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简介
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计算机网络 信息科学与技术学院 周文峰 第一章 计算机网络概论 本章内容提要： 计算机网络定义 因特网的结构 协议分层与服务模型 分组交换网的性能指标 计算机网络简史 小结 第一章 计算机网络概论 教学目的 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。 学习方法 总体把握，理解概念 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 计算机网络在信息时代的作用 21世纪的一些重要特征： 数字化、网络化、信息化 网络为核心 网络是指电信网络、有线电视网络和计算机网络。这三种网络通常简称为“三网”。 典型代表： 因特网(Internet) 互联网+广电网+电信网+电网形成了当今社会发展迫切需要四网融合，在打造互联网“智慧生活”同时，也构筑能源与互联网发展新格局。 在第十二届全国人民代表大会第三次会议上，李克强总理提出制定“互联网+”行动计划。 “互联网+”战略就是利用互联网的平台，利用 信息通信技术，把互联网和包括传统行业在内的各行各业结合起来，在新的领域创造一种新的生态。 “互联网+XX传统行业=互联网XX行业 传统集市+互联网有了淘宝，传统百货卖场+互联网有了京东，传统银行+互联网有了支付宝，传统的红娘+互联网有了世纪佳缘，传统交通+互联网有了快的滴滴，而传统新闻+互联网有了柴静《穹顶之下》病毒式的传播。 计算机网络的出现 任何一种新技术的出现都必须具备两个条件： 一是强烈的社会需求 二是前期技术的成熟 根据2015年CNNIC第35次中国互联网络发展状况统计报告显示： 截至2014年12月，我国网民规模达6.49亿，全年共计新增网民3117万人。互联网普及率为47.9%，较2013年底提升了2.1个百分点。 根据2016年CNNIC第37次中国互联网络发展状况统计报告显示： 截至2015年12月，中国网民规模达6.88亿，全年共计新增网民3951万人。互联网普及率为50.3%，较2014年底提升了2.4个百分点。 根据2015年CNNIC第35次中国互联网络发展状况统计报告显示： 2015年，42.7%的网民遭遇过网络安全问题，较2014年底下降了3.6个百分点。在安全事件中，电脑或手机中病毒或木马情况最为严重，发生率为24.2%，其次是账号或密码被盗，发生率为22.9%，这两类安全事件的发生率与2014年底相比均有所下降。 同时，随着网络购物群体的不断增大，网络消费安全问题明显上升。2015年，在网上遭遇到消费欺诈比例为16.4%，较2014年提升了3.8个百分点。 网络安全的维护，需要政府、企业、网民三方群策群力，全体网民应致力于提高自我保护意识和技能，提高对网络虚假有害信息的辨识和抵抗能力，共建安全的网络环境。 网络无所不在：网空灿烂，万千气象 因特网应用:丰富多彩，创造无限 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，为将“谋求信息优势”转化为“谋求决策优势”提供平台 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 双十一会战某购物网站销售额高达912亿 什么是计算机网络？ 计算机网络(computer network)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 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 计算机网络的定义 计算机网络的定义 计算机网络是现代计算机技术和通信技术密切 结合的产物，是随社会对信息的共享和信息传 递的要求而发展起来的。 所谓的计算机网络就是利用通信设备和线路将 地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统 互连起来，以功能完善的网络软件，如网络通 信协议、信息交换方式以及网络操作系统等来 实现网络中信息传递和资源共享的系统。 计算机网络的定义 对计算机网络定义的几点说明： 网络：一定是两台或以上的计算机互联，目的是资源共享； 计算机必需是自治计算机； 各计算机互连时需有一条通道，通道的连接是物理的（传输媒体）； 计算机之间交换信息需要有某些规定与规则。 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 共享硬件 访问和使用网络上的特定硬件 某大学校园网 学生公寓组网图 网络组成 网络实体可抽象为两种基本构件： 结点(node)(亦称节点)：计算设备 链路(link)：物理媒体 构成网络的三种方式之一:直接连接 直接连接的网络（用于地理范围有限的区域） 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-point link) 多结点共享同一物理链路：多路访问链路(multiple access) 随着结点数目的不断增加和网络服务覆盖范围的不断扩大，直接连接的网络难以胜任。 直接连接发展成间接连接。 交换结点——一种能够将从一条链路接收到的数据转发到另一条链路上的连接设备。 构成网络的三种方式之二:网络云 网络云 网络云——多个交换结点(switching node)形成的交换网 “网络云”将网络云内部结点和网络云外部结点分开 交换网中两种传递数据的方法 电路交换(circuit switching) 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(packet switching) 主要用于计算机网络 分组(packets) 长数据划分为等长的短段，并为每个段加上首部 构成网络的三种方式之三: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 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： 在网络边缘用软件方便地增加新 的网络应用功能 主机操作系统提供的两种API 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 因特网组成 网络边缘(edge): 应用程序与主机 网络核心(core): 通信网与路由器(网络的网络) 接入网(access network)： 连接两者的通信链路 因特网结构特点 “端到端原则(end-to-end arguments)” 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)置于网络边缘 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 因特网边缘 端系统 (桌面计算机，服务器，移动计算机等等): 运行各种应用程序 例如Web， 电子邮件，聊天程序等等 在“网络边缘” 应用程序体系结构——规定在各种端系统上应当如何组织该应用程序。 两种主流应用程序体系结构 客户/服务器体系结构模式（C/S模式） 即Client/Server方式 对等方到对等方体系结构模式（P2P模式） 即 Peer-to-Peer方式 客户服务器体系结构模式 客户机程序(client)和服务器程序(server)是指通信中所涉及的两个应用程序。 客户服务器方式所描述的是应用程序之间服务和被服务的关系。 客户机程序是服务的请求方，服务器程序是服务的提供方。 服务器的特点： 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。 对客户程序的请求进行响应，提供所需服务。 客户机的特点： 通过客户程序向服务器发出请求，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。 客户机之间彼此不互相通信。 P2P体系结构模式 对等方到对等方模式(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。 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。 接入网(access network) 将端系统连接到其边缘路由器(edge router)的物理链路及设备的集合 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 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 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) 分组通过因特网核心 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 什么是协议? 人类协议vs. 计算机网络协议: 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 约会看电影的例子，P16 网络协议3要素： 语法 ：数据与控制信息的结构或格式 语义：发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应 定时：事件实现顺序的详细说明 例如在面向连接的链路上，当A要向B发送数据时，首先要在这两个设备之间建立数据链路，上图表示了数据链路连接的建立过程。 协议很复杂 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。 网络协议不是万能的：红蓝军问题?P35 网络是复杂的！ 许多“构件” 主机 路由器 各种介质的链路 应用 协议 硬件，软件 问题: 是否存在某种组织网络结构方式，使之协调工作？ 网络中采用“分而治之”的方法 网络设计存在巨大复杂性，要采用科学有效的方法 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)的开始实行治理办法 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 复杂系统的例子 两名大公司总裁签署合同过程：（垂直通信，封装，水平通信） 为何要分层? 处理复杂系统： 简化系统设计 明确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 层次可能难定 协议首部越来越大 引入网络分层方法 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： 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 网络体系结构 网络体系结构（Network Architecture）： 计算机网络各层和各层协议的集合，它是计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。 这些功能用何种硬件或软件完成是一个遵循这种体系结构的实现（Implementation）问题。 网络的体系结构是抽象的，而特定网络则是具体的。 一个计算机网络是遵循某种网络体系结构实现的，是具体的计算机和通信硬件以及应用软件和协议的运行实例。 报文在各层之间的传递 协议栈 对等层 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 计算机 1 向计算机 2 发送数据 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” 几种不同的体系结构的比较 TCP/IP体系结构特点 协议栈呈“沙漏”形状 IP是“细腰” 细腰部代表最小的、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 报文流经端系统、路由器和链路层交换机的层次 端到端原则 David D. Clark著名的“端到端原则” 网络某个特定功能应当放在哪个层次的模块中为好 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 文件可靠传输方案的比较 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。 方案一看着全面 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 因特网标准化工作 网络标准分类： 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(Request For Comments，RFC) 因特网协会 因特网体系结构委员会 电气及电子工程师协会(IEEE) 802工程 因特网的正式标准 制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段: 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。 草案标准(Draft Standard) 因特网标准(Internet Standard) 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 时延是计算机网络的重要性能测度 单向时延（Delay）:指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需的时间。 往返时延（RTT），是指一组从网络路径的一端传到另一端并返回所需要的时间。 时延和丢包是怎样出现的？ 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 计算机网络的性能指标 (2)传播时延(dprop)电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 计算机网络的性能指标 (3)处理时延（dproc） 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 (4)排队时延（dqueue）结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 处理时延的长短取决于网络中当时的通信量。 有时可用排队时延作为处理时延。 计算机网络的性能指标 因此，数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和： 容易产生的错误概念 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。 排 队 R= 链路带宽 (bps) L= 分组长度 (比特) a= 平均分组到达速率 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（2×105）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 丢包率 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 丢包概率也是非常重要的性能指标 带宽和吞吐量 网络带宽 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 网络在单位时间内无差错地传输数据的能力 带宽和吞吐量 吞吐量与带宽的区分 例如：以太网的带宽是10Mbps。但是需要区分链路上的可用带宽（带宽与干扰流量之差）与实际链路中每秒所能传送的比特数（吞吐量）。 通常更倾向于用“吞吐量”一词来表示一个系统的测试性能。 因为实现受各种低效率因素的影响（瓶颈链路），所以由一段带宽为10Mbps的链路连接的一对节点可能只达到2Mbps的吞吐量。这样，一个主机上的应用就是以2Mbps的速度向另外的一个主机发送数据。 服务器和客户之间有n条链路的一个网络，每条链路都有各自的传输速率 这n条链路中的瓶颈链路的传输速率决定了服务器到客户机的文件传送吞吐量。 一般认为对吞吐量的限制因素主要是接入网的传输速率。 跳与路径 路径可以定义为形式为
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