计算机网络：CH1 计算机网络概述1

计算机网络计算机网络1课程注意事项n教材特点与参考书目n计算机网络计算机网络 V5，谢希仁著，电子工业出版社，谢希仁著，电子工业出版社n计算机网络计算机网络 V4，Andrew Tanenbaum著，潘爱著，潘爱民译，清华大学出版社民译，清华大学出版社n作业与实验报告n灵活的课后作业灵活的课后作业+固定的实验报告固定的实验报告n学习方法n课堂听课课堂听课+课后自学课后自学n考试n70%+30%学习方法建议学习方法建议：n反复阅读教材反复阅读教材思考思考n结合生活实例学会联想、类比结合生活实例学会联想、类比 n模拟实验环境与真实实践操作结合模拟实验环境与真实实践操作结合 n适当做题、练习适当做题、练习 n不拘泥于一本教材、不受限于前人的观点、学习没不拘泥于一本教材、不受限于前人的观点、学习没必要太注重技术细节，主要是设计思想、基本概念必要太注重技术细节，主要是设计思想、基本概念和基础理论。和基础理论。4教育教育就是当一个人把在学校所学的全部忘光之后剩就是当一个人把在学校所学的全部忘光之后剩下的东西。下的东西。-爱因斯坦爱因斯坦1.1 网络概述 计算机网络的定义计算机网络的定义：利用网络设备和线缆将位置不同、功能独立的多个计算机互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和信息交换的系统。什么叫计算机网络？什么叫计算机网络？计算机网络的功能n资源共享n信息传递与集中处理n分布式处理n寻找外星人活动寻找外星人活动SETIhomen综合信息服务n电子邮件电子邮件n电子商务电子商务n视频点播（视频点播（VOD）n视频会议视频会议1.2 计算机网络的发展过程 1.2.1 分组交换的产生n是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。n60 年代初，美国国防部领导的高级计划研究署ARPA 提出要研制一种生存性很强的网络。n传统的电路交换的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。n如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。计算机网络的产生背景新型网络的基本特点n网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。n网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。n所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。n计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。n网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。回顾一下电路交换的特点 n两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。更多的电话机互相连通n5 部电话机两两相连，需 10 对电线。nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。n当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。使用交换机n当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机“交换”的含义n在这里，“交换”(switching)的含义是：n转接转接把一条电话线转接到另一条电话线，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。使它们连通起来。n从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的特点n电路交换必定是面向连接的。n电路交换的三个阶段：n建立连接建立连接n通信通信n释放连接释放连接电路交换举例nA 和 B 通话经过四个交换机n通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例nC 和 D 通话只经过一个本地交换机n通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低n计算机数据具有突发性。n这导致通信线路的利用率很低。报文分组交换的原理（一）n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。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二）n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（三）n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。n分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。n用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（四）n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收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五）n最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n这里我们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。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换网的示意图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！结点交换机主机注意分组的存储转发过程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注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4结点交换机n在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。n结点交换机处理分组的过程是：n把收到的分组先放入把收到的分组先放入缓存（暂时存储）缓存（暂时存储）；n查找查找转发表转发表，找出到某个目的地址应从哪个，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；端口转发；n把分组送到适当的把分组送到适当的端口端口转发出去。转发出去。主机和结点交换机的作用不同n主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。n结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点n高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。n灵活 以分组为传送单位和查找路由。n迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。n可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。分组交换带来的问题n分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。n分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。存储转发原理并非完全新的概念 n在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。n报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化 n早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网n各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。硬件和软件资源。n分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。n用户通过分组交换网可共享连接在网络上的用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。许多硬件和各种丰富的软件资源。从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网1.2.2 因特网时代n因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。n但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是突然的。因特网发展的第一阶段n第一阶段：单个ARPANET网向互联网发展的过程nARPANET 最初只是一个单个的分组交换网，后来开始研究多种网络互连的技术。n1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。n同年，ARPANET分解成两个网络：nARPANET进行实验研究用的科研网进行实验研究用的科研网nMILNET军用计算机网络军用计算机网络n19831984 年，形成了因特网 Internet。n1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。因特网发展的第二阶段n1986 年，NSF 建立了国家科学基金网 NSFNET。它是一个三级计算机网络：n主干网主干网n地区网地区网n校园网校园网n1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。n1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。三级结构的因特网n各网络之间需要使用路由器来连接。n有时在结构图中可不画出路由器。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网路由器三级结构的因特网n主机到主机的通信可能要经过多种网络。校园网校园网校园网校园网校园网校园网国家主干网地区网地区网地区网因特网发展的第三阶段n从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。n1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP(Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。nNAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。n从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。多级结构的因特网大公司地区 ISP网络接入点NAP（对等点）公司校园网主干服务提供者校园网校园网校园网校园网本地 ISP地区 ISP地区 ISP地区 ISP本地 ISP本地 ISP大公司大公司网络接入点NAP（对等点）n主机到主机的通信可能经过多种 ISP。今日的多级结构的因特网n大致上可将因特网分为以下五个接入级 n网络接入点网络接入点 NAPn国家主干网（主干国家主干网（主干 ISP）n地区地区 ISPn本地本地 ISPn校园网、企业网或校园网、企业网或 PC 机上网用户机上网用户1.2.3 关于因特网的标准化工作因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 n因特网草案(Internet Draft)在这个阶段还不是 RFC 文档。n标准提案(Proposed Standard)从这个阶段开始就成为 RFC 文档。n标准草案(Draft Standard)n因特网标准(Internet Standard)各种RFC之间的关系 因特网草案标准提案标准草案因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1)边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。(2)核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的。因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分1.3.1 因特网的边缘部分n处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。n“主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。或简称为“计算机之间通信”两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：n客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式 n对等连接方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式 运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB 请求服务 得到服务客户服务器客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。网络边缘网络核心运行P2P 程序运行P2P 程序DCEF运行P2P 程序运行P2P 程序1.3.2 因特网的核心部分n网络核心部分是因特网中最复杂的部分。n网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信。n在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器的重要任务n路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。1.3 计算机网络的分类n 1.3.2 几种不同的分类方法n从网络的交换功能进行分类从网络的交换功能进行分类n从网络的作用范围进行分类从网络的作用范围进行分类n从网络的使用者进行分类从网络的使用者进行分类 1.3.2 几种不同的分类方法（一）n从网络的交换功能分类n电路交换电路交换n报文交换报文交换n分组交换分组交换n混合交换混合交换1.3.2 几种不同的分类方法（二）n从网络的作用范围进行分类n广域网广域网 WAN(Wide Area Network)n局域网局域网 LAN(Local Area Network)n城域网城域网 MAN(Metropolitan Area Network)n接入网接入网 AN(Access Network)n个人区域网个人区域网PAN(Personal Area Network)广域网WANn广域网(Wide Area Network)简称为WAN。这类网络的作用范围是覆盖一个比较广阔的区域。主要特征是：n1、网络的覆盖和速率范围很宽广,几十公里到几千公里。n2、网络组织结构形式复杂n3、具有多功能多用途的综合服务能力 局域网LANn局域网(Local Area Network)简称LAN。主要在如下四个方面的特征上区别于其它类型的网络：n1、网络的覆盖范围很有限，不超过1公里n2、拓扑结构形式简单而多样化n3、采用高质量大容量的传输介质n4、多采用共享信道的多址接入方式 城域网MANn城域网(Metropolitan Area Network)，简称MAN。这类网络的作用范围是覆盖一个大城市的区域。其特征如下：n1、网络的覆盖范围取决于城市的大小，距离在5到50公里左右，主要进行多个局域网的互联。接入网ANn接入网(Access Network)简称为AN。它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术。它是局域网和城域网之间的桥接区，它提供多种高速接入技术，例如：nDSL技术技术nCable技术技术n以太网接入技术以太网接入技术个人区域网PANn个人区域网PAN就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如手提电脑等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网WPAN(Wireless PAN).广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网1.3.2 几种不同的分类方法（三）n从网络的使用者进行分类n公用网公用网(public network)n专用网专用网(private network)1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽n“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。n现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。n带宽表示网络通信线路所能传送数据的能力。常用的带宽单位n更常用的带宽单位是n千比每秒，即千比每秒，即 kb/s（103 b/s）n兆比每秒，即兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）n吉比每秒，即吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）n太比每秒，即太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）n请注意：在计算机界，K=210=1024 M=220,G=230,T=240。数字信号流随时间的变化n在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 吞吐量n吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。n吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。n吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。时延(delay 或 latency)n传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。n也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延=数据块长度（比特）发送速率（比特/秒）时延(delay 或 latency)n传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）电磁波在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay 或 latency)n处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。n排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。n排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。时延(delay 或 latency)n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点 A 中产生处理时延和排队时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路容易产生的错误概念 n对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，很难提高比特在链路上的传播速率。n提高链路带宽减小了数据的发送时延。时延带宽积和往返时延（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延 带宽n链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。时延带宽积往返时延 RTT n往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。利用率n信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。n网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。n信道利用率并非越高越好。时延与网络利用率的关系n根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。n若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系：UDD10U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。时延 D利用率 U10D0时延急剧增大