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互联网原理与应用发展,（计算机学院 范冰冰教授）,你所认识互联网？ 互联网怎样发展而来的呢？又往何处去？ 网络技术主要内容？ 互联网核心技术体系 附属的网络概念和技术？ 因特网有哪些主要应用？ 互联网上怎样构作应用的？ ,第1章、互联网技术与应用概述,1.1 互联网发展背景,1.2 互联网设计思想与特点,1.3 互联网基础协议体系结构,1.4 互联网应用,1.5 互联网最新趋势,参考教材1、2、32章,1.1.1 传统网络技术,1.1 互联网发展概述,通信是现代社会三大基础结构之一（能源、交通和通信）。,传统电信网络主要是电报传真网、电话交换网PSTN、数字数据网DDN、分组交换公用数据网PSPDN，以及后来的帧中继网FRN、ATM网、 Ethernet、移动通信网等。,网络是实现信息（语音、文本、数据或集合）交互（通信）的网元设备和协议集合。,传统电信网络主要为特定的用户需求设计，实现多业务综合承载应用很困难，经历电路交换到分组交换发展。,1.1.2 计算机网络五个关键方面,1、数据通信Data Communication。通过物理介质实现信息传送的低层机制和技术。,2、分组交换和联网技术。满足不同速率、距离和成本等需要分组交换技术（分组长度、寻址方式）。,3、TCP/IP联网技术。异构网络（不同分组交换技术）互连方法，容纳新网络；强大生命力。,5、附加的网络概念和技术。涉及管理、安全、服务质量等。,4、网络应用和网络编程。网络上实现具体服务的应用系统，软件交互、网络有效结合和简单化开发方法。,1.1.3 计算机网络和网络互连,70年代开始，联网技术计算机网络，核心内容：LAN、网络互连；LAN研究解决小区域计算机互连和信息共享的体系，目前主要是Ethernet：共享介质以太网、交换以太网；Ethernet并随着光收发技术发展，向区域网、城域网发展。,不同目的（速率、距离和成本等） /时间、厂商的各种网络技术，1973 Vinton Cerf/Robert Kahn指出：实际上不可能存在单一分组网络技术能满足所有需求，特别是极低成本小容量家庭/办公网络需要，建议停止单一最佳解决方案寻找。,解决统一网络的出路：探索把多种分组网络互联成一个有机整体的方法，形成全局服务。 计算机广域互连，一种跨越不同底层网络技术、操作系统的LAN广泛互连技术，以及在之上实现信息交互和业务应用，即互联网（TCP/IP）技术。,互联网原理和应用，在了解IP编址、IP协议、TCP协议基础上，进一步了解TCP/IP协议体系和工作原理，以及因特网应用系统和编程方法。,互联网internet：通过路由器连接的一组网络，使网中的任何计算机之间可以通信，目前主要运用TCP/IP协议。它可能是任何组织的网络，如Cernet、Jxnet,1.1.4 internet Internet 和Intranet,因特网Internet：运用TCP/IP协议，接受因特网组织统一管理（InterNIC 地址、域名）、全球开放的互联网，前身ARPANET。它是一个特定组织的网络，目前已成为全球计算机互连和应用互联的基础设施，并在和电信网融合成为统一的NGN。,内联网Intranet：运用TCP/IP技术，企业、学校等单位内部互连的网络。,1.2.1 互联网要解决的核心问题,1、网络通信必须解决寻址问题，在网络设备和计算机间的统一虚拟编址和实现准确的传送定位。,1.2 互联网技术思想与特点,2、解决网络可靠性（出错控制）和可管理性问题，网络通信必须解决可靠问题。计算机通信是计算机运行程序之间的通信，所以应当由谁负责可靠交付？因特网和传统电信网的思路不同。,地址转换问题：互联网采用物理链路2层之上独立的第3层地址编制，实际寻址过程需要2、3层地址转换，如ARP、RARP协议。,3、怎样解决网络通信交互和实际应用的结合、网络应用编程、开放性问题。在TCP/IP核心之上开发和建立一系列的实际应用，而且希望使网络技术和计算机技术一体化，方便应用开发推广。,因特网以IP 协议、动态选路协议来提供计算机间的尽力分组传输，网络简单、灵活性好、价格便宜。但没有传统网络严格的呼叫控制和可靠管理功能，只通过简单差错告知协议ICMP、简单网管协议SNMP； 因特网通过增加 TCP 协议，建立计算机进程间的连接，实现计算机程序之间的相对可靠通信。,4、解决网络的安全性、服务质量QoS等问题，互联网初始设计基本没有考虑以上问题，所以，存在结构性问题，以后不断通过技术补充来完善。,互联网开放环境安全成为互联网技术重要分支，NAT、防火墙、入侵检测、 VPN/IPSEC、加密/认证、SSL/TSL、PKI/CA、漏洞扫描和安全评估、网络攻击和防御,互联网服务质量QoS是不断发展的领域，由于IP的特性，目前互联网QoS本质上CoS，通过区分服务DiffServ、资源预留协议RSVP等适当解决。,互联网通过网络API设计，视网络为可标准调用的计算机外部资源，大大简化了程序员对低层网络通信要求。互联网通过C/S，B/S模式简化呼叫控制。互联网相比电信网促进了网络应用的蓬勃发展。,1.2.2 网络基本传输交换方式,虚电路、交换电路,最早的PSTN电路交换网，采用电路交换方式，预留资源、建立电路，然后通信，拆除电路 。可实现高质量管理和对称业务；但信令系统建立每一次呼叫和维护连接状态信息，虚电路对大量突发、非对称小数据量的应用（如网页浏览）是低效率、高代价的。,建立连接 预留资源,电路交换方式,分组路由/交换？,60年代，数据通信出现了一个革命性的新概念：分组通信分组交换把数据划分成许多小的数据块（分组），每个分组中包含接收方的地址。网络的每个交换设备都保留有分组如何抵达所有可能目的地的信息。互联网分组通信利用效率远远高于传统通信网，且可以支持应用非常广泛，通信费用也比传统网络低得多。,分组存储 转发？,分组交换方式,1.2.3 面向连接的/无连接的流模式和报文模式,面向连接的流模式传输,通常电信网（无论是FR或ATM分组）的都采用面向连接的传输交换方式，连接是对等实体为进行通信而进行的一种结合（打招呼，预处理），面向连接的流传输方式，可以是预留资源虚电路（如 FR、ATM），也可以不预留方法（如TCP） 。,面向连接,FBB: 什么是连接？对等实体为进行通信而进行的一种结合。 面向连接要素：连接建立、数据通信和连接释放三阶段。,连接要素,建立连接 预留资源,建立连接 不预留资源,分组从 A 传送到 B 的过程,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,无连接的报文传输-互联网的IP分组路由方式,范冰冰: 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 因特网中这样一个分组称为IP数据报，也称IP包。 通过存储转发，hop by hop尽力逐跳把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,数据报,逐跳尽力传输,互联网IP技术采用面向无连接的尽力传送方式（报文模式），只通过简单、灵活的寻址和选路功能，不需信令系统；即发送数据不需要预先和接收建立连接，既不要预定资源，也不确定资源，动态分配资源和发送，使用报文方式的传送信息适合突发性消息发送，简单低成本。,同时IP包不能解决丢报、重复或失序。技术的可靠性、安全性、业务质量保证等方面性能不高，所以使用一种折中的TCP流模式传输。尽管目前主要优点使人们容忍其缺陷，但也是NGI、NGN发展动力。,1.2.4 互联网核心协议 TCP/IP,因特网,什么是点对点传输？什么是端到端传输？ 什么是协议：控制两个对等实体进行通信的规则集合。,IP数据包怎样通过不同的网络？,在某个IP数据报进入网络传递以前，路由器把IP数据报作为完整的帧数据重新封装到一个帧中，这个帧格式符合某个物理网络传送的硬件要求。,终点,包裹,（原始标签）,包裹目的地,不能用身份证号码作地址通信一样！,0.0.0.0-127.255.255.255,128.0.0.0-191.255.255.255,192.0.0.0-223.255.255.255,224.0.0.0-239.255.255.255,240.0.0.0-247.255.255.255,1.3.1 网络协议分层,复杂性：一个公司（产品）越来越无法完成一个系统所有的事情。,开放互连： 原有技术通常只有通信底层和独立的应用层，在不同基础上完成广泛互连，必须定义超越旧体系、新的工作层。,标准化：解决复杂性和互连不能依赖某些公司产品技术，建立既分工的、有统一协调的体系。,早期网络是不分层，为什么要进行分层处理？,范冰冰:早期计算机应用程序和网络基本两个独立的体系，计算机通信（串口、Moden、DDN、X.25) 独立编程完成数据传输，通过操作系统底层向应用呈现提供数据，交互灵活性很差、不标准，从而无法形成更广泛的网络应用。,1.3 互联网协议体系结构,1.3.1 TCP/IP协议结构,网络接口层,IP (RIP OSFP BGP),各种应用层协议 HTTP, FTP, SMTP, DNS 等,TCP,网际层,运输层,UDP,应用层,TCP/IP是协议栈:不仅包含了网络互连IP、传输控制TCP等基本的协议，但更多是应用协议，而且仍在不断发展。,ICMP,IGMP,ARP,RARP,TCP/IP体系一般认为是四层结构，但本质上三层应用层、运输层和网络层；网络接口层具体内容不多。,物理层,NAT,BOOTP/DHCP,1.3.4 TCP/IP协议分层与交互,用户进程,用户进程,用户进程,TCP,UDP,IP,ICMP,IGMP,介质,RARP,硬件接口,用户进程,应用层,运输层,网络层,链路层,ARP,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,IP 层上的互联网,IP2,IP4,IP3,IP5,R2,IP 数据报,硬件地址,MAC 帧,MAC 帧,MAC 帧,IP 地址,R1,TCP连接,1.3.5 协议嵌套和分用,互联网通过一组相同的协议连接在一起网络。,某个具体协议（FTP、TCP、IP、Ethernet）， 只能在同一协议层对等工作。,每个协议都在处理数据分组（或帧）。发送端，每个下层协议分组对上层协议传来的内容进行封装；多层协议之间分组的封装形成分组嵌套。,相反，接收端每个下层协议对分组数据进行拆封后，根据协议要求传递给相应的上层协议，完成分用。,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物 理 传 输 媒 体,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,数 据 部 分,10100110100101 比 特 流 11 010111010,T2,计算机 1,FTP,AP2,AP1,应 用 程 序,计算机 2,比特,帧,数据报,TCP包,FTP协议,TCP,FTP,头部,用户使用的网络服务和功能都是由应用软件的提供的。网络应用是为一定应用目标，编写通过因特网进行通信的程序。,1.4 互联网应用,网络数据（二进制比特）通信通常是基础过程，建立依靠网络的适应社会需求的应用，创造社会价值和进步才是最终目的。,1.4.1 互联网应用概念和模式,网络应用系统需要设计其个性的应用协议，来规定数据格式表示，业务交互规则等；TCP/IP协议通常是基础协议和基础应用协议的总称。,应用协议：所交换报文的语法和语义 网络软件怎样交互：客户或服务器模式 应用软件怎样调用TCP/IP通信 选择怎样开发平台和工具 发生差错时应用系统所采取的动作,互联网应用考虑的关键因素,传统网络技术似乎一直来是解决数据的通信交互问题，网络应用开发和网络通信如何一体化？ 怎样为软件人员（非网络、通信技术工程师）提供方便的开发方法？ 应用程序编写通过Socket API实现对互联网的访问和操作，并发展到各种工具和平台。,互联网应用交互模式和应用开发,互联网应用存在的一个问题：两独立计算机上运行的一对应用软件如何协调一致？其答案就是称之为客户服务器模式的交互方式。在一对应用程序中，称为服务器的应用软件首先启动运行并等待连接，而另一个称之为客户的应用软件随后运行，并主动发起连接。,1.4.2 远程资源/信息共享,最早期互联网目的是计算资源共享（接入网络共享计算资源），然后开始演变到通信交互，提供通用通信交互方法。,网络应用最有影响的Web、WWW系统，早期是定位信息发布，信息链接功能，基本上仍是信息共享服务。其他互联网信息共享（交互）应用系统：信息搜索（引擎）、BBS、News,传统（早期）互联网应用是从信息共享（交互）开始，如文件传输系统FTP、远程登陆Telnet、电子邮件等；,信息共享类网络应用系统从科学界到社会上得到了广泛认可，成为信息社会的重要标志，也开创了互联网时代；（社会以应用而不是技术认识互联网）,1.4.3 互联网业务应用系统,之后，浏览器/Web技术的发展成熟和数据库结合，网络应用扩展到电子商务、电子政务的业务流程处理，以及绝大部分计算机应用。,B/S结构成为网络应用的新主体结构，中间件技术出现，由此形成了多层次软件结构，并开始向网络协同业务、组件化发展。,近年，互联网从静态文本、动态信息发展到实时、高质量的多媒体应用。,物联网 应用,多媒体 应用,E-mail ，FTP 信息交互,静态网页 信息发布,1.4.4 互联网应用发展,动态网页 信息发布,网上营销,电子商务/政务集成,综合业务应用,信息交互,互联网不仅是计算机互连技术，还是全球统一应用互联体系。,1.5.1 下一代网络NGN,传统电信网络和计算机网络深刻融合产生融合NGN。一方面，传统对称话音业务为基础的传输与交换技术向IP技术为基础的新电信框架快速转变；另一方面，LAN和因特网从企业网/科学网向公众运营网络转化，不断强化交换速率、QoS、安全性、可运营性和可管理性。,范冰冰:一方面，电信网络技术围绕IP承载进行改造，传统对称话音业务为基础的传输与交换技术向IP技术为基础的新电信框架快速转变；另一方面，LAN和YTW从企业网/科学网向公众运营网络转化，不断强化交换速率、QoS、安全性、可运营性和可管理性。其次，因特网不仅完成了全球的计算机网络的互连，更实现了统一应用的互联；IP事实上已成为未来网络统一的业务结构标准，PC成为统一桌面，由此引发了新一轮业务模式革命，Web Service分布式网络应用框架逐渐成为IP应用的主流。最后，,1.5 互联网发展最新热点,NGN开始逐渐形成基于智能光交换、高速LAN、 IPV6、3G/4G、WiFi的下一代网络；通过分层、分面和开放接口的方式，为业务提供商和网络运营商提供生成、部署和管理开放的新业务环境，逐渐形成虚拟标准化、统一服务的网络应用体系。,移动互联网是NGN目前快速发展的新领域。,1.5.2 基于网络的协同（分布）计算,2000开始，Web Service分布式网络应用和集成框架逐渐成为IP应用的主流。其核心 XML、简单对象访问协议 SOAP、WEB服务描述语言 WSDL技术、统一描述，发现和集成（UDDI），实现的网络应用协同和一体化。,云计算和网格计算，网络资源紧密共享利用、虚拟化、协同（分布）计算，协同计算为基础的向上提供标准化的应用。,对等网络P2P、BT（MP3下载、实况视频），克服C/S中央服务器结构，非集中的自组织网络，可实现就近资源寻找和分发。,1.5.3 网络安全和网络管理,IT系统管理成为新的热点，IT系统有网络、计算平台、存储系统、数据库、应用系统、安全系统等一体化组成，从单一系统设备管理，到面向服务质量的一体化管理成为新的需求；ITSM，ITIL。,网络安全在开放互连环境的黑客攻击中发展，从边界、被动、单层和单点，静态的基于规则网络安全机制/服务，逐步开始向主动、全面和联动，动态的基于行为、可信计算的网络安全转变。主动防御将原来分层的安全统一起来，形成完整闭合安全系统。云安全是新发展的方向。,1.5.4 物联网,人联网，到物联网（Internet of Things ）。2009奥巴马正式提出物联网， “物联网”是在“互联网”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换、通信和处理服务。 更大、更广泛网络和应用。,物联网（早期传感网）：通过识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。,1.5.5 其它主要热点,高速可靠组网设备和技术，万兆交换机和路由器、MPLS、光交换、多层交换。,自组织网络技术、设备和应用。,智能网和语义网。,互联网多媒体应用技术，实时传输协议RTP、会话控制和呼叫控制SDP、SIP、H.323。,互联网服务质量QoS技术。,互联网多播技术和应用。,互联网原理与应用 课程内容、衔接与相关问题,计算机网络课程基本是LAN、互联网实现原理、设备和工程技术讨论；并涉及数据通信基础，广域通信网；涉及网络安全和管理；网络应用。不同教材有不同内容编排和侧重。,数据通信、局域网LAN 互联网、现代网络技术 网络存储与计算、NGN与IPV6,网络工程的主要内容体系,网络技术,互联网应用 Web技术/开发平台 网络软件应用开发 电子商务、电子政务系统,综合布线 网络规划与设计 组网和配置 网络性能与测试,网络应用,网络安全和管理,网络构建 （系统集成）,防火墙、PKI认证 安全评估、防病毒 运行支撑管理 业务支撑管理,范冰冰:信息的传递要依靠网络，因此实现信息化离不开完善的网络。网络已成为信息社会的命脉和重要基础。 网络包含了技术、应用、工程和管理四大部分内容,本课程与相关课程衔接,IP路由协议,各种应用层协议 HTTP, FTP, SMTP, DNS， WWW 等,TCP,网际层,运输层,UDP,应用层,TCP/IP关于网络互联的基本内容，以及和LAN/WAN衔接，在计算机网络中已经介绍，不在本课程讲授。本课程重点讲授互联网重要协议，包括基础协议和应用层协议，实际是互联网技术内容的深入。,ICMP,IGMP,ARP,RARP,ARP,LAN、WAN,网络接口层,数据链路 /物理层,NAT,BOOTP/DHCP,主要内容讲授内容,互联网技术与应用概述背景、概念、结构、服务 互联网基础协议体系网络地址转换NAT，网络配置初试化BOOTP/DHCP，路由选择协议（基本选路、RIP、OSPF、BGP协议）。IP多媒体系统和IP电话系统。 互联网应用基础C/S模式和应用程序接口API 互联网传统应用基础应用TELNET、FTP、DNS，常用应用协议Email（SMTP）、WWW（HTTP）; IP多媒体系统和IP电话系统 互联网应用开发 互联网管理SNMP,课程共/52学时 第1部分 1次课/3学时 第2部分 3次课/ 9学时 第3部分 2次课/ 6学时 第4部分5次课/ 15学时 第5、6部分 2次课/ 6学时 实验 3次课/ 10学时 习题和复习 1次课/ 3学时 总课时：52学时,关于本课程的授课方式与考试： 平时作业15%+实验15%+期终考试70%,本课程的说明,主要参考本课程教材谢希仁计算机网络第5版的有关内容。,本课程强调互联网原理和概念，并不涉及网络编程技术和技巧。,范冰冰: 本科内容主要仍然是基本概念的接受，受选修课时的限制，更是希望大家了解/理解概念与技术思想，而不是深入技术细节，也不能完成技术专家培训。 本课程是讲授为主，辅助实验和讨论形式，选修课评分的主要依据平时的讨论提问成绩和最终考试结合。,关于本课程的内容体系和讲授顺序安排，并不完全按照教材顺序。,Douglas E. Comer 林生、范冰冰译计算机网络与互联网第五版。,作业1,2. 简述互联网的报文模式和流模式。,范冰冰: 本科内容主要仍然是基本概念的接受，受选修课时的限制，更是希望大家了解/理解概念与技术思想，而不是深入技术细节，也不能完成技术专家培训。 本课程是讲授为主，辅助实验和讨论形式，选修课评分的主要依据平时的讨论提问成绩和最终考试结合。,什么是协议，什么是算法？,3. 在20世纪60年代，为什么共享计算资源是最重要的？当万维网出现时，因特网应用发生了什么转变 ？,4. 什么是点对点通信，什么是端到端通信，在互联网中分别用什么协议完成。,
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