的。,1.4.1 互联网应用概念和模式,网络应用系统需要设计其个性的应用协议，来规定数据格式表示，业务交互规则等；TCP/IP协议通常是基础协议和基础应用协议的总称。,应用协议：所交换报文的语法和
