高级计算机网络chap1课件.ppt

1、IntroductionChapter 11.1 Uses of Computer Networks计算机网络的定义：是用传输介质把分散在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统互连，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的信息系统。1.1 Uses of Computer Networks计算机网络与分布式系统的区别:分布式系统中，计算机的数量和位置对用户透明；而网络中，用户必须指明在某台机器上登录，远程操作时必须指明把任务交给哪台主机。(World Wide Web)两者的区别主要是软件（OS）整体性和透明性。(middleware)1.1 Uses of Computer Networks

2、Business ApplicationsHome ApplicationsMobile UsersSocial Issues1.1.1 Business Applications of NetworksA network with two clients and one server.Business Applications of Networks(2)The client-server model involves requests and replies.1.1.2 Home Network ApplicationsAccess to remote informationPerson-

3、to-person communicationInteractive entertainmentElectronic commerceHome Network Applications(2)In peer-to-peer system there are no fixed clients and servers.Home Network Applications(3)Some forms of e-commerce.1.1.3 Mobile Network UsersCombinations of wireless networks and mobile computing.1.1.4 Soc

4、ial IssuesNew social problemEthical and religion problem Political problem1.2 Network HardwareLocal Area NetworksMetropolitan Area NetworksWide Area NetworksWireless NetworksHome NetworksInternetworksBroadcast NetworksTypes of transmission technologyBroadcast linksPoint-to-point linksBroadcast Netwo

5、rks(2)Classification of interconnected processors by scale.1.2.1 Local Area NetworksTwo broadcast networks(a)Bus(b)Ring1.2.2 Metropolitan Area NetworksA metropolitan area network based on cable TV.1.2.3 Wide Area NetworksRelation between hosts on LANs and the subnet.Hosts A communication subnet Tran

6、smission lines Switching elements:Routers Packets Store-and-forward(packet-switched)Wide Area Networks(2)A stream of packets from sender to receiver.1.2.4 Wireless NetworksCategories of wireless networks:System interconnection BluetoothWireless LANs IEEE 802.11Wireless WANs IEEE 802.16Wireless Netwo

7、rks(2)(a)Bluetooth configuration(b)Wireless LANWireless Networks(3)(a)Individual mobile computers(b)A flying LAN1.2.5 Home Network Home Network CategoriesEntertainment(TV,DVD,VCR,camera,stereo,MP3)Telecom(telephone,cell phone,intercom,fax)Appliances(microwave,fridge(refrigerator),clock,furnace,airco

8、)Telemetry(utility meter,smoke/burglar alarm,thermostat,babycam).1.2.6 Internetworks Gateways internetworks:internet High-speed lines1.3 Network SoftwareProtocol HierarchiesDesign Issues for the LayersConnection-Oriented and Connectionless ServicesService PrimitivesThe Relationship of Services to Pr

9、otocols1.3.1 Network SoftwareProtocol HierarchiesLayers,protocols,and interfaces.Network architecture:a set of layers,protocols and interfaces Protocol stack HeaderProtocol Hierarchies(2)The philosopher-translator-secretary architecture.Protocol Hierarchies(3)Example information flow supporting virt

10、ual communication in layer 5.1.3.2 Design Issues for the LayersAddressingError ControlFlow ControlMultiplexingRouting1.3.3 Connection-Oriented and Connectionless Services Connection-oriented service The telephone system Message sequences Byte streams Connectionless service The post system Datagram s

11、ervice Quality of Service(QoS)negotiation1.3.3 Connection-Oriented and Connectionless ServicesSix different types of service.1.3.4 Service PrimitivesFive service primitives for implementing a simple connection-oriented service.Service Primitives(2)Packets sent in a simple client-server interaction o

12、n a connection-oriented network.1.3.5 The Relationship of Services to ProtocolsA service is a set of primitives(operations)that a layer provides to the layer above it.A protocol is a set of rules governing the format and meaning of the packets,or messages that are exchanged by the peer entities with

13、in a layer.1.3.5 The Relationship of Services to ProtocolsThe relationship between a service and a protocol.1.4 Reference ModelsThe OSI Reference ModelThe TCP/IP Reference ModelA Comparison of OSI and TCP/IP A Critique of the OSI Model and ProtocolsA Critique of the TCP/IP Reference Model1.4.1 The O

14、SI Reference ModelISO(International Standards Organization)OSI(Open Systems Interconnection)ISO OSI Reference Model:Seven layers:the physical layer,the data link layer,the network layer,the transport layer,the session layer,the presentation layer and application layer1.4.1 The OSI Reference Model分层的

15、原则：1。根据不同层次的抽象分层2。每层应当实现定义明确定义的功能3。每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准4。各层边界的选择应尽量减少通过接口的通信量5。层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大 物理层：比特(bit)是传输信息的基本单位“1/0”逻辑电平的确定及每位（比特）的宽度（ms）通信方式的选择：单工 半双工 全双工（一般不选单工）物理连接的建立和释放确定物理接口的标准（机械的、电气的、功能的、规程的）数据链路层：确定帧（frame）结构 解决收发设备间的速度匹配问题（流量控制）帧传送中的差错控制网络层控制通信子网的操作 路由选择 拥

16、塞控制 网络互连 用户记费 向传输层报告未恢复的差错传输层 对来自会话层的数据进行必要的处理（分解）提供端到端（主机到主机）的差错控制和流量控制通常由主机操作系统来实现会话层 允许在不同机器上的用户间建立会话 管理对话控制 令牌（token）管理 同步管理：在两台机器间传一个文件要二小时，若一小时系统要崩溃一次，则每次都要从头开始。会话层提供插入校验点到数据流中。表示层 确定数据的表示形式（统一编码）各种数据变换：加密，字符之间，不同终端的不同变换 文本压缩：ASCII码可以压缩 应用层为应用进程提供访问OSI的手段含有大量的应用协议 全屏幕编辑：各种实终端直接转换，通过虚拟终端实终端 文件的

17、传送和管理 OSI的管理：1）应用管理（应用进程管理）：参数初始化，启动，维护和终止2）系统管理：激活管理，监视，差错控制Reference ModelsThe OSI reference model.1.4.2 The TCP/IP Reference ModelARPANET(Advanced Research Projects Agency Network)The TCP/IP reference model:TCP/IP的应用层包括各种应用协议，例如TELNET、FTP、SMTP、DNS、HTTP等，规定了应用程序怎样使用因特网。传输层主要包括两个协议（TCP和UDP），提供数据流无重

18、复和丢失的从端到端的可靠传输服务。1.4.2 The TCP/IP Reference Model互连网络层（因特网层）定义了因特网中分组的格式及分组传输的协议（IP），规定了分组路由的机制。主机到网络层定义了主机连接到网络的协议，及其帧格式，基本网络的描述。1.4.2 The TCP/IP Reference ModelThe TCP/IP reference model.1.4.2 The TCP/IP Reference ModelProtocols and networks in the TCP/IP model initially.1.4.3 A Comparison of the

19、OSI and TCP/IP Reference ModelsConcepts central to the OSI modelServicesInterfacesProtocols相同之处：基于独立的协议栈概念 层功能粗略相同：例传输层提供端到端独立于网络的服务 传输层以上的层是传输服务的面向应用的用户不同之处：OSI模型的三个概念：服务 接口 协议（区别非常清楚）OSI先模型后协议：理论实践TCP/IP先协议后模型：实践理论 模型的层数不一样：七层 四层 在网络层：OSI模型支持面向连接和无连接的服务而TCP/IP模型仅支持无连接服务 在传输层：OSI模型仅支持面向连接服务 而TCP/IP

20、模型支持面向连接和无连接服务A Critique of the OSI Model and ProtocolsWhy OSI did not take over the worldBad timingBad technologyBad implementationsBad politicsBad TimingThe apocalypse of the two elephants.Bad technology 会话层对大多数应用都没有用；会话层对大多数应用都没有用；表示层几乎是空的；表示层几乎是空的；服务定义和协议都极其复杂；服务定义和协议都极其复杂；功能重复：寻址，流量控制，差错控制；功能重复

21、：寻址，流量控制，差错控制；低效；低效；对无连接服务和无连接协议的忽视；对无连接服务和无连接协议的忽视；没有将通信与计算技术相结合没有将通信与计算技术相结合1.4.5 A Critique of the TCP/IP Reference ModelProblems:Service,interface,and protocol not distinguishedNot a general modelHost-to-network“layer”not really a layerNo mention of physical and data link layersMinor protocols d

22、eeply entrenched,hard to replaceHybrid ModelThe hybrid reference model to be used in this book.1.5 Example NetworksThe InternetConnection-Oriented Networks:X.25,Frame Relay,and ATMEthernetWireless LANs:802.11The ARPANET(a)Structure of the telephone system.(b)Barans proposed distributed switching sys

23、tem.The ARPANET(2)The original ARPANET design.The ARPANET(3)Growth of the ARPANET (a)December 1969.(b)July 1970.(c)March 1971.(d)April 1972.(e)September 1972.Internet UsageTraditional applications(1970 1990)E-mailNewsRemote loginFile transferArchitecture of the InternetOverview of the Internet.(PoP:

24、Point of Presence NAP:Ntework Access Point)Internet 美国国家科学基金会美国国家科学基金会NSF认识到计算机网络对认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从科学研究的重要性，因此从1985年起，美国国家科年起，美国国家科学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。网络。1986年，年，NSF建立了国家科学基金网建立了国家科学基金网NSFNET。1987年年NSFNET接管了接管了ARPANET，并将网络并将网络改名为改名为Internet，即因特网。即因特网。NSFNETThe NSFNET b

25、ackbone in 1988.Internet 1990年年 ARPANET关闭关闭 1991年年 MCI和和Springt经营因特网，开始收费经营因特网，开始收费 1993年因特网主干网的速率提高到年因特网主干网的速率提高到45 Mb/s(T3速率速率)。1996年速率为年速率为155 Mb/s的主干网的主干网vBNS(very high-speed Backbone Service)建成。建成。1998年又开始建造更快的主干网年又开始建造更快的主干网Abilene，数据率最高达数据率最高达2.5 Gb/s1999年年MCI和和Worldcom公司开始将美国的因特网主干网速率提公司开始将美

26、国的因特网主干网速率提高到高到2.5 Gb/s。1999年底，因特网上注册的主机已超过年底，因特网上注册的主机已超过1000万台。万台。2009年年6月的最新统计：与因特网连接的计算机已超过月的最新统计：与因特网连接的计算机已超过5亿台，亿台，用户数高达用户数高达10亿多，中国的用户超过亿多，中国的用户超过3亿亿2千万。千万。Connection-Oriented Networks:X.25,Frame Relay,and ATMX.25 and Frame RelayX.25 and Frame RelayX.25 and Frame Relay 帧中继帧中继(Frame Relay)是一种

27、高速分组交换技术，是一种高速分组交换技术，是在是在X.25网的基础上发展起来的。主要是简化了网的基础上发展起来的。主要是简化了X.25网的某些差错控制过程。网的某些差错控制过程。被称为第二代被称为第二代X.25。X.25网的一个结点要执行网的一个结点要执行27项操作（例如，管理项操作（例如，管理状态变量状态变量V（S）和和V（R），），管理管理P（S）和和P（R），），等待确认的缓冲分组，管理分组时钟，确认收到的等待确认的缓冲分组，管理分组时钟，确认收到的I帧，分组层接收就绪管理与接收未绪管理，顺序错分帧，分组层接收就绪管理与接收未绪管理，顺序错分组检测等）。组检测等）。X.25 and Fr

28、ame Relay 帧中继网的一个结点只执行七项操作（帧中继网的一个结点只执行七项操作（F识识别和生成，透明传输，别和生成，透明传输，FCS生成，识别无效帧，生成，识别无效帧，丢弃差错帧，地址译码，填充帧间时间），据丢弃差错帧，地址译码，填充帧间时间），据统计，以统计，以100字节的帧为例，在一个结点的处字节的帧为例，在一个结点的处理时延，理时延，X.25需需12毫秒，而帧中继中只需毫秒，而帧中继中只需1.2毫毫秒。秒。X.25 and Frame Relay 帧中继就是一种减少结点处理时间的技术。帧中继就是一种减少结点处理时间的技术。帧中继的原理很简单。当帧中继交换机收到一个帧中继的原理很简

29、单。当帧中继交换机收到一个帧的首部时，帧的首部时，只要一查出帧的目的地址就立即开只要一查出帧的目的地址就立即开始转发该帧始转发该帧。因此在帧中继网络中，一个帧的处。因此在帧中继网络中，一个帧的处理时间比理时间比X.25网约减少一个数量级。这种传输数网约减少一个数量级。这种传输数据的帧中继方式也称为据的帧中继方式也称为X.25的的流水线方式。流水线方式。X.25 and Frame Relay 仅当帧中继网络本身的误比特率非常低仅当帧中继网络本身的误比特率非常低时，帧中继技术才是可行的时，帧中继技术才是可行的。像上面这样一面接收帧就一面转发此帧，就像上面这样一面接收帧就一面转发此帧，就称为称为快

30、速分组交换快速分组交换(fast packet switching)。帧帧中继的帧长是可变的。还有一种叫做中继的帧长是可变的。还有一种叫做信元中继信元中继(Cell Relay)的快速分组交换，它采用固定帧长，的快速分组交换，它采用固定帧长，每一个帧叫做一个信元。每一个帧叫做一个信元。X.25 and Frame RelayX.25 and Frame RelayX.25 and Frame RelayX.25 and Frame Relay 用户通过帧中继用户通过帧中继用户接入电路用户接入电路(user access circuit)连接到帧中继网络。（用户网络接口连接到帧中继网络。（用户网

31、络接口UNI）UNI有两个端口。在用户的一侧叫做有两个端口。在用户的一侧叫做用户接入用户接入端口端口(user access port)，而在帧中继网络一侧的叫而在帧中继网络一侧的叫做做网络接入端口网络接入端口(network access port)。X.25 and Frame Relay帧中继的主要优点：帧中继的主要优点：（1）减少了网络互连的代价。）减少了网络互连的代价。（2）网络的复杂性减少但性能却提高了。）网络的复杂性减少但性能却提高了。（3）由于使用了国际标准，增加了互操作性。）由于使用了国际标准，增加了互操作性。（4）协议的独立性。）协议的独立性。X.25 and Frame

32、Relay与与X.25的区别：的区别：1）没有分组层的功能；）没有分组层的功能；2）数据链路层只有一定的差错控制功能；）数据链路层只有一定的差错控制功能；3）控制信令与用户数据不在同一个逻辑信道）控制信令与用户数据不在同一个逻辑信道4）逻辑连接的复用和交换都在第二层处理。逻辑连接的复用和交换都在第二层处理。X.25 and Frame Relay 帧中继提供面向连接的数据链路层服务，具帧中继提供面向连接的数据链路层服务，具有下列特点：有下列特点：（1）保持网络入口处和出口处所传输的帧的顺序；）保持网络入口处和出口处所传输的帧的顺序；（2）保证不交付重复帧；）保证不交付重复帧；（3）帧丢失率很少

33、。）帧丢失率很少。X.25 and Frame RelayX.25 and Frame Relay帧中继帧的地址字段格式如图所示。帧中继帧的地址字段格式如图所示。DLCI（高位）高位）C/R EA DLCI（低位）低位）FECN BECN DE EAC/R：命令命令/响应指示位响应指示位 EA：地址扩充位地址扩充位X.25 and Frame Relay地址字段中的几个重要部分是：地址字段中的几个重要部分是：数据链路连接标识符（数据链路连接标识符（DLCIDLCI）前向显式拥塞通知（前向显式拥塞通知（FECNFECN）反向显式拥塞通知（反向显式拥塞通知（BECNBECN）丢弃指示（丢弃指示（D

34、EDE,Discard Eligibilit Discard Eligibility）应当注意：应当注意：数据链路连接标识符数据链路连接标识符DLCIDLCI只具有本地意只具有本地意义义。X.25 and Frame Relay帧中继的拥塞控制帧中继使用的拥塞控制方法有以下三种：帧中继使用的拥塞控制方法有以下三种：（1）丢弃策略丢弃策略（2）拥塞避免拥塞避免（3）拥塞恢复拥塞恢复X.25 and Frame Relay承诺的信息速率（CIR）若数据率小于若数据率小于CIR，在一般情况下传输是有保在一般情况下传输是有保证的。证的。若数据率大于若数据率大于CIR但小于所设定的最高速率，但小于所设定

35、的最高速率，则在可能的情况下进行传送。则在可能的情况下进行传送。若数据率大于所设定的最高速率，则立即丢弃。若数据率大于所设定的最高速率，则立即丢弃。X.25 and Frame Relay设某结点的接入速率为设某结点的接入速率为64k bit/s。该结点使该结点使用的虚电路被指派的用的虚电路被指派的CIR=32k bit/s，而而CIR的测的测量时间间隔量时间间隔TC=500ms。再假定帧中继网络的帧长再假定帧中继网络的帧长L=4000bit。这就表示在这就表示在500ms的时间间隔内，该的时间间隔内，该电路只能发送电路只能发送CIR TC/L=4个高优先级的帧，其个高优先级的帧，其中中DE=

36、0。X.25 and Frame Relay这就是说，这这就是说，这4帧在网络中的传输是有保证的，帧在网络中的传输是有保证的，但由于但由于CIR的数值只是接入速率的一半，因此用的数值只是接入速率的一半，因此用户在户在500ms内还可以再发送内还可以再发送4个优先级低的帧，其个优先级低的帧，其中中DE=1。X.25 and Frame Relay当网络丢弃帧时就产生了当网络丢弃帧时就产生了(implicit signaling)。由高层协议进行。由高层协议进行。Asynchronous Transfer Mode 支持支持B-ISDN的传输技术的传输技术,就是建立在电路交就是建立在电路交换和分组

37、交换的基础上的一种面向连接的快速换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，它采用定长分组，能够较好地分组交换技术，它采用定长分组，能够较好地对宽带信息进行交换。对宽带信息进行交换。实践证明实践证明ATM存在的问题太多存在的问题太多,与前面的与前面的OSI模型类似模型类似,并没有获得预期的成功。并没有获得预期的成功。ATM（1）特点：）特点：传送的基本单元传送的基本单元信元（信元（cell）：）：53字节字节 可借助硬件实现协议的通信与交换可借助硬件实现协议的通信与交换 不是统计复用方式，而是时隙复用方式，信元插入不是统计复用方式，而是时隙复用方式，信元插入位置无周期位置无周期ATM

38、（1）特点：）特点：线路交换与分组交换综合运用的交换技术线路交换与分组交换综合运用的交换技术 提供几十提供几十G bps带宽带宽 对已存在的各种网络技术的支持：对已存在的各种网络技术的支持：Ethernet x.25 帧中继帧中继 SMDS(Switched Multimegabit Data Service)ATM（2）ATM技术面临主要问题：技术面临主要问题：（A）一般的技术问题一般的技术问题 统计复用带来的信元丢失：允许接入的用户数大统计复用带来的信元丢失：允许接入的用户数大于按峰值速率分配的数，这些信源同时发送信息，于按峰值速率分配的数，这些信源同时发送信息，会超过系统容量而导致信元的

39、丢失。会超过系统容量而导致信元的丢失。ATM（2）ATM技术面临主要问题：技术面临主要问题：话务理论尚未起到对实践的指导作用；无计算式。话务理论尚未起到对实践的指导作用；无计算式。分组交换流量不易控制：往返时延短，而发的信分组交换流量不易控制：往返时延短，而发的信元很多，窗口法不适用。元很多，窗口法不适用。多目标控制增大了系统的复杂性：不同业务的质多目标控制增大了系统的复杂性：不同业务的质量要求差别甚高。量要求差别甚高。ATM（B）资源分配问题资源分配问题包括带宽分配和缓冲区分配。包括带宽分配和缓冲区分配。由于高速网的流量特性变化很快，而各类业由于高速网的流量特性变化很快，而各类业务务QoS要

40、求与流量特性千差万别，所以如何在高要求与流量特性千差万别，所以如何在高速环境下最优地进行带宽分配是一个重要问题。速环境下最优地进行带宽分配是一个重要问题。ATM（C）ATM网的流量控制和拥塞控制问题网的流量控制和拥塞控制问题采用接入控制（采用接入控制（CAC）和速率控制（漏桶机制）：和速率控制（漏桶机制）：要求用户提供业务性能的参数（例如，平均要求用户提供业务性能的参数（例如，平均数码率，最高数码率，平均突发长度，平均突发数码率，最高数码率，平均突发长度，平均突发间隔等）和间隔等）和QoS。要提供业务性能的参数是非常要提供业务性能的参数是非常困难的。困难的。ATM（D）ATM网的路由选择问题网

41、的路由选择问题 传输速率的提高意味着网络直径的减小。这就传输速率的提高意味着网络直径的减小。这就要求象路由这样的控制问题必须在很短的时间内完要求象路由这样的控制问题必须在很短的时间内完成。低速网中的方法已不适用。在高速网中难以做成。低速网中的方法已不适用。在高速网中难以做到到全网最优全网最优，因为时延被放大了，决策所依赖，因为时延被放大了，决策所依赖的信息有可能的信息有可能过时过时。与带宽分配，流量控制是。与带宽分配，流量控制是相关的。相关的。ATM 交换是网络的核心，而控制是核心的核心，交换是网络的核心，而控制是核心的核心，ATM进展中所遇到的主要困难也是网络控制问题。进展中所遇到的主要困难

42、也是网络控制问题。如何在高速环境下消除传送时延对控制效果的如何在高速环境下消除传送时延对控制效果的影响是一个重要而困难的问题。影响是一个重要而困难的问题。ATM Virtual CircuitsA virtual circuit.ATM Virtual Circuits(2)An ATM cell.The ATM Reference ModelThe ATM reference model.The ATM Reference Model(2)The ATM layers and sublayers and their functions.Ethernet1976 Xerox Ethernet1

43、978 DEC,Intel,and Xerox DIX Standard 10M bps1983 IEEE 802.3 standard 10M bps1984 New versions:1985 100M bps1986 1000M bps1987 10G bpsEthernetArchitecture of the original Ethernet.Wireless LANsIEEE 802.11:wireless LANs standards An access point:a base station Ad hoc networking(for this purpose only)I

44、EEE 802.11:2M bpsIEEE 802.11a:54M bpsIEEE 802.11b:11M bpsIEEE 802.11g:54M bpsWireless LANs(a)Wireless networking with a base station.(b)Ad hoc networking.Wireless LANs(2)The range of a single radio may not cover the entire system.Wireless LANs(3)A multicell 802.11 network.Network StandardizationWhos

45、 Who in the Telecommunications WorldWhos Who in the International Standards WorldWhos Who in the Internet Standards WorldITUMain sectorsRadio communicationsTelecommunications StandardizationDevelopmentClasses of MembersNational governmentsSector membersAssociate membersRegulatory agenciesWhos Who in

46、 the International Standards WorldISO(International Standards Organization)ANSI(American National Standards Institute)NIST(National Institute Standards and Technology):Part of U.S.Department of CommerceIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)IEEE 802 StandardsThe 802 working groups.Th

47、e important ones are marked with*.The ones marked with are hibernating.The one marked with gave up.Whos Who in the Internet Standards World 1992 ISOC(Internet Society)1983 IAB(Internet Activities Board)(Internet Architecture Board):IRTF(Internet Research Task Force)IETF(Internet Engineering Task Force)RFCs(Request For Comments):Internet Draft Proposed Standard Draft Standard Internet StandardMetric UnitsThe principal metric prefixes.作业1，8，9，10