第1课计算机网络概述课件

第第 1 1 课课 计算机网络概述计算机网络概述孔令和孔令和什么是计算机网络什么是计算机网络n计计算机网算机网络络：连：连接分散计算机设备以实现信息传接分散计算机设备以实现信息传递的系递的系统。统。n计算机网络的定义不断被扩充：计算机网络的定义不断被扩充：n无线局域网络无线局域网络n4G/5G网络网络n数据中心网络数据中心网络n物联网物联网n为什么要学习计算机网络为什么要学习计算机网络1n如果你们要找工作如果你们要找工作国外国外国内国内Apple华为Google百度Amazon阿里巴巴Facebook腾讯Uber京东Paypal奇虎360Yahoo!新浪Airbnb小米为什么要学习计算机网络为什么要学习计算机网络2n如果你们要创业如果你们要创业为什么要学习计算机网络为什么要学习计算机网络3n如果你们要留学如果你们要留学n每个牛校必备的研究方向每个牛校必备的研究方向为什么要学习计算机网络为什么要学习计算机网络4n如果你们要保研直博如果你们要保研直博陈贵海教授 杰青博导高晓沨教授博导贾维嘉教授 千人博导孔令和特别研究员博导李明禄教授博导唐飞龙教授博导钱诗友助理研究员硕导王新兵教授 杰青博导吴帆教授 优青博导伍民友教授博导薛广涛教授博导俞嘉地高工硕导朱弘恣副教授博导朱燕民教授 青长博导为什么要学习计算机网络为什么要学习计算机网络5n如果你们还要关心一下国家政策如果你们还要关心一下国家政策n十三五规划十三五规划物联网云计算大数据光纤、高速宽带网络空间安全天地一体信息网络计算机网络课程教学主旨计算机网络课程教学主旨n培养对培养对计计算机网算机网络络的兴趣的兴趣n了了解计算机网解计算机网络的络的基本知基本知识识n了解计算机网络的最新研究和发展了解计算机网络的最新研究和发展n能动手做一些计算机网络的实际开发能动手做一些计算机网络的实际开发n能在计算机网络方法或应用方面提出小小创新能在计算机网络方法或应用方面提出小小创新这门课怎么学这门课怎么学nhttp:/ Networks,Andrew S.Tanenbaum,Pearson.n Computer Networking:A Top-Down Approach,James F.Kurose,Pearson.n计算机网络计算机网络，谢希仁，电子工业出版社。，谢希仁，电子工业出版社。课程安排课程安排n第一周第一周：课程简介：课程简介n第二周第二周第十周第十周：讲课：讲课n第十一周第十一周：项目答辩项目答辩n第十二周：第十二周：考试（具体时间地点待教务处通知）考试（具体时间地点待教务处通知）扩展阅读扩展阅读nACM SIGCOMM 2018nACM SIGCOMM 2017nACM SIGCOMM 2016 nACM MOBICOM 2018nACM MOBICOM 2017nACM MOBICOM 2016成绩核算成绩核算n平时成绩10%n第一次随堂测试4%n第二次随堂测试4%n点名2%n课程项目40%n考试成绩50%课程项课程项目时间安排目时间安排日期日期内内容容2019.02.25-2019.03.03自由组队，每队最多5人，将协作完成课程项目。2019.03.04-2019.03.18共同研读网络相关论文或产业报告，讨论并自拟课题，与老师协商后确认课题。2019.03.19-2019.05.05通力合作完成课程项目，交付：一、答辩PPT；二、成果演示（比如：实验平台、仿真代码等）；三、项目报告。2019.05.06项目答辩（顺序抽签决定，每组10分钟，其中8分钟答辩和演示，2分钟提问回答）。课程项目要求和建议课程项目要求和建议n项目要求：n网络相关的科研或工程项目。n评价标准：n创新性25%，实用性25%，成果完成度25%，答辩情况25%。n项目建议：n课题大小适合；尽早确认课题，尽早开始；分工合作，各展所长；创新是第一要素。n希望以论文、专利、竞赛为目标。n从读最新论文和改进开始。网络领域的学术期刊和会议网络领域的学术期刊和会议nhttp:/ A：SIGCOMM，MOBICOM，INFOCOMnCCF B：NSDI，MOBISYS，MOBIHOC，ICNPn学术期刊nCCF A：TON，TMC，JSACnCCF B：TWC，TOC，TOIT，TOSN网络界的大神们（还有很多网络界的大神们（还有很多）课程项目实例课程项目实例1n手机蓝牙手机蓝牙3D鼠标鼠标课程项目实例课程项目实例2nPPT控制手机控制手机APP课程项目课程项目实例实例3n基于基于LED灯的手机间灯的手机间光通信光通信课程项目课程项目实例实例4n基于基于Wi-Fi直连的文件传输应用程序直连的文件传输应用程序课程项目课程项目实例实例5nAPPO:Neural Adaptive Video Streaming in SJTU network environmentn想法来源想法来源：Cs2p:Improving video bitrate selection and adaptation with data-driven throughput prediction.ACM SIGCOMM 2016课程项目实例课程项目实例6n无人机劫持无人机劫持课程项目实例课程项目实例7nQQ微信微信群消息群消息转发转发机器人机器人QQ和微信群组的人数具有一定限制和微信群组的人数具有一定限制，因此，因此需要一个需要一个机器人机器人将将QQ和微信群组连接起来，转发其中的信息，让多个群和微信群组连接起来，转发其中的信息，让多个群组组里里的人仿佛在一起的人仿佛在一起聊天。聊天。QQ服务器微信服务器调用上报调用上报Web微信框架webQQ框架课程项目实例课程项目实例8n地图攻击地图攻击欢迎对网络方向的科研和技术感兴趣的同学加入我们实验室!网络发展网络发展n自从自从 20 世纪世纪 90 年代年代以后，以后，以以 Internet 为为代表代表的计算机网络得到了飞速的的计算机网络得到了飞速的发展发展。n已从最初的教育科研已从最初的教育科研网络（免费）逐步网络（免费）逐步发展成为发展成为商业商业网络（有偿使用）。网络（有偿使用）。n互联网已互联网已成为成为全球最大的和最重要的全球最大的和最重要的计算机网络计算机网络。n是人类自印刷术发明以来人类是人类自印刷术发明以来人类在存储在存储和交换和交换信息信息领域领域中的最大中的最大变革变革。互联网应用互联网应用绝大多数绝大多数人人通过使用互联网而通过使用互联网而认识认识了了互联网互联网。n上网玩游戏上网玩游戏n看网上视频看网上视频n和朋友在微信上聊天和朋友在微信上聊天n在互联网上搜索和查阅各在互联网上搜索和查阅各种信息种信息n利用互联网的电子邮件相利用互联网的电子邮件相互通信（包括传送各种照互通信（包括传送各种照片和视频文件）片和视频文件）n互联网上购买各种物品互联网上购买各种物品n在互联网上购买机票或在互联网上购买机票或火火车票车票n在互联网在互联网上上预订酒店预订酒店n利用互联网进行转账或买利用互联网进行转账或买卖股票等卖股票等交易交易n互联网的两个重要特点互联网的两个重要特点互联网之所以能够向用户提供许多服务，是因为互联网之所以能够向用户提供许多服务，是因为互联网具有互联网具有两个重要基本特点两个重要基本特点：n连通性连通性(Connectivity)n使使上网用户之间都可以交上网用户之间都可以交换换信息信息（数据，以及各种（数据，以及各种音频视频）音频视频），好像这些用好像这些用户的计算机都可以彼此直户的计算机都可以彼此直接连通一样接连通一样。n注意注意，互联网具有虚拟的互联网具有虚拟的特点特点，无法无法准确知道对方准确知道对方是是谁，谁，也无法也无法知道知道对方对方的的位置。位置。n共享共享(Sharing)n指资源共享指资源共享。n资源共享资源共享的含义是多方面的含义是多方面的。可以是信息共享、软的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件件共享，也可以是硬件共共享享。n由于网络的存在，这些资由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边源好像就在用户身边一样一样，方便使用方便使用。互联网基互联网基本概本概念念n网络网络把许多计算机连接在把许多计算机连接在一起一起。n与与网络相连的计算机常称为网络相连的计算机常称为主机主机。网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络主机主机主机主机可以是计可以是计算机，也可以算机，也可以是是智能手机智能手机等等智能机器智能机器。万维网万维网 WWW 的问世的问世n互联网互联网已经成为世界上规模最大和增长速率最快已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确的计算机网络，没有人能够准确说出互联网究竟说出互联网究竟有多大。有多大。n互联网的迅猛发展始于互联网的迅猛发展始于 20 世纪世纪 90 年代。由欧年代。由欧洲原子核研究组织洲原子核研究组织 CERN 开发的开发的万维网万维网 WWW (World Wide Web)被被广泛使用广泛使用在互联网上在互联网上，大，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成成为互联网的为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。这种指数级增长的主要驱动力。互联网的发展情况互联网的发展情况概况概况计计算机网络的性能指标算机网络的性能指标n计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标指标，主要包括，主要包括：n速率速率n带宽带宽n吞吐率吞吐率n时延时延1.速率速率n比特比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用）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。的信息量的单位。n比特（比特（bit）来源于来源于 binary digit，意思是一个，意思是一个“二进制数字二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或或 0。n速率速率是计算机网络中最重要的一个是计算机网络中最重要的一个性能指标性能指标，指指的是的是数据数据的传送速率的传送速率，它也称为，它也称为数据数据率率(data rate)或或比特率比特率(bit rate)。n速率速率的的单位单位是是 bit/s，或或 kbit/s、Mbit/s、Gbit/s 等。例如等。例如 4 1010 bit/s 的的数据率就记为数据率就记为 40 Gbit/s。n速率往往是指额定速率或标称速率往往是指额定速率或标称速率，非速率，非实际运行速率实际运行速率。2.带宽带宽 两种不同意义：两种不同意义：n无线网络中，无线网络中，“带宽带宽”(bandwidth)是指信号具有的是指信号具有的频频带宽度，带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。n有线网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能有线网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最最高数据率高数据率”。单位单位是是 bit/s，即，即“比特每秒比特每秒”。在在“带宽带宽”的上述两种表述中，前者为的上述两种表述中，前者为频域频域称谓，而后者为称谓，而后者为时域时域称谓，其本质是类似的。也就是说，一条通信链路的称谓，其本质是类似的。也就是说，一条通信链路的“带宽带宽”越越宽，其所能传输的宽，其所能传输的“数据率数据率”也越高。也越高。数字信号流随时间的变化数字信号流随时间的变化n在在时间轴时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每每秒秒 106 个比特个比特时间时间1 0 1 0 1 11 s带宽为带宽为1 Mb/s 时间时间每每秒秒 4 106 个比特个比特0.25 s带宽为带宽为4 Mb/s 3.吞吐量吞吐量n吞吐量吞吐量(throughput)表示表示在单位时间内通过某在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。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，以便知道测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通实际上到底有多少数据量能够通过网络。过网络。n吞吐量受网络的带宽或速率的限制。吞吐量受网络的带宽或速率的限制。4.时延时延(delay 或或 latency)n时延时延(delay 或或 latency)是是指数据（一个报文或指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的到另一端所需的时间时间。n有时也称为有时也称为延迟延迟或或迟延迟延。n网络中的网络中的时延由时延由以下几个不同的部分以下几个不同的部分组成组成：n(1)发送时延发送时延n(2)传播时延传播时延n(3)处理时延处理时延n(4)排队时延排队时延4.时延时延(delay 或或 latency)n(1)发送时延发送时延n也称为也称为传输时延传输时延。n发送发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。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。最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延发送时延=数据帧长度（数据帧长度（bit）发送速率（发送速率（bit/s）4.时延时延(delay 或或 latency)n(2)传播时延传播时延n电磁波电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。n发送时延与传播时延发送时延与传播时延有本质上的有本质上的不同不同。n信号信号发送速率发送速率和信号在信道上的和信号在信道上的传播速率传播速率是是完全不完全不同同的概念。的概念。传播时延传播时延=信道长度（信道长度（米米）信号在信道上的传播速率（信号在信道上的传播速率（米米/秒秒）4.时延时延(delay 或或 latency)n(3)处理时延处理时延n主机或主机或路由器路由器在收到分组时，为处理分组（例如分在收到分组时，为处理分组（例如分析析首部、提取数据、差错首部、提取数据、差错检验或检验或查找路由查找路由）所）所花费花费的时间。的时间。n(4)排队时延排队时延n分组在路由器输入输出队列中分组在路由器输入输出队列中排队等待处理排队等待处理所所经历经历的时延。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。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。4.时延时延(delay 或或 latency)n数据在网络中经历数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延时延、处理时延和排队时延之之和。和。总时延总时延 =发送时延发送时延 +传播时延传播时延 +处理时延处理时延 +排队时延排队时延必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体主导地位，必须具体分析分析。四种时延所产生的地方四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1发送器发送器队列队列在链路上产生在链路上产生传播时延传播时延结点结点 B结点结点 A在发送器产生发送时延在发送器产生发送时延(即传输时延即传输时延)在结点在结点 A 中产生中产生处理时延和排队时延处理时延和排队时延数据数据假设从假设从结点结点 A 向结点向结点 B 发送数据发送数据链路链路几种几种时延产生的地方不一样时延产生的地方不一样容易产生的错误概念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对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发发送速率送速率而不是比特在链路上的而不是比特在链路上的传播速率。传播速率。n提高链路带宽减小了数据的发送时延。提高链路带宽减小了数据的发送时延。以下说法是以下说法是错误错误的的：“在高速链路（或高带宽链路）上，比特在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些会传送得更快些”。计计算机网络体系结构的形成算机网络体系结构的形成n计算机网络是个非常复杂的计算机网络是个非常复杂的系统系统。n相互相互通信的两个计算机系统必须通信的两个计算机系统必须高度协调工作高度协调工作才才行，而这种行，而这种“协调协调”是相当复杂的。是相当复杂的。n“分层分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较可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易小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。于研究和处理。协协议与划分层次议与划分层次n计算机网络中的数据交换计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的必须遵守事先约定好的规则。规则。n这些这些规则规则明确规定了所交换的数据的格式以及有明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。关的同步问题（同步含有时序的意思）。n网络协议网络协议(network protocol)，简称为，简称为协议协议，是是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。约定。两种国际标准两种国际标准n法律上法律上的的(de jure)国际标准国际标准 OSI 并没有得到市并没有得到市场的认可。场的认可。n非非国际标准国际标准 TCP/IP 却却获得获得了最广泛的应用了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为常被称为事实上事实上的的(de facto)国际标准国际标准。具具有五层协议的体系结构有五层协议的体系结构应用层应用层运输层运输层网络层网络层表示层表示层会话层会话层数据链路层数据链路层物理层物理层7654321OSI 的体系结构的体系结构应用层应用层网络接口层网络接口层网际层网际层 IP(各种应用层各种应用层协议，如协议，如DNS,HTTP,SMTP 等等)运输层运输层(TCP 或或 UDP)TCP/IP 的体系结构的体系结构(a)(b)(c)运输层运输层网络层网络层应用层应用层数据链路层数据链路层物理层物理层54321五层协议的体系结构五层协议的体系结构（这一层并没有具体内容）（这一层并没有具体内容）计算机网络计算机网络体系结构体系结构：(a)OSI 的的七层协议；七层协议；(b)TCP/IP 的的四层协议；四层协议；(c)五层协议五层协议五层协议的体系结构五层协议的体系结构 n应用层应用层(application layer)n运输层运输层(transport layer)n网络层网络层(network layer)n数据链路层数据链路层(data link layer)n物理层物理层(physical layer)数据链路层数据链路层5 应用层应用层4 运输层运输层3 网络层网络层2 数据链路层数据链路层1 物理层物理层主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2应用进程数据先传送到应用层应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层加上应用层首部，成为应用层 PDUPDU(Protocol Data Unit)：协议数据单元。协议数据单元。OSI参考模型把参考模型把对等层次对等层次之间传送的数据单位之间传送的数据单位称为该层的称为该层的协议数据单元协议数据单元 PDU。主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2应用层应用层 PDU 再传送到运输层再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文加上运输层首部，成为运输层报文主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2运输层报文再传送到网络层运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）数据报（或分组）主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2IP 数据报再传送到数据链路层数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2数据链路层帧再传送到物理层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最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321物理传输媒体物理传输媒体主机主机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播电信号（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从发送端物理层传送到接收端物理层主机主机 2主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层取出数据部分，上交给网络层主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2网络层剥去首部，取出数据部分网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层上交给运输层主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2运输层剥去首部，取出数据部分运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层上交给应用层主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程上交给应用进程主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2我收到了我收到了 AP1 发来的发来的应用程序数据！应用程序数据！主机主机 1 向主机向主机 2 发送数据发送数据 5432154321主机主机 1AP2AP1主机主机 2应应 用用 程程 序序 数数 据据应用层首部应用层首部H510100110100101 比比 特特 流流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应应 用用 程程 序序 数数 据据H5应应 用用 程程 序序 数数 据据H4H5应应 用用 程程 序序 数数 据据H3H4H5应应 用用 程程 序序 数数 据据H4运输层首部运输层首部H3网络层首部网络层首部H2链路层链路层首部首部T2链路层链路层尾部尾部