ch1：计算机网络概论

计算机网络张翠肖zhangcx@信息学院网络工程与技术系

2014年春1第1章计算机网络概论2学习提示目的总体把握网络的分层体系结构，理解重要概念、术语、性能测度，理解导致因特网成功的关键结构特征，奠定后继学习基础重要知识点因特网“2/3/2”特点因特网结构与端到端原则网络协议学习方法总体把握，理解概念3分层服务模型TCP/IP沙漏模型分组交换网性能指标3第1章内容提要1.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结44网络无所不在：网空灿烂，万千气象5家庭网络园区网移动网络国际ISP区域ISP51-6因特网应用:丰富多彩，创造无限后PC时代，嵌入式端系统遍及人类社会生活的方方面面！计算机=主机(host)=端系统(endsystem)世界最大的Web服务器http://www-/~shri/iPic.htmlIP像框http:///Web使能的烤面包机+天气预报因特网电话因特网冰箱6计算机网络应用实例军事方面将正确的信息在正确的时间以正确的形式传递到正确的接收者手中，将“谋求信息优势”转化为“谋求决策优势”学习方面知道如何在网络上找到其相关细节医疗方面对搜索关键词“流感”计算，定位流感病毒肆虐地区电子商务13小时促销某购物网站销售额高达192亿77几种传统的说法网络：将单一功能的终端连接到大型计算机所用线路的集合。与“电话网”类似有线电视网计算机网络：将各种计算机（PC、便携机、工作站、服务器）通过通信线路和网络设备互联起来。非传统计算机：智能手机、PAD、电视、汽车、传感设备等。传统和非传统的计算机统称为主机或端系统。什么是计算机网络？8什么是计算机网络？计算机网络(computernetwork)定义由通信信道连接的主机和网络设备的集合，以方便用户共享资源和相互通信现代社会不可或缺的基础设施对人类的生活方式及政治、军事、经济、文化都产生了重大影响主要特征通用性，不对特定应用优化能支持广泛、不断出现的新型应用99计算机网络用途共享信息具有访问在共享存储设备上的数据和信息的能力协同计算组织许多计算机共同完成特定的计算任务方便通信人之间的信息沟通（电子邮件、即时消息、聊天室、电话、视频）共享硬件访问和使用网络上的特定硬件1010网络组成网络实体可抽象为2种基本构件：结点(node)(亦称节点)：计算设备链路(link)：物理媒体1111构建网络的三种方式:直接连接直接连接的网络由某种物理媒体直接相连所有主机组成直接连接的网络的分类物理链路与一对结点相连：点到点链路(point-to-pointlink)多结点共享同一物理链路：多路访问链路(multipleaccess)1212适合于数量有限的本地端系统联网构建网络的三种方式:直接连接13每个端系统都通过一条或多条通信链路与连接设备相连。交换结点：这些连接设备能够将一条链路收到的数据转发到另一条链路上。构建网络的三种方式:网络云14构建网络的三种方式:网络云网络云交换结点(switchingnode)形成了交换网，交换网可视为一朵网络云网络云抽象将网络云内部结点和网络云外部结点分开15网络云表示任何类型的网络一朵网络云中通常使用同一种技术的设备。通常采用分组交换技术主机间接连通的第一种方法15在交换网中，传递数据有两种基本方法：电路交换分组交换两种传递数据的方法16两种传递数据的方法电路交换(circuitswitching)主要用于电话网，在发送方和接收方之间通过多台交换机建立一条连接(电路circuit)分组交换(packetswitching)主要用于计算机网络分组(packets)长报文(message)划分为等长的短段，并为每个段加上首部计算机网络：原理与实践1717构建网络的三种方式:网络云互联网络云互联递归地连接网络云形成更大规模的网络，有很好的扩展性由网络云构建成网络称为互联网，或网络的网络这些网络云可以采用不同的网络技术18当前使用TCP/IP的国际互联网写成Internet即因特网技术术语internet即互联网连接两个或多个网络云的结点称路由器主机间接连通的第二种方法18网络服务网络服务是向用户所提供的有用网络功能，由运行在网络中不同主机上的网络应用程序相互协作提供网络为分布于主机中的应用程序进程提供了通信基础设施应用程序运行在端系统上，而不运行在交换机和路由器上因特网成功的因素：

在网络边缘用软件实现网络应用功能，方便地增加

新的网络应用功能，对路由器是透明的。1919一种是系统与通信网连接的硬件接口，用以开发与各种不同通信网连接的网络适配器的驱动程序或从网络适配器中俘获分组。一种是操作系统与应用程序的接口，称为基于TCP/IP的应用程序编程接口。主机操作系统提供的两种API20主机操作系统提供的两种API21应用程序编程接口(ApplicationProgrammingInterface,API)21因特网的2/3/2特点

2类构件/3种建网方法/2种编程接口22第1章：内容提要1.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结2323因特网组成网络边缘(edge):

应用与主机网络核心(core):

路由器(网络的网络)接入网(accessnetwork)：连接两者的通信链路计算机网络：原理与实践2424因特网结构特点“端到端原则(end-to-endarguments)”边缘智能，核心简单将复杂的网络处理功能(如差错控制、流量控制功能、安全保障和应用等网络智能)置于网络边缘将相对简单的分组交付功能(如分组的选路和转发功能)置于网络核心位于网络边缘的端系统的强大计算能力，用软件方式处理大量复杂的控制和应用逻辑，位于网络核心的路由器尽可能简单，以高速地转发分组2525这样：

一方面发展因特网核心的高速通信另一方面在端系统中开发各种新型网络应用因特网结构特点26端系统：与因特网相连的计算机。包括桌面计算机、服务器和移动计算机。运行应用程序处于因特网的边缘端系统划分为：客户机服务器因特网边缘27因特网边缘处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)。“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”28因特网边缘应用程序体系结构分为：客户(client)/服务器(server)模式：客户主机请求，从总是打开的服务器接收服务例如Web浏览器/服务器；电子邮件客户/服务器对等(peer-to-peer,P2P)模式:最小限度(或不)使用专用服务器2929两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式301.客户/服务器方式客户(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。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。31运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务②得到服务客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。32客户软件的特点向服务器发出请求，接收服务器的响应可以间歇的与服务器连接具有动态的IP地址和随机的端口号客户机之间彼此不直接通信33服务器软件的特点运行服务器程序的主机总是在运行。具有永久的IP地址和固定的端口号对客户机程序的请求进行响应，提供所需的服务。34从硬件的角度来理解客户机通常指一些适合家庭和办公环境使用的笔记本或台式机。服务器是指一些有别于普通用户使用的PC的特殊计算机，这些计算机在网络中用来提供各种网络服务。C/S35从软件角度来理解客户机（Client）通常指一些安装了享受网络服务软件的计算机。问题：我的计算机上同时安装有电子邮件软件和IE浏览器，那么可不可以说我的计算机同时是Web客户机和E-mail客户机呢？答案：确实可以。服务器（Server）通常指一些安装了提供网络服务软件的计算机。问题：一台普通的PC可不可以安装像IIS这样的软件来提供网络服务呢？答案：当然可以，前提是只要你的PC能够为你的网络提供服务，而且服务的质量还能让用户满意。C/S362.对等连接（P2P）方式对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。37对等连接方式的特点所有的端系统都具有相同的功能（对等方peer），之间的通信不必通过专门的服务器。对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例如主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。38网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序39目前大多数流量密集型应用都具有P2P结构。如：BT，IPTV，因特网电话等。40接入网(accessnetwork)接入网：将端系统连接到其边缘路由器(edgerouter)的物理链路及设备的集合。接入链路的类型：住宅接入：拨号；数字用户线；混合光纤同轴电缆；光纤无线接入：WiFi；3G等局域网接入:光纤和以太网接入4141接入网(accessnetwork)42由许多路由器形成网状网核心向边缘的端系统提供通信服务路由器的任务：转发分组端系统通常经过某个接入因特网服务提供商（InternetServiceProvider,ISP）与因特网连接（有线连接或者无线连接）。接入网络也必须互联起来。因特网是“网络的网络”因特网核心：网络的网络43多层次ISP结构的因特网。出现了因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)。因特网核心：网络的网络44用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过ISP上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。45一级ISP一级ISP第一层

ISP大公司本地

ISP大公司大公司公司本地

ISP本地

ISP校园网校园网校园网校园网第二层

ISP第二层

ISPNAPNAPAB主机A→本地ISP→第二层ISP→NAP→第一层ISP→NAP→第二层ISP→本地ISP→主机B第一层

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第一层

ISP第一层第二层第三层本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP4647因特网核心：网络的网络由许多路由器形成的网状网，大致为等级制在中心:“第一层”ISP(如UUNet,BBN/Genuity,Sprint,AT&T),覆盖国家/国际互相视为对等第一层ISP第一层ISP第一层ISP第一层提供商专门互联对等方NAP第一层提供商专门也互联公共网络接入点(NAP)特点：与其他第一层ISP互联覆盖国际区域与大量区域ISP互联4748因特网核心：网络的网络“第二层”

ISP:较小的(常为区域的)ISP(如中国电信、中国网通、中国移动)与一个或更多的第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连大公司和内容提供商(如谷歌)直接与区域ISP甚至第一层ISP相连第一层ISP第一层ISP第一层ISPNAP第二层ISP第二层ISP第二层ISP第二层ISP第二层ISP第二层ISP为向与因特网连接而向第一层ISP付费

第二层ISP是第一层提供商的客户各第二层ISP在NAP互联，彼此也是专门成为对等方4849因特网核心：网络的网络“第三层”ISP和本地ISP最后一跳(“接入”)网络(最靠近端系统)第一层ISP第一层ISP第一层ISPNAP第二层ISP第二层ISP第二层ISP第二层ISP第二层ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP第三层ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地和第三层ISP是较高层ISP的客户，这些较高层ISP将它们连接到因特网其他部分49网络核心:少量的良好互联的大型网络内容提供商(如Google):将其数据中心与因特网连接，常绕过第一层ISP、区域ISPIXP:因特网交换点，第三方公司提供1-50接入ISP接入ISP接入ISP接入ISP接入ISP接入ISP接入ISP接入ISP区域ISP区域ISPIXPIXP第一层ISP第一层ISPGoogleIXP因特网核心：网络的网络50分组通过因特网核心5151综上：因特网由十多个第一层ISP和数万个低层ISP组成的。各个ISP覆盖区域不同较低层的ISP与较高层的相连；较高层ISP彼此互联，形成复杂的网状结构因特网核心：网络的网络52知识回顾（2）计算机网络的定义计算机网络的组成因特网结构（2/3/2)特点53第1章：内容提要541.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结5455什么是协议?人类协议vs.计算机网络协议:问题:

其他人类协议?HiHi请问几点了?2:00时间TCP连接请求

TCP连接响应Get/kurose-ross<文件>55网络协议为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议(networkprotocol)约会看电影的例子网络协议3要素：语法(syntax)

：数据与控制信息的结构或格式语义(semantics)：发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应定时(timing)：事件实现顺序的详细说明网络协议不是万能的：红蓝军问题5656著名的协议举例-红蓝军问题

占据东、西两个山顶的红军1和红军2与驻扎在山谷的蓝军作战。其力量对比是：单独的红军1或红军2打不过蓝军，但红军1和红军2协同作战则可战胜蓝军。现红军1拟于次日正午向蓝军发起攻击。于是用计算机发送电文给红军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100%而不是99.999…%）取得胜利？57明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！5859协议“分层”网络是复杂的！有许多“组件”主机路由器各种媒体的链路应用协议硬件，软件问题:

是否存在某种组织网络结构的方式，使之协调工作？59网络中采用“分而治之”的方法对付复杂系统最为有效的方法：“分而治之”例子：秦始皇统一中国后(BC221)的治理办法网络中如何“分而治之”：找出相对独立的重要功能梳理功能间关系，使一个功能为另一功能提供服务相近功能仅在一个层次中实现，并尽可能位于较高层次6060实例：一个广州公司的A总裁要与乌鲁木齐B总裁签署一份紧急商务合同。（P17）关键过程垂直通信封装水平通信复杂系统的例子61复杂系统的例子两名大公司总裁签署合同过程：62层次:每一层实现一种服务经其层内功能依赖下层提供的服务6263为何要分层?处理复杂系统：简化系统设计明确结构能够标识复杂系统构件间的关系模块化易于维护、系统的更新改变各层服务实现对系统其他部分透明如运邮件由飞机变为高速铁路不影响系统其他部分分层的负面影响信息冗余，降低性能层次难以确定协议首部越来越大63引入网络分层方法网络应用与通信技术密不可分，难发展引入多个中间抽象层次，网络呈模块化设计好处：接口灵活，隐藏技术细节，易于扩展新功能，各层独立发展缺点：可能降低系统性能，分布式操作复杂网络分层方法要点：网络功能模块化，去除不同网络应用之间以及网络应用与网络技术之间的紧密耦合用端到端原则决定网络关键功能应当在哪些模块中实现一个分层的体系结构允许通过定义良好的接口，将大而复杂的系统划分为不同层次64网络体系结构：

计算机网络的各层及相应协议的集合称为网络的体系结构。或计算机网络的体系结构就是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。网络的体系结构是抽象的；特定网络是具体的65报文在各层之间的传递协议栈对等层66垂直通信水平通信66主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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

PDU67主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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68主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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）69主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2IP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70主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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7172主机

1

向主机

2

发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体主机

1AP2AP1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

272主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层73主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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74主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层75主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层76主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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77主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！78主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流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79主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101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80H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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81H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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82H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层83应用程序数据H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1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84主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！85水平协议和垂直服务向上一层提供服务(service)协议是“水平的”，服务是“垂直的”向上的服务利用了下层的功能8686因特网(TCP/IP)的体系结构应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络

2网络

1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。87几种体系结构的比较8888TCP/IP体系结构特点协议栈呈“沙漏”形状IP是“细腰”细腰部代表最小、精选的通用功能集使高层应用和低层通信网技术独立发展因特网设计实现时，为提高效率并未严格分层8989沙漏计时器形状的

TCP/IP协议族HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP

可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP

可应用到各式各样的网络上9091报文段数据报帧源应用层运输层层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM目的地应用层运输层层网络层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtMM网络层链路层物理层链路层物理层HtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnHlM路由器交换机报文流经端系统、路由器和链路层交换机的层次91端到端原则

DavidD.Clark著名的“端到端原则”决定网络某个特定功能应当放在哪个层次模块中为好如路由选择、数据可靠传输等边缘智能，核心简单端系统处理能力日益增强，用软件来增强网络协议的处理能力，性价比不断提高降低网络的复杂性，等价于提升网络的传输速率，也等价于增强网络适应新兴应用的灵活性9292两种文件可靠传输方案比较方案一保证文件在每两个结点之间都能可靠传输，从而最终到达接收方方案二只进行发送方到接收方的端到端检查，如果有必要则再重传该文件方案一不够全面结点存储出错、缓存不足等方案二则更完善和简单无需链路层、网络层和运输层分别提供，使传输更为快速93端到端原则：如果在较高层能够完善地实现某种功能，就无需再由较低层提供这种功能93因特网标准化工作分类：专用的、开放的和事实上的因特网标准是开放、免费的请求评论(RequestForComments，RFC)因特网工程任务组(InternetEngineeringTaskForce,IETF)因特网研究任务组(InternetResearchTaskForce,IRTF)电气及电子工程师协会(IEEE)802工程9494第1章：内容提要951.1计算机网络定义1.2因特网的结构1.3协议分层与服务模型1.4分组交换网的性能指标1.5计算机网络简史1.6小结95分组交换网的性能指标时延丢包率带宽和吞吐量时延与带宽乘积9697时延和丢包是怎样产生的？分组在路由器缓存中排队

分组到达链路的速率超过输出链路能力将导致分组排队分组在缓存中排队等待交换，排队过多则丢包AB将传输的分组(时延)分组排队

(时延)空闲缓存：如果缓存无空闲，则到达分组丢失(丢包)97四种时延：位置和原因1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点

A中产生处理时延和排队时延数据链路检查比特差错决定输出链路等待输出链路传输的时间取决于路由器拥塞的等级R=链路带宽(bps)L=分组长度(比特)发送比特进入链路的时间=L/Rd=物理链路的长度s=在介质中传播的速度(~2x108m/sec)传播时延=d/s9899排队R=链路带宽(bps)L=分组长度(比特)a=平均分组到达速率流量强度=La/RLa/R~0:平均排队时延小La/R1:时延急剧变大La/R>1:更多“工作”到达，超出了服务能力，平均时延无穷大！平均排队时延

99100结点时延dproc=处理时延通常几个微秒或更少dqueue=排队时延取决于拥塞dtrans=传输时延=L/R,对低速链路很大dprop=传播时延几微秒到几百毫秒100计算时延的例子50MB数据块通过1

Mbps信道传输传输时延50×220×8/106=419.45

s(近7分钟)用光纤传送到1000

km远，传播时延=5ms传输时延占主导若采用100Gbps高速信道

传输时延50×220×8/1011=4.1945

ms传输时延和传播时延相当(两者占主导)若传播距离减小到1km传输时延则占主导101在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析101丢包率(rateofpacketlost)定义：

在一定的时段内在两结点间传输过程丢失分组数量与总的分组发送数量的比率无拥塞时为0%，轻度拥塞为1～4%，严重拥塞为5～15%丢包率高的网络无法使网络应用正常工作IP网丢包主要原因路由器无法容纳到达的分组，只能丢弃(drop)到达的分组丢包率指标非常重要102102带宽和吞吐量网络带宽(bandwidth)链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值吞吐量(throughput)网络在单位时间内无差错地传输数据的能力瓶颈链路路径中可用带宽最小的链路)可用带宽带宽与干扰流量之差103103跳与路径路径可以定义为形式为<h0，l1，h1，...，ln，hn>的序列，是单向的每个hi是一个结点每个

li

是一条hi-1到hi之间的链路对于端到端路径而言，h0和hn是端系统，而h1…hn-1

是路由器。每个<li，hi>二元组被称为一“跳”104104时延与带宽乘积物理意义应用进程之间的信道看作中空的管道，时延相当于管道的长度，带宽相当于管道的直径，则时延与带宽乘积就是管道的容积，即管道能够容纳的比特数应用场合发送方协议在没有填