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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2024年7月30日2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什么是因特网？第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日41.1 什么是因特网n视角视角1因特网的构成因特网的构成本地本地ISP公司网络公司网络区域区域ISP分组交换机分组交换机工作站工作站移动通信设备移动通信设备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
2、，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路由器服务器服务器本地本地ISP公司网络公司网络区域区域ISP分组交换机分组交换机工作站工作站移动通信设备移动通信设备第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日51.1 什么是因特网n在因特网上运行的网络应用程序n视角视角1因特网的构成因特网的构成q软件方面n协议：控制报文的发送接收的一组规范q例如：TCP, IP, HTTP, FTP, PPP什么是协议呢？第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日61.1 什么是因特网q人类之间交流协议n汉语n英语n法语nq计算机之间交流的协议
3、n什么是协议什么是协议n同步n语法n语义第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日71.1 什么是因特网n视角视角2因特网能够提供的服务因特网能够提供的服务因特网能提供什么样的服务呢？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第一章 计算机网络和因特网更深入的研究计算机网络从网络边缘开始第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日91.2 网络边缘n网络结构深入研究网络结构深入研究q网络边缘: n应用程序和主机q网络核心: n目
4、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：通信链路第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日101.2 网络边缘n网络边缘的构成网络边缘的构成q端系统（主机）n运行应用程序，如：IE、Foxmail等第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日111.2 网络边缘n网络应用的通信模型网络应用的通信模型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q客户/服务器模型（C/S）n客户：使用服务者n服务器：提供服务者RequestRequestRequestResponseResponseResponseRequestResponseRequestRe
5、sponseRequestResponse第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日121.3 网络核心n基本功能基本功能将数据从一个端系统传递到将数据从一个端系统传递到另外一个端系统。另外一个端系统。 怎样构建提供这样功能怎样构建提供这样功能的网络核心呢？的网络核心呢？第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日131.3 网络核心两种不同的方法构建网络核心两种不同的方法构建网络核心电路交换技术电路交换技术分组交换技术分组交换技术第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日141.3 网络核心第一代计算机网络第一代计算机网络电路交换网络电路交换网络1. 拨号，等待接通1. 建立连接2
6、. 通话2. 交换数据3. 挂机3. 释放连接q打电话过程q数据交换过程n物理通路#￥%&n资源独占n几乎不产生延迟第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日151.3 网络核心连接建立成功之后，独占资源。连接建立成功之后，独占资源。优：没有延迟优：没有延迟劣：资源利用率低劣：资源利用率低如何解决这个问题呢？第一代计算机网络第一代计算机网络电路交换网络电路交换网络第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日161.3 网络核心电路交换中的资源复用（电路交换中的资源复用（1）n时分复用（TDM）频率时间4 对用户第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日171.3 网络核心电路交换中的
7、资源复用（电路交换中的资源复用（2）n频分复用（FDM）4 对用户频率时间第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日181.3 网络核心n第一代计算机网络第一代计算机网络电路交换网络电路交换网络结论：电路交换技术不适合于计算机间的数据交换。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，连接管理、资源独占消耗太多资源。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。第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日191.3 网络核心针对电路交换技术的问题，针对电路交换技术的问题，分组交换分组交
8、换技术应运而生！技术应运而生！它如何解决电路交换技术的问题呢？它如何解决电路交换技术的问题呢？第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日201.3 网络核心n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q解决问题连接预约资源建立物理通路数据错误寻址问题分组交换核心分组交换核心存储转发存储转发第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日211.3 网络核心n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q分组交换的工作流程报文较长不便于传输(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1101000110101010110101011100010
9、0110数据数据数据数据数据数据第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日221.3 网络核心(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 3n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q分组交换的工作流程第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日231.3 网络核心(3) 分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次发送。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q分组交换的工作流程第一章 计算机网络和因特网2024年7月30
10、日241.3 网络核心(4) 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n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q分组交换的工作流程第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日251.3 网络核心(5) 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1101000110101010110101011100010011010010n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络q分组交换的工作流程网络中间的交换节点做了些什么呢？网络中间的交换节点做了些什么呢？第一章 计算机网络和因特网202
11、4年7月30日261.3 网络核心n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络首首部部包含地址等控制信息存储转发存储转发 接收并接收并存储存储一个完整的分组一个完整的分组分析首部，获取地址等控制信息分析首部，获取地址等控制信息 依据地址信息，确定路径依据地址信息，确定路径转发转发第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日271.3 网络核心n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 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2024年7月30日281.3
12、 网络核心n第二代计算机网络第二代计算机网络分组交换网络分组交换网络H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组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2024年7月30日291.3 网络核心n分组交换 VS 电路交换（1）n假设：q1Mbps的链路，每个用户需要100kbpsq1个用户活跃的概率为0.1在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户n电路交换
13、：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第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日301.3 网络核心n电路交换：该活跃用户获得100Kbps的速率当用户数较少时，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n分组交换 VS 电路交换（2）n假设：q1Mbps的链路，每个用户速率没有限制q当仅有1个用户活跃时n分组交换：该活跃用户获得1Mbps的速率第一章 计算机网络和因特网2024年7
14、月30日311.3 网络核心n分组交换网络存在的问题n分组交换 VS 电路交换（3）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2024年7月30日321.3 网络核心n网络分类网络分类分组交换网络分组交换网络虚电路网络虚电路网络数据报网络数据报网络n数据报网络数据报网络 q分组内的目的地址目的地址决定下一跳q在会话过程中路由可能改变q路由器无需维持状态n虚电路网络虚电路网络 q在建立连接时决定路径，并在整个连接过程中保持不变q
15、每个分组携带一个标识（虚电路号），该标识决定下一跳q路由器保持每个呼叫连接的状态第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日331.3 网络核心n网络分类网络分类电信网络电信网络电路交换网络电路交换网络FDMTDM分组交换网络分组交换网络虚电路网络虚电路网络数据报网络数据报网络第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日341.4 接入网和物理媒体n接入网的作用接入网的作用q将网络边缘与网络核心连接起来，通常是将端系统连接到边缘路由器上q边缘路由器：端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器n接入的方式接入的方式qModem拨号/ADSL拨号/HFCq局域网接入：以太网q无线接入第一
16、章 计算机网络和因特网2024年7月30日351.4 接入网和物理媒体n接入网接入网连接网络边缘和网络核心连接网络边缘和网络核心q住宅接入住宅接入：将家庭端系统与 网络相连q公司接入公司接入：将机构端系统与 网络相连q无线接入无线接入：将移动端系统与 网络相连第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日361.4 接入网和物理媒体nModem拨号拨号q通过本地电话回路点对点连接ISP的拨号池（通常是路由器）q速度最高可达56kbpsq无法实现在上网的同时拨打电话n家庭接入（家庭接入（1）nADSL：不对称数字用户线不对称数字用户线q下行/上行速率最高可达8Mbps/1Mbpsq频分复用:n0
17、kHz4kHz：语音n4kHz50kHz：上行 50kHz1MHz：下行q带宽独享第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日371.4 接入网和物理媒体nHFC ：光纤同轴电缆混合网络光纤同轴电缆混合网络q下行/上行速率最高可达40Mbps/10Mbpsq通过有线电视网络部署q带宽共享n家庭接入（家庭接入（2）第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日381.4 接入网和物理媒体nHFC：光纤同轴电缆混合网络光纤同轴电缆混合网络第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日391.4 接入网和物理媒体nHFC：光纤同轴电缆混合网络光纤同轴电缆混合网络家庭电缆头端电缆分配网络（简化）典型
18、的有 500到5,000个家庭信道VIDEOVIDEOVIDEOVIDEOVIDEOVIDEODATADATACONTROL123456789频分复用:第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日401.4 接入网和物理媒体q使用局域网 (LAN)连接端系统与边缘路由器n公司接入公司接入n通过共享或专用的链路连接端系统和路由器n10 Mbs, 100Mbps, Gigabit以太网以太网详见第五章详见第五章第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日411.4 接入网和物理媒体q无线局域网:n802.11b (WiFi): 11 Mbpsn无线接入无线接入q广域无线接入nWAP GPRS
19、CDMAnCDMA2000 WCDMA TD-SCDMA第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日421.4 接入网和物理媒体n物理媒体分类物理媒体分类q导引型媒体：信号沿着固体媒体被导引q非导引型媒体：信号自由传播第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日431.4 接入网和物理媒体n导引型媒体导引型媒体双绞线双绞线q双绞线：两根互相绞合的绝缘铜导线n3类线：传统的电话线， 10 Mbps 以太网n5类线：100Mbps 以太网第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日441.4 接入网和物理媒体n导引型媒体导引型媒体同轴电缆同轴电缆外层外层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层内导体内导体q
20、同轴电缆n50：基带同轴电缆，以10Mbps速率将基带数字信号传送1Km的距离n75：宽带同轴电缆，采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日451.4 接入网和物理媒体n导引型媒体导引型媒体光纤光纤芯(玻璃)封套(玻璃)外套(玻璃)q光纤n多模光纤：光以全反射的方式在光线中传播。传输距离短、误码率高；但使用普通光源，成本低。n单模光纤：光沿着光纤直线传播。传输距离远、误码率低；但必须使用激光光源，成本高。第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日461.4 接入网和物理媒体n通过电磁频谱传播信号n地面微波：可达45 Mbpsn非导引型媒体非导引型
21、媒体无线电波无线电波q特性n没有物理“线路”n传播受环境影响: 反射、干扰、障碍物、多径传播q类型n无线局域网：2/11/54/300Mbpsn无线广域网：如3Gn卫星：50Mbps、270 毫秒延迟、同步卫星、低纬度卫星第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日471.5 ISP和因特网主干因特网的分层ISP等级结构第一层私下里提供互连（对等体）NAP第一层同时在网络接入点（NAPS）提供互连n处于该结构最顶层的结构被称为 “第一层” ISP，也被称为因特网主干网络Tier 1 ISPTier 1 ISPTier 1 ISP第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日481.5 ISP
22、和因特网主干n“第二层” ISP是它所连接的第一层ISP的客户Tier 1 ISPTier 1 ISPTier 1 ISPNAPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISP第二层ISP为能够连接因特网的其它区域而向第一层ISP付费第二层 ISPs 私下里相互结成对等，可在NAP进行互连因特网的分层ISP等级结构第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日491.5 ISP和因特网主干本地和第三层是上层ISPs的客户，通过它们连到因特网其它区域Tier 1 ISPTier 1 ISPTier 1 ISPNAPTier-2 ISPTier-
23、2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPTier 3ISPlocalISPlocalISPlocalISPn“第三层” ISP是端系统接入网络的最后一跳因特网的分层ISP等级结构第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日501.5 ISP和因特网主干Tier 1 ISPTier 1 ISPTier 1 ISPNAPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPTier-2 ISPlocalISPlocalISPlocalISPlocalISPloc
24、alISPTier 3ISPlocalISPlocalISPlocalISP因特网的分层ISP等级结构第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日51 回顾回顾1.3节，分组交换技术与电路交换交换节，分组交换技术与电路交换交换技术相比有两个劣势：技术相比有两个劣势：n延迟延迟n数据丢失数据丢失什么原因导致延迟和数据丢失呢？什么原因导致延迟和数据丢失呢？第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日521.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n数据丢失和产生时延的原因数据丢失和产生时延的原因AB接收分组,处理并放到相应队列q分组在交换设备中的处理流程分组排队 (延迟)分组传输 (延迟)传播 (延
25、迟)空闲的 (可用的) 缓存: 如果没有空闲的缓存，则到达的分组被丢弃(丢失)第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日531.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n四种分组时延（四种分组时延（1）q节点处理时延dprocn检测比特差错n确定输出链路q排队时延dqueuen在输出链路中等待被发送n取决于路由器的拥塞程度q传输时延dtransnR=链路带宽 (bps)、L=分组长度 (bits)n将分组比特流发送到链路上的时间 = L/R第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日541.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n四种分组时延（四种分组时延（2）AB 传播传输节点处理排队注意: 传
26、输时延和传播时延是两个完全不同的概念q传播时延dpropnd = 物理链路的长度ns = 媒体中的传播速度 (2x108 米/秒)n传播时延= d/s第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日551.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n节点时延节点时延qdproc 一般为几个毫秒或更短qdqueue 依赖于拥塞情况qdtrans = L/R, 对于低速链路来说很重要qdprop 几个毫秒到数百毫秒第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日561.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n排队时延（再次讨论）排队时延（再次讨论）q假定nR=链路带宽 (bps)nL=分组长度 (bits)na=
27、平均分组到达速率流量强度：La/RLa/R= 0: 平均排队时延很小，甚至为0 1: 平均时延较大，且随时间推延而趋于无穷!第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日571.6 分组交换网络中的时延和分组丢失n分组丢失的原因和采取的措施分组丢失的原因和采取的措施q缓存中队列的容量是有限的，当分组到达时队列已满，则分组被丢弃 (丢失)q丢失的分组可能会被前一个节点、源端系统重新传输，或者根本不重传第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日58 通过简单的介绍，我们发现一个现实：通过简单的介绍，我们发现一个现实：计算机网络是一个非常复杂的系统。计算机网络是一个非常复杂的系统。如何将复杂的网
28、络依据一定的规则组织成有序结构? 第一章 计算机网络和因特网1.7 协议层次和服务模型n层次通信的一个例子层次通信的一个例子哲学家聊天哲学家聊天第一章 计算机网络和因特网1.7 协议层次和服务模型n层次通信的一个例子层次通信的一个例子哲学家聊天哲学家聊天对等层通信对等层通信协议规范了处于同一个对等层上的不同通信实体的通信行为协议规范了处于同一个对等层上的不同通信实体的通信行为第一章 计算机网络和因特网1.7 协议层次和服务模型n层次通信的一个例子层次通信的一个例子哲学家聊天哲学家聊天通过刚才的演示我们发现：q上层通过调用下层提供的服务，并加上自己的处理来对更上层提供承诺的服务。q只要保证对上/
29、下层的服务接口以及服务承诺不变，如何实现这些服务对上下层透明。第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日621.7 协议层次和服务模型n协议和服务的关系协议和服务的关系第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日631.7 协议层次和服务模型n因特网的协议栈应用层运输层网络层链路层物理层q应用层: 支持网络应用nFTP, SMTP, STTPq运输层: 主机间的数据传输nTCP, UDPq网络层:将数据报从源端传送到目的端nIP, 路由协议q链路层: 数据在网络相邻结点之间传输nPPP, 以太网q物理层: 在线路上传输比特流第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日641.7 协议层
30、次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据第5层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4第4层首部H3第3层首部H2第2层首部T2第2层尾部第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日651.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动5432154321计算机 1
31、AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的第1层收到比特流后交给第2层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日661.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2第2层剥去首部和尾部后把数据部分交给第3层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日671.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体
32、系结构中数据的流动H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2第3层剥去首部后把数据部分交给第4层第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日681.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2第4层剥去首部后把数据部分交给第5层第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日691.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动应 用 程
33、 序 数 据H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2第5层剥去 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日701.7 协议层次和服务模型n计算机网络体系结构中数据的流动计算机网络体系结构中数据的流动5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日711.7 协议层次和服务模型n封装封装报文报文段数据报帧源应用层运输层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM目的地应用层运输层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMH
34、tMM网络层链路层物理层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnHlM路由器路由器交换机交换机第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日72总结本章覆盖了大量的内容n因特网概述n什么是协议n网络边缘，核心，接入n分组交换与电路交换n因特网/ISP 结构n性能：丢失，时延n分层和服务模型n历史现在你已经： n对网络有了初步的认识和“感觉”n接下来的课程将在内容上更加深入，并会涉及到更多的细节第1章 计算机网络与因特网，总结第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日73课后思考题n复习题 1、3、4、5、11、19、20、23、25n习 题 1、9、13、14、18-21、24n讨论题 2、10第一章 计算机网络和因特网2024年7月30日74作业题n习题 1、9、13、14、18、24
