计算机网络1-概述课件

计算机网络与通信计算机网络与通信2024/7/2111 概述2 物理层3 数据链路层4 局域网5 网络互连6 TCP/IP协议7 应用层8 网络安全9 多媒体通信2024/7/212课时:40学时实验:8学时学分:成绩:课堂 10%作业 10%实验 10%考试 70%2024/7/213教材:谢希仁.计算机网络(第5版).北京:电子工业出版社,2019年1月参考书目:Behrouz A.Forouzan.数据通信与网络(影印版第4版).北京:机械工业出版社,2019月3月Andrew S.Tanenbaum.计算机网络(影印版第4版).北京:清华大学出版社,2019年1月2024/7/2141.1 绪论1.2 网络分类1.3 交换技术1.4 OSI模型1.5 小结2024/7/215计算机网络的定义计算机网络的发展协议与标准2024/7/216互连分布在不同地点的多个计算机及其它网络设备按网络协议相互通信共享硬件、软件和数据资源 计算机网络的功能:连通(connectivity)与共享(share).2024/7/217通信的有效性:传递、准确、及时2024/7/2182024/7/219数据传送连接不同类型网络设备网络结点同等重要路由冗余简单、可靠网络把许多计算机连接在一起,而因特网则把许多网络连接在一起.2024/7/21101957ARPA(Advanced Research Projects Agency)1964Paul Baran:rapid store-and-forward design ARPANET was born with 4 transit nodes19691974TCP/IP for internetworkingARPANET has 200 transit nodes1983ANSNET from MERIT,MCI,IBM1990Internet as you know it20192000Internet 2,NG?Something really fast ATM,QoS,RVSP,DiffServ,IPv6,MPLS2024/7/2111The hourglass modelAll application services are mapped onto a small set of end-to-end communication protocols:TCP/UDP/IPAll physical data transport technologies are hidden(Ethernet/ATM/)互联网最基本的特性:去核心理论、对等结构、自由与开放理念、免费模式.2024/7/2112宽带(Broadband)for bandwidth-consuming applications无线(Wireless)Ubiquity of the network access网络安全(Network security)信息保密、网络支付服务质量(Quality of service)for high-quality multimedia reception宽带化、IP化、移动化已经成为业界共识.2024/7/2113城域以太网(运营商级以太网)技术日趋成熟大幅度降低建设和运营成本,同时满足宽带接入互联网业务和接入可管理的IP网(NGN)需求简单、可以快速布设、带宽可扩展和粒度可变、内部开销低城域网(MAN)和广域网(WAN)采用同一个协议、较低的维护成本和建设成本开销2024/7/2114今天蜂窝移动通信“专网”的围墙已经开始破裂,未来属于移动互联网未来的通信业务将分为两类1.面向企业大客户VIP,对服务质量、安全性等有高要求并且愿意为之付费2.面向消费大众提供新媒体和娱乐2024/7/21152024/7/2116互联网互联网/遍及、可依赖、可信遍及、可依赖、可信无所不在、超高容量、全灵活性、自适应故障业务模式无所不在、超高容量、全灵活性、自适应故障业务模式软件和服务体系结构软件和服务体系结构动态配置、资源自组织结合、可依赖、减少亲自复杂性动态配置、资源自组织结合、可依赖、减少亲自复杂性新媒体新媒体/网络媒体网络媒体联网的企业联网的企业博客、播客、视频共享、博客、播客、视频共享、RSS、社交网络、社交网络、IM、网络电视、游戏网络电视、游戏电子商务、物流、电子商务、物流、ASP、ERP、CRM、电子支付、电子支付网络银行、企业网络银行、企业Web2.0驱动力:宽带、通信设备、内容和捆绑业务、市场需求2024/7/21172019年初,国务院“一号文”的颁布正式宣布了广电和电信原有业务领域隔离时代的结束广电和电信传统业务领域的相互进入促使全国各级广电运营商加快业务转型,在坚守和提升广播电视业务的基础上,必须逐步面向公众用户和大客户发展多种电信增值业务广电的成功转型需要广电着力提升“软实力”和“硬实力”“硬实力”的核心,就是广电必须建设一张满足增值业务发展,具有竞争力的多业务承载网络2024/7/2118业务类型业务类型终端终端业务内容业务内容技术特点技术特点公众业务电视频道节目分发/从网络总前端向各分前端分发数字或模拟电视频道节目数据媒体流业务,要求网络可靠性高、带宽稳定,安全性高,业务隔离,保证安全播出,在IP网络中可采用组播VPN方式承载互动数字电视STB以VOD点播、付费频道、其他灵活的交互式增值服务等业务为主以信令流、音视频流为主.要求整网高QoS保障、高带宽、高可靠性支持,并与其他业务进行隔离宽带上网PC以Web、信息检索、音视频、网络游戏等数据内容为主.业务门槛底,运营模式成熟每用户带宽需求会越来越大,QoS要求不高,衍生的网络安全和业务安全问题多,难控制.需要精细化VLAN规划,网络出口需要高性能内外网地址转换安全防御和网络流量分析处理VoIPIAD以语音数据为主要求恒定带宽、整网高QoS保障、高可靠性支持,并与其他业务进行隔离集团客户业务VPN专网主要客户为政府、企业、教育等集团客户.包含了集团客户的视频、语音、数据等内容.是广电的高价值业务整网必须根据客户需求部署二层或三层的MPLS VPN；为关键链路提供高可靠性保证；为特定集团客户的VPN提供组播VPN等高等级功能；带宽要求高；业务部署和管理较复杂,需要有网管平台进行智能管理专线接入视频监控/视讯会议内部应用内部OA为广电网络公司各分支机构提供办公、系统运维、视频会议等数据业务要求对内部应用业务提供高可靠性、高安全性、高优先级的服务保障网络运营维护管理视频会议等应用2024/7/2119广电运营商业务转型的重点之一是运营未来潜在市场大、符合社会各阶层消费者需求的高ARPU值业务如双向交互数字电视业务、家庭宽带上网业务等公众用户业务,并对各种业务面向不同用户群进行个性化定制 综合来看,这些业务的特点不仅仅是“双向、交互”,其对网络的可靠性、带宽资源、多业务控制、可扩展性、可管理性等均提出了电信级要求同时,由于IP城域网对各类型的兼容性和扩展性支持非常好,广电网络原有的模拟/数字电视频道节目传送也可通过IP城域网进行承载,免除了该业务对SDH/MSTP等传输网络的依赖,真正在一张网络上实现所有业务的统一承载2024/7/2120广电网络运营商在IP城域网的规划中必须充分考虑大客户增值业务承载的需求广电IP城域网除了完成增值业务的承载之外,还需要满足公司内部办公应用、网管、视频会议等需求,并保证内部应用的安全性当前广电网络运营商需要因地制宜地构建一张适应业务转型、具有竞争力的多业务承载网络这张网络不应只考虑“可连通、可交互”的基本要求,更应放眼各业务未来3-5年业务发展对网络的长远需求 建设具有广电特色的多业务IP城域网的关键是构建一张具备高性能、高可靠、可运营、可管理、适合多业务承载的IP城域网2024/7/21212024/7/2122n标准与技术进步n标准与核心竞争力n标准与垄断n标准与利益2024/7/21232024/7/2124因特网协会 ISOC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因特网研究指导小组IRSG 2024/7/2125因特网草案(Internet Draft)在这个阶段还不是 RFC 文档有效期6个月建议标准(Proposed Standard)从这个阶段开始就成为 RFC 文档草案标准(Draft Standard)因特网标准(Internet Standard)2024/7/2126建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC提供信息的 RFC实验的 RFC因特网草案6 种 RFC2024/7/2127网络类型网络拓扑网络性能2024/7/21282024/7/2129计算机之间的距离(数量级)计算机所在地网络分类10 m个人附近个人局域网100 m1000 m建筑物校园局域网10 km城市城域网100 km国家广域网1000 km洲或洲际互联网2024/7/21302024/7/21312024/7/21322024/7/21332024/7/21342024/7/21352024/7/2136总链路数=n(n-1)/2每个设备端口=n-12024/7/21372024/7/21382024/7/21392024/7/21402024/7/2141带宽(bandwidth)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)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 bps(bit/s)吞吐量(throughput)吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制2024/7/2142每秒 106 个比特t 1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s t每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 2024/7/2143时延(delay或latency)报文从网络的一端传送到另一端所需的时间总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延发送时延=数据块长度(b)/信道带宽(b/s)传播时延=信道长度(m)/传播速度(m/s)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 排队时延=结点缓存队列中分组排队所经历的时间排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量2024/7/21441 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延节点 B节点 A在发送器产生传输时延(即发送时延)在节点A中产生处理时延和排队时延数据链路对于高速网络,提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率;提高链路带宽减小了数据的发送时延.2024/7/2145100MB的数据,在带宽为1Mb/s的光纤上传输1000km,计算总的时延(不考虑处理时延)发送时延=100 x 220 x 8/106=838.9s传播时延=1000/(2 x 105)=5 ms电磁波传播速率:-铜线电缆中 2.3 x 105 km/s-光纤中 2.0 x 105 km/s2024/7/2146时延带宽积某一链路所能容纳的比特数时延带宽积=带宽 x 传播时延链路带宽传播时延体积=时延带宽乘积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度.2024/7/2147信道利用率指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网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值信道利用率并非越高越好根据排队理论,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2024/7/2148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:其中,U 是网络的利用率,数值在 0 到 1 之间 D U10D0时延急剧增大信道的利用率过高会导致非常大的时延.2024/7/2149费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性 易于管理和维护 2024/7/2150电路交换报文交换分组交换2024/7/21512024/7/21522024/7/2153由交换机在两个通信结点之间建立一条物理专用线路优点传输延迟小,唯一的延迟是物理信号的传播延迟不会发生冲突缺点建立物理线路所需的时间比较长2024/7/2154电路交换在两个设备之间创建一条物理连接.2024/7/21552024/7/2156报文交换属于存储-转发交换一般不限制报文的大小,这就要求各个中间结点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块某一块数据可能会长时间占用线路,导致报文在中间结点的延迟非常大,这使得报文交换不适合交互式数据通信2024/7/21572024/7/2158分组交换是报文交换的改进在分组交换网中,用户的数据被划分成一个个分组(packet),而且分组的大小有严格的上限分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中,缩短了传输时延每个分组信息可选择最佳路由,提高通信效率和可靠性由于分组交换网能够保证任何用户都不能长时间独占某传输线路,因而它非常适合于交互式通信2024/7/21592024/7/2160H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5发送分组H2 向 H6发送分组注意分组路径的变化！路由器主机2024/7/2161H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口2024/7/21622024/7/2163优点高效:动态分配带宽,对通信链路逐段占用 灵活:以分组为传送单位和查找路由迅速:不必先建立连接就能向其他主机发送分组可靠:保证可靠性的网络协议;分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性问题存储转发时需要排队,会造成一定的时延分组必须携带首部(里面有必不可少的控制信息)造成一定的开销 2024/7/2164ADBCb)报文交换AD线路BCa)电路交换Pkt1ABCDc)分组交换时间线路 线路报文排队时延传播时延Pkt1Pkt2Pkt3Pkt3Pkt2Pkt1Pkt3Pkt2路由选择时间发送时延2024/7/2165连接策略优 点缺 点电路交换快速.适用于不允许传输延迟的情况由于网络线路是专用的,其他路由不能使用.通信双方必须同时参与报文交换路由是非专用的,完成一个报文传输后,可以立刻被重新使用.接收方无须立即接受报文通常报文需要用更长的时间,才能到达目的地.由于中间节点必须存储报文,所以报文过长,也会产生问题.分组交换分组交换网络的数据报方式会为报文的不同分组选择不同的路由,因此能更好地利用网络由于每个分组被单独传送,费用将相应增加.必须为每个分组选择路由.在数据报方式中,分组可能不按次序到达2024/7/2166物理层数据链路层网络层传输层应用层2024/7/2167ISO:国际标准化组织OSI:开放系统互连模型2024/7/2168分层的好处各层之间独立灵活性好结构上可分割易于实现和维护促进标准化层数要适当若层数太少,就会使每一层的协议太复杂层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难2024/7/2169网络中各结点都有相同的层次不同结点相同层次具有相同的功能同一结点相邻层间通过接口通信每一层可以使用下层提供的服务,并向上层提供服务不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信2024/7/2170In 1978,work on a layered model of network architecture was started and the International Organization for Standardization(ISO)began to develop its OSI framework architectureOSI has two major components:An abstract model of networkingA set of specific protocolsThe concept of a 7 layer model was provided by the work of Charles Bachman,then of Honeywell (http:/en.wikipedia.org/wiki/OSI_model#History)Those who do not study history,are doomed to repeat it.J.Onions,RFC16062024/7/2171在互联网设计之初,很多设计目标、动机都是很模糊的,许多所谓的设计原则或设计思想,在互联网发展过程中逐渐总结出来的:无连接(Connectionless)端到端(End to End)简单性原则分层思想2024/7/2172互联网如今已经取得了如此的成功,为什么仍然用OSI的七层模型而不是互联网的五层来描述互联网?-Douglas E.Comer(Purdue University)We reject:kings,presidents,and voting.We believe in:rough consensus and running code(我们拒绝国王、总统和投票,我们相信大多数人的意见和运行的代码)-David Clark(MIT,1992)2024/7/2173实体:任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程对等层:两个不同系统的同名层次对等实体:位于不同系统的同名层次中的两个实体接口:相邻两层之间交互的界面服务:某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻上层2024/7/21742024/7/2175传输层及以下各层的PDU有各自特定的名称:传输层:段(Segment)网络层:报文(Packet)数据链路层:帧(Frame)物理层:比特(Bit)2024/7/21762024/7/2177负责在物理介质上传输比特流接口与介质的物理特性比特的表示数据速率同步物理拓扑传输方式2024/7/21782024/7/2179负责链路上数据帧的可靠传输成帧物理寻址定界与同步产生、识别帧的边界流量控制使收发双方传输速率匹配差错控制采用ARQ(自动重传请求)等方法2024/7/21802024/7/21812024/7/21822024/7/2183负责将包从源地址传到目的地址逻辑寻址(确定IP地址)路由流量统计与记帐2024/7/21842024/7/21852024/7/21862024/7/2187负责一个进程到另一个进程之间的信息传送端口寻址(确定特定进程)拆分和组装连接管理流量控制(端到端)差错控制(端到端)2024/7/21882024/7/21892024/7/21902024/7/2191应用层提供用户接口和服务支持网络虚拟终端文件传输、访问和管理邮件服务目录服务2024/7/21922024/7/21932024/7/2194网络使信息的快速共享成为可能性能、可靠性和安全性是评价网络的标准三种基本的交换方法:电路交换、报文交换和分组交换网络拓扑有总线型、星型、环型及网状等协议和标准对网络通信至关重要OSI模型对开发完全兼容的体系结构、硬件和软件提供了指南2024/7/2195谢谢！