计算机网络和因特网
- 什么是因特网
❖ 连接在因特网上的数以十亿计的互连计算机设备:
▪ 主机 = 端系统
▪ 运行网络应用程序
主机进一步划分为：
客户端和服务器
❖ 连接因特网上各种设备的通信链路
▪ 光纤，铜缆，无线电，人造卫星
▪ 传输速率 = 带宽
❖ 转发数据的分组交换机: 转发分组(数据块)
▪ 链路层交换机
▪ 路由器
端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起
链路的传输速率以bit/s或bps度量
一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径
❖ 端系统接入Internet
▪ 因特网服务提供商ISP
❖ 软件方面
▪ 在因特网上运行的网络应用程序
▪ 协议：控制报文的发送接收
• 例如：TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
分布式应用程序：涉及多个相互交换数据的端系统的应用程序
套接字接口：规定了端与端之间程序通过因特网基础设施交换数据的方式
❖ 一个协议定义了在两个或者多个通信实体之间交换的报文格式和次序，
以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作
❖网络边缘
▪ 主机：客户端和服务器
▪ 数据中心的服务器
❖网络核心
▪ 路由器
▪ 网络的网络
❖接入网，物理媒体
▪ 通信链路
• 有线无线链路
❖网络边缘的构成
▪ 端系统（主机）
• 运行应用程序，如：IE、Foxmail等
❖网络应用的通信模型
▪ 客户/服务器模型（C/S）
• 客户：使用服务者
• 服务器：提供服务者
▪ 对等模型（P2P）
• 所有的主机同时承担服务器和客户机的双重身份
❖ 接入网的作用
▪ 将网络边缘与网络核心连接起来，通常是将端系统连接到边缘路由器上
▪ 边缘路由器：端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器
❖ 接入的方式
▪ 家庭：Modem拨号/ADSL拨号/HFC/FTTH/卫星
▪ 企业：以太网/Wi-Fi
▪ 广域无线接入：3G/LTE
❖ Modem拨号
▪ 通过本地电话回路点对点连接ISP的拨号池（通常是路由器）
▪ 速度最高可达56kbps
▪ 无法实现在上网的同时拨打电话
❖ ADSL：不对称数字用户线
▪ 下行/上行速率最高可达55Mbps/15Mbps
▪ 频分复用:
• 0kHz—4kHz：语音
• 4kHz—50kHz：上行 50kHz—1MHz：下行
▪ 带宽独享
❖FTTH（Fiber To The Home）光纤到户
▪ 直接光纤：中心局到每户设置一根光纤
▪ 共享光纤：中心局出来的光纤由许多家庭共享
• 主动光纤网络AON：交换因特网
• 被动光纤网络PON：光纤分配器连接
▪ 可提供千兆Mbps的速率，ISP提供不同速率选择
❖HFC (Hybrid Fiber Coax)： 光纤同轴电缆混合网络
▪ 下行/上行速率最高可达40Mbps/30Mbps
▪ 通过有线电视网络部署
▪ 带宽共享
❖ 局域网接入
▪ 公司/大学的局域网 (LAN) 将端系统连接到边缘路由器
▪ 以太网:
• 通过共享或专用的链路来连接端系统和路由器
❖ 无线接入
▪ 共享的无线接入网络连接端系统和路由器
• 通过基站（无线接入点）
▪ 无线局域网:
• 802.11:最高1Gbps (802.11ac)
▪ 广域无线接入
• 由电信运营商提供
• 3G、4G、4G+、5G
• 802.16(WiMAX)
❖物理媒体分类
▪ 导引型媒体：信号沿着固体媒体被导引
▪ 非导引型媒体：信号自由传播
❖导引型媒体
▪ 双绞线：两根互相绝缘的铜导线
• 3类线：传统的电话线， 10Mbps以太网
• 5类线：100Mbps以太网
• 6类线：1Gbps以太网
❖ 导引型媒体
▪ 同轴电缆
• 双向传输
• 基带
– 电缆上单信道
– 以太网
• 宽带
– 电缆上多信道
– HFC
▪ 光缆
• 在玻璃光纤传播光脉冲，每一个脉冲一比特
• 高速运行
• 低误码率：中继器相隔很远； 不受电磁干扰
❖ 非导引型媒体：无线电
▪ 特性
• 通过电磁频谱传播信号
• 没有物理“线路”
• 双向传输
• 传播环境影响:
– 反射
– 被障碍物所阻隔
– 干扰
▪ 无线链路类型:
• 地面微波：可达45Mbps
• 无线局域网：
2/11/54Mbps
• 无线广域网：如3G/4G
• 卫星
– 可达45Mbps的信道 (或 多
个较小的信道)
– 270毫秒的端到端延迟
– 同步卫星vs低纬度卫星
❖网络核心
▪ 数据传输的方式
电路交换、分组交换
❖ 第一代计算机网络——电路交换网络
▪ 数据交换过程
• 第一步：建立连接；第二步：交换数据；第三步：释放连接
▪ 电路交换的特性
• 电路交换网络中（数字通信）
– 电路---一条连接（信道）
– 链路---多条电路
• 数据交换前需建立起一条从发端到收端的电路（预留资源）
• 在数据交换的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输信道
• 交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟
❖ N 部电话机两两相连，需N ( N – – 1)/2对电线。
❖在这里，“交换”(switching)的含义是：
▪ 转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
❖从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
❖ 电路交换中的复用
时分复用（TDM ）、频分复用（FDM）
应用层
每个网络应用进程都有一个属于自己的套接字，该套接
字在整个因特网上独一无二
◆ 主机地址：标识该网络应用进程运行在因特网上哪一台主机上，
通常使用32位的IP地址进行标识
◆ 端口地址：在该主机上标示该网络应用进程，通常使用16位的
端口号进行标识
◆ e.g.，WEB Server：80；Mail Server：25；
◆ 所以套接字的长度为48位
协议
◆信息表达的协议——HTML
◆信息传输的协议——HTTP
◆Web 页面由一些对象组成。
◆对象可以是HTML文件，JPEG图片，音频文件，
Java Applet……
◆HTML文件是Web页面的基础，它可以包括各种各
样的对象，是一个容器对象
◆任何一个对象都可以用 URL来定位
DNS系统，用于IP地址和域名之间的转换
运输层
网络层：数据平面
为实现从源主机到目标主机成功的移动数据分组，整个
路径上的每一台分组交换机（设备）上均需实现网络层
分组交换机（设备）的分类:
根据链路层首部信息进行转发的——链路层节点交换机
根据网络层首部信息进行转发的——路由器
网络层与运输层相应服务的区别
网络层是向运输层提供主机到主机的服务，而运输层是
向应用层提供进程到进程的服务
网络层仅提供上述两种服务中的一种，不同时提供两种，
而运输层则同时提供两种
运输层的服务在网络边缘的端系统中实现，而网络层的
服务则在整个网络中实现，含路由器
信令协议
用于建立、维护以及断开虚电路
用于 ATM, 帧中继, X.25网络
今天的因特网已经不再使用该协议
虚电路 vs 数据报
虚电路网络：聪明的网络，愚笨的终端
数据报网络：简单的网络，复杂的终端
互联不同类型的网络更加容易
启用新服务的速度更快，更简单
路由器的两个关键组成
运行路由算法协议（RIP、OSPF、BGP）
从入口到出口的转发
输出端口
缓存管理：当交换结构将分组交付给输出端口的速率超
过输出链路速率时
调度原则：在数据报队列中选择数据报进行传输
子网掩码
作用：对外隐藏子网的存在，对内指示网络号和子网号的位置
获得方法：通过在网络号的子网号相应的位置全置1，主机号相
应的位置全置0，即可得到子网掩码
(IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址
引入子网掩码后的寻址
采用子网掩码后，路由器的寻址过程将演变成一个两级寻
址过程：
★ 检查分组目的IP地址中的网络号：若网络号不是本网络，
则从路由表中找出相应的转发结点地址将其转发出去。
★ 检查子网号：当网络号是本网络时，路由器将检查子网
号，向相应的子网转发此分组。
CIDR编址格式
IP地址 ::= {<网络前缀>, <主机号>}
斜线记法：192.168.0.1/24
简写记法：10.0.0.0/10 ——> 10/10
获取网络地址
80
Q: 一个网络如何获得一块地址？
A:从ISP的地址空间中获得。
Q: ISP 如何获得整块地址?
A: ICANN: Internet Corporation for Assigned
Names and Numbers（因特网名字与号码分配
团体）
分配IP地址
管理 DNS
分配域名, 解决域名纠纷
DHCP属于应用层协议，并且使用的是UDP协议的应用层协议
DHCP协议并不仅仅只能获取IP地址
网关地址
DNS地址
子网掩码
一般意义大家都认为nat工作在网络层
但是要结合传输层共同来实现
三种地址转换方式
静态NAT：一个本地地址对应一个全球地址
动态NAT：一个全球地址对应多个本地地址
端口NAT：一个本地地址的端口对应到一个全球地址的端口
NAT使用中的争议
端口号是用于进程编址的，而不是用于主机编址的
路由器仅应当处理高达第三层的分组
NAT协议违反了端到端原则，即主机彼此应相互直接对话
，节点不应介入修改IP地址和端口号
应使用IPv6来解决IP地址短缺问题
IPv4面临的问题
地址空间消耗很快
虽然NAT减少了IP地址的需求量，或者扩大了IP地址的数量
首部长度不定（20-40字节），中间结点（路由器）需要
消耗相当资源用于分组处理
缺少QoS
安全性不够高
网络层：控制平面
链路层和局域网
时隙ALOHA
优点：
❑ 单个活动节点能以全
速R连续传输
❑ 高度分散：时隙只在
节点同步
❑ 简单
缺点：
❑ 碰撞，浪费时隙
❑ 时隙空闲
❑ 节点需要在分组传送时
间以内检测到碰撞
❑ 时钟同步
纯ALOHA
◼ 非时隙ALOHA：简单，不需同步
◼ 当帧首次到达，节点立刻传送
◼ 碰撞可能增加
注意:
距离和传播时延在检测碰撞时起决
定性作用
CSMA 比较
❑ 非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期的
这段时间。
❑ 1坚持：容易在上述这段时间产生冲突。
❑ P坚持：可以在一定程度上克服这些缺点，但却
很难选择一个能用于各种通信量强度的P值。所
以在实际网络中常选择1坚持。
对于共享介质能做什么?
❑ 信道划分，基于时间、频率、编码
◼ 时分，频分
❑ 随机划分 (动态),
◼ ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
◼ 载波侦听:有线“易行”、无线“困难”
◼ CSMA/CD 用于以太网
◼ CSMA/CA 用于 802.11
❑ 轮流
◼ 主节点轮询，令牌传递
无线网络和移动网络
计算机网络中的安全
多媒体网络