华中科技大学计算机网络ppt课件 第1章 计算机网络与因特网.ppt
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1、计算机网络,第1章 计算机网络和因特网,2022年12月26日,2,目 录,什么是因特网网络边缘网络核心分组交换网中的时延、丢包和吞吐量协议层次和它们的服务模型攻击威胁下的网络计算机网络和因特网的历史,2022年12月26日,3,1.1 什么是因特网,视角1因特网的构成硬件方面连接在因特网上的数以百万计的互连计算机设备: 主机或端系统连接因特网上各种设备的通信链路光纤,铜缆,无线电,人造卫星传输速率 = 带宽转发数据的分组交换机: 转发分组 (数据块)链路层交换机路由器,2022年12月26日,4,1.1 什么是因特网,视角1因特网的构成(续)软件方面在因特网上运行的网络应用程序协议:控制报文
2、的发送接收例如:TCP, IP, HTTP, FTP因特网: “万网之网”松散的层次结构公共因特网(Internet)和私有的内联网(intranet)因特网标准RFC: 请求评论(request for comments)IETF: 因特网工程任务组( Internet Engineering Task Force ),2022年12月26日,5,1.1 什么是因特网,视角2因特网能够提供的服务通信基础设施为分布式应用程序提供支撑分布式应用程序包括:电子邮件、Web冲浪、即时讯息、IP话音、因特网广播、流式视频、分布式游戏、P2P文件共享等。如何在因特网上传输数据:通过应用程序编程接口API
3、应用程序编程接口API规定了运行在一个端系统上的软件请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地软件交付数据的方式。因特网向应用程序提供多种服务:如面向连接的可靠服务和无连接的不可靠服务。,2022年12月26日,6,1.1 什么是因特网,什么是协议人类之间交流的语言(协议)汉语英语法语,你好,你好,1.1 什么是因特网,TCP 连接请求,2022年12月26日,7,什么是协议(续)计算机之间交流的语言(协议):协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序,以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作。语法语义同步,2022年12月26日,8,1.2 网络边缘,网络结构
4、深入研究网络边缘: 应用程序和主机网络核心: 目标:在各个不同的小网 络之间转发数据路由器网络的网络接入网,物理媒体,2022年12月26日,9,1.2 网络边缘,网络边缘的构成端系统(主机)运行应用程序,如:IE、MSN等网络应用的通信模型客户/服务器模型(C/S)客户:使用服务者服务器:提供服务者对等模型(P2P)所有的主机同时承担服务器和客户的双重身份,2022年12月26日,10,1.2 网络边缘,接入网的作用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接入方式住宅接入:Modem拨号/DSL/HFC公司接入
5、(局域网接入):以太网无线接入,2022年12月26日,11,1.2 网络边缘,住宅接入:Modem拨号通过本地电话回路点对点连接ISP的拨号池(通常是路由器),速度最高可达56kbps无法实现上网和拨打电话同时进行DSL:数字用户线下行/上行速率可达8Mbps/1Mbps频分复用:0-4kHz:语音;4kHz-50kHz:上行; 50kHz-1MHz:下行带宽独享各种高速DSL技术在各国迅猛发展VDSL:1255Mbps/1.620Mbps,2022年12月26日,12,1.2 网络边缘,住宅接入(续)HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable) :光纤同轴电缆混合网络通
6、过有线电视网络部署需要特殊的调制解调器:电缆调制解调器划分下行信道和上行信道下行/上行速率:30Mbps/2Mbps带宽共享,2022年12月26日,13,1.2 网络边缘,局域网接入公司/大学的局域网 (LAN) 将端系统连接到边缘路由器以太网: 通过共享或专用的链路来连接端系统和路由器10 Mbs, 100Mbps, Gigabit以太网局域网: 详见第5章,2022年12月26日,14,1.2 网络边缘,无线接入共享的无线接入网络连接端系统和路由器通过基站(无线接入点)无线局域网:802.11b (WiFi): 54 Mbps广域无线接入由电信运营商提供基站3G:提供超过1Mbps的无线
7、接入EVDO和HSDPA标准WiMAX(IEEE 802.16):承诺跨越数万米的距离且速率超过5-10Mbps。,2022年12月26日,15,1.2 网络边缘,家庭网络典型的家庭网络构成ADSL 或 cable modem路由器/防火墙/网络地址转换以太网无线接入点,无线接入点,无线笔记本电脑,路由器/防火墙,cablemodem,到/从电缆头端,2022年12月26日,16,1.2 网络边缘,物理媒体分类导引型媒体:信号沿着固体媒体传播非导引型媒体:信号自由传播导引型媒体双绞线:两根互相绝缘的铜导线绞合而成。3类线:传统的电话线, 10 Mbps 以太网5类线:100Mbps 以太网,2
8、022年12月26日,17,1.2 网络边缘,导引型媒体同轴电缆双向传输基带电缆上单信道以太网宽带 电缆上多信道 HFC,光缆在玻璃光纤传播光脉冲,每一个脉冲一比特高速运行高速的点到点传输 (如数百Gbps)低误码率:中继器相隔很远; 不受电磁干扰,2022年12月26日,18,1.2 网络边缘,非导引型媒体:无线电特性通过电磁频谱传播信号没有物理“线路”双向传输传播环境影响:路径损耗和遮挡衰落多径衰落干扰,无线链路类型:地面微波:可达45 Mbps无线局域网:2/11/54Mbps无线广域网:如3G卫星可达50Mbps的信道 (或多个较小的信道)280 毫秒的端到端延迟同步卫星 vs 低纬度
9、卫星,2022年12月26日,19,1.3 网络核心,基本问题:数据如何通过网络来传输?第一代计算机网络电路交换网络数据交换过程第一步:建立连接第二步:交换数据第三步:释放连接电路交换的特性数据交换前需建立起一条从发端到收端的物理通路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交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟,2022年12月26日,20,1.3 网络核心,第一代计算机网络电路交换网络(续)电路交换中的复用时分复用(TDM)频分复用(FDM),频率,时间,频率,时间,2022年12月26日,21,1.3 网络核心,第一代计算机网络电路交换网络(续)例题 计算通过电路交换网
10、络将一个640kb长的文件从主机A传送到主机B需要多长时间?所有链路速率皆为1.536 Mbps每条链路使用有24个时隙的TDM建立端到端的电路需要500毫秒,每条链路传输速率:1.536Mbps/24 = 64Kbps传送该文件时间: 640K/64Kbps = 10s加上建立端到端建立时间:0.5s总共需要时间:10.5s,2022年12月26日,22,1.3 网络核心,第一代计算机网络电路交换网络(续)存在的问题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,用户支付的费用往往是按用户占用线路的时间来收费的。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
11、重新拨号建立新的连接,这对紧急和重要的通信是很不利的。,结论:电路交换技术不适合于计算机间的数据交换。,2022年12月26日,23,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络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,指出真正意义上的计算机网络必须满足:不是为了打电话,而是用于计算机之间的数据传送能够连接不同类型的计算机所有的网络结点同等重要,不能有特别重要的结点必须有冗余路由网络结构尽可能简单,能够可靠传送数据,2022年12月26日,24,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)计算机网络的演化,2022年12月26日,25,1.3
12、 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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,2022年12月26日,26,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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,首部,首部,首部,2022年12月26日,27,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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),2022年12月26日,28,1.3 网络核心,第二
13、代计算机网络分组交换网络(续)分组交换的工作流程(5) 接收端收到分组后剥去首部还原成报文,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,2022年12月26日,29,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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,2022年12月26日,30,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换的工作流程备注1:这里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。备注2:分组首部的重要性:每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部
14、中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。用此种存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。,2022年12月26日,31,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续),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,2022年12月26日,32,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续),H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 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
15、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 H5,2022年12月26日,33,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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)组成,主要承担数据处理任务。,2022年12月26日,34,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换
16、网络(续)分组交换网络的特征被传送的数据分成若干分组分别传送数据传输前不必预先确定分组的传输路径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,2022年12月26日,35,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换网络的特征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;通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成,2022年12月26日,36
17、,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)转发目标: 通过路由器将分组从源主机移动到到目的主机我们将学习一些路径选择算法 (如路由算法,详见第4章)数据报网络 分组内的目的地址决定下一跳在会话过程中路由可能改变类似的:驾驶,问路虚电路网络 需要预先呼叫建立虚电路每个分组携带一个标识(虚电路号)以决定下一跳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路由器保持每个呼叫连接的状态,2022年12月26日,37,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换 VS 电路交换假设:1Mbps的链路,每个用户需要100kbps分组交换下1个用户活跃的概率为0.1电路交
18、换:仅支持10个用户(1Mbps/100kbps)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,在相同条件下,分组交换能够比电路交换支持更多的用户,2022年12月26日,38,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换 VS 电路交换更灵活的分组交换统计多路复用:按需分配资源假设:同一时刻仅有一个用户传输1M的数据电路建立时间可忽略不计电路交换所需时间:10s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,2022年12月26日,39,1
19、.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)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: 存储转发存储转发时延 = 3L/R,举例:L = 7.5 MbitsR = 1.5 Mbps时延 = 15 秒,L,R,R,R,2022年12月26日,40,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换 VS 电路交换分组交换网络存在的问题存储转发时延分组在各结点存储转发时因要排队总会造成一定的排队时延。当网络通信量过大时,这种时延可能会很大。在结点缓存占满的情况下甚至会出现分组丢失或丢包
20、现象。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。整个分组交换网的管理和控制比较复杂。,2022年12月26日,41,1.3 网络核心,第二代计算机网络分组交换网络(续)分组交换 VS 电路交换结论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。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。,1.3 网络核心,电信网络,1.3 网络核心,ISP和因特网主干松散的层次结构通过分层的ISP等级结构在中心: “第一层” ISPs (如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT
21、&T), 实现国际间的覆盖相互间是对等的,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,2022年12月26日,44,1.3 网络核心,“第二层” ISPs: 较小的 (通常是区域的) ISPs连接到一个或多个第一层ISPs, 或者其它第二层 ISPs,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,2022年12月26日,45,1.3 网络核心,“第三层” ISPs 和本地 ISPs 最后一跳 (“接入”) 网络 (与端系统最近),本地和第三层ISP是上层ISPs的客户,通过它们连到因特网其它区域,2022年12月26日,46,1.3 网络核心,分组经过
22、多个网络到达目的地,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,2022年12月26日,47,1.4 分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量,数据丢失和产生时延的原因在路由器缓存中的分组队列分组到达输入链路的速率超出输出链路能力分组队列,等待转发,A,B,2022年12月26日,48,1.4 分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量,四种分组时延处理时延dproc检测比特差错确定输出链路排队时延dqueue在输出链路中等待被发送取决于路由器的拥塞程度传输时延dtransR=链路带宽 (bps)、L=分组长度 (bits)将分组比特流发送到链路上的时间 = L/R,2022年12月2
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