第1章计算机网络和因特网

TCP/IP协议分析与编程陈亦萍课程大纲第一章计算机网络和因特网第二章应用层第三章运输层第四章网络层第五章链路层第六章无线网络和移动网络课程大纲第一章计算机网络和因特网第二章应用层第三章运输层第四章网络层第五章链路层第六章无线网络和移动网络要求先修课程要求：《计算机网络》，《C/C++程序设计》等课堂要求：上课保持安静、关闭通信及其他有声设备。期末考核课堂成绩(出勤和提问）10%作业10%随堂小测10%期末考试70%第1章计算机网络和因特网1.1什么是因特网1.2网络边缘1.3网络核心1.4分组交换网络中的时延和分组丢失1.5协议层次与服务模型1.8小结1.1什么是因特网因特网的组件说明移动网络全球ISP区域ISP家庭网络公司网络有线链路基站路由器智能手机PC服务器笔记本端系统=主机：传统设备：桌面PC、工作站、服务器等非传统设备：手机、TV、移动计算机、汽车等。主要功能：运行网络应用程序，进行数据处理、为用户提供服务。1.1.1具体构成描述因特网移动网络全球ISP区域ISP家庭网络公司网络通信子网通信链路：把端系统连接到一起的物理线路。同轴电缆、双绞线、光纤和无线电等。通信设备：连接端系统的中间交换设备，接收、转发分组。路由器、链路层交换机路径：一个分组从发送端系统传输到接收端系统，所经过的一系列通信链路和路由器。1.1.1具体构成描述因特网移动网络全球ISP区域ISP家庭网络公司网络协议：保证数据通信，控制网络中信息接收和发送。每个端系统、路由器和其他因特网部件都要运行。因特网协议：TCP/IP协议因特网标准称为RFC文档因特网工程任务组IETF研发1.1.1具体构成描述因特网移动网络全球ISP区域ISP家庭网络公司网络1.1.1具体构成描述因特网计算机网络是用通信设备和链路将分散在不同地点的有独立功能的端系统互相连接起来，并按照网络协议进行数据通信，实现资源共享。移动网络全球ISP区域ISP家庭网络公司网络1.1.2因特网的服务描述

分布式应用程序（APP）：运行在不同的端系统上，通过彼此通信实现各种因特网上的应用。因特网：为网络应用程序提供服务的基础设施。面向连接的可靠服务无连接的不可靠的服务1.1.2因特网的服务描述应用程序编程接口API：规定了运行在端系统上的软件请求因特网基础设施向运行在另外一个端系统上的特定目的软件交付数据的方式。人类任何时候都在执行协议。例：问时间。你好你好请问几点了?2:00时间1.1.3什么是协议

正常情况

“不要烦我”“我不会说英语”得不到任何回答

“HELLO”

不正常情况

人类任何时候都在执行协议。例：问时间。你好你好请问几点了?2:00时间1.1.3什么是协议

正常情况

协议过程：…发送“特定”报文…根据收到的“应答”报文或其他事件采取动作协议的核心：报文的传输、接收及所采取的动作。双方执行不同的协议，就不能互动，不能完成工作

1.1.3什么是协议TCP连接请求

TCP连接响应Get/kurose-ross<文件>时间握手报文

数据报文

因特网的运行离不开协议。因特网中的所有活动，都受协议制约。例如，网卡中的协议、端系统中的拥塞控制协议等等。例如：用户通过因特网访问某一个网页(http协议）。

1.1.3什么是协议协议：定义了在两个或多个网络实体之间交换的报文格式和次序，以及报文发送或接收一条报文或是其他事件所采取的动作。不同的协议完成不同的通信任务。TCP连接请求

TCP连接响应<文件>时间1.2网络边缘网络结构包含：网络边缘（资源子网）端系统（客户和服务器）接入网网络核心（通信子网）

路由器链路网络边缘网络核心1.2.2接入网接入网：将端系统连接到其边缘路由器的物理链路。边缘路由器(edgerouter)：

端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。接入网边缘路由器区域ISPISP:因特网服务提供商1.2.2接入网

解决的问题:端系统怎样连接到边缘路由器？接入方式：家庭接入（家庭用户）企业接入（学校、单位等公共场所)广域无线接入（移动设备）家庭接入：将家庭端系统（如PC）与边缘路由器相连接。宽带接入技术数字用户线DSL电缆光纤到户FTTH1.2.2接入网DSL因特网接入中心局ISP电话网络DSLAMDSLmodem分配器接入复用器电缆电缆调制解调器分配器…电缆头端企业接入：通过局域网(LAN)连接端用户和边缘路由器。先将多个端系统连接成局域网：如采用以太网技术或是wifi，用双绞线或同轴电缆将端系统彼此连接。局域网再与边缘路由器连接：边缘路由器负责与外连接1.2.2接入网企业（和家庭）接入以太网交换机机构服务器机构路由器到机构的ISP广域无线接入：3G/LTE/4G基站由电信提供商管理，覆盖范围数万米漫游的用户可利用移动电话接入基站。1.2.2接入网基站1.3网络核心通信子网：网络“内部”，连接端系统的路由器机和链路形成的网状网络。基本问题:端系统如何通过网络核心传送报文?电路交换分组交换1.3.1分组交换分组交换：端到端的传输报文划分为较小的分组。分组以链路的最大传输速率传输，即占用链路的全部带宽。传输过程中采用存储转发传输机制。存储转发是指整个分组接收完毕路由器才能转发给输出链路资源按需分配。1.3.1分组交换源Rbps目的地123Lbits/分组Rbpst=0,源结点开始传输数据，t=L/R路由器接收完第一个分组t=2*L/R路由器转发完第一个分组并到达目的。并且第二个分组到达路由器。t=3*L/R,第二个分组到达目的，第三个分组到达路由器。t=4*L/R,第三个分组到达目的。例：使用分组交换发送一个文件的时间设两台主机之间有n段链路，每条速率是Rbit/s，分组长Lbit，忽略排队时延和端到端传播时延。每条链路传输时间：L/Rs经过中间路由器存储转发n-1次到目的地。文件发送时间为总时延：nL/RsnL/RsRRRLR…L/Rs例：一个简单的分组交换网络ABC10Mbps以太网1.5MbpsDE等待输出链路的分组队列两对主机通信：AE、BE。所有分组长度相同。排队等待输出NetworkLayer4-32转发:将分组从入链路移到出链路路由:决定分组从源到目的所经过的路由器路由选择算法路由算法转发表目的地址输出链路0100010101111001322112301111.3.2电路交换电路交换：预留端到端资源：端系统之间通信路径上所需要的资源(缓存，链路带宽)。建立连接。发送方以恒定速率向接收方传送数据。通信结束，断开连接，释放资源。如电话网络。拨号接通通信挂机1.3.2电路交换假设每个链路可有n条电路，能够支持n条同步连接。通信过程：在两台主机A、B之间创建一条专用的端到端连接，分别占用每条链路中的一条电路；该连接获得链路带宽的1/n，进行通信。1.3.2电路交换多路复用技术：在一条传输链路上同时建立多条连接，分别传输数据。频分多路复用FDM时分多路复用TDM波分多路复用WDM码分多路复用CDMFDM：划分4个频段频率时间TDM：每个帧划分4个时隙频率时间帧例：4个用户复用一条链路链路的速率是400Mbps,每个电路的速率是？例：使用电路交换发送一个文件的时间从主机A到主机B。已知：文件长640kb，链路传输速率是1.536Mb/s每条链路使用具有24个时隙的TDM创建端到端电路需500ms发送一个文件时间=创建电路时间+文件传输时间

文件传输时间：文件长/电路的传输速率每条电路的传输速率：链路传输速率/时隙数(1.536Mb/s)/24=64kb/s

文件传输时间：640kb/(64kb/s)=10s

A到B的总发送时间：0.5s+10s=10.5s1.3.2电路交换电路交换的缺点：效率较低：静默期（无数据传输）专用电路空闲，网络资源被浪费；创建端到端电路及预留端到端带宽的过程复杂。1.3.2电路交换和分组交换比较链路利用率：电路交换效率不高，预先分配传输链路，空闲时，浪费链路时间。分组交换按需分配链路，利用率高。实时性：分组交换端到端时延不确定，不适合实时服务。电路交换适合实时服务。发展趋势：分组交换带宽共享好，简单，有效，成本更低。广泛使用分组交换，电路交换话网向分组交换转变。

分组传输过程：从源主机出发，通过一系列路由器传输，最后到目的主机。产生四种时延：节点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延等。节点总时延：各时延累加。

AB传播时延

传输时延节点处理时延排队时延1.4分组交换网络中时延和丢包是怎样出现的？1.4.1时延的类型处理时延通常是微秒级或更低。检查比特差错决定输出链路AB处理时延1.4.1时延的类型传输时延或存储转发时延：将分组的所有比特推（传）向链路所需要的时间。传输时延=L/RR=链路的传输速率(bps)L=分组长度(比特)传输时延在毫秒到微秒级。AB

传输时延节点处理排队时延1.4.1时延的类型传播时延：一个比特从链路的起点到下一节点（路由器）传播所需要的时间。传播时延=d/s。d是两个节点之间的距离链路传播速率s。传播时延在毫秒级。AB传播时延

传输节点处理排队注意区分传输时延和传播时延

1.4.1时延的类型排队时延：分组等待在链路上传输的排队时间。若队列“空”、无其他分组传输，排队时延为0。排队分组多，排队时延大。排队时延在毫秒到微秒级。AB节点处理排队时延平均排队时延与流量强度关系：设，R=链路速率(bps)、L=分组长度(比特)、a=平均分组到达速率（每秒分组，pkt/s）则流量强度=La/R（比特到达队列速率是Labit/s）L*a/R~0：平均排队时延小（接近0）。几乎没有分组到达或间隔很大（稀疏），到达的分组几乎不排队。L*a/R->1：分组陆续到达，形成队列，时延变大。L*a/R>1：更多“分组”到达，超出了服务能力，平均时延无穷大！1.4.2分组丢失分组丢失(lost)：通常，一条链路的缓存队列容量有限。当到达的分组发现队列已满，没有空间存储，被丢弃(drop)。丢失的分组可能由前面的节点或由源端系统重传，或根本不重传。ABpacketbeingtransmitted该分组被丢弃队列(waitingarea)1.4.3端到端时延端到端的时延：从源到目的地的时延。设源主机和目的主机之间有N-1个路由器网络无拥塞，忽略排队时延dqueue路由器和源主机的处理时延是dproc路由器和源主机的输出速率是Rbit/s每条链路的传播时延是dprop每个节点时延：dproc+dtrans+dprop+dqueue端到端时延：

dend-end=N(dproc+dtrans+dprop+dqueue) dtrans=L/RTraceroute：Traceroute诊断程序，在任何因特网主机上运行。Traceroute程序可追踪源和目的之间经过的路由。当用户指定一个目的主机时，源主机中的该程序朝目的地发送多个特殊的分组，中间通过一系列路由器。对所有路由器i:发送3个分组，该分组在朝着目的地的路径上到达路由器i路由器i将向发送方返回分组发送方度量传输和响应间的时间间隔3探测分组3探测分组3探测分组“实际的”因特网时延和路由1cs-gw(54)1ms1ms2ms2(45)1ms1ms2ms3(30)6ms5ms5ms4(29)16ms11ms13ms5(36)21ms18ms18ms6()22ms18ms22ms7(6)22ms22ms22ms853(53)104ms109ms106ms9(29)109ms102ms104ms10(0)113ms121ms114ms11(4)112ms114ms112ms12nio-n2.cssi.renater.fr(3)111ms114ms116ms13nice.cssi.renater.fr(02)123ms125ms124ms14r3t2-nice.cssi.renater.fr(10)126ms126ms124ms15(4)135ms128ms133ms165(5)126ms128ms126ms17***18***19fantasia.eurecom.fr(42)132ms128ms136

mstraceroute:towww.eurecom.frThreedelaymeasementsfromto*meansnoreponse(probelost,routernotreplying)1.4.4计算机网络中的吞吐量吞吐量（Throughput）:端到端比特传播速率。瞬时吞吐量平均吞吐量服务器发送Fbit件给客户端链路速率

Rs

bits/sec链路速率

Rc

bits/sec1.4.4计算机网络中的吞吐量51Rs<Rc端到端的吞吐量是多少?

Rs

bits/secRc

bits/secRs>Rc端到端的吞吐量是多少?Rs

bits/sec

Rc

bits/sec吞吐量=min(Rs,Rc)瓶颈链路吞吐量1.4.4计算机网络中的吞吐量52Rs<Rc端到端的吞吐量是多少?

Rs

bits/secRc

bits/secRs>Rc端到端的吞吐量是多少?Rs

bits/sec

Rc

bits/sec文件传输时间t=F/min(Rs,Rc)服务器到客户传输文件F所需时间1.4.4计算机网络中的吞吐量假设10连接共用容量为Rbits/sec瓶颈链路：则每个连接的吞吐量:min(Rc,Rs,R/10)实际中:瓶颈经常是接入网的限制Rc或RsRsRsRsRcRcRcR公共链路1.5协议层次及其服务模型计算机网络非常复杂。包括许多“构件”主机路由器各种媒体的链路应用协议硬件，软件如何组成一个完整的体系？计算机网络的分层模型按照分层的方式将计算机网络中的每台设备抽象为若干层，每层实现一种相对独立的功能。每一层为相邻的上一层所提供服务功能。实体实体实体实体实体实体N+1层N层N-1层接口接口N+1层协议N层协议N-1层协议1.5.1分层体系结构1.5.1分层体系结构因特网分层体系结构：第5层第4层第3层第2层第1层应用层运输层网络层链路层物理层协议数据单元1.5.1分层体系结构一个协议层实现：以软件、硬件或两者结合的方式。应用层：功能：提供各种网络应用。是网络应用程序及他们应用层协议预留的地方。协议：HTTP,SMTP,DNS等实现：在端系统中用软件方式运输层：功能：在应用程序端点间（客户机和服务器）传输应用层报文。协议：TCP，UDP等实现：在端系统中用软件方式应用层运输层网络层链路层物理层1.5.1分层体系结构网络层：功能：负责从源主机和目的主机之间传输网络层分组（数据报）。协议：IP等实现：硬件、软件混合。数据链路层：功能：负责将帧从一个结点传输到路径上的下一个结点。协议：PPP,HDLC等实现：软件、硬件混合实现，应用层运输层网络层链路层物理层1.5.1分层体系结构物理层：功能：负责在结点间传输比特流。协议：关于传输媒体的