計算機網(wǎng)絡(luò)第五版教學(xué)Chapter1-AriesHE-1.1-1.3

1、1計算機網(wǎng)絡(luò) 自頂向下方法任課老師：Mr.zhang電話：159080*QQ: 123526E-mail: 123526Preface本課程是專業(yè)基礎(chǔ)課程總學(xué)時：48+8教材：計算機網(wǎng)絡(luò)自頂向下方法（第四版）課程網(wǎng)站：/C876/Asp/Root/Index.aspPrefaceComputer Networking: A Top Down Approach 4rd edition. Jim Kurose, Keith RossReference book 計算機網(wǎng)絡(luò)（第四版）Andrew s. Tanenbaum著清華大學(xué)出版社計算機網(wǎng)絡(luò)（第五版）謝希仁著電子工業(yè)出版社計算機網(wǎng)絡(luò)CCNA系列

2、(思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院教材)人民郵電出版社Why Top-Down自頂向下：從應(yīng)用層開始到物理層結(jié)束自頂向下的理由：當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點在應(yīng)用層了解了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序才能去理解支持這些應(yīng)用的下層協(xié)議學(xué)生可以更早了解網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如何開發(fā)Framework 全書共九章，本課程學(xué)習(xí)第一章至第五章Chapter 1 computernetworks and the internetChapter 2 application layerChapter 3 transport layerChapter 4 network layerChapter 5 the link layer and local area

3、networksCourse Specialty 基本概念多、抽象概念多新知識、新術(shù)語多涉及內(nèi)容廣實踐應(yīng)用性強language trouble Ways and Means 整體上把握知識的結(jié)構(gòu)，先建立基本框架，然后自上而下逐漸細化，逐步充實對于那些尚未深入涉及的概念，要重點掌握它和其它概念的相互關(guān)系 善于把概念分類、歸納、前后貫穿通過實踐加強認識學(xué)會通過“網(wǎng)絡(luò)”學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)英文教材的閱讀怎么學(xué)好英文教材？不要怕讀語法很簡單劃出計算機專業(yè)單詞，并做筆記是計算機課也是專業(yè)英語課不用一次把書讀懂Goal 建立計算機網(wǎng)絡(luò)的完整概念定義、組成、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP, UDP, HTTP, FTP）了

4、解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要發(fā)展動態(tài)高速,互連,智能學(xué)會計算機網(wǎng)絡(luò)操作、日常管理和維護的基本方法懂、建、管、用“懂”理解網(wǎng)絡(luò)原理、主要協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)“建”掌握組建網(wǎng)絡(luò)的工程技術(shù)；“管”學(xué)會管理、配置和維護網(wǎng)絡(luò)；“用”學(xué)會將網(wǎng)絡(luò)作為知識獲取和信息發(fā)布的平臺Scores平時成績（課堂表現(xiàn)、考勤、作業(yè)等）：15%實驗成績：15%期末考試（閉卷）成績：70%Network VS JOBapplicationtransportnetworklinkphysical開發(fā)應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)軟件研制路由器研制NIC等研制通信介質(zhì)Google/BaiduMicrosoft /SunHuawei/CiscoDlink/3COM

5、IBDN /AMPWhat is the use of our course NETWORKING?Others QuestionsIf you have questions?IF you have to be absent from class on business occasionally?IF you are long absence from our class ?COMPUTER NETWORKS AND THE INTERNETChapter 1Chapter 1: IntroductionOur goal: get “feel” and terminologymore dept

6、h, detail later in courseapproach:use Internet as exampleOverview:whats the Internetwhats a protocol?network edgenetwork coreaccess net, physical mediaInternet/ISP structureperformance: loss, delayprotocol layers, service modelsnetwork modeling（網(wǎng)絡(luò)建模）Chapter 1: roadmap1.1 What is the Internet?1.2 Net

7、work edge1.3 Network core1.4 Network access and physical media1.5 Internet structure and ISPs1.6 Delay & loss in packet-switched networks1.7 Protocol layers, service models1.8 History終端設(shè)備hosts/end system計算機,工作站, 服務(wù)器,PDA電話, 智能家電通信鏈路：光纖, 銅纜, 無線電,衛(wèi)星通信設(shè)備：交換機、路由器、防火墻等local ISPcompanynetworkregional ISPwo

8、rkstationWhats the Internet: “nuts and bolts” viewWhats the Internet: “nuts and bolts” view協(xié)議protocols control sending, receiving of msgse.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP因特網(wǎng): “萬網(wǎng)之網(wǎng)”公共的Internet（因特網(wǎng)） vs. 專有的 intranet（內(nèi)聯(lián)網(wǎng)）Internet standardsRFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Force （因特網(wǎng)

9、工程部）local ISPcompanynetworkregional ISProuterworkstationservermobileWhats the Internet: a service view網(wǎng)絡(luò)的通信結(jié)構(gòu)使得分布式應(yīng)用成為可能:Web, email, games, e-commerce,file sharingcommunication services provided to apps:Connectionless unreliable(不可靠的無連接)connection-oriented reliable（可靠的面向連接）人際交流的協(xié)議:共同的語言交流的環(huán)境禮儀 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:

10、計算機之間網(wǎng)絡(luò)中所有的通信遵循的規(guī)則Whats a protocol?什么是協(xié)議?人的協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的對比helloHelloTCP connection req.Get /index.htmGot thetime?2:00TCP connection Ack.ThanksNot at allTCP Fin req.TCP Fin Ack.timeWhats a protocol?human protocols:“whats the time?”“I have a question”introductions specific msgs sent specific actions take

11、n when msgs received, or other eventsnetwork protocols:machines rather than humansall communication activity in Internet governed by protocolsprotocols define format, order ofmsgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt of a msgs or other event.關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

12、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與時序；語義（做什么）：用于解釋比特流的每一部分的意義； 語法（怎么做）：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義；時序（什么時候做）：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。Chapter 1: roadmap1.1 What is the Internet?1.2 Network edge網(wǎng)絡(luò)邊緣1.3 Network core網(wǎng)絡(luò)核心1.4 Network access and physical media1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched network

13、s1.7 Protocol layers, service models1.8 History網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與結(jié)構(gòu)遠程聯(lián)機系統(tǒng)多計算機互聯(lián)通信任務(wù)從主機中分離兩層網(wǎng)絡(luò)的概念通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)HOSTHOSTHOSTTTTTTTTTTT通信線路CCPCCPHOSTHOSTTTTTTTCCPHOSTTTCCPCCPHOSTHOSTTTTTTTCCPHOSTTTT通信子網(wǎng)CCCHHH資源子網(wǎng)通信子網(wǎng)HHA closer look at network structure:network edge: applications and hostsnetwork core: routersnetwork of

14、 networksaccess networks, physical media: communication linksThe network edge:end systems (hosts):run application programse.g. Web, emailat “edge of network”client/server modelclient host requests, receives service from always-on servere.g. Web browser/server; email client/serverpeer-peer model: min

15、imal (or no) use of dedicated servers（很少有專門的服務(wù)器）e.g. Skype, BitTorrentAccess networks and physical mediaQ: How to connect end systems to edge router?住宅接入residential access nets公司接入institutional access networks (school, company)無線接入mobile access networksKeep in mind: bandwidth (bits per second) of ac

16、cess network?shared or dedicated?Residential access: point to point accessDialup via modem（通過modem撥號）up to 56Kbps direct access to router (often less)Cant surf and phone at same time: cant be “always on”(總是在線)DSL: digital subscriber lineup to 1 Mbps upstream (today typically 256 kbps)up to 8 Mbps do

17、wnstream (today typically 1 Mbps)FDM: 50 kHz - 1 MHz for downstream 4 kHz - 50 kHz for upstream 0 kHz - 4 kHz for ordinary telephonededicated physical line to telephone central officeResidential access: cable modemsHFC: hybrid fiber coax (光纖同軸電纜混合網(wǎng)絡(luò))asymmetric: up to 30Mbps downstream, 2 Mbps upstre

18、amnetwork of cable and fiber attaches homes to ISP routerhomes share access to router homecable headendcable distributionnetwork (simplified)Typically 500 to 5,000 homesCompany access: local area networkscompany/univ local area network (LAN) connects end system to edge routerEthernet: 10 Mbs, 100Mbp

19、s, 1Gbps, 10Gbps Ethernetmodern configuration: end systems connect into Ethernet switchLANs: chapter 5Wireless access networksshared wireless access network connects end system to routervia base station aka “access point”wireless LANs:802.11b/g (WiFi): 11 or 54 Mbpswider-area wireless accessprovided

20、 by telco operator3G 384 kbpsbasestationmobilehostsrouterHome networksTypical home network components: DSL or cable modemrouter/firewall/NATEthernetwireless access pointwirelessaccess pointwirelesslaptopsrouter/firewallcablemodemto/fromcableheadendEthernet有線傳輸介質(zhì) 同軸電纜 雙絞線 光纖無線傳輸介質(zhì) 衛(wèi)星 微波 紅外線傳輸介質(zhì)的主要類型P

21、hysical MediaBit: propagates betweentransmitter/rcvr pairsphysical link:between transmitter & receiverguided media: signals propagate in solid media: copper, fiber, coaxunguided media: signals propagate freely, e.g., radio雙絞線同軸電纜光纖電纜無線與衛(wèi)星通信信道常用的傳輸介質(zhì)雙絞線由一對直徑為1mm的絕緣銅線纏繞而成。減少線間的電磁干擾。有屏蔽與非屏蔽之分，均為8芯電纜，雙絞

22、線的類型由單位長度內(nèi)的絞環(huán)數(shù)確定。Category 3 UTPCategory 5 UTP雙絞線的類別EIA/TIA已頒布了六類(Category,簡寫為Cat)線纜的標(biāo)準(zhǔn)。其中：Cat1：適用于電話和低速數(shù)據(jù)通信；Cat2：適用于ISDN及T1/E1，支持16MHz的數(shù)據(jù)通信；Cat3：適用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4，支持達20MHz的數(shù)據(jù)通信；Cat5：適用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持高達100MHz的數(shù)據(jù)通信。Cat6：適用于1000Mbps的1000Base-TX，支持高達1000MHz的數(shù)據(jù)通信。常用的雙絞線：3類（

23、16Mb/s） 和5類（155Mb/s）兩種屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應(yīng)用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛雙絞線的顏色序號12345678顏色白橙橙白綠藍白藍綠白棕棕5類雙絞線的線序直連網(wǎng)線交叉網(wǎng)線Side 1Side 2Side 112345678123456781=白/橙2=橙3=白/綠4=藍5=白/藍6=綠7=白/棕8=棕Side 2Side 1Side 2Side 1Side 212345678123456781=白/橙2=橙3=白/綠4=藍5=白/藍6=綠7=白/棕8=棕1=白/橙2=橙3=白/綠4=藍5=白/藍6=綠7=白/棕8=棕1

24、=白/綠2=綠3=白/橙4=藍5=白/藍6=橙7=白/棕8=棕網(wǎng)線制作同軸電纜的主要特性1.優(yōu)點傳輸距離較遠，覆蓋的地域范圍較大技術(shù)非常成熟2.缺點電纜硬，折曲困難，重量重3.局域網(wǎng)常用同軸電纜粗同軸電纜：特征阻抗50 ，直徑1cm細同軸電纜：特征阻抗50，直徑0.5cm4.同軸電纜不適合用于樓宇內(nèi)的結(jié)構(gòu)化布線5.目前已不再推薦使用。同軸電纜10base5 粗同軸電纜10base2 細同軸電纜依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播優(yōu)缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低、保密性好輕便價格較高需要光電轉(zhuǎn)換纖芯材料：塑料二氧化

25、硅 （高純玻璃）光纖（Optical Fiber）光纖通信系統(tǒng)電信號通過光發(fā)送器轉(zhuǎn)換為光信號，在光纖上傳輸，在接收端通過光接收機轉(zhuǎn)換為電信號。產(chǎn)生光的器件是發(fā)光二極管，它用于多模光纖信號的產(chǎn)生，也可以是激光二極管，用于單模光纖信號的產(chǎn)生。接收端講光信號轉(zhuǎn)換成電信號，需要使用光電二極管PIN檢波器或APD檢波器。使用電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點：無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾反射，為障礙物所阻隔主要類型：無線電、地面微波通信衛(wèi)星紅外線無線介質(zhì)Chapter 1: roadmap1.1 What is the Internet?1.2 Network edge1.3 Network

26、 core1.4 Delay & loss in packet-switched networks1.5 Protocol layers, service models1.6 Network under attack1.7 History1.8 summaryQuestion?Internet是不是就是網(wǎng)絡(luò)？Internet 是一個計算機物理網(wǎng)絡(luò)嗎？思考題以下不屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議三要素的選項是（ ）。 A、類型 B、語義 C、語法 D、同步下列關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的敘述中，錯誤的是_。 A網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)中互相通信的對等實體間交換信息時所必須遵守的規(guī)則的集合 B網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由語言、語法、載體三要素

27、構(gòu)成 C網(wǎng)絡(luò)協(xié)議屬于計算機網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng) D網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)中最重要、最核心的部分思考題網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素是語法、語義與時序。語法是關(guān)于_。(A) 用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式的規(guī)定(B) 需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動作與做出的響應(yīng)的規(guī)定(C) 事件實現(xiàn)順序的詳細說明(D) 接口原語的規(guī)定The Network Coremesh of interconnected routers（路由器勾結(jié)而成的網(wǎng)）the fundamental question: how is data transferred through net?（數(shù)據(jù)如何經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)）circuit switching（電路交

28、換）: dedicated circuit per call: telephone netpacket-switching（分組交換）: data sent thru net in discrete “chunks”（數(shù)據(jù)通過不連續(xù)的塊傳輸）Network Core: Circuit SwitchingEnd-end resources reserved for “call”（為通話保留網(wǎng)絡(luò)資源）交換技術(shù)的基本概念什么是交換？按某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。最初的交換：人工轉(zhuǎn)接交換

29、為什么要采用交換技術(shù)？節(jié)省線路投資，提高線路利用率。實現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。交換技術(shù)的基本概念數(shù)據(jù)交換技術(shù)電路交換（circuit exchanging）存儲轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward exchanging）交換報文交換（message exchanging ）報文分組交換（packet exchanging ）傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換每部電話想要和其他電話進行通信 兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換每部電話想要和其他電話進行通信但若要將 5 部電話機兩兩相連，則需要 10 對電線。 傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用電路交換 交換機 每部

30、電話想要和其他電話進行通信當(dāng)電話機的數(shù)量很大時，就必須使用電話交換機進行連接。電路交換A 和 B 通話經(jīng)過四個交換機。通話在 A 到 B 的連接上進行。(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換C 和 D 通話只經(jīng)過一個本地交換機通話在 C 到 D 的連接上進行(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA(A通話前先撥號建立連接。 (“面向連接的”)可能只要經(jīng)過一個交換機（如 A 到 B）可能要經(jīng)過多個交換機（如 C 到 D）通話過程中，通信雙方一直占用所建立的連接。通話結(jié)束后，掛機釋放連接。交換機交換機交換機交換機(交換機交換機BCD電路交換的特點交換機

31、C交換機B交換機A交換機D主機A主機 B線路建立階段數(shù)據(jù)傳輸階段線路釋放階段電路交換工作原理電路交換的通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)結(jié)點是電子或機電結(jié)合的交換設(shè)備，可以完成輸入與輸出線路的物理連接。通信子網(wǎng)中的結(jié)點不能存儲數(shù)據(jù)與改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且不具備差錯控制能力。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式與線路交換方式的主要區(qū)別：發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數(shù)據(jù)單元（報文或報文分組）進入通信子網(wǎng)；通信子網(wǎng)中的結(jié)點是通信控制處理機，它負責(zé)完成數(shù)據(jù)單元的接收、差錯校驗、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能。 存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分類可分為報文（message）與報文分組（packet）兩類；報文傳輸：不管發(fā)送數(shù)據(jù)的

32、長度是多少，都把它當(dāng)作一個邏輯單元發(fā)送；報文分組傳輸：限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過規(guī)定的最大長度，發(fā)送結(jié)點就將它分成多個報文分組發(fā)送。報文和報文分組結(jié)構(gòu)由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費的時間較少；限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲空間利用率與傳輸效率；分組交換成為當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)中基本的交換技術(shù)。分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。 報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸分組交換的原理（二）每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。數(shù) 據(jù)數(shù)

33、 據(jù)數(shù) 據(jù)首部首部首部分組 1分組 2分組 3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”分組交換的原理（三）分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3收到的數(shù)據(jù)分組交換的原理（四）分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報文。報文1101000110101010110101011100010011010010 這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)時也沒有被丟棄。數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組交換 在發(fā)送端

34、把要發(fā)送的報文分隔為較短的數(shù)據(jù)塊 每個塊增加帶有控制信息的首部構(gòu)成分組（包） 依次把各分組發(fā)送到接收端 接收端剝?nèi)ナ撞?，抽出?shù)據(jù)部分，還原成報文數(shù) 據(jù)分組11010011101 00101001110報文發(fā)送端首部分組數(shù) 據(jù)首部分組首部數(shù) 據(jù)發(fā)送發(fā)送發(fā)送在前發(fā)送接收端數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部11010011101 00101001110分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的通信控制處理機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點交換機。用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。分組交換是基于標(biāo)記的分組交換的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDEC

35、H5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組H2 向 H6 發(fā)送分組注意分組路徑的變化！CCP主機注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 發(fā)送分組CCP主機在結(jié)點交換機 A 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機 C 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機 E 暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達目的主機 H5通信子網(wǎng)中CCP有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路 CCP123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4CCP在CCP中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。CCP處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）

36、；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應(yīng)從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。存儲轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點線路利用率高 提高系統(tǒng)效率可以動態(tài)選擇通過通信子網(wǎng)的最佳路徑通信子網(wǎng)中的結(jié)點可以對不同通信速率的線路進行速率轉(zhuǎn)換，也可以對不同的數(shù)據(jù)代碼格式進行變換可以平滑通信量通信子網(wǎng)中的結(jié)點可以進行差錯檢查和糾錯處理，能提高系統(tǒng)可靠性采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分組交換，實質(zhì)上是采用了在數(shù)據(jù)通信的過程中斷續(xù)（或動態(tài)）分配傳輸帶寬的策略。帶來的問題？分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。Question?在同學(xué)們對計算機網(wǎng)絡(luò)有了初步的認識之后，請同學(xué)們思考一個非