计算机网络自顶向下方法-第1章.ppt

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1、计算机网络和因特网概述,1,第1章 计算机网络和因特网概述Computer Networks and the Internet,计算机网络：自顶向下方法(原书第四版)陈鸣译，机械工业出版社，2010年Computer Networking:A Top Down Approach,4rd edition.Jim Kurose,Keith RossAddison-Wesley,July 2008.,计算机网络和因特网概述,2,第1章 计算机网络和因特网,我们的目标：找到“感觉”，学习术语在后面的课程中更深入地学习，更为细致方法:使用因特网作为例子,概述:什么是因特网什么是协议？网络边缘网络核心性能

2、：丢包率，时延协议层次，服务模型网络模型,计算机网络和因特网概述,3,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,计算机网络和因特网概述,4,4,What is the Internet?,The largest network of networks in the world.Uses TCP/IP protocols and packet switching.Runs on any communications substrate.

3、,From Dr.Vinton Cerf,Co-Creator of TCP/IP,计算机网络和因特网概述,5,什么是因特网：“具体细节”观点,数以百万计的互联的计算设备：主机=端系统运行网络应用 通信链路光纤，铜缆，无线电，卫星传输速率=带宽路由器:转发分组（数据块）,计算机网络和因特网概述,6,什么是因特网：“具体细节”观点,协议控制报文的发送，接收例如，TCP,IP,HTTP,FTP,PPP因特网：“网络的网络”松散的等级结构公共因特网比较专用互联网因特网标准RFC:请求评论（因特网标准）IETF:因特网工程任务组,计算机网络和因特网概述,7,什么是因特网：服务的观点,通信基础设施使能分

4、布式应用：Web,email,游戏,电子商务，文件共享提供给应用通信服务:不可靠无连接可靠的面向连接,计算机网络和因特网概述,8,什么是协议?,人类协议:“几点了?”“我有一个问题”介绍 发送特定的消息 当收到消息或发生其他事件，采取特定的动作,网络协议:机器而不是人类因特网中的所有活动均有协议支配,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）,计算机网络和因特网概述,9,什么是协议?,一个人类协议和一个计算机网络的协议:,问题:其他人类协议?,Hi,Hi,TCP 连接请求,计算机网络和因特网概述,10,这样的协议无法实现！,西军,东军

5、,计算机网络和因特网概述,11,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,计算机网络和因特网概述,12,仔细观察网络结构,网络边缘:应用与主机网络核心:路由器网络的网络接入网络，物理媒体:通信链路,计算机网络和因特网概述,13,网络边缘,端系统(主机):运行应用程序例如Web,电子邮件在“网络边缘”客户机/服务器模式：客户机主机请求，从总是开的服务器接收服务例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户机/服务器对等模式:最小限度(或不)使用

6、专用服务器 例如Skype,BitTorrent,计算机网络和因特网概述,14,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,15,1.3 网络核心,网络“内部”。连接端系统的分组交换机和链路形成的网状网络。基本问题:数据如何通过网络传送?电路交换 分组交换,16,1.3.1 电路交换和分组交换,电路交换(circuit switching)预留端到端资源：端系统之间通信路径上所需要的资源(缓存，链路带宽)。建立连接。发送方以恒定速率向接

7、收方传送数据。如，电话网络。分组交换(packet switching)不需要资源预留按需使用资源，可能要排队等待：同时有其它分组发送。如，因特网。,17,1、工作原理,通信双方必须先建立一个专用的连接（电路），一直维持，直到通信结束。如，电话网络。通话过程：拨号 接通 通信 挂机,18,例，电路交换网络,每个链路可有n条电路，能够支持n条同步连接。通信过程：在两台主机A、B之间创建一条专用的端到端连接，分别占用每条链路中的一条电路；该连接获得链路带宽的1/n，进行通信。,19,2、电路交换网络中的多路复用,多路复用：在一条传输链路上同时建立多条连接，分别传 输数据。频分多路复用FDM(fre

8、quency-division multiplexing)链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享。按频率划分若干频段，每个频段专用于一个连接。带宽bandwidth：频段的宽度。如，4kHz。时分多路复用TDM(time-division multiplexing)时间划分为固定区间的帧，每帧再划分为固定数量的时隙，每一个时隙专用于一个连接，用于传输数据。,20,时分复用帧长度固定,链路频谱,一个连接,一个连接,21,例：4个用户复用,帧,计算机网络和因特网概述,22,数字的例子,从主机A到主机B经一个电路交换网络发送一个640,000 比特的文件需要多长时间？所有链路是1.536 Mbps每条

9、链路使用具有24个时隙的TDM创建端到端电路需500 msec将该例子计算出来!,计算机网络和因特网概述,23,网络核心：分组交换,每个端到端数据流划分为分组用户A、B的分组共享网络资源每个分组使用全部链路带宽使用所需的资源,资源争夺：聚合资源要求能超过可用的量拥塞：分组队列，等待链路使用存储转发：分组一次移动一跳节点在转发前接收完整的分组,计算机网络和因特网概述,24,分组交换：统计复用,A&B分组的序列没有固定的模式 统计复用.在TDM中，每台主机在 循环出现的TDM帧中获得相同的帧。,A,B,C,10 Mbps以太网,1.5 Mbps,统计复用,等待输出链路的分组队列,计算机网络和因特网

10、概述,25,分组交换对比电路交换,1 Mbps链路每个用户:当“活跃”时100 kbps时间的10%活跃电路交换:10用户分组交换 有35个用户，概率 10 活跃小于.0004,分组交换允许更多的用户使用网络!,N 用户,1 Mbps 链路,计算机网络和因特网概述,26,分组交换对比电路交换,对突发数据极为有效资源共享较简单，无呼叫建立过多的拥塞:分组时延和丢包需要可靠数据传送、拥塞控制的协议问题:怎样提供类似电路的行为？对音频/视频应用需要带宽保证仍是一个未解决的问题,分组交换是一个“强有力的赢家”？,计算机网络和因特网概述,27,分组交换：存储转发,传输(推出)L个比特到速率为R bps链

11、路上，需要L/R秒 在分组能向下一段链路传输前，整个分组必须到达路由器：存储转发时延=3L/R,例子:L=7.5 MbR=1.5 Mbps时延=15 sec,R,R,R,L,计算机网络和因特网概述,28,分组交换网络：转发,目的:从源到目的地通过路由器移动分组我们将学习几种路径选择(即选路)算法(chapter 4)数据报网络:分组中的目的地址决定下一跳在会话中路由可以变化类比:驾车，询问方向虚电路网络:每个分组携带标签(虚电路ID)，标签决定下一跳固定的路径在呼叫建立时决定，在呼叫期间保持不变路由器保持每呼叫状态,计算机网络和因特网概述,29,网络分类,电信网络,数据报网络不是面向连接的，而

12、是无连接的。因特网为应用提供了面向连接服务(TCP)和无连接服务(UDP)。,计算机网络和因特网概述,30,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,计算机网络和因特网概述,31,性能测量的两个参数：带宽和延迟,带宽(Bandwidth):Hz,KHz,MHz,GHz信号带宽：构成一信号的各种不同频率成分所占据的频率范围。如人类声音带宽为：3300Hz300声音带宽3000Hz媒体带宽：通信媒体允许通过的信号频带范围比特率：某时段内网

13、络上可能传输的比特数，或传输每比特数据所需的时间宽度。习惯把“带宽”作为数字信道的数据率/比特率比特率越高，高频分量越多，频率范围越大，信号带宽越高。吞吐率(Throughput)：bps数字信号的发送速率，因此发送带宽也成为吞吐率由于各种影响10M带宽实际完成2M吞吐率：链路上实际每秒传输的比特数,计算机网络和因特网概述,32,延时 Delay:把一个报文从网络一端传输到另一端所需的时间3.0 x108m/s;光在真空内传播的速率2.8x108m/s;电在Cable内传播的速率2.0 x108m/s;光在Fiber内传播的速率 Round-Trip Time(RTT)：发收来回时间定义：延迟

14、=处理排队+发送+传播处理时延：检查包首部、决定导向何处；比特差错检测，高速R一般在微秒或更低数量级，接收完整的一个分组的时间包容量/链路速率排队时延：等待输出链路空闲，与当时流量和排队规则有关传输时延：数据量/带宽；微妙到毫秒级传播时延：距离/光速(光缆中1000km传播延迟约5ms)广域网在毫秒级,计算机网络和因特网概述,33,丢包和时延是怎样出现的？,分组在路由器缓存中排队 分组到达链路的速率超过输出链路能力分组排队，等待交换,A,B,计算机网络和因特网概述,34,分组时延的4种来源,1.节点处理:检查比特差错决定输出链路,2.排队等待输出链路传输的时间取决于路由器拥塞的等级,计算机网络

15、和因特网概述,35,在分组交换网中的时延,3.传输时延:R=链路带宽(bps)L=分组长度(比特)发送比特进入链路的时间=L/R,4.传播时延:d=物理链路的长度s=在媒体中传播的速度(2x108 m/sec)传播时延=d/s,注意:s 和R 是极为不同的量！,计算机网络和因特网概述,36,车队的类比,车以100 km/hr 速度“传播”收费站12 sec服务一辆车(传输时间)车比特；车队分组问题:在第二个收费站前排起车队需多长时间？,通过收费站向公路“推出”整个车队的时间=12*10=120 sec最后一辆车从第一到第二个收费站传输的时间：100km/(100km/hr)=1 hr答案:62

16、分钟,10辆车的车队,100 km,100 km,计算机网络和因特网概述,37,车队的类比(续),车现在以1000 km/hr“传播”收费站现在服务一辆车需1分钟问题:在第一个收费站服务所有车之前，有车到达第二个收费站？,是的!7分钟后，第一辆车到达第二个收费站，第三辆车仍在第一个收费站。在分组全部在第一个路由器传输之前，该分组的第一个比特能够到达第二个路由器！参见位于AWL Web site 上的 以太网Java小程序。,10辆车的车队,100 km,100 km,计算机网络和因特网概述,38,节点时延,dproc=处理时延通常几个微秒或更少dqueue=排队时延取决于拥塞dtrans=传输

17、时延=L/R,对低速链路很大dprop=传播时延几微秒到几百毫秒,计算机网络和因特网概述,39,排队时延(再次讨论),R=链路带宽(bps)L=分组长度(比特)a=平均分组到达速率,流量强度=La/R,La/R 0:平均排队时延小La/R-1:时延变大La/R 1:更多“工作”到达，超出了服务能力，平均时延无穷大！,平均排队时延,计算机网络和因特网概述,40,“实际的”因特网时延和路由,“实际的”因特网时延和丢包是怎样的呢？Traceroute程序:为路由器提供从源到目的地，朝着目的地沿着端到端因特网路径的时延测量。对所有i:发送3个分组，该分组在朝着目的地的路径上到达路由器 i路由器i 将向

18、发送方返回分组发送方度量传输和响应间的时间间隔。,3 探测分组,3 探测分组,3 探测分组,计算机网络和因特网概述,41,“实际的”因特网时延和路由,1 cs-gw(128.119.240.254)1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu(128.119.3.145)1 ms 1 ms 2 ms3(128.119.3.130)6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0-(204.147.132.129)16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-(204.147.136.136)21 ms 18 ms 18

19、ms 6(198.32.11.9)22 ms 18 ms 22 ms7(198.32.8.46)22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253(62.40.103.253)104 ms 109 ms 106 ms9 de2-(62.40.96.129)109 ms 102 ms 104 ms10(62.40.96.50)113 ms 121 ms 114 ms11 renater-(62.40.103.54)112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr(193.51.206.13)111 ms 114 ms 116 ms13(19

20、5.220.98.102)123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr(195.220.98.110)126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-(193.48.50.54)135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25(194.214.211.25)126 ms 128 ms 126 ms17*18*19(193.55.113.142)132 ms 128 ms 136 ms,traceroute:to,Three delay measements from to,*means no repon

21、se(probe lost,router not replying),trans-oceaniclink,计算机网络和因特网概述,42,分组丢失,在链路前缓存中的排队(又称为buffer)具有有限的能力当分组到达满的队列时，分组被丢弃(又称为lost)丢失的分组可能由前面的节点或由源端系统重传，或根本不重传,计算机网络和因特网概述,43,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,计算机网络和因特网概述,44,协议“分层”,网络是复杂的

22、！许多“构件”主机路由器各种媒体的链路应用协议硬件，软件,问题:是否存在网络的组织结构？或至少用于我们讨论网络？,计算机网络和因特网概述,45,空中旅行的组织机构,一系列步骤,票务（购买）票务（投诉）行李（托运）行李（认领）登机口（登机）登机口（离机）跑道起飞跑道着陆飞机飞行飞机飞行飞机飞行,计算机网络和因特网概述,46,ticket(purchase)baggage(check)gates(load)runway(takeoff)airplane routing,离开机场,到达机场,中间空中交通控制中心,airplane routing,airplane routing,ticket(com

23、plain)baggage(claimgates(unload)runway(land)airplane routing,票务,行李,门,起飞/着陆,按路线飞行,定期航班功能的分层,层次:每一层实现一种服务经它自己的层内动作依赖由下面层次提供的服务,计算机网络和因特网概述,47,为什么分层?,处理复杂系统：明确的结构使得能够标识复杂系统构件的关系分层的 参考模型 用于讨论模块化易于维护、系统的更新各层服务实现的改变对于系统的其他部分透明如改变登机过程不影响系统的其他部分分层曾被认为是有害的？,计算机网络和因特网概述,48,体系结构,Architecture系统：系统内部件之间，以及系统与环境之

24、间的关系。网络：网络层次划分、实体功能、交互协议的定义与描述。网络体系结构的基本问题命名与定位；路由与寻址；端到端透明通信与内容感知分发；“傻网+智端”与“智网+傻端”（端控与中控）；有连接电路交换与无连接分组交换；尽力而为与QoS/EoS物理网络与逻辑网络（主动编程）端主机与海量传感器,计算机网络和因特网概述,49,因特网协议栈,应用:支持网络应用FTP,SMTP,STTP运输:主机到主机数据传输TCP,UDP网络:从源到目的地数据报的选路IP,选路协议链路:在邻近网元之间传输数据PPP,以太网物理:“在线上”的比特,计算机网络和因特网概述,50,报文,段,数据报,帧,源,应用层运输层层网络

25、层链路层物理层,目的地,应用层运输层层网络层链路层物理层,路由器,交换机,封装,计算机网络和因特网概述,51,内傻外智结构,IP细腰Anyting Over IP?,计算机网络和因特网概述,52,细腰的苦恼,IP over anything,anything over IPIP协议栈容许在其上下层都有更多的创新或变革IP协议栈成为互联网上的一个设备缺点很难对IP本身有所修改或改变，但新近人们试图改变（GENI）底层（如无线）只有少量的可用信息,计算机网络和因特网概述,53,第1章 要点,1.1 什么是因特网？1.2 网络边缘1.3 网络核心1.4分组交换网络中的时延、丢包和吞吐量1.5 协议层

26、次与服务模型1.6 攻击威胁下的网络1.7 计算机网络和因特网的历史1.8 小结,计算机网络和因特网概述,54,Morse(1791-1872)1840年发明电报MorseCode,1961-1964年创建分组理论,兰德公司（RAND）Paul Baran,麻省理工学院（MIT）LeonardKleinrock,物理学家DonaldWattsDavies,分布式排队论,计算机网络和因特网概述,55,因特网历史,1961:Kleinrock 排队表明了分组交换的效能1964:Baran 在军事网络中的分组交换1967:由高级研究项目局 构想的 ARPAnet 1969:首个ARPAnet 节点运

27、行,1972:ARPAnet对公众演示NCP(网络控制协议)第一个主机到主机协议第一个电子邮件程序ARPAnet有15个节点,1961-1972:早期分组交换原则,计算机网络和因特网概述,56,温顿瑟夫(Vint Cerf）1974年，TCP/IP协议和互联网架构谷歌全球副总裁2004年美国计算机学会颁发图灵奖(A.M.Turing Award),罗伯特卡恩(Robert Elliot Kahn)TCP/IP协议互联网雏形Arpanet网络系统设计者,互联网之父,蒂姆伯纳斯李（Tim Berners-Lee）万维网联盟的创始人 1990年，日内瓦的欧洲粒子物理实验室里开发出了世界上第一个网页浏

28、览器,计算机网络和因特网概述,57,因特网历史,1970:在夏威夷的ALOHAnet 卫星网络1973:Metcalfes博士论文提出了以太网1974:Cerf 和Kahn：互联网络的体系结构20世纪70年代后期：专用体系结构:DECnet,SNA,XNA20世纪70年代后期：交换固定长度的分组(ATM先驱)1979:ARPAnet 具有200个节点,Cerf 的Kahn的网络互联原则：最低限度的，自治的-不需要互联网络改变其内部尽力而为的服务模型无状态路由器分布式控制定义了今天的因特网体系结构,1972-1980:联网,新的和专用网络,计算机网络和因特网概述,58,MILNet,Intern

29、et 的产生与发展,ARPANet,1983,计算机网络和因特网概述,59,因特网历史,20世纪90年代：ARPAnet退役1991:NSF为NSFnet的商用设置了限制(1995退役)20世纪90年代早期:Web超文本 Bush 1945,Nelson 1960sHTML,HTTP:Berners-Lee1994:Mosaic,以后Netscape20世纪90年代:Web的商业化,20世纪90年代以后：更多的招人喜爱的应用：即时讯息，P2P文件共享网络安全成为热点估计5千万台主机，10亿以上用户主干链路的速率在Gbps级,1990,2000年代:商业化,Web,新型应用,计算机网络和因特网概

30、述,60,Mark Andreessen浏览器发明人网景公司创始人1993年浏览器“Mosaic”1998年美国在线以42亿美元收购,史蒂夫乔布斯Steve Jobs（1955-2011）1976年创建苹果电脑公司改变世界的天才，他凭敏锐的触觉和过人的智慧，勇于变革，不断创新，引领全球资讯科技和电子产品的潮流，把电脑和电子产品变得简约化、平民化，让曾经是昂贵稀罕的电子产品变为现代人生活的一部分。,计算机网络和因特网概述,61,杰夫贝佐斯（Jeff Bezos）创办了全球最大的网上书店Amazon并成为经营最成功的电子商务网站之一1999年当选时代周刊年度人物。,BT之父布莱姆科恩(Bram C

31、ohen)美国的计算机程序员，他编写的软件BitTorrent使他声名远扬。,维基百科（Wikipedia）是一个自由、免费、内容开放的百科全书协作计划，参与者来自世界各地。其目标及宗旨是为全人类提供自由的百科全书。,计算机网络和因特网概述,62,Google：信息检索;Facebook：人人交往OSN;Youtube：影像分享;Twitter：实时传递,计算机网络和因特网概述,63,1.8 小结,涉及大量的素材!因特网概述什么是协议？网络边缘，核心，接入网分组交换对比电路交换因特网/ISP结构性能：丢包率，时延分层和服务模型历史,你现在已经:前因后果，概述，“感受”网络后面有更深入的细节,64,65,66,67,68,69,70,71,主要国际会议SIGCOMM:ACM conf.on Comm Architectures,Protocols&AppsINFORCOM:Annual Joing Conf IEEE Comp&Comm SocMOBICOM:ACM Intl Conf on Mobile Computing and Networking,72,计算机网络和因特网概述,73,