计算机网络教程 主讲人：张奎
教科书：计算机网络教程
谢希仁 人民邮电出版社
参考书,Computer Networking
James,F,Kurose 高等教育出版社
第 1讲：计算机网络与因特网概述
本讲目标,
? 了解环境,―感觉” 网
络
? 为课程内容进行铺垫
? 使用方法,
? 全面讲述网络要点
? 使用因特网作为实
例
?教科书参考
? 第一章
? 第二章
概述,
? 什么是因特网?
? 什么是协议?
? 网络边缘
? 网络核心
? 访问网络,物理介质
? 网络性能, 数据丢失,延迟
? 协议分层,服务模型
? 骨干网络,NAP,ISP
? 因特网简史
因特网, 工程视角
? 数以百万计的互联计算设
备, 主机,端接系统
? Pc工作站,服务器
? PDA电话,智能家电
运行 网络应用程序
? 通信链路
? 光纤,铜缆,无线电,卫星
? 路由器, 将数据分组 (数据
块 )转发通过网络
? 教科书参考
? 第 3章、第 4章
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
因特网, 工程视角
? 协议, 控制报文的收发
? e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,
PPP
? 因特网,,万网之网”
? 松散的层次结构
? 公共的 Internet（ 因特网）
vs,专有的 intranet（ 内联网
）
? 因特网标准
? RFC,Request for comments
? IETF,Internet Engineering
Task Force（ 因特网工程部）
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
因特网, 服务视角
? 通信系统基础上 运行分布
式的应用程序,
? WWW,email,网络游戏,
电子商务,数据库应用,网上
调查,文件共享
? 所提供的通信服务,
? 无连接（ connectionless）
? 面向连接（ connection-
oriented）
什么是协议?
人们交往的协议,
? ―现在几点了?”
? ―我有个问题,”
? 彼此作自我介绍
… 定义发送的信息
… 定义信息接收后,或某
个事件发生后的动作
网络协议,
? 通信设备之间的交互而
不是人们的交往
? 所有在因特网上的通信
活动全部是由协议所控
制的
协议定义网络实体之间信
息收发的格式和顺序,以及
信息发送和接收后所需采取
的动作
（ 语法、语义、同步或规则）
什么是协议?
人际交往的协议和计算机网络协议,
Q,其它人际交往的协议?
Hi
Hi
Got the
time?
2:00
TCP connection
req.
TCP connection
reply.
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
<file>
time
近观网络结构,
? 网络边缘, 应用程序和
主机
? 网络核心,
? 路由器
? 万网之网
? 访问网络,物理介质, 通
信链路
网络边缘,
? 端接系统 (主机 ):
? 运行应用程序
? e.g.,WWW,email
? 在,网络的边缘”上
? 客户端 /服务器
(client/server )模型
? 客户端发出请求,接收来自服务器
的服务
? e.g.,WWW客户端 (浏览器 )/ 服
务器 ; email 客户端 /服务器
? 对等 (peer-peer)模型,
? 主机对称的进行交互
? e.g.,Gnutella,KaZaA
网络边缘, 面向连接的服务
目的, 在端系统间进行数
据传输,
? 握手, 在数据传输之前 (
作为准备工作 ) 设置系
统间的连接
? Hello,hello back 人际
交往协议
? 建立连接“状态 ‖ 于两
个通信主机之间
? TCP - Transmission
Control Protocol(传输
控制协议 )
? 因特网面向连接的服务
TCP服务 [RFC 793]
? 可靠,有序的 字节流数据传
输
? 数据丢失, 应答和重传
? 流量控制,
? 发送端不会将接收端“淹没
”
? 拥塞控制,
? 当网络拥塞时发送端须 ―降
低发送速率 ‖
? 教科书参考
? 第 8章
网络边缘, 无连接的服务
目标, 在端接系统间传输数
据
? 与 TCP一样 !
? UDP - User Datagram
Protocol(用户数据报协议
) [RFC 768],因特网的
无连接服务
? 不可靠的数据传输
? 没有流量控制
? 没有拥塞控制
? 教科书参考
? 第 8章
使用 TCP的应用程序,
? HTTP (WWW),FTP (
文件传输 ),Telnet (远
程登录 ),SMTP (email)
使用 UDP的应用程序,
? 流媒体,视讯会议,IP
电话
网络核心
? 由路由器勾结而成的网 (眼 )
? 最根本的问题, 数据是如何
传输并通过网络的?
? 电路交换, 为每个通信
连接指定电路, 电话网
络
? 分组交换, 数据划分成
分离的 ―数据块 ‖ 通过网
络传送
网络核心, 电路交换
为通信 (call)在两端需
要预留资源
? 链路带宽,交换能力
? 专用资源, 没有共享
? 电路交换的通信性能 (
有承诺的 )
? 在通信进行之前要建立
连接
? 参考教科书（ p4,图 1-2
）
网络核心, 电路交换
网络资源 (e.g.,带宽 )
划分成 ―片”
? 各资源片分配给各个通信
连接
? 如果拥有资源的通信连接
没有使用,则该资源片就被
闲置 (idle,没有共享 )
? 将链路带宽分“片”的办
法
? 频谱划分
? 时隙划分
? dividing link bandwidth
into ―pieces‖
? frequency division
? time division
电路交换, FDMA和 TDMA
FDMA
frequency
time
TDMA
frequency
time
4 用户
例如,
网络核心, 分组交换
每个端到端的数据流被划分成
分组 (packet)
? 用户 A,B 的分组可共享网
络资源
? 每个分组使用全部的链路带
宽
? 资源在 必要时 才使用,
资源竞争,
? 资源可能供不应求
? 拥塞, 分组排队,等待链
路资源
? 在路由器上存储转发, 分
组一次移动一个步跳
? 通过链路传输
? 等待下一条链路
?参考教科书 p5(图 1-4)带宽划分成“片”
专门分配
资源预留
网络核心, 分组交换
分组交换 vs.电路交换, 可以使用饭店的经营方式比喻
? 其他人类社会的生活实例的类比?
A
B
C10 Mb/s以太网
1.5 Mb/s
45 Mb/s
D E
统计多路
等待输出链路的分组队列
网络核心, 分组交换
分组交换, 存储转发的过程
? 将报文划分成较小的数据
块, ―分组（ packets） ‖
? 存储转发, 交换机等到整
个分组到达完毕后,再进
行转发或路由接力
? Q:如果报文以整个的形
式发送又将如何?
? 参考教科书 p6-7,图 1-5
分组交换 vs,电路交换
? 1 Mb/s链路
? 每个用户,
? 100Kb/s 当“激活”
? 激活时间为 10%
? 电路交换,
? 10 用户
? 分组交换,
? 对 35个用户来说,概率, >
10个用户同时激活小于
.0004
分组交换使得更多用户可“同时”使用网络 !
N users
1 Mbps link
分组交换 vs,电路交换
? 在突发性数据传输过程中表现优异
? 资源共享
? 无须事先建立连接
? 过度拥塞, 导致分组延迟和丢失
? 需要协议来保障可靠的数据传输,拥塞控制
? Q,如何在分组交换网中提供电路交换的性能?
? 为音频 /视频（ audio/video） 应用提供带宽保障
? 仍然是一个需要解决的问题
分组交换是不是 ―大满贯冠军?‖
分组交换,路由选择问题
? 目标, 将分组沿路由器从信源送达信宿
? 介绍因特网的路由选择协议 (第 7章 )
? 数据报网络,
? 由信宿地址来 决定下一个步跳 (hop)
? 在会话过程中,路由可能发生变化
? 比喻, 开车问路
? 虚电路网络,
? 每个分组携有标签 (虚电路 ID),由标签来确定下一个步跳
? 在 连接建立阶段 确定固定的路由,全部数据通过该路由传递
? 路由器为每个正在通信中的连接维持状态
? 教科书参考（ p140-146）
访问网络和物理介质
Q,如何将端接路由器与端
系统进行连接 (How to
connection end systems
to edge router)?
? 居民区访问网络
? 企事业单位访问网络 (学
校,公司 )
? 移动访问网络
时刻牢记,
? 访问网络的带宽 (b/s)?
? 共享或独占?
居民区访问, 点对点访问
? 拨号访问
? 可达 56Kb/s对路由器的直接访问 (理
论上 )
? ISDN(一线通 ),integrated services
digital network,128Kb/s对路由器的全
数字化连接
? ADSL(非对称用户线路 ),asymmetric
digital subscriber line
? 上行可达 1 Mb/s home-to-router
? 下行可达 8 Mb/s router-to-home
? ADSL 的应用, 已经普及
居民区访问, 线缆调制解调器
? HFC,hybrid fiber coax(光纤同轴电缆混合网络 )
? 非对称, 下行可达 10Mb/s,1 Mb/s 的上行速
率
? 光纤同轴电缆混合网络 将家庭连接到 ISP路由器
? 在若干家庭用户间共享访问带宽
? 关注点, 拥塞,规模控制问题
? 应用, 在国内的个别地区试点,e.g.,上海，个别
“智能小区”
居民区访问, 线缆调制解调器
Diagram,http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html
单位访问, 局域网
? 公司 /大学 局域网 (LAN) 将
端系统连接到端接路由器
? 以太网 (Ethernet):
? 共享或专线电缆将端系统
连接端系统和路由器
? 10 Mb/s,100Mb/s,
1Gb/s 以太网
? 应用, 企事业单位,家庭用
户 普遍使用的 LAN
? LAN,第 5章
无线访问网络
? 共享的无线访问网络连接
端系统和路由器
? 无线 LAN:
? 使用无线频谱替代网线
? e.g.,朗讯 Wavelan 11
Mb/s
? 广域无线访问
? CDPD,通过蜂窝式网络无
线访问 ISP路由器
base
station
mobile
hosts
router
物理介质
? 物理链路, 沿链路发送
和传输数据的位流
? 有线介质 (guided
media):
? 信号沿固体介质传播, 铜
线缆,光纤
? 无线介质 (unguided
media):
? 信号在大气或外层空间自
由传播,e.g.,无线电
双绞线 (Twisted Pair,TP)
? 两根互相绝缘的铜线
? 三类线 (Category 3 TP),
普通电话线,10 Mb/s
Ethernet
? 五类线 (Category 5 TP),
100Mb/s Ethernet
物理介质, 同轴电缆,光纤
同轴电缆,
? 芯线 (携带信号 )为皮线所
缠绕 (屏蔽层 )
? 基带, 在一条电缆中只有一
路信号
? 宽带, 在一条电缆中有多个
数据通道
? 双向传输
? 常用在 10Mb/s
Ethernet
光缆,
? 在玻璃纤维中传播光脉冲
? 高速运行,
? 100Mb/s Ethernet
? 高速点对点传输 (e.g.,5
Gb/s)
? 低误码率
物理介质, 无线电
? 使用电磁波谱传送信号
? 不使用物理 ―导线 ‖
? 双向传输
? 传播环境影响,
? 反射
? 为障碍物所阻隔
? 干扰
无线链路类型,
? 微波
? e.g,可以达到 45 Mb/s的信
道
? LAN (e.g.,WaveLAN)
? 2Mb/s,11Mb/s
? 广域网 (e.g.,蜂窝电话 )
? e.g,CDPD,10’s Kb/s
? 卫星
? 可达 50Mb/s 信道 (或多个
较小的信道 )
? 270 Ms的端对端延迟
? 地球同步卫星 vs,LEOS
分组交换网络的延迟问题
分组在端到端传输的过程
中会经历 延迟
? 在每个步跳中产生的延
迟可分为 四 种
? 结点处理,
? 校验错误
? 确定输出链路
? 排队
? 在输出链路中等待被发送
? 取决于路由器的拥塞程度
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
分组交换网络的延迟问题
发送延迟,
? R=链路带宽 (b/s)
? L=分组长度 (bits)
? 将分组位流发送到链路
上的时间 = L/R
传播延迟,
? d = 物理链路的长度
? s = 介质中的信号传播速
度 (~2x108 m/s)
? 传播延迟 = d/s
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
注意, s 和 R 是完全不同
的两个概念 !
排队延迟 (再议 )
? R=链路带宽 (b/s)
? L=分组长度 (bits)
? a=平均分组到达速率
数据流量的强度 = La/R
? La/R ~ 0,平均延迟时间很小
? La/R -> 1,延迟时间变长
? La/R > 1,―任务”到达的速度超过服务能力,
平均延迟趋于无穷 !
“真正的” 因特网的延迟和路由
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * *
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
Traceroute(tracert),显示信源到信宿路径上的路由器
also,pingplotter,各种视窗程序
协议的,层次”
网络是复杂的 !
? 诸多,成分 ‖:
? 主机
? 路由器
? 各种介质的链路
? 应用程序
? 协议
? 硬件,软件
问题,
如何将复杂的网络问题依据一定
的规则组织成一定的结构?
至少要为讨论网络问题建设一个
技术平台?
航空旅行的组织和运作
?一系列的步骤
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
航空旅行的组织和运作, 不同的视角
层次, 每个层次实现一种服务
? 通过该层次本身的活动
? 依赖于下一个层次所提供的服务
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
分层的航空旅行, 服务
Counter-to-counter delivery of person+bags
baggage- check -to-baggage-claim delivery
people transfer,loading gate to arrival gate
runway-to-runway delivery of plane
airplane routing from source to destination
分布式 的实现分层的功能
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
De
par
tin
g
air
po
rt
ar
rivi
ng
ai
rp
or
t
intermediate air traffic sites
airplane routing airplane routing
为什么要分层?
对于复杂的系统,
? 显式的结构使得复杂系统的问题定位和不同组成部分
之间的关联讨论称为可能
? 分层的 参考模型 (reference model) 可用于讨论
? 模块化简化了系统的维护和升级
? 某个层次服务实现对系统的其余部分是透明的
? e.g.,改变登机过程不会影响航空旅行的效果
? 分层的做法有没有坏处?
网络与我 —(一个工程硕士生的感受 )
? 大四的上半年开了一门网络课，讲了一堆
的东西，现在只记得有网络的 7层结构和一些
晦涩的名词。以至于工作以后经常分不清某某
协议是那个层的，互相之间是些什么关系。特
别是 TCP/IP 被叫的越来越响亮以后，一直想
把它和 7层结构做个比较，可是越弄越糊涂。
?…
因特网协议栈 (计算机网络的原理体系结构 )
? 应用层, 支持网络应用
? ftp,smtp,http
? 传输层, 主机进程间的数据传递
? tcp,udp
? 网络层, 将数据报从信源传递到信宿
? ip,路由选择协议
? 链路层, 数据在网络上的相邻结点间的
传输
? ppp,ethernet
? 物理层, 信道上传送的位流
application
transport
network
link
physical
分层, 逻辑通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
每个层次,
? 分布的运行
? ―实体” 在每个
节点上实现该层
的功能
? 实体实现动作,
与对等实体交换
信息
分层, 逻辑 通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
dataE.g.,传输层
? 从应用层取得数
据
? 加上地址,校验信
息形成 ―数据报
”
? 向对等实体 (
peer)发送数据
报
? 等待对等体在接
收后的应答
? 比喻, 邮局服务
data
tra rt
tra ort
ack
分层, 物理通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
data
协议分层和数据的封装
每个层次都从上层取得数据
?加上首部信息形成新的数据单元
?将新的数据单元传递给下一层次
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
source destination
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
message
segment
datagram
frame
因特网结构, 万网之网
? 松散的层次结构
? 国家 /国际骨干网络提供商
(national/international
backbone providers,NBP)
? e.g,BBN/GTE,Sprint,AT&T,
IBM,UUNet
? 对等体可以采用专有的方式,或通
过公共网络访问点 ( Network
Access Point,NAP) 互联
? 地区性 ISP
? 连接到 NBP
? 本地 ISP,公司
? 连接到 ISP
NBP A
NBP B
NAP NAP
regional ISP
regional ISP
local
ISP
local
ISP
国家级骨干网提供商 (NBP)
e.g,Sprint 全美骨干网络
因特网简史
? 1961,Kleinrock – 使
用排队论证明分组交换
网络在数据通信方面的
优越性
? 1964,Baran – 在军用
网络中实现分组交换
? 1967,DARPA构思了
ARPAnet
? 1969,首个 ARPAnet
结点运行
? 1972:
? ARPAnet 向公众展示
? NCP (Network Control
Protocol) 第一个主机间
通信的协议
? 首个电子邮件程序运行
? ARPAnet有了 15结点
1961-1972,早期的分组交换原理
因特网简史
? 1970,ALOHAnet 卫星网
络,Hawaii
? 1973,Metcalfe在其博士
论文中建议了 Ethernet
? 1974,Cerf 和 Kahn –
提出网络互连的体系结构
? late70’s,厂家标准,
DECnet,SNA,XNA
? late 70’s,交换固定长度
的分组 (ATM的先驱 )
? 1979,ARPAnet有了 200
结点
Cerf和 Kahn’s 网络互连的原则,
? minimalism,autonomy
- no internal changes
required to
interconnect networks
? best effort service
model
? stateless routers
? decentralized control
定义了今天因特网的体系结构
1972-1980,网络互连,新型和厂商网络
因特网简史
? 1983,开始使用
TCP/IP
? 1982,定义了 smtp e-
mail 协议
? 1983,定义了 DNS 用
于 name-to-IP-
address 转换
? 1985,定义了 ftp 协议
? 1988,TCP 拥塞控制
? 新的国家级网络,
Csnet,BITnet,
NSFnet,Minitel
? 100,000 台主机加入到
网络联盟中
1980-1990,新的协议,网络的大量增殖
因特网简史
? Early 1990’s,ARPAnet 退役
? 1991,NSF 取消了禁止商业化
使用 NSFnet的限制 (退役,
1995)
? early 1990s,WWW
? 超文本链接 [Bush 1945,
Nelson 1960’s]
? HTML,http,Berners-
Lee
? 1994,Mosaic,later
Netscape
? late 1990’s,WWW的商业
化
Late 1990’s:
? 估计因特网中有 5千
万台主机接入
? 估计 1亿个网络用户
? 主干链路的运行速率
在 1 Gb/s
1990’ s,商业化,WWW
本讲小结
本讲内容的覆盖面甚广 !
? 因特网的概述
? 什么是协议?
? 网络边缘,核心,访问网络
? 分组交换 vs,电路交换
? 网络性能,数据丢失,延迟
? 分层和服务模型
? 骨干网络,NAP,ISP
? 因特网简史
诸位同学,
?,感觉”到网络了吗?
? 后继课程将对网络各层
的问题和网络应用的专
题展开讨论
教科书：计算机网络教程
谢希仁 人民邮电出版社
参考书,Computer Networking
James,F,Kurose 高等教育出版社
第 1讲：计算机网络与因特网概述
本讲目标,
? 了解环境,―感觉” 网
络
? 为课程内容进行铺垫
? 使用方法,
? 全面讲述网络要点
? 使用因特网作为实
例
?教科书参考
? 第一章
? 第二章
概述,
? 什么是因特网?
? 什么是协议?
? 网络边缘
? 网络核心
? 访问网络,物理介质
? 网络性能, 数据丢失,延迟
? 协议分层,服务模型
? 骨干网络,NAP,ISP
? 因特网简史
因特网, 工程视角
? 数以百万计的互联计算设
备, 主机,端接系统
? Pc工作站,服务器
? PDA电话,智能家电
运行 网络应用程序
? 通信链路
? 光纤,铜缆,无线电,卫星
? 路由器, 将数据分组 (数据
块 )转发通过网络
? 教科书参考
? 第 3章、第 4章
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
因特网, 工程视角
? 协议, 控制报文的收发
? e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,
PPP
? 因特网,,万网之网”
? 松散的层次结构
? 公共的 Internet（ 因特网）
vs,专有的 intranet（ 内联网
）
? 因特网标准
? RFC,Request for comments
? IETF,Internet Engineering
Task Force（ 因特网工程部）
local ISP
company
network
regional ISP
router workstation
server mobile
因特网, 服务视角
? 通信系统基础上 运行分布
式的应用程序,
? WWW,email,网络游戏,
电子商务,数据库应用,网上
调查,文件共享
? 所提供的通信服务,
? 无连接（ connectionless）
? 面向连接（ connection-
oriented）
什么是协议?
人们交往的协议,
? ―现在几点了?”
? ―我有个问题,”
? 彼此作自我介绍
… 定义发送的信息
… 定义信息接收后,或某
个事件发生后的动作
网络协议,
? 通信设备之间的交互而
不是人们的交往
? 所有在因特网上的通信
活动全部是由协议所控
制的
协议定义网络实体之间信
息收发的格式和顺序,以及
信息发送和接收后所需采取
的动作
（ 语法、语义、同步或规则）
什么是协议?
人际交往的协议和计算机网络协议,
Q,其它人际交往的协议?
Hi
Hi
Got the
time?
2:00
TCP connection
req.
TCP connection
reply.
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
<file>
time
近观网络结构,
? 网络边缘, 应用程序和
主机
? 网络核心,
? 路由器
? 万网之网
? 访问网络,物理介质, 通
信链路
网络边缘,
? 端接系统 (主机 ):
? 运行应用程序
? e.g.,WWW,email
? 在,网络的边缘”上
? 客户端 /服务器
(client/server )模型
? 客户端发出请求,接收来自服务器
的服务
? e.g.,WWW客户端 (浏览器 )/ 服
务器 ; email 客户端 /服务器
? 对等 (peer-peer)模型,
? 主机对称的进行交互
? e.g.,Gnutella,KaZaA
网络边缘, 面向连接的服务
目的, 在端系统间进行数
据传输,
? 握手, 在数据传输之前 (
作为准备工作 ) 设置系
统间的连接
? Hello,hello back 人际
交往协议
? 建立连接“状态 ‖ 于两
个通信主机之间
? TCP - Transmission
Control Protocol(传输
控制协议 )
? 因特网面向连接的服务
TCP服务 [RFC 793]
? 可靠,有序的 字节流数据传
输
? 数据丢失, 应答和重传
? 流量控制,
? 发送端不会将接收端“淹没
”
? 拥塞控制,
? 当网络拥塞时发送端须 ―降
低发送速率 ‖
? 教科书参考
? 第 8章
网络边缘, 无连接的服务
目标, 在端接系统间传输数
据
? 与 TCP一样 !
? UDP - User Datagram
Protocol(用户数据报协议
) [RFC 768],因特网的
无连接服务
? 不可靠的数据传输
? 没有流量控制
? 没有拥塞控制
? 教科书参考
? 第 8章
使用 TCP的应用程序,
? HTTP (WWW),FTP (
文件传输 ),Telnet (远
程登录 ),SMTP (email)
使用 UDP的应用程序,
? 流媒体,视讯会议,IP
电话
网络核心
? 由路由器勾结而成的网 (眼 )
? 最根本的问题, 数据是如何
传输并通过网络的?
? 电路交换, 为每个通信
连接指定电路, 电话网
络
? 分组交换, 数据划分成
分离的 ―数据块 ‖ 通过网
络传送
网络核心, 电路交换
为通信 (call)在两端需
要预留资源
? 链路带宽,交换能力
? 专用资源, 没有共享
? 电路交换的通信性能 (
有承诺的 )
? 在通信进行之前要建立
连接
? 参考教科书（ p4,图 1-2
）
网络核心, 电路交换
网络资源 (e.g.,带宽 )
划分成 ―片”
? 各资源片分配给各个通信
连接
? 如果拥有资源的通信连接
没有使用,则该资源片就被
闲置 (idle,没有共享 )
? 将链路带宽分“片”的办
法
? 频谱划分
? 时隙划分
? dividing link bandwidth
into ―pieces‖
? frequency division
? time division
电路交换, FDMA和 TDMA
FDMA
frequency
time
TDMA
frequency
time
4 用户
例如,
网络核心, 分组交换
每个端到端的数据流被划分成
分组 (packet)
? 用户 A,B 的分组可共享网
络资源
? 每个分组使用全部的链路带
宽
? 资源在 必要时 才使用,
资源竞争,
? 资源可能供不应求
? 拥塞, 分组排队,等待链
路资源
? 在路由器上存储转发, 分
组一次移动一个步跳
? 通过链路传输
? 等待下一条链路
?参考教科书 p5(图 1-4)带宽划分成“片”
专门分配
资源预留
网络核心, 分组交换
分组交换 vs.电路交换, 可以使用饭店的经营方式比喻
? 其他人类社会的生活实例的类比?
A
B
C10 Mb/s以太网
1.5 Mb/s
45 Mb/s
D E
统计多路
等待输出链路的分组队列
网络核心, 分组交换
分组交换, 存储转发的过程
? 将报文划分成较小的数据
块, ―分组（ packets） ‖
? 存储转发, 交换机等到整
个分组到达完毕后,再进
行转发或路由接力
? Q:如果报文以整个的形
式发送又将如何?
? 参考教科书 p6-7,图 1-5
分组交换 vs,电路交换
? 1 Mb/s链路
? 每个用户,
? 100Kb/s 当“激活”
? 激活时间为 10%
? 电路交换,
? 10 用户
? 分组交换,
? 对 35个用户来说,概率, >
10个用户同时激活小于
.0004
分组交换使得更多用户可“同时”使用网络 !
N users
1 Mbps link
分组交换 vs,电路交换
? 在突发性数据传输过程中表现优异
? 资源共享
? 无须事先建立连接
? 过度拥塞, 导致分组延迟和丢失
? 需要协议来保障可靠的数据传输,拥塞控制
? Q,如何在分组交换网中提供电路交换的性能?
? 为音频 /视频（ audio/video） 应用提供带宽保障
? 仍然是一个需要解决的问题
分组交换是不是 ―大满贯冠军?‖
分组交换,路由选择问题
? 目标, 将分组沿路由器从信源送达信宿
? 介绍因特网的路由选择协议 (第 7章 )
? 数据报网络,
? 由信宿地址来 决定下一个步跳 (hop)
? 在会话过程中,路由可能发生变化
? 比喻, 开车问路
? 虚电路网络,
? 每个分组携有标签 (虚电路 ID),由标签来确定下一个步跳
? 在 连接建立阶段 确定固定的路由,全部数据通过该路由传递
? 路由器为每个正在通信中的连接维持状态
? 教科书参考（ p140-146）
访问网络和物理介质
Q,如何将端接路由器与端
系统进行连接 (How to
connection end systems
to edge router)?
? 居民区访问网络
? 企事业单位访问网络 (学
校,公司 )
? 移动访问网络
时刻牢记,
? 访问网络的带宽 (b/s)?
? 共享或独占?
居民区访问, 点对点访问
? 拨号访问
? 可达 56Kb/s对路由器的直接访问 (理
论上 )
? ISDN(一线通 ),integrated services
digital network,128Kb/s对路由器的全
数字化连接
? ADSL(非对称用户线路 ),asymmetric
digital subscriber line
? 上行可达 1 Mb/s home-to-router
? 下行可达 8 Mb/s router-to-home
? ADSL 的应用, 已经普及
居民区访问, 线缆调制解调器
? HFC,hybrid fiber coax(光纤同轴电缆混合网络 )
? 非对称, 下行可达 10Mb/s,1 Mb/s 的上行速
率
? 光纤同轴电缆混合网络 将家庭连接到 ISP路由器
? 在若干家庭用户间共享访问带宽
? 关注点, 拥塞,规模控制问题
? 应用, 在国内的个别地区试点,e.g.,上海，个别
“智能小区”
居民区访问, 线缆调制解调器
Diagram,http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html
单位访问, 局域网
? 公司 /大学 局域网 (LAN) 将
端系统连接到端接路由器
? 以太网 (Ethernet):
? 共享或专线电缆将端系统
连接端系统和路由器
? 10 Mb/s,100Mb/s,
1Gb/s 以太网
? 应用, 企事业单位,家庭用
户 普遍使用的 LAN
? LAN,第 5章
无线访问网络
? 共享的无线访问网络连接
端系统和路由器
? 无线 LAN:
? 使用无线频谱替代网线
? e.g.,朗讯 Wavelan 11
Mb/s
? 广域无线访问
? CDPD,通过蜂窝式网络无
线访问 ISP路由器
base
station
mobile
hosts
router
物理介质
? 物理链路, 沿链路发送
和传输数据的位流
? 有线介质 (guided
media):
? 信号沿固体介质传播, 铜
线缆,光纤
? 无线介质 (unguided
media):
? 信号在大气或外层空间自
由传播,e.g.,无线电
双绞线 (Twisted Pair,TP)
? 两根互相绝缘的铜线
? 三类线 (Category 3 TP),
普通电话线,10 Mb/s
Ethernet
? 五类线 (Category 5 TP),
100Mb/s Ethernet
物理介质, 同轴电缆,光纤
同轴电缆,
? 芯线 (携带信号 )为皮线所
缠绕 (屏蔽层 )
? 基带, 在一条电缆中只有一
路信号
? 宽带, 在一条电缆中有多个
数据通道
? 双向传输
? 常用在 10Mb/s
Ethernet
光缆,
? 在玻璃纤维中传播光脉冲
? 高速运行,
? 100Mb/s Ethernet
? 高速点对点传输 (e.g.,5
Gb/s)
? 低误码率
物理介质, 无线电
? 使用电磁波谱传送信号
? 不使用物理 ―导线 ‖
? 双向传输
? 传播环境影响,
? 反射
? 为障碍物所阻隔
? 干扰
无线链路类型,
? 微波
? e.g,可以达到 45 Mb/s的信
道
? LAN (e.g.,WaveLAN)
? 2Mb/s,11Mb/s
? 广域网 (e.g.,蜂窝电话 )
? e.g,CDPD,10’s Kb/s
? 卫星
? 可达 50Mb/s 信道 (或多个
较小的信道 )
? 270 Ms的端对端延迟
? 地球同步卫星 vs,LEOS
分组交换网络的延迟问题
分组在端到端传输的过程
中会经历 延迟
? 在每个步跳中产生的延
迟可分为 四 种
? 结点处理,
? 校验错误
? 确定输出链路
? 排队
? 在输出链路中等待被发送
? 取决于路由器的拥塞程度
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
分组交换网络的延迟问题
发送延迟,
? R=链路带宽 (b/s)
? L=分组长度 (bits)
? 将分组位流发送到链路
上的时间 = L/R
传播延迟,
? d = 物理链路的长度
? s = 介质中的信号传播速
度 (~2x108 m/s)
? 传播延迟 = d/s
A
B
propagation
transmission
nodal
processing queueing
注意, s 和 R 是完全不同
的两个概念 !
排队延迟 (再议 )
? R=链路带宽 (b/s)
? L=分组长度 (bits)
? a=平均分组到达速率
数据流量的强度 = La/R
? La/R ~ 0,平均延迟时间很小
? La/R -> 1,延迟时间变长
? La/R > 1,―任务”到达的速度超过服务能力,
平均延迟趋于无穷 !
“真正的” 因特网的延迟和路由
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * *
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
Traceroute(tracert),显示信源到信宿路径上的路由器
also,pingplotter,各种视窗程序
协议的,层次”
网络是复杂的 !
? 诸多,成分 ‖:
? 主机
? 路由器
? 各种介质的链路
? 应用程序
? 协议
? 硬件,软件
问题,
如何将复杂的网络问题依据一定
的规则组织成一定的结构?
至少要为讨论网络问题建设一个
技术平台?
航空旅行的组织和运作
?一系列的步骤
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
航空旅行的组织和运作, 不同的视角
层次, 每个层次实现一种服务
? 通过该层次本身的活动
? 依赖于下一个层次所提供的服务
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
分层的航空旅行, 服务
Counter-to-counter delivery of person+bags
baggage- check -to-baggage-claim delivery
people transfer,loading gate to arrival gate
runway-to-runway delivery of plane
airplane routing from source to destination
分布式 的实现分层的功能
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
De
par
tin
g
air
po
rt
ar
rivi
ng
ai
rp
or
t
intermediate air traffic sites
airplane routing airplane routing
为什么要分层?
对于复杂的系统,
? 显式的结构使得复杂系统的问题定位和不同组成部分
之间的关联讨论称为可能
? 分层的 参考模型 (reference model) 可用于讨论
? 模块化简化了系统的维护和升级
? 某个层次服务实现对系统的其余部分是透明的
? e.g.,改变登机过程不会影响航空旅行的效果
? 分层的做法有没有坏处?
网络与我 —(一个工程硕士生的感受 )
? 大四的上半年开了一门网络课，讲了一堆
的东西，现在只记得有网络的 7层结构和一些
晦涩的名词。以至于工作以后经常分不清某某
协议是那个层的，互相之间是些什么关系。特
别是 TCP/IP 被叫的越来越响亮以后，一直想
把它和 7层结构做个比较，可是越弄越糊涂。
?…
因特网协议栈 (计算机网络的原理体系结构 )
? 应用层, 支持网络应用
? ftp,smtp,http
? 传输层, 主机进程间的数据传递
? tcp,udp
? 网络层, 将数据报从信源传递到信宿
? ip,路由选择协议
? 链路层, 数据在网络上的相邻结点间的
传输
? ppp,ethernet
? 物理层, 信道上传送的位流
application
transport
network
link
physical
分层, 逻辑通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
每个层次,
? 分布的运行
? ―实体” 在每个
节点上实现该层
的功能
? 实体实现动作,
与对等实体交换
信息
分层, 逻辑 通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
dataE.g.,传输层
? 从应用层取得数
据
? 加上地址,校验信
息形成 ―数据报
”
? 向对等实体 (
peer)发送数据
报
? 等待对等体在接
收后的应答
? 比喻, 邮局服务
data
tra rt
tra ort
ack
分层, 物理通信
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
network
link
physical
data
data
协议分层和数据的封装
每个层次都从上层取得数据
?加上首部信息形成新的数据单元
?将新的数据单元传递给下一层次
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
source destination
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
message
segment
datagram
frame
因特网结构, 万网之网
? 松散的层次结构
? 国家 /国际骨干网络提供商
(national/international
backbone providers,NBP)
? e.g,BBN/GTE,Sprint,AT&T,
IBM,UUNet
? 对等体可以采用专有的方式,或通
过公共网络访问点 ( Network
Access Point,NAP) 互联
? 地区性 ISP
? 连接到 NBP
? 本地 ISP,公司
? 连接到 ISP
NBP A
NBP B
NAP NAP
regional ISP
regional ISP
local
ISP
local
ISP
国家级骨干网提供商 (NBP)
e.g,Sprint 全美骨干网络
因特网简史
? 1961,Kleinrock – 使
用排队论证明分组交换
网络在数据通信方面的
优越性
? 1964,Baran – 在军用
网络中实现分组交换
? 1967,DARPA构思了
ARPAnet
? 1969,首个 ARPAnet
结点运行
? 1972:
? ARPAnet 向公众展示
? NCP (Network Control
Protocol) 第一个主机间
通信的协议
? 首个电子邮件程序运行
? ARPAnet有了 15结点
1961-1972,早期的分组交换原理
因特网简史
? 1970,ALOHAnet 卫星网
络,Hawaii
? 1973,Metcalfe在其博士
论文中建议了 Ethernet
? 1974,Cerf 和 Kahn –
提出网络互连的体系结构
? late70’s,厂家标准,
DECnet,SNA,XNA
? late 70’s,交换固定长度
的分组 (ATM的先驱 )
? 1979,ARPAnet有了 200
结点
Cerf和 Kahn’s 网络互连的原则,
? minimalism,autonomy
- no internal changes
required to
interconnect networks
? best effort service
model
? stateless routers
? decentralized control
定义了今天因特网的体系结构
1972-1980,网络互连,新型和厂商网络
因特网简史
? 1983,开始使用
TCP/IP
? 1982,定义了 smtp e-
mail 协议
? 1983,定义了 DNS 用
于 name-to-IP-
address 转换
? 1985,定义了 ftp 协议
? 1988,TCP 拥塞控制
? 新的国家级网络,
Csnet,BITnet,
NSFnet,Minitel
? 100,000 台主机加入到
网络联盟中
1980-1990,新的协议,网络的大量增殖
因特网简史
? Early 1990’s,ARPAnet 退役
? 1991,NSF 取消了禁止商业化
使用 NSFnet的限制 (退役,
1995)
? early 1990s,WWW
? 超文本链接 [Bush 1945,
Nelson 1960’s]
? HTML,http,Berners-
Lee
? 1994,Mosaic,later
Netscape
? late 1990’s,WWW的商业
化
Late 1990’s:
? 估计因特网中有 5千
万台主机接入
? 估计 1亿个网络用户
? 主干链路的运行速率
在 1 Gb/s
1990’ s,商业化,WWW
本讲小结
本讲内容的覆盖面甚广 !
? 因特网的概述
? 什么是协议?
? 网络边缘,核心,访问网络
? 分组交换 vs,电路交换
? 网络性能,数据丢失,延迟
? 分层和服务模型
? 骨干网络,NAP,ISP
? 因特网简史
诸位同学,
?,感觉”到网络了吗?
? 后继课程将对网络各层
的问题和网络应用的专
题展开讨论
