第一章计算机网络技术的历史和新进展课件

1、第一章计算机网络技术的历史和新进展第一章计算机网络技术的历史和新进展计算机网络向用户提供的最重要的功能 连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。 计算机网络向用户提供的最重要的功能 连通性计算机网络使关于计算机网络的三个命题高速计算机网络是信息社会的神经和血管体系结构：网络的骨架和神经协议：网络的心脏和血液关于计算机网络的三个命题高速计算机网络是信息社会的神经和血管主要内容网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾主要内容网络概述什么是网络 从端系统的角度看网络

2、提供的服务: 信息传递信鸽、烽火、信使 、卡车、电报、电话、Internet类比运输服务：物体的传递马、火车、卡车和飞机不同的网络以什么为区分所提供的服务服务以什么为区分延迟、带宽、丢失率、端节点数目、服务接口、可靠性, 单播/多播，实时，消息/字节流什么是网络 从端系统的角度看网络提供的服务: 信息传什么是网络 从网络核心的角度看电子、光子等作为传输介质链路：光纤、电缆和卫星交换节点：机械/电/光协议: TCP/IP, ATM, MPLS, SONET, Ethernet, PPP, X.25, FrameRelay, AppleTalk, IPX, SNA功能: 路由，差错控制、拥塞控制、

3、服务质量(QoS)应用：FTP、HTTP、X windows什么是网络 从网络核心的角度看电子、光子等作为传输介网络类型空间距离局域网 (LAN): 以太网、令牌环、FDDI城域网 (MAN): DQDB, SMDS广域网 (WAN): X.25, ATM, frame relay信息类型数据网络 vs. 通信网络应用类型专用网络：飞机订票网，银行网，信用卡网，电话网通用网络：Internet网络类型空间距离网络类型使用权私有：企业网公用：电话网、Internet协议的所有权私有: SNA开放: IP技术地面 vs. 卫星有线 vs. 无线协议IP, AppleTalk, SNA网络类型使用权

4、计算机网络发展历史计算机网络的形成多终端系统1970年代的计算机网络X.25 分组交换网：各国的电信部门建设运行各种专用的网络体系结构：SNA，DNAInternet 的前身ARPANET进行实验运行1980年代的计算机网络标准化计算机网络体系结构：OSI局域网络 LAN 技术空前发展建成NSFNET，Internet 初具规模计算机网络发展历史计算机网络的形成计算机网络发展历史1990年代的计算机网络Internet空前发展Web技术在Internet/Intranet 得到广泛应用2000年代的计算机网络IPv6网络快速发展移动技术发展迅速下一代互联网研究受到普遍重视计算机网络发展历史19

5、90年代的计算机网络Internet发展历史1969年，ARPANET产生1970年代，作为研究项目，带宽56kbps，连接计算机不超过100台。1979年，TCP/IP成熟198083，APPANet和MILNET分开， ARPANET采用TCP/IP协议1983年，BSD UNIX内含TCP/IP198586，NSF开始建设NSFNET，作为骨干网连接6个超级计算机中心，带宽1.544Mbps，连接10,000台计算机Internet发展历史1969年，ARPANET产生Internet发展历史198790，连接地区网络，NSI，ESNET，DARTnet，TWBNet，计算机数量超过10

6、万台199092，NSFNET发展到45兆带宽，连接16个地区网络1994年，NSF骨干网解体，出现多个商用骨干网今天：Internet骨干网的速率达到2.5/10Gbps，连接150多个国家的上千万台计算机2019.1，全球主要学术网宣布开通IPv6服务Internet发展历史198790，连接地区网络，NSI中国计算机网络的发展历史1970年代末开始1980年代局域网OSI网络体系结构低速广域网（电话线）1990年代局域网Novell, TCP/IPX.25广域网及其应用国民经济信息化高潮的到来，“金”字工程互联网Internet在中国开始大规模发展 2000推动以IPv6为基础的下一代互

7、联网中国计算机网络的发展历史1970年代末开始Internet在中国的发展1988年，中国第一个电子邮件发到Internet1990 1993，通过 X.25与国际连网，Tunet1994年，中科院高能所，64K，日本2019年，CERNET, 128K, Sprint；Chinanet, 64K + 64K, Sprint2019年，ChinaGBN,64K, Sprint2019.12，用户74万2019.12，用户达到200万2019.6，用户达到6800万2019.6，用户达到10300万Internet在中国的发展1988年，中国第一个电子邮件发Internet在中国的发展(2009

8、)2009年底，中国网民人数达到3.84亿，比2019年增长了618倍，年均增长3，195万人，互联网普及率达到28.9%，超过世界平均水平。中国境内网站达323万个，比2019年增长了2，152倍。中国拥有IPv4地址约2.3亿个，已成为世界第二大IPv4地址拥有国。中国使用宽带上网的网民达到3.46亿人，使用手机上网的网民达到2.33亿人。 Internet在中国的发展(2009)2009年底，中国网2019年中国手机用户概况2019.5用户总数已达9亿2019年3.03亿用户使用手机上网，较2009年增加了2.3亿。2019年新增3G用户数3.47亿，2019年第1季度新增3G用户数1.

9、35亿2019年购买智能手机6200万部，预计2019年购买智能手机9500万部 2019年中国手机用户概况2019.5用户总数已达9亿主要内容网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾主要内容网络概述Internet全球范围、通用、异构的公用计算机网络Internet协议开放的标准: Internet Engineering Task Force (IETF) 负责标准的制订维护和协调是其他类型网络的技术基础企业内部网（Intranet） 由研究机构开发 Internet全球范围、通用、异构的公用计算机网络Internet的增长Internet上的主机数:Aug. 19

10、81 213Oct. 1984 1,024Dec. 1987 28,174 Oct. 1990 313,000 Oct. 1993 2,056,000Apr. 2019 5,706,000Jul. 2019 19,540,000Jul. 2000 93,047,785Internet的增长Internet上的主机数:最近的增长 (1991-2000)最近的增长 (1991-2000)Internet 发展规模和趋势Internet的发展速度是历史上发展最快的一种技术以商业化后达到 5000 万用户为例电视用了13年，收音机用了38年，电话更长Internet 从商业化后达到 5000 万用户用

11、了4 年时间Internet 正在以超过摩尔定理的速度发展Internet 发展规模和趋势Internet的发展速度网络时代的三大基本定律摩尔定律:CPU性能18个月翻番,10年100倍。所有电子系统（包括电子通信系统，计算机）都适用光纤定律：超摩尔定律，骨干网带宽9个月翻番，10年10000倍。带宽需求呈超高速增长的趋势迈特卡尔夫定律:联网定律，网络价值随用户数平方成正比。未联网设备增加N倍，效率增加N倍。联网设备增加N倍，效率增加N2倍网络时代的三大基本定律摩尔定律:光纤定律：迈特卡尔夫定律:联网络带宽与CPU性能网络带宽与CPU性能光纤容量光纤容量高水平大容量光纤传输试验系统容量光纤长度

12、特点研制单位3Tb/s 40km 用 T-EDFANTT(160Gb/s X 19 CH OTDM/WDM) (DSF-0=1535nm)用DSF光纤(NZDSF)PD1-11.02Tb/s1000km0.4b/s/Hz，用 SMF光纤CNET(20Gb/s x 51 CH WDM)(SMF 环测)101km放大器间距PD4-11Tb/s342km用True Wave光纤 Lucent(40Gb/s x 25 CH)(True Wave 光纤)85 km放大器间距PD7-1750Gb/s2000km采用 C波段和 L波段Tyco(5.3Gb/s x 50 CH,10Gb/s x 8CH) (纯

13、Si光纤+NZDSF环测) 纯Si光纤PD16-1640Gb/s7200km0.33b/s/HzTyco(10Gb/s x 64 CH)(NZDSF 环测)PD2-1490Gb/s335.2KM 采用拉曼放大+EDFA混合Lucent(10Gb/s x 49 CH)(ZDSF 环测 ) 0色散光纤(67km)+NZDSF(17km)PD8-1340Gb/s6380km实线试验Alcatel(10Gb/s x 34 CH WDM)(NZDSF)50GHz SpacingPD18-1 80Gb/s172kmSolitonChalmer(10Gb/s x 8 CH OTDM)(DSF 0=1547n

14、m)已敷设的光纤PD6-1高水平大容量光纤传输试验系统容量光纤长度特点数据流量超过话音0201920192019201920002019201920406080100120140160180RelativeCapacity(%)VoiceDataSource: MCI (Vint Cerf)International data traffic already exceeds international voice from Australia and Scandinavia.数据流量超过话音0201920192019201920002数据中绝大部分是IP数据200020192019All Ot

15、herIPXTCP/IPTraffic RatiosSource: Gartner 2019100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%数据中绝大部分是IP数据200020192019All OtInternet上的信息趋于交互Relative UserPopulationMultimediaDynamic WWWStatic WWWFTP and TelnetE-Mail and NewsOther8%17%39%27%7%2%13%18%23%23%16%7%14%17%12%15%28%14%To Transactional Pages (Red) andAudio

16、/Video Content (Purple)100%80%60%40%20%0%200020192019Source: The Yankee Group, 2019Internet上的信息趋于交互Relative UserM应用促进网络发展Simple Video, MultimediaBrowsing, PCM VoiceIP, PCS, E-Mail, File TransferPagingVideo Conferencing, MPEG1 NTSC VideoTelnet, VoIPISDN, Frame RelayATM/POST3/E3T1/E1New ModemWireless

17、WANOld Modem.004.0192.0288.1281.53155Mb/sMinimum Bandwidth for Application per UserVirtual Reality, Medical Imaging应用促进网络发展Simple Video, MultimedData/Voice/Video 三网融合InternetData/Voice/Video 三网融合Internet高速信息网络的发展方向： 通信与计算聚合通信和计算技术的聚合改变了各自的原有特征高速信息网络体系结构的发展趋势分层结构；分布控制、管理和安全机制分层结构应用（Application）服务（Ser

18、vice）基础设施（Infrastructure）高速信息网络的发展方向： 通信与计算聚合通信和计算技下一代互联网的技术体系结构(1)下一代互联网的技术体系结构(1)下一代互联网的技术体系结构(2)下一代互联网的技术体系结构(2)协议层次扁平化ATMSDH/SONETIPOpticalB-ISDNIP over ATMIP over SDH/SONETIP over OpticalLong-Term WinnersIPATMOpticalIPSDH/SONETOpticalIPOpticalMultiplexing, Protection, and Management at Every La

19、yer.Eliminating Layers Lowers Costs.协议层次扁平化ATMSDH/SONETIPOpticalB-Internet标准化组织Internet Engineering Task Force（IETF）：IETF负责Internet协议的研发和改进。IETF被分为很多个工作组（working groups），他们提交的文档称为RFC（Request For Comments）。IRTF（Internet Research Task Force）：IRTF由一些专注于某个领域长期发展的研究小组组成。Internet Architecture Board（IAB）：I

20、AB负责定义Internet的整体框架，为IETF提供大方向上的指导。The Internet Engineering Steering Group（IESG）：IESG在技术方面管理IETF的活动，负责Internet标准的制定过程。Internet标准化组织Internet EngineerInternet标准的制定过程所有的标准以RFC的形式发布出来，可以从免费获得。但不是所有的RFC都是Internet标准。标准形成的一般步骤是：Internet DraftsRFCsProposed StandardDraft Standard（需要两个可以工作的实现）Internet Standar

21、d（由IAB发布）David Clark, MIT, 1992: We reject: kings, presidents, and voting. We believe in: rough consensus and running code.”Internet标准的制定过程所有的标准以RFC的形式发布出Internet提供的服务计算资源的共享访问：telnet（1970s）数据和文件的共享访问：FTP，NFS（1980s）人们互相通讯的媒介：email(1980s),网上聊天室,即时消息（1990s）语音和视频（1990s）取代电话？信息分发的媒介USENET（1980s）WWW(1990

22、s)取代报纸、杂志？语音和视频（1990s）取代电视、CD、电影？Internet提供的服务计算资源的共享访问：telnet（与网络有关的工业界电话公司拥有传输线路和接入线路，大量的客户有线电视公司拥有接入线路无线/卫星公司通讯线路电力、铁路公司有能力铺设线路与网络有关的工业界电话公司与网络有关的工业界媒体公司可以提供内容ISP，Internet服务提供商设备制造商交换机/路由器，芯片，光纤，计算机软件公司与网络有关的工业界媒体公司Internet 物理结构BackboneISPISPResidential AccessModemDSLCable modemSatelliteLANEnterp

23、rise/ISP access, Backbone transmissionT1/T3, DS-1 DS-3OC-3, OC-12ATM vs. SONET, vs. WDM Campus networkEthernet, ATMInternet 物理结构BackboneISPISPRes长距离传输链路Types of linksT1/DS1: 1.544 MbpsT3/DS3: 44.736 MbpsSTS-1/OC-1: 51.850 MbpsSTS-3/OC-3: 155.2 MbpsSTS-12/OC-12: 622.080 MbpsSTS-48/OC-48: 2.488 GbpsST

24、S-192/OC-192: 9.953 GbpsHigher levels of services offered commerciallyFrame RelayATMPossibilitiesIP over SDH/SONET IP over ATMIP over Frame RelayIP over WDM长距离传输链路Types of linksPossibiliInternet的主要技术特点分层的分布式结构无连接的分组交换技术网络互连协议IP（IP over everything）路由器加专线技术可扩展的路由技术端到端的网络连接技术层次结构的域名、网络管理技术通用的应用技术Intern

25、et的主要技术特点分层的分布式结构Internet 的成功经验有远见的政府不断支持：1969有风险的企业参与和投入：NFS：MCI、IBMvBNS：MCI；Abilene: Qwest，CISCO联合协作的开放式研究：IETF/RFC教育和科研的示范网络为起点具有实验物理学的研究特点ARPAnet、NSF、ANS、vBNS简单实用的技术路线：TCP/IPInternet 的成功经验有远见的政府不断支持：1969Research andDevelopmentCommercializationPartnershipsPrivatizationNSFNETInternet2, Abilene, vB

26、NSAdvanced US Govt NetworksARPAnetgigabittestbedsActiveNetswirelessWDMSprintLinkInternetMCIUS GovtNetworksANSInteroperableHigh PerformanceResearch &EducationNetworks21st CenturyNetworkingQuality of Service(QoS)Research andDevelopmentCommerc主要内容网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾主要内容网络概述Paul Baran在分布式通信

27、方面的贡献时间: 1960 - 1964目标:建造一套健壮的通信系统可以承受核攻击结果: 分组交换网络DST Distce Nxt-HDestination addressdataPaul Baran在分布式通信方面的贡献时间: 1960 Baran的设计细节自适应系统: 热土豆路由策略如果不知道正确的路由，就把报文转发给所有的邻居节点通过观察路过的报文更新路由表，旧的路由表项会过期而被删除尽可能快的转发报文不需要每次都沿着最短路径转发学习并适应变化的环境Baran的设计细节自适应系统: 热土豆路由策略Baran的设计细节报文发送每个交换节点根据自己的路由表判断如何转发报文每个报文的转发都是独

28、立于其他报文的交换节点不保存端节点的状态可扩展性好不是最有效的网络发送不是完美的端节点必须能容忍发送错误并从中恢复 Baran的设计细节报文发送Baran的设计细节分布式系统所有交换节点是平等的避免了单一节点失效问题部件可以失效，但系统不可以系统的健壮性来自于足够的物理（硬件）冗余适应性路由模拟实验表明： “extremely survivable networks can be built using a moderately low redundancy of connectivity level”Paul Baran, 1964Baran的设计细节分布式系统鲜为人知的故事.当时很多电信界

29、的人认为Baran的设计是完全荒谬的。“they kicked, screamed, grumbled, and worse. Their response tended to be emotional, often with anger, rarely with humor”“outsiders could not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network”鲜为人知的故事.当时两种实现可靠系统的思路电话系统 笨终端，聪明的网络 确保每个网络部件都是可靠的 系统可靠性部件可靠性

30、通过局部冗余实现部件的高可靠性 期望每个部件都能正常工作，部件失败的可能性很低 需要人工配置的，高度控制的网络 Baran的系统 建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统 自适应的系统 聪明的终端，可以修正传输错误 两种实现可靠系统的思路电话系统 Baran设计思想的一种实现:the Internet连接异构的子网，提供两种基本功能 全球唯一的地址 报文通过动态路由从源节点发送到目的节点 特性: simple, flexible, scalable, and robustIPs view of the worldIPAll kinds of subnet technologiesall kinds

31、 of applicationsall kinds of transport protocolsBaran设计思想的一种实现:the Internet连接异分组交换的特点：简单性每个报文携带各自的地址信息 一个路由表可以为所有的流量服务 可以适应爆炸性的增长 越简单越不容易出错 越简单越容易增长 对基本网络功能的要求少，可以在其上建立多种类型的网络 分组交换的特点：简单性每个报文携带各自的地址信息 分组交换的特点：灵活性可以在各种底层物理网络上运行 Ethernet,FDDI, Frame Relay, ATM, SONET, DWDM 可以支持各种类型应用 telnet, ftp, email, 多媒体, web, 电子商务What will the future bring? The best bet would be to stay flexible分组交换的特点：灵活性可以在各种底层物理网络上运行 分组交换的特点：可扩展性可扩展的系统必须能对付端系统的增加 流量的增加 网络规模的增长 大的路由表 路由频繁的变化 With IP, “the network knows nothing about i