计算机网络--计算机网络和因特网概述--课件

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 计算机网络和因特网概述2第1章 计算机网络和因特网我们的目标：q找到“感觉”，学习术语q在后面的课程中更深入地学习，更为细致q方法:m使用因特网作为例子概述:q什么是因特网q什么是协议？q网络边缘q网络核心q性能：丢包率，时延q协议层次，服务模型q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？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 4What is the Internet?qThe largest network of networks in the world.qUses TCP/IP protocols and packet switching.qRuns on any communications substrate.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q数以百万计的互联的计算设备：主机=端系统m运行网络应用 q通信链路m光纤，铜缆，无线电，卫星m传输速率=带宽q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q协议控制报文的发送，接收m例如，TCP,IP,HTTP,FTP,PPPq因特网：“网络的网络”m松散的等级结构m公共因特网比较专用互联网q因特网标准mRFC:请求评论（因特网标准）mIETF:因特网工程任务组因特网工程任务组本地ISP公司网络区域 ISP路由器工作站服务器移动节点计算机网络和因特网概述7什么是因特网：服务的观点q通信基础设施使能分布式应用：mWeb,email,游戏,电子商务，文件共享q提供给应用通信服务:m不可靠无连接m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:q“几点了?”q“我有一个问题”q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:q机器而不是人类q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协议定义网络实体之间信息收发的格式和顺序息收发的格式和顺序,以及以及信息发送和接收后所需采取信息发送和接收后所需采取的动作的动作（语法、语义、同步或规则）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?HiHi请问几点了?2:00TCP 连接请求 TCP 连接响应Get http:/ 要点1.1 什么是因特网？1.2网络边缘网络边缘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q网络边缘:m应用与主机q网络核心:m路由器m网络的网络q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q端系统(主机):m运行应用程序m例如Web,电子邮件m在“网络边缘”q客户机/服务器模式：m客户机主机请求，从总是开的服务器接收服务m例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户机/服务器q对等模式:m最小限度(或不)使用专用服务器 m例如Skype,BitTorrentclient/serverpeer-peer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151.3网络核心网络核心q网络网络“内部内部”。连接端系统的连接端系统的分组交换机和链路形成的网状网络。分组交换机和链路形成的网状网络。q基本问题基本问题:数据如何通过网络传送数据如何通过网络传送?m电路交换电路交换 m分组交换分组交换161.3.1电路交换和分组交换电路交换和分组交换q电路交换电路交换(circuitswitching)m预留端到端资源：预留端到端资源：端系统之间通信路径上所需要的端系统之间通信路径上所需要的资源资源(缓存，链路带宽缓存，链路带宽)。建立连接。建立连接。m发送方发送方以恒定速率以恒定速率向接收方向接收方传送数据传送数据。如，电话网络。如，电话网络。q分组交换分组交换(packetswitching)m不需要资源预留不需要资源预留m按需使用资源，可能要排队等待：按需使用资源，可能要排队等待：同时有其它分组同时有其它分组发送。发送。如，因特网。如，因特网。171、工作原理通信双方必须先建立一个通信双方必须先建立一个专用的连接（电路）专用的连接（电路），一直维一直维持，直到通信结束。持，直到通信结束。如，电话网络。如，电话网络。通话过程：通话过程：拨号拨号 接通接通 通信通信 挂机挂机18例，电路交换网络q每个链路可有每个链路可有n条电路条电路，能，能够支持够支持n条同步连接。条同步连接。q通信过程：通信过程：在两台主机在两台主机A、B之间创建之间创建一条一条专用的端到端连接专用的端到端连接，分别占用每条链路中的一分别占用每条链路中的一条电路；条电路；该连接获得链路带宽的该连接获得链路带宽的1/n，进行通信。，进行通信。192、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多路复用：在一条传输链路上同时建立多条连接建立多条连接，分别传，分别传 输数据。输数据。q频分多路复用频分多路复用FDM(frequency-division multiplexing)链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享。按频率划分若干按频率划分若干频段频段，每个频段专用于一个连接。，每个频段专用于一个连接。带宽带宽bandwidth：频段的宽度频段的宽度。如，。如，4kHz。q时分多路复用时分多路复用TDM(time-division multiplexing)时间划分为固定区间的时间划分为固定区间的帧帧，每帧再划分为固定数量，每帧再划分为固定数量的的时隙时隙，每一个时隙专用于一个连接，用于传输数据。，每一个时隙专用于一个连接，用于传输数据。20时分复用帧时分复用帧长度固定长度固定链路频谱链路频谱一个连接一个连接一个连接一个连接21例：4个用户复用FDM：划分4个频段频率时间TDM：每个帧划分4个时隙 频率时间帧计算机网络和因特网概述22数字的例子q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？m所有链路是1.536 Mbpsm每条链路使用具有24个时隙的TDMm创建端到端电路需500 msec将该例子计算出来将该例子计算出来!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q用户A、B的分组共享网络资源q每个分组使用全部链路带宽q使用所需的资源 资源争夺：q聚合资源要求能超过可用的量q拥塞：分组队列，等待链路使用q存储转发：分组一次移动一跳m节点在转发前接收完整的分组带宽划分为“片”专用分配资源预留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。ABC10 Mbps以太网1.5 MbpsDE统计复用统计复用等待输出链路的分组队列计算机网络和因特网概述25分组交换对比电路交换q1 Mbps链路q每个用户:m当“活跃”时100 kbpsm时间的10%活跃q电路交换:m10用户q分组交换 m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q对突发数据极为有效m资源共享m较简单，无呼叫建立q过多的拥塞:分组时延和丢包m需要可靠数据传送、拥塞控制的协议q问题:怎样提供类似电路的行为？m对音频/视频应用需要带宽保证m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q传输(推出)L个比特到速率为R bps链路上，需要L/R秒 q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q时延=3L/R例子:qL=7.5 MbqR=1.5 Mbpsq时延=15 secRRRL计算机网络和因特网概述28分组交换网络：转发q目的:从源到目的地通过路由器移动分组m我们将学习几种路径选择(即选路)算法(chapter 4)q数据报网络:m分组中的目的地址决定下一跳m在会话中路由可以变化m类比:驾车，询问方向q虚电路网络:m每个分组携带标签(虚电路ID)，标签决定下一跳m固定的路径在呼叫建立时决定，在呼叫期间保持不变m路由器保持每呼叫状态计算机网络和因特网概述29网络分类电信网络电路交换网络FDMTDM分组交换网络具有VC的网络数据报网络数据报网络不是面向连接的，而是无连接的。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：带宽和延迟性能测量的两个参数：带宽和延迟q带宽(BandwidthBandwidth):Hz,KHz,MHz,GHz信号带宽信号带宽：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：媒体带宽：通信媒体允许通过的信号频带范围比特率：比特率：某时段内网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。q吞吐率(ThroughputThroughput)：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：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延时延时 Delay 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)Round-Trip Time(RTT)：发收来回时间定义：延迟=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 q分组到达链路的速率超过输出链路能力q分组排队，等待交换AB将被传输的分组(时延)分组排队(时延)空闲(可用)缓存：如果无空闲缓存则到达的分组丢失(丢包)计算机网络和因特网概述34分组时延的4种来源q1.节点处理:m检查比特差错m决定输出链路AB传播传输节点处理排队q2.排队m等待输出链路传输的时间m取决于路由器拥塞的等级计算机网络和因特网概述35在分组交换网中的时延3.传输时延:qR=链路带宽(bps)qL=分组长度(比特)q发送比特进入链路的时间=L/R4.传播时延:qd=物理链路的长度qs=在媒体中传播的速度(2x108 m/sec)q传播时延=d/s注意:s 和R 是极为不同的量！AB传播传输节点处理排队计算机网络和因特网概述36车队的类比q车以100 km/hr 速度“传播”q收费站12 sec服务一辆车(传输时间)q车比特；车队分组q问题:在第二个收费站前排起车队需多长时间？q通过收费站向公路“推出”整个车队的时间=12*10=120 secq最后一辆车从第一到第二个收费站传输的时间：100km/(100km/hr)=1 hrq答案:62分钟收费站收费站10辆车的车队100 km100 km计算机网络和因特网概述37车队的类比(续)q车现在以1000 km/hr“传播”q收费站现在服务一辆车需1分钟q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？q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。q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！m参见位于AWL Web site 上的 以太网Java小程序。收费站收费站10辆车的车队100 km100 km计算机网络和因特网概述38节点时延qdproc=处理时延m通常几个微秒或更少qdqueue=排队时延m取决于拥塞qdtrans=传输时延m=L/R,对低速链路很大qdprop=传播时延m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)qR=链路带宽(bps)qL=分组长度(比特)qa=平均分组到达速率流量强度=La/RqLa/R 0:平均排队时延小qLa/R-1:时延变大qLa/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q“实际的”因特网时延和丢包是怎样的呢？qTraceroute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:m发送3个分组，该分组在朝着目的地的路径上到达路由器 im路由器i 将向发送方返回分组m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 cht-vbns.gw.umass.edu(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 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu(198.32.11.9)22 ms 18 ms 22 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu(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 nice.cssi.renater.fr(195.220.98.102)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 fantasia.eurecom.fr(193.55.113.142)132 ms 128 ms 136 mstraceroute:gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.frThree delay measements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu*means no reponse(probe lost,router not replying)trans-oceaniclink计算机网络和因特网概述42分组丢失q在链路前缓存中的排队(又称为buffer)具有有限的能力q当分组到达满的队列时，分组被丢弃(又称为lost)q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！q许多“构件”m主机m路由器m各种媒体的链路m应用m协议m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q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46ticket(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 routingairplane routingticket(complain)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m经它自己的层内动作m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：q明确的结构使得能够标识复杂系统构件的关系m分层的 参考模型 用于讨论q模块化易于维护、系统的更新m各层服务实现的改变对于系统的其他部分透明m如改变登机过程不影响系统的其他部分q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qArchitecturem系统：系统内部件之间，以及系统与环境之间的关系。系统：系统内部件之间，以及系统与环境之间的关系。m网络：网络层次划分、实体功能、交互协议的定义与描述。网络：网络层次划分、实体功能、交互协议的定义与描述。q网络体系结构的基本问题命名与定位；网络体系结构的基本问题命名与定位；m路由与寻址；路由与寻址；m端到端透明通信与内容感知分发；端到端透明通信与内容感知分发；m“傻网傻网+智端智端”与与“智网智网+傻端傻端”（端控与中控）；（端控与中控）；m有连接电路交换与无连接分组交换；有连接电路交换与无连接分组交换；m尽力而为与尽力而为与QoS/EoSm物理网络与逻辑网络（主动编程）物理网络与逻辑网络（主动编程）m端主机与海量传感器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q应用:支持网络应用mFTP,SMTP,STTPq运输:主机到主机数据传输mTCP,UDPq网络:从源到目的地数据报的选路mIP,选路协议q链路:在邻近网元之间传输数据mPPP,以太网q物理:“在线上”的比特应用层运输层网络层链路层物理层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层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM目的地应用层运输层层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM网络层链路层物理层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnHlM路由器路由器交换机交换机封装计算机网络和因特网概述51内傻外智结构内傻外智结构IPIP细腰细腰AnytingAnyting Over IP?Over IP?计算机网络和因特网概述52细腰的苦恼细腰的苦恼qIP over anything,anything over IPIP over anything,anything over IPIPIP协议栈容许在其上下层都有更多的创新或变革协议栈容许在其上下层都有更多的创新或变革IPIP协议栈成为互联网上的一个设备协议栈成为互联网上的一个设备q缺点缺点很难对很难对IPIP本身有所修改或改变，本身有所修改或改变，但新近但新近人们试图改变（人们试图改变（GENIGENI）底层（如无线）只有少量的可用信息底层（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54Morse(1791-1872)1840年发明电报MorseCode1961-1964年创建分组理论兰德公司（兰德公司（RANDRAND）Paul Paul BaranBaran麻省理工学院（麻省理工学院（MITMIT）LeonardLeonardKleinrockKleinrock 物理学家物理学家DonaldDonaldWattsWattsDavies Davies 分布式排队论分布式排队论 计算机网络和因特网概述55因特网历史q1961:Kleinrock 排队表明了分组交换的效能q1964:Baran 在军事网络中的分组交换q1967:由高级研究项目局 构想的 ARPAnet q1969:首个ARPAnet 节点运行q1972:mARPAnet对公众演示mNCP(网络控制协议)第一个主机到主机协议m第一个电子邮件程序mARPAnet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览器计算机网络和因特网概述57因特网历史q1970:在夏威夷的ALOHAnet 卫星网络q1973:Metcalfes博士论文提出了以太网q1974:Cerf 和Kahn：互联网络的体系结构q20世纪70年代后期：专用体系结构:DECnet,SNA,XNAq20世纪70年代后期：交换固定长度的分组(ATM先驱)q1979:ARPAnet 具有200个节点Cerf 的Kahn的网络互联原则：m最低限度的，自治的-不需要互联网络改变其内部m尽力而为的服务模型m无状态路由器m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58MILNetMILNetInternet Internet Internet Internet 的产生与发展的产生与发展的产生与发展的产生与发展ARPAARPA 19581958InternetInternet 19951995NCPNCP19711971TCP/IPTCP/IP19741974ARPANetARPANet19831983NSFNetNSFNet19861986ARPANetARPANet6060年代末年代末年代末年代末计算机网络和因特网概述59因特网历史q20世纪90年代：ARPAnet退役q1991:NSF为NSFnet的商用设置了限制(1995退役)q20世纪90年代早期:Webm超文本 Bush 1945,Nelson 1960smHTML,HTTP:Berners-Leem1994:Mosaic,以后Netscapem20世纪90年代:Web的商业化20世纪90年代以后：q更多的招人喜爱的应用：即时讯息，P2P文件共享q网络安全成为热点q估计5千万台主机，10亿以上用户q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述60Mark Andreessen浏览器发明人网景公司创始人1993年浏览器“MosaicMosaic”1998年美国在线美国在线以42亿美元收购史蒂夫乔布斯SteveJobs（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 Cohen)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62Google：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631.8 小结涉及大量的素材!q因特网概述q什么是协议？q网络边缘，核心，接入网m分组交换对比电路交换q因特网/ISP结构q性能：丢包率，时延q分层和服务模型q历史你现在已经:q前因后果，概述，“感受”网络q后面有更深入的细节6465666768697071主要国际会议主要国际会议SIGCOMM:ACM conf.on Comm Architectures,Protocols&AppsINFORCOM:Annual Joing Conf IEEE Comp&Comm SocMOBICOM:ACM Intl Conf on Mobile Computing and Networking72计算机网络和因特网概述73