北邮研究生课程高级计算机网络技术课件

北北邮研究生研究生课程程-高高级计算机网算机网络技技术pptppt第 一 章 概论1.1 计算机网络的形成与发展1.2 计算机网络的定义、分类及性能指标1.3 计算机网络的体系结构1.4 计算机网络的发展动向 1.1计算机网络的形成与发展1.1.1 计算机网络发展阶段划分：n第1阶段：其主要特征是为了增加系统的计算能力和资源共享，把小型计算机连成实验性的网络。n第2阶段：其主要特征为：局域网络作为一种新型的计算机体系结构开始进入产业部门。n第3阶段：其主要特征是：局域网络完全从硬件上实现了ISO的开放系统互连通信模式协议的能力。n第4阶段：其主要特征是：Internet、高速通信网络技术、接入网、网络和信息安全技术的盛行。1.1.2 因特网的发展因特网概述n起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。n网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。n互联网是“网络的网络”(network of networks)。n连接在因特网上的计算机成为主机(Host)，因特网常用一朵云来表示。(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路主机因特网(c)因特网发展的三个阶段:n第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议,人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。n第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。n第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。出现了因特网服务提供者 ISP(Internet Service Provider)。用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供商用户通过 ISP 上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。一级 ISP一级 ISP第一层 ISP大公司本地 ISP大公司大公司公司本地 ISP本地 ISP校园网校园网校园网校园网第二层 ISP第二层 ISPNAPNAPAB主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B第一层 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第一层 ISP第一层第二层第三层本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISP本地 ISP本地 ISP第二层 ISPInternet2和下一代因特网计划（NGI）nInternet2是由UCAID（University Corporation for Advanced Internet Development，美国大学先进网络研究联盟）负责开发的一个项目。开发中的Internet2将用于多媒体虚拟图书馆、远程医疗、远程教学、视频会议、视频点播VOD、天气预报等领域。Internet2和下一代因特网计划（NGI）n1997年10月，美国克林顿政府在此基础上提出了下一代因特网计划，即NGI（Next Generation Internet）。NGI计划实现的目标为：n开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现有的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。Internet2和下一代因特网计划（NGI）n使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命性的应用。n使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时应用保留带宽的能力。n对整个因特网的管理和保证信息的可靠性及安全性方面进行较大的改进。Internet组织、管理机构与标准Internet协会 ISOCInternet地址分配授权机构IANAInternet工程指导组IESG Internet工程任务组IETFInternet体系结构委员会 IAB Internet研究任务组IRTF Internet信息中心Internet NICInternet管理机构示意图：因特网的正式标准的四个阶段：n因特网草案(Internet Draft)在这个阶段还不是 RFC 文档。n建议标准(Proposed Standard)从这个阶段开始就成为 RFC 文档。n草案标准(Draft Standard)n因特网标准(Internet Standard)1.1.3 计算机网络在我国的发展(1)中国公用分组交换网CHINAPAC(2)中国公用计算机互联网 CHINANET(3)中国教育和科研计算机网 CERNET(4)中国科学技术网 CSTNET(5)中国联通互联网 UNINET(6)中国网通公用互联网 CNCNET(7)中国国际经济贸易互联网 CIETNET(8)中国移动互联网 CMNET(9)中国长城互联网 CGWNET（建设中）(10)中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）1.2 计算机网络的定义、分类 及性能指标1.2.1 计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。计算机网络的功能主要表现为：硬件资源共享软件资源共享用户间信息交换1.2.2 计算机网络的分类n不同作用范围的网络局域网 LAN(Local Area Network)城域网 MAN(Metropolitan Area Network)广域网 WAN(Wide Area Network)1.2.2 计算机网络的分类n不同使用者的网络公用网(public network)这是指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络。专用网(private network)这是指某个部门为本单位的特殊业务工作需要而建造的网络。1.2.2 计算机网络的分类n用来把用户接入到因特网的网络 这种网络即接入网 AN(Access Network)，目前主要分为三类：计算机网络电话通信网广播电视网 1.2.3 计算机网络的性能指标1.速率n网络技术中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，它也称为数据率或比特率。n速率是计算机网络中最重要的性能指标。其单位是 b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s 等。n比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。2.带宽 n从频域角度定义：带宽(bandwidth)是指某个信号具有的频带宽度，单位是赫兹（或千赫、兆赫、吉赫等）。n从时域角度定义：网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是比特每秒，或 b/s(bit/s)。n更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s（103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）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。3.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。4.时延(delay)n发送时延（传输时延）主机或路由器发送数据帧所需要的时间。即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）信道带宽（比特/秒）n传播时延 电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。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）信号在信道上的传播速率（米/秒）n处理时延 主机或路由器对收到的分组进行处理所需要花费的时间。n排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。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（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 n往返时间RTT 往返时间（Round-Trip Time，RTT）表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后便立即发送确认），总共经历的时间。n利用率信道利用率就是信道平均被占用的程度。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。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：U 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1.3 计算机网络的体系结构1.3.1 网络体系结构的基本概念1.网络协议n为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。网络协议也简称为协议。1.3 计算机网络的体系结构n网络协议主要由以下3个要素构成：语法，即数据与控制信息的结构和格式语义，用于解释比特流每一部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应。时序，对事件实现顺序的详细说明。2.层次n相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种协调是相当复杂的。n分层次（layer）是可以将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较容易研究和处理。3.各层设计的关键问题n编址机制 n错误控制机制n流量控制机制n复用/分用4.网络体系结构n网络体系结构（network architecture）指网络层次结构模型与各层协议的集合。n体系结构是抽象的，而实现是具体的，它是指能运行的一些硬件和软件。1.3.2 网络体系结构的研究方法计算机网络中采用层次结构的好处：n各层之间是独立的。n灵活性好。n各层都可以采用最适合的技术来实现。n易于实现和维护。n有利于促进标准化。1.3.3 几种常见参考模型1.OSI参考模型nOSI的结构 nOSI参考模型的缺陷OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。2.TCP/IP参考模型nTCP/IP 协议 在因特网所使用的各种协议中，最重要的和最著名的就是TCP/IP协议，TCP（Transmission Control Protocol）指传输控制协议，IP（Internet Protocol）指网际协议。nTCP/IP参考模型3.一种建议的参考模型nTCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。n但最下面的网络接口层并没有具体内容。n因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。五层协议的体系结构 n应用层(application layer)n运输层(transport layer)n网络层(network layer)n数据链路层(data link layer)n物理层(physical layer)数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机 1 向主机 2 发送数据 n应用层(application layer)5432154321物理传输媒体主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机 2主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H5101 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运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！1.4 计算机网络的发展动向1.4.1 网络并行计算技术研究n网络并行计算的基本概念n集群计算n网格计算1.4.2 存储区域网络的研究n存储区域网络的基本概念nFC-SANnIP-SANn两种技术的比较1.4.3 光网络技术的研究n第一代传输网络以铜缆与无线射频为主n第二代传输网络在主干线路使用了光纤n全光网（AON）n光传输网（Optical Transport Network，ONT）n自动交换光网络（Automatic Switched Optical Network，ASON）1.4.4 无线网络技术的研究n无线个人区域网络（WPAN）n无线局域网（WLAN）n无线城域网（WMAN）n无线广域网（WWAN）1.4.5 网络安全技术的1.4.5 网络安全技术的研究n运行系统安全n网络上系统信息安全n网络上信息传播安全n网络上信息内容安全人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。