chapter1-Computer networks-2013

1、2021-7-171 Instructor: Dong Zhiyong2021-7-172 Text BookText Book 计算机网络（第五版） A.S.Tanenbaum 著 清华 大学出版社 ReferenceReference 计算机网络（第5版）谢希仁著，电子工业出版社 Andrew S. Tanenbaum, “Computer Networks”, 5th Edition. Prentice-Hall Inc. 清 华大学出版社(影印版) 2021-7-173 Course Goals and Objectives To comprehend bas

2、ic and fundamental Computer Network concepts，principles and methods To master Computer Network architecture (网络体系结构)、and Typical Protocol(协议) To comprehend composition and characteristics of typical network To comprehend the typical network equipment working principle Can anaylze、design、 apply these

3、 concepts、 principles and methods 2021-7-174 Chapter 1 Introduction Topics What is Computer Networks Uses（应用） of Computer Networks Components of Computer Networks(Hardware and Software) Reference Model of Computer Networks 2021-7-175 2021-7-176 A computer network is a collection of autonomous comput

4、ers, interconnected by communication channels Autonomous(自治计算机) independent hardware and operating system Interconnected（互相连接） with communication module and interfaces Collection（集合） a harmonic system where multiple computers exchange data Question1:What is Computer Networks? 2021-7-177 Autonomous C

5、omputers is composed of software and hardware, can independently implement various functions 2021-7-178 Interconnected with communication module and interfaces 公用电话交换网公用电话交换网 Question 2: Is the Internet or the World Wide Web a computer network? 2021-7-179 Answer： Neither the Internet or the WWW is c

6、omputer network. The Internet is not a single network but a network of networks. the WWW is a distributed system that runs on top of Internet. 2021-7-1710 WWW(World Wide Web) 万维网万维网 万维网（WWW）是一 个庞大的信息网络集合，可 利用诸如 Microsoft IE、 Netscape Navigator 或 Firefox，360浏览器 之类的 浏览器访问该网络。利用浏 览器，显示文本、图片、播 放音视频、动画等。

7、 用户可以很方便地从网 站中选取各种内容，也可以 利用该网站中的超链接转到 其它网站 2021-7-1711 1.1 Uses of Computer Networks 1.1.1 Business Applications 1.1.2 Home Applications 1.1.3 Mobile Users 1.1.4 Social issues 2021-7-17 12 1.1.1 Business Applications of Networks Function1 Resource Sharing e.g. Share a common printer、scanner、informat

8、ion lbetter to buy one big and fast printer than a single printer for each computer lbetter to store the company data in one large database than hundreds of smaller ones Client/Server model 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的 两个应用进程 客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的 关系 客户是服务请求方，服务器是服务提供方 2021-7-1714 The client-

9、server model involves requests and replies. 客户发起连接建立请求 服务器接受连接建立请求 客户软件（如FLASHFXP,迅雷）的特点 在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他 的计算 被用户调用并在用户计算机上运行，在打算通信时主动 向远地服务器发起通信 可与多个服务器进行通信 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统 服务器软件的特点 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地 或本地客户的请求 在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用并一 直不断地运行着 被动等待并接受来自多个客户的通信请求 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持 17

10、e.g. Communication medium between employees. lallows employees who are separated by vast distances to communicate quickly and collaborate on a task lallows a manager to send large amounts of content-free messages to all employees Types: email, video conferencing, VOIP（网络电话） electronic business with

11、other companies and E-commerce（电子商务） with customers. Fuction2 Communication Medium 1.1.1 Business Applications of Networks 2021-7-1718 E-mail 、videoconferencing、cooperative work Netphone (SKype),QQ 2021-7-1719 e- commerce 对等网对等网 Tax forms:纳税申报表纳税申报表 2021-7-1720 1.1.2 Home Network Applications Access

12、 to remote information(database） online digital library (在线图书馆)， ， Interactive entertainment(互动娱乐) Video on Demand VOD(视频点播) Game playing（网上游戏） Home Shopping 2021-7-1721 other communication P2P（Peer to Peer） Napster 、ICQ类、e-mule，弱化了服务器的作用， 甚至取消服务器，任意两台PC互为服务器，同时又是 客户机，即对等（peer to peer,P2P

13、） 2021-7-1722 1.1.3 Mobile Network Users Combinations of wireless networks（无线网络） and mobile computing (移动计算) PDA：掌上电脑 store inventory：店铺盘点 2021-7-1723 1.1.4 Social Issues Politics Religion Security Sex Privacy （隐私） Employer vs. employee Government vs. citizen Junk email（垃圾邮件） Computer criminal 2021-

14、7-1724 Components of Computer Networks Hardware eventually physical medium is reached. 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 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 PDU 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1

15、AP2 AP1 主机 2 运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 IP 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 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 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 主机 1 向主机 2 发送数据 应用层(application layer) 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 主机 1 AP2

16、 AP1 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 主机 2 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 物理层接收到比特流，上交给数据链路层 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 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 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2

17、 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应 用 程 序 数 据 应用层首部 H5 10100110100101 比 特

18、 流 110101110101 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 应 用 程 序 数 据 H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 10100110100101 比 特 流 110101110101 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数

19、据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层 H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 H3H4H5应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 H5应 用 程 序 数 据 H4H5应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 运输层剥去报文首部后 把

20、报文的数据部分交给应用层 应 用 程 序 数 据 H5应 用 程 序 数 据 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 主机 1 向主机 2 发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 2021-7-1782 Advantages and Disadvantages about Protocol Hierarchies Advantages The function in each l

21、ayer is independent. The adjacent layers are connected by interfaces. Flexibility. The change of one layer would not influence other layers hiberarchy Structure. The implementation and maintenance are both much easier.Reduce design complexity Standardization. 优点 l各个层次通过接口相连， 功能相互独立。 l灵活性好。某个层次的功 能变化

22、不会影响其它层次。 l结构上可分割开。 l易于实现和维护。 l能够促进标准化工作 2021-7-1783 Advantages and Disadvantages about Protocol Hierarchies Disadvantages lthe more layers of the network protocol hierarchies get, the more spending are needed. lThe network architecture using different protocol stacks can not communicate with each o

23、ther. l使用不同协议簇的网 络层次结构的网络之 间不能够互通。 l网络协议分层越多， 开销就越大。线路的 传输速率高，而用户 的处理速度慢，这样 就产生了矛盾。高传 输速率，低处理速度 是计算机网络的一个 主要缺点。 缺点 2021-7-1784 Some key conception used in computer network 实体（entity）：每层中的活动元素（如进程或接口电路）。 对等实体（peer entity）：不同开放系统上同一层中的实 体。 协议（protocol）：某层上通信的规则（约定）。 协议栈（protocol stack）：各层协议按层次顺序排列的 一组

24、协议序列。 服务（service）：低层向相邻高层提供的功能。 接口（interface）：相邻层之间的边界。 服务访问点（SAP）：位于接口上的具体地点（地址）。 服务提供者（service provider）：服务中的底层实体。 服务用户（service user）：服务中的高层实体。 2021-7-1785 1.3.2 Design Issues for the Layers Reliability u差错控制：检错，纠错 u动态路由 网络互联 uaddressing or naming u分段 Resource allocation u统计时分复用，多路复用、分用 u流量控制 u服务质

25、量 Network security 2021-7-1786 1.3.2 Design Issues for the Layers Some rules of data transfer needed. 单工通信（simplex）：单向。 半双工通信（half-duplex）：双向，但不能同时。 全双工通信（full-duplex）：双向，且可同时。 2021-7-1787 面向连接服务(connection-oriented) Reliable services Establish a connection, uses the connection, releases the connect

26、ion 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放 这三个阶段。 e.g. Phone system 1.3.3 Connection-Oriented and Connectionless Services 2021-7-1788 无连接服务(connectionless) Unreliable services 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为 “尽最大努力交付”(best effort delivery)或 “尽力而为”。 e.g.Postal system 2021-7-1789 Six different types of servic

27、e 2021-7-1790 1.3.4 Service Primitives（原语） 一个服务通常是由一组原语（Primitive）的操作 来描述的。/如:借书、上网等服务 用户进程通过这些原语操作，可以访问该服务 /使用服务 A service is formally specified by a set of primitives (operations) available to a user process to access the service. 2021-7-1791 Five service primitives for implementing a simple conne

28、ction-oriented service. 2021-7-1792 Packets sent in a simple client-server interaction on a connection-oriented network. 2021-7-1793 1.3.5 Services to Protocols Relationship 2021-7-1794 1.4 Reference Models lOpen Systems Interconnection (OSI) Model lTCP/IP Model 2021-7-1795 1.4.1 The OSI Reference M

29、odel Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical The OSI (Open Systems Interconnection )Reference Model 2021-7-1796 OSI Model History lBased on A Proposal developed by the International Standards Organization (ISO), the first step toward international standardization of the

30、 protocols used in various layers. （Day and Zimmermann,1983) (ISO OSI Model) lRevised in 1995 (Day, 1995) 2021-7-1797 The physical layer The physical layer is concerned with transmitting raw bits over a communication channel.（透明的传 送比特流，传送单位为比特） Function 机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排指明接口所用接线器的形状和尺寸

31、、引线数目和排 列、固定和锁定装置等等。列、固定和锁定装置等等。 电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 2021-7-1798 The Data Link Layer Deals with algorithms for achieving reliable, efficient communication between two adjacent machines at the data link layer. (po

32、int-to-point) 保证相邻结点链路上的可 靠传输，传输单位为帧 Function lBreak up the data into data frames. lLink control: connection-oriented lError control : error-detecting and error-correting lFlow Control:keep a fast sender from swamping a slow receiver 2021-7-1799 The Network Layer The Network Layer controls the opera

33、tion of the subnet. A key design issue is to determine how packets are routed from source to destination. 将传输层送来的报文进行分组，选择合适的路由，将 分组按地址传送到目的主机。 传输单位为分组 Function lTo control the operation of the subnet. lRouting algorithm lError control lCongestion control（拥塞控制，与高层） 2021-7-17100 The Transport Layer I

34、ts task is to provide reliable, cost-effective data transport from the source machine to the destination machine(end-to-end), independently of the physical network or networks currently in use. 保证端到端的可靠传输，传输单位为报文 Function lConnection management（连接控制） lError control （差错控制） lCongestion control（拥塞控制） l

35、QOS control （服务质量） 2021-7-17101 The session Layer The session layer allows users on different machines to establish sessions between them. 允许不同机器的 用户建立会话关系 Function lDialog control：记录该由谁来传输数据不参与具体的数据传输，对数据传输 进行管理。即在两个互相通信的进程中建立、组织、协调交互 lSynchronization：在数据流中插入检查点，当网络崩溃时，仅传输最后一个 检查点以后的数据 lToken manag

36、ement:令牌管理。禁止双方同时执行同一个关键操作。 2021-7-17102 The presentation Layer The presentation layer is concerned with the syntax and semantics of the information transmitted.主要解 决经常被用户请求的通用功能，如传输数据的表示解释， 包括格式转换、编码、压缩、加密等 Function According to the users need , to make the corresponding change. For instance, data

37、encoding and data encryption. 不同的计算机有不同的内部数据表示，表示层转换为本 机可以理解的格式 2021-7-17103 The Application Layer The application layer is the interface between user and the network. It contains a variety of protocol that is commonly needed by the users. 应用层是用户和网 络的接口，包含人们普遍需要的多种协议。 Function To provide services to

38、 the users not for the upper layer. 不是为上层提供服务，而是直接为最终用户进程提供应用服 务 2021-7-17104 OSI协议模型 OSI 参考模型各层的功能总结 O S I 层 功能 应用层 在程序之间传递信息 表示层 处理文本格式化，显示代码转换 会话层建立、维持、协调通信 运输层确保端到端的可靠传输 网络层决定传输路由，处理信息传递 数据链路层分帧、差错控制、流量控制 物理层管理硬件连接 2021-7-17105 The OSI communication Reference Model Host AHost B Application proto

39、col Presentation protocol Transport protocol Session protocol 2021-7-17106 1.4.2 TCP/IP Reference Models 2021-7-17107 The Application Layer lContaining all the higher-level protocols lExamples include HTTP FTP (file transfer) Telnet (virtual terminal) SMTP (electronic mail) DNS (domain name system)

40、应用层：为用户程序提供相应的功能。 2021-7-17108 The Transport Layer lConcerned with end-to-end data transfer between end systems (hosts) lTransmission unit is called segment(报文) lTCP/IP networks such as the Internet provides two types of services to applications “connection-oriented” service Transmission ontrol Prot

41、ocol (TCP) “connectionless” service - User Datagram Protocol (UDP) 2021-7-17109 The Internet Layer lKey part in TCP/IP Model lEnd systems inject IP datagrams into any networks lTo insure each datagram travel independently to the destination (routing) lA “best effort” service-Connectionless service D

42、atagrams might be lost Datagrams might arrive out of order 2021-7-17110 The Host-to-Network Layer lSomehow, host has to connect to the network and be able to send IP Datagrams lHow? Protocol is not defined 网络接口层：管理设备与网络之 间的数据交换，以及同一个网络 中设备之间的数据交换。 包含的协议如IEEE802.3。数据 单位是帧（frame）。 2021-7-17111 A Compa

43、rison of the OSI and TCP/IP Model Similarities 1. Both are based on the concept of a stack of independent protocols 基于独立的协议栈的概念。 2. The functionality of the layers are roughly similar. 层的功能也大体相似 3. The layers below transport layer are all communication-oriented, while the layers above transport laye

44、r are all application-oriented. 传输层以下 都是面向通信的，而传输层以上都是面向用户的。 1.4.3 2021-7-17112 Differences The OSI model clearly distinguishes between service, interface and protocol. But TCP/IP does not. OSI明确定义了服务、接口、协议3个概念。 2. The protocols in the OSI model are better hidden than in the TCP/IP model. OSI中的协议具有更

45、好的隐藏 性。 3. The number of layers is different. 层的数量不同。 2021-7-17113 4.OSI model supports both Connectionless and connection-oriented communication in network layers, but only connection-oriented communication in transport layer. TCP/IP model supports only connectionless communication in network layer

46、, but supports both modes in the transport layers. lTCP/IP对面向连接和无连接服务并重 l而OSI强调面向连接服务 114 1.4.4 A Critique of the Models（自看） OSI Arrived late on the scene Model was too complex and the protocols were flawed (some stuff appears in multiple levels) Poor implementation (no good example) Poorly marketed

47、 2021-7-17115 Lessons: bad timing, bad technology, bad implementations, bad politics. 116 TCP/IP 没有明确区分服务、接口和协议的概念 不通用，不适合描述TCP/IP之外的任何其他协 议栈 链路层不是通常意义上的层，他只是一个接口 （网络层和数据链路层间的） 没有区分物理层和数据链路层 117 On the good side OSI The model, minus the session and presentation layers, is very useful. TCP/IP The pro

48、tocol is in wide use and is accepted virtually everywhere. (Just like Visa, it is everywhere you want to be.) 2021-7-17118 1.5 Example Networks lInternet lConnection-Oriented Networks X.25, Frame Relay, and ATM lEthernet lWireless LANs: 802.11 2021-7-17119 (a) Structure of the telephone system. (b)

49、Barans proposed distributed switching system. 1.5.1 The Internet 2021-7-17120 The original ARPANET(Advanced Research Poject Agency高级研究计划局) design. It was began in the late 1950s. ARPANET是因特网前身，是单个网络 Interface message Processors (IMP) PHASE 1 IMP：接口报文处理器 2021-7-17121 Growth of the ARPANET (a) Decembe

50、r 1969. (b) July 1970. (c) March 1971. (d) April 1972. (e) September 1972. 2021-7-17122 NSFNET（国家科学基金网） l1990 年 ARPANET 正式宣布关闭， 是一个三级计算机网络： 主干网 地区网 校园网 PHASE 2 2021-7-17123 l TCP/IP became the only official protocol l Multiple Layered ISP l Internet growth became exponential. Internet Scale Main tec

51、hnology l TCP/IP l WWW PHASE 3 2021-7-17124 Architecture of the Internet POP:ISP存点。即，客户数据包进入ISP网络使用其服务的位置 NAP：网络接入点 1.5.2 第三代移动电话网络 第一代：以模拟信号传输语音； 第二代：以数字形式传输语音，还可以发 短信。如GSM(全球移动通信系统)； 第三代：同时提供数字语音和宽带服务。 允许每个蜂窝使用全部的频率，但必须保 证相邻蜂窝之间存在可接受的的干扰程度 的方式来分配频率。 2021-7-17125 Third-Generation Mobile Phone Netwo

52、rks (1) Cellular design of mobile phone networks Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 Third-Generation Mobile Phone Networks (2) Architecture of the UMTS 3G mobile phone network. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tan

53、enbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 UMTS:通用移动通信系统 RNC：无线网络控制器 G/MSC：网关/移动交换中心 MGW：媒体网关 SGSN：服务GPRS支撑节点； GGSN：网关GPRS支撑节点 Third-Generation Mobile Phone Networks (3) Mobile phone handover (a) before, (b) after. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David

54、 Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 Wireless LANs: 802.11 (1) Wireless network with an access point. Ad hoc network. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 Wireless LANs: 802.11 (2) Multipath fading Computer Netwo

55、rks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 Wireless LANs: 802.11 (3) The range of a single radio may not cover the entire system. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 RFID and Sensor Networks (1) RFID used to network everyday objects. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011 RFID and Sensor Ne