1.1计算机网络基本概念

计算机网络=通信技术+计算机技术

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物

通信系统模型：

计算机网络就是一种通信网络

计算机网络？

■定义：计算机网络就是互连的、自治的计算机集合。

■自治-无主从关系（某一个计算机不能控制另一个计算机）

■互连-互联互通

通信链路（光纤，同轴电缆，无线）

距离远、数量大如何保证互连？

通过交换网络互连主机

主机之间可以通过交换网络的交换结点实现数据中继，把数据从原主机送到目的主机

什么是Internet？-组成细节角度

全球最大的互联网络§ISP(Internet Service Provider)网络互连的“网络之网络”

■全球最大的互联网络

§ISP网络互连的“网络之网络”

■数以百万计的互连的计算设备集合:（pc，服务器，无线笔记本，智能手机）

§ 主机(hosts)=端系统（end systems）

§ 运行各种网络应用

■通信链路（有线链路，无线链路）

§ 光纤,铜缆,无线电,卫星……

■分组交换:转发分组(数据包)

§ 路由器(routers)和交换机(switches)

什么是Internet？-服务角度

■为网络应用提供通信服务的通信基础设施:

Web, VoIP, email,网络游戏,电子商务,社交网络,…

■为网络应用提供应用编程接口（API）：

支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据

提供类似于邮政系统的数据传输服务

1.2什么是网络协议

协议是计算机网络有序运行的重要保证

v ■硬件（主机、路由器、通信链路等） 是计算机网络的基础

v ■计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则

v ■如同交通系统

任何通信或信息交换过程都需要规则

网络通信:

■通信主体是“机器”而不是人

■交换“电子化”或“数字化”消息

■计算机网络的所有通信过程都必须遵守某种/些规则—协议

网络协议

■网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

■协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、 意义、 顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作” （actions）

协议的三要素

■语法（Syntax）

§ 数据与控制信息的结构或格式

§ 信号电平

■语义（Semantics）

§ 需要发出何种控制信息

§ 完成何种动作以及做出何种响应

§ 差错控制

■时序（Timing）

§ 事件顺序

§ 速度匹配

协议是计算机网络的重要内容

■协议规范了网络中所有信息发送和接收过程

§e.g., TCP, IP, HTTP, Skype,802.11

■学习网络的重要内容之一

■网络创新的表现形式之一

■Internet协议标准

§RFC: Request for Comments

§IETF:互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）

1.3计算机网络结构

■网络边缘:

§ 主机

§ 网络应用

■接入网络，物理介质:

§ 有线或无线通信链路

■网络核心（核心网络）:

§ 互联的路由器（或分组转发设备）

§ 网络之网络

网络边缘

■主机(端系统):

§ 位于“网络边缘”

§ 运行网络应用程序

• 如：Web, email

■客户/服务器(client/server)应用模型：

§ 客户发送请求，接收服务器响应

§ 如：Web应用，文件传输FTP应用

注：谁主动发起请求就是客户端，谁被动接受请求就是服务器

■对等(peer-peer, P2P)应用模型:

§ 无（或不仅依赖）专用服务器

§ 通信在对等实体之间直接进行

§ 如：Gnutella, BT, Skype, QQ

接入网络

Q:如何将网络边缘接入核心网（边缘路由器）?

A:接入网络

v 住宅（家庭）接入网络

v 机构接入网络(学校,企业等)

v 移动接入网络

用户关心是:

v 带宽(bandwidth) (bps)？

v 共享/独占？

接入网络:数字用户线路(DSL)

■利用已有的电话线连接中心局的DSLAM

§ 数据通信通过DSL电话线接入Internet

§ 语音（电话）通过DSL电话线接入电话网

■< 2.5 Mbps上行传输速率(典型速率< 1 Mbps)

■< 24 Mbps下行传输速率(典型速率< 10)

■FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行

4 kHz - 50 kHz用于上行

0 kHz - 4 kHz用于传统电话

接入网络:电缆网络

■HFC:混合光纤同轴电缆（hybrid fiber coax）

§ 非对称:下行高达30Mbps传输速率，上行为2 Mbps传输速率

■各家庭（设备）通过电缆网络→光纤接入ISP路由器

§ 各家庭共享家庭至电缆头端的接入网络

§ 不同于DSL的独占至中心局的接入

典型家庭网络的接入

机构（企业）接入网络(Ethernet)

无线接入网络

■通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器

§ 通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）

网络核心

■互联的路由器网络

■网络核心的关键功能:路由+转发

■网络核心解决的基本问题

vQ： 如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？

vA： 数据交换

1.4Internet结构

Internet结构:网络之网络

由很多网络互联构成一个大的网络

■端系统通过接入ISP（access ISPs）连接到Internet

§ 家庭、公司和大学ISPs

■接入ISP必须进一步互连

§ 这样任意两个主机才可以互相发送分组

■构成复杂的网络互连的网络

§ 经济和国家政策是网络演进的主要驱动力

■当前Internet结构？

§ 无人能给出精确描述

■在网络中心:少数互连的大型网络

§ “一级”(tier-1)商业ISPs (如：网通、电信、Sprint、AT&T)，提供国家或国际范围的覆盖

§ 内容提供商网络（content provider network， 如：Google)：私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs

1.5数据交换-电路交换

■互联的路由器网络

vQ： 如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？

vA： 数据交换

为什么需要数据交换？

vN2链路问题

v连通性

v网络规模

交换？

■动态转接

动态的在物理上或者逻辑上建立端口之间连接，将信息从一个端口转移到另一个端口，并且可以并行的进行，实际应用如电话网络

■动态分配传输资源

数据交换的类型

v电路交换

v报文交换

v分组交换

电路交换的特点

■最典型电路交换网络：电话网络

■电路交换的三个阶段：

§ 建立连接（呼叫/电路建立）

§ 通信

§ 释放连接（拆除电路）

■独占资源

两个电话之间建立的通信电路资源不能被第三方共享

1.6多路复用

解决电路交换网络如何共享中继线的问题，即电路交换网络的链路共享。

多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念，多路信号采用同一个物理介质来进行传输

■多路复用(Multiplexing):

·链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”

v 将资源片分配给各路“呼叫”（calls）

v 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信

v 资源片可能“闲置”(idle)(无共享)

■典型多路复用方法:

v 频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )

v 时分多路复用( time division multiplexing-TDM )

v 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)

v 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )

频分多路复用FDM

将信号在频率上划分，分成一个个频带的子信道，将信号只使用一个频带的子信道，以为不同频率之间是隔离开的，互不干扰。

例：有线电视

■频分多路复用的各用户占用不同的

带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz） 而不是数据的发送速率）

■用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

时分多路复用TDM

■时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，每个时隙允许发送一定的信息

■每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度）

■时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度

波分多路复用WDM

■波分复用就是光的频分复用(将波的光长分道）

码分多路复用CDM

■广泛应用于无线链路共享(如蜂窝网,卫星通信等)

■每个用户分配一个唯一的m bit码 片 序 列(chipping sequence)， 其中“0” 用“-1” 表示、 “1” 用“+1” 表示， 例如：

§S站的码片序列：(–1–1–1 +1 +1–1 +1 +1)

■各用户使用相同频率载波， 利用各自码片序列编码数据

■编码信号= (原始数据)×(码片序列)

§ 如发送比特1（+1） ， 则发送自己的m bit码片序列

§ 如发送比特0（-1） ， 则发送该码片序列的m bit码片序列的反码

■各用户码片序列相互正交(orthogonal)

编/解码举例

11.7数据交换—报文、分组交换

报文交换（message switching）

■报文：源（应用）发送信息整体

§ 比如：一个文件

分组交换（package switching）

■分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包（加头，头里加一些控制信息，如地址信息）

■分组交换需要报文的拆分与重组

■产生额外开销（并不严重）

分组交换:统计多路复用（Statistical Multiplexing）

A & B分组序列不确定，按需共享链路->statistical multiplexing.（需要就占带宽，不需就不占）

存储-转发（store-and-forward）

将收到的信息存储一下，确定那个链路能用再转发出去

■报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式区别：

§ 报文交换以完整报文进行“存储-转发”

§ 分组交换以较小的分组进行“存储-转发”

分组交换:传输延迟

发送主机:

■接收应用报文（消息）

■拆分为较小长度为L bits的分组（packets）

■在传输速率为R的链路上传输分组

报文交换vs分组交换

■报文交换:

§ 报文长度为M bits

§ 链路带宽为R bps

§ 每次传输报文需要M/R秒

■分组交换:

§ 报文被拆分为多个分组

§ 分组长度为L bits

§ 每个分组传输时延为L/R秒

分组交换的报文交付时间

T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

■报文: M bits

■链路带宽（数据传输速率）: R bps

■分组长度（大小）: L bits

■跳步数: h（从一点到下一个相邻点就是一个跳步）

■路由器数：n=h-1

分组交换vs电路交换

■分组交换允许更多用户同时使用网络！——网络资源充分共享

■适用于突发数据传输网络

§ 资源充分共享

§ 简单、无需呼叫建立

■可能产生拥塞（congestion）:分组延迟和丢失

§ 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

11.8计算机网络性能

速率

■速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)

§ 单位时间（秒）传输信息（比特）量

§ 计算机网络中最重要的一个性能指标

§ 单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s

§k=103、M=106、G=109

■速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

■“带宽”(bandwidth)原本指信号具有的频带宽度即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

■网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps)

■常用的带宽单位:

§kb/s（10^3 b/s）

§Mb/s（10^6 b/s）

§Gb/s（10^9 b/s）

§Tb/s（10^12 b/s）

延迟/时延(delay或latency)

Q:分组交换为什么会发生丢包和时延?

A:分组在路由器缓存中排队

v 分组到达速率超出输出链路容量时

v 分组排队，等待输出链路可用

■d_proc:结点处理延迟（nodal processing delay）

§ 差错检测

§ 确定输出链路

§ 通常< msec（一般不会超过毫秒级）

■d_queue:排队延迟(不确定）（queueing delay）

§ 等待输出链路可用

§ 取决于路由器拥塞程度

■d_trans:传输延迟（transmission delay）

§L:分组长度(bits)

§R:链路带宽(bps)

§d_trans = L/R

■d_prop:传播延迟（propagationdelay）

§d:物理链路长度

§s:信号传播速度(~2×10^8m/sec)

§d_prop = d/s

排队延迟

■R:链路带宽(bps)

■L:分组长度(bits)

■a:平均分组到达速率

流量强度（traffic intensity）= La/R

■La/R ~ 0:平均排队延迟很小

■La/R -> 1:平均排队延迟很大（后续来的数据量与排队的数据量差不多）

■La/R > 1:超出服务能力， 平均排队延迟无限大！

时延带宽积

■链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失（丢包）

■队列缓存容量有限

■分组到达已满队列将被丢弃(即丢包)

■丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）

吞吐量/率（Throughput）

■吞吐量:表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)

§ 即时吞吐量:给定时刻的速率

§ 平均吞吐量:一段时间的平均速率

■瓶颈链路（bottleneck link）

端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路。

以最小的来算

1.9计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统,涉及许多组成部分:

§ 主机（hosts）

§ 路由器（routers）

§ 各种链路（links）

§ 应用（applications）

§ 协议（protocols）

§ 硬件、软件

§ ……

计算机网络的体系结构

■网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

■计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构（底层为上层服务）

■每层遵循某个/些网络协议完成本层功能

■计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合

■体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义

■体系结构是抽象的

分层网络体系结构基本概念

■实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

■协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的” 。

■任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能， 向上层提供服务，服务是“垂直的” 。

■下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。

■同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP(Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务。

1.10 OSI参考模型

■开放系统互连(OSI)参考模型是由国际标准化组织(ISO)于1984年提出的分层网络体系结构模型

■目的是支持异构网络系统的互联互通

■异构网络系统互连的国际标准

■理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）

§ 理论成功， 市场失败

■7层（功能）,每层完成特定的网络功能

OSI参考模型解释的通信过程

OSI参考模型数据封装与通信过程

为什么需要数据封装？

■增加控制信息

§ 构造协议数据单元(PDU)

■控制信息主要包括:

§ 地址（Address）:标识发送端/接收端

§ 差错检测编码（Error-detecting code）:用于差错检测或纠正(并不是所有的协议都会加差错检测编码）

§ 协议控制（Protocol control）:实现协议功能的附加信息，如:优先级（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等

物理层功能

解决了单一比特传输问题

■接口特性

§ 机械特性（接口几何形状）、电气特性（电压电流）、功能特性（引脚功能）、规程特性

■比特编码

■数据率

■比特同步

§ 时钟同步

■传输模式

§ 单工（Simplex）（只能单向通信，例电视）

§ 半双工（half-duplex）

§ 全双工（full-duplex）

数据链路层功能

■负责结点-结点（node-to-node） 数据传输（以帧为单位传输）

■组帧（Framing）（加头加尾）

■物理寻址（Physical addressing）

§ 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端

■流量控制（Flow control）（匹配发送端和接收端的速度）

§ 避免淹没接收端

■差错控制（Error control）

§ 检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧

■访问(接入)控制（Access control）

§ 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

■负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付

§ 可能穿越多个网络

■逻辑寻址（Logical addressing）

§ 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址

■路由（Routing）

§ 路由器(或网关)互连网络，并路由分组至最终目的主机

§ 路径选择

■分组转发

传输层功能

■分段与重组

■SAP寻址

§ 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

■连接控制（逻辑连接）

■流量控制

■差错控制

会话层功能

实际不常用

■对话控制（dialog controlling）

§ 建立、 维护

■同步(synchronization)

§ 在数据流中插入“同步点”

■最“薄”的一层

表示层功能

处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics） 问题

表示层功能

■数据表示转化

§ 转换为主机独立的编码

■加密/解密

■压缩/解压缩

应用层功能

■支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口

使用网络（服务）

■典型应用层服务：

§ 文件传输（FTP）

§ 电子邮件（SMTP）

§Web（HTTP）

TCP/IP参考模型

5层参考模型

■综合OSI和TCP/IP的优点

■应用层:支持各种网络应用

§FTP, SMTP, HTTP

■传输层:进程-进程的数据传输

§TCP, UDP

■网络层:源主机到目的主机的数据分组路由与转发

§IP协议、路由协议等

■链路层:相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输

§ 以太网（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP

■物理层:比特传输

5层模型的数据封装

1.11计算机网络与Internet发展历史

1961-1972:早期分组交换原理的提出与应用

v1961: Kleinrock– 排队论证实分组交换的有效性

v1964: Baran– 分组交换应用于军事网络

v1967: ARPA（Advanced Research Projects Agency）提出ARPAnet构想

v1969:第一个ARPAnet结点运行

v1972:

§ARPAnet公开演示

§ 第一个主机-主机协议NCP (Network Control Protocol)

§ 第一个e-mail程序§ARPAnet拥有15个结点

1972-1980:网络互连，大量新型、私有网络的涌现

1970:在夏威夷构建了ALOHAnet卫星网络

v1974: Cerf与Kahn– 提出网络互连体系结构

v1976: Xerox设计了以太网

v70’s后期:

§ 私有网络体系结构: DECnet,SNA, XNA

§ 固定长度分组交换(ATM先驱)

v1975：ARPAnet移交给美国国防部通信局管理

v1979: ARPAnet拥有200结点

1980-1990:新型网络协议与网络的激增

v1983:部署TCP/IP

v1982:定义了smtp电子邮件协议

v1983:定义了DNS

v1985:定义了FTP协议

v1988: TCP拥塞控制

v 新型国家级网络:

CSnet, BITnet, NSFnet,Minitel（法国）

v1986：NSFnet初步形

成了一个由骨干网、区域网和校园网组成的三级网络

v100,000台主机连接公共网络

1990, 2000’s:商业化, Web,新应用

v1990’s早期: ARPAnet退役

v1991: NSF解除NSFnet的商业应用限制(1995年退役)，由私营企业经营

v1992:因特网协会ISOC成立

v1990s后期: Web应用

§ 超文本（hypertext）[Bush

1945, Nelson 1960’s]

§HTML, HTTP: Berners-Lee

§1994: Mosaic、Netscape浏览器

§1990’s后期:Web开始商业应用

1990’s后期 –2000’s:

v 更多极受欢迎的网络应用:即时消息系统（如QQ），P2P文件共享

v 网络安全引起重视

v 网络主机约达50000， 网络用户达1亿以上

v 网络主干链路带宽达到Gbps

2005-今

v~7.5亿主机

§ 智能手机和平板电脑

v 宽带接入的快速部署

v 无处不在的高速无线接入快速增长

v 出现在线社交网络:

§Facebook:很快拥有10亿用户

v 服务提供商(如Google, Microsoft)创建其自己的专用网络

§ 绕开Internet，提供“即时”接入搜索、email等服务

v 电子商务、大学、企业等开始在“云”中运行自己的服务(如，Amazon EC2)