计算机网络 Computer Networks

计算机网络Computer Networks

主讲：洪佩琳、薛开平[email protected]

辅导：叶浩http://if.ustc.edu.cn/~kpxue/network

教科书和参考书Textbook & Reference

Textbook: Andrew S.Tanenbaum, Computer Networks, 4rd ed, Prentice

Hall, 2003 中文版：“计算机网络” ( 第 4 版 ) ，潘爱民译，清华大学出

版社 References: 1. Larry Peterson, Computer Networks: A Systems Approach, 2nd ed, Mo

rgan Kaufmann, 2000 2. JAMES F.KUROSE,KEITH W.ROSS ，“计算机网络——自顶向下方法与 I

nternet 特色” （第 3 版影印版），陈鸣等译，机械出版社， 2005 3. 谢希仁“计算机网络”，电子工业出版社， 2003

课程安排和成绩评定课程安排： 54 学时授课， 20 学时实验成绩评定：

期末考试 70% 平时作业 10% 实验成绩 20%

课程内容 Contents of the Course1. 概述2. 网络的体系结构与参考模型3. 物理层4. 数据链路层5. 局域网与媒体访问控制6. 网络层7. Internet & TCP/IP8. 传输层9. 应用层10. 网络安全

什么是计算机网络？通过同一种技术（通信线路和网络设备按某些协

议）相互连接起来的（具有通信功能的）一组自主计算机的集合 [1] 。

什么是因特网（ Internet ）？指全球最大的、开放的，由众多网络相互连接而成的计

算机网络，它由美国阿帕网（ ARPAnet ）发展而成，主要采用 TCP/IP 协议。（ 96 年的定义）

起源：美国阿帕网（ Advanced Research Projects Agency Network ）

协议： TCP/IP—— 版本升级端系统：计算机——手机、电话、 PDA 、信息家电、汽车等

Chapter 1 概述 1.1 国际 Internet 的发展史 1.2 中国 Internet 的发展史 1.3 IPv6 发展史 1.4 Internet 的应用 1.5 当前 Internet 的研究热点 1.6 网络的标准和标准化组织

1.1 国际 Internet 的发展史 Internet—— 因特网（国际互连网，互联网（ internet ））

指全球最大的、开放的，由众多网络相互连接而成的计算机网络，它由美国阿帕网（ ARPAnet ）发展而成，主要采用 TCP/IP 协议。

历史 1969 年起源于美国国防部高级研究计划署的 ARPAnet 1979 年，研究开发 TCP/IP ， 80 年代 TCP/IP- 》 UNIX 1985 年，美国国家科学基金会 NSF 投入 TCP/IP 的研发，建成

NSFNet 90 年代后， Internet 飞速发展，入网的用户数呈指数增长 93 年美国政府提出建立信息高速公路（国家信息基础设施， NII ， N

ational Information Infrastructure ），一个贯通全美各大学、研究机构、企业及家庭的全国性网络。之后， GII （ Global Information Infrastructure ）在全球掀起

1997 年 7 月，美国提出了 NGI （ Next Generation Internet ） 2005 年美国 NSF 启动 GENI （ Global Environment for Networki

ng Innovation ）和 FIND (Future INternet Design)

详细可参见 IEEE Infocom 2006 keynote speech, UCLA 大学， Len Kleinrock 教授 "The Internet History, Development and Forecast" http://www.comsoc.org/video/inform/06/index.html

1.2 中国 Internet 的发展史 1989 年 9 月，国家计委向世界银行贷款建设中关村地区教育与科研示范网络（ NCFC ， The National Computing and Networking Facility of China ）， 1992 年 NCFC 工程全部完成。（后改名中国科技网 CSTNet ）

1994 年 5 月， NCFC 代表中国正式加入 Internet ，向 InterNIC注册 CN 域名。

1994 年 9 月，中国公用计算机互联网（ Chinanet ）建设正式启动， 96 年 1 月正式开通。

1994 年 10 月，中国教育科研网（ Cernet) 开始启动。 1996 年 9 月，中国金桥网（ ChinaGBN)正式开通。 1997 年， Chinanet 与 CSTNet 、 Cernet 、 ChinaGB

N 互连互通。

第一章：概述第一章：概述

1.2 中国 Internet 的发展史（续） 1997 年底，中国互联网络信息中心 (CNNIC) 发布了第一次《中国互联网络发展状况统计报告》：截止到 1997 年10 月 31日，中国共有上网计算机 29.9万台，上网用户数 62万， CN 下注册的域名 4066 个，WWW站点约 1500 个，国际出口带宽 25.408M。

2001 年底， CNNIC 第一次发布《中国互联网络带宽调查报告》。截至 2001 年 9 月 30日，中国国际出口带宽达到 5724M。

2006 年 1 月， CNNIC 第十七次统计报告：中国共有上网计算机总数 4950万台，用户数 11100万， CN 下注册的域名 1096924 个，WWW站点约 694200 个，国际出口带宽 136,106M.

网络出口带宽（截至到 2006 年 1 月）

总出口带宽： 136,106M，其中：中国科技网（ CSTNET):15120M 中国公用计算机互连网（ CHINANET):70622M 中国教育科研计算网（ CERNET) ： 4064M 中国联通互联网（ UNINET):3652M 中国网通 :38941M 中国移动互联网（ CMNET):3705M

第一章：概述第一章：概述参考站点 http://www.cnnic.com.cn

Cernet 的网络结构


CERNET 拓扑结构


1994 年主干结构FDDI 主干24 个 10M 子网IP 、 IPX 协议

中国科大校园网主干修改结构图 2002

核心层分

布层接

入层接

入层

CoreBuilder 9000 7-Sl

ot

CoreBuilder 9000 7-Sl

ot

CoreBuilder 9000 16-Slot

CoreBuilder 9000 16-Slot

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

CoreBuilder 3500

SuperStack II 3300

SuperStack II 3300

SuperStack II 3300

SuperStack II 3300

SuperStack II 3300

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SuperStack II 3300

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SuperStack II 3300

千兆光纤

百兆光纤

SiSi Cisco 3550


出口控制

InternetInternet

NAT

家庭 / 出差人员

PSTN/VPNPSTN/VPN电信 / 网通出口

西区Catalyst 6509 super720

东区Catalyst 6509 super720

Catalyst 3750 Catalyst 3750

万亿次高性能计算机

教育网

服务器群

Catalyst 3750

中国科大 2005 年网络改造示意图

CNGI-CNGI-CERNET2CERNET2

IPv6 出口

图书馆

万兆 +IPv6+MPLS

1.3 IPv6 发展史 IPv6 is sometimes also called the Next Generation Internet Protocol or IPng. 国际：

IPv6 was recommended by the IPng Area Directors of the Internet Engineering Task Force at the Toronto IETF meeting on July 25, 1994 in RFC 1752

The core set of IPv6 protocols were made an IETF Draft Standard on August 10, 1998. ， RFC2460,“Internet Protocol, Version 6 (IPv6),DEC,1998 Specification ”

1996 年 3 月国际 IPv6 主干网（ 6bone) 建成国内：

1998 年 4 月， CERNET正式参加下一代 IP 协议 (IPv6)试验网 6BONE。 8 月国家 863 计划启动“ IPv6示范系统”

2002 年 1 月 ,国家启动“下一代互联网中日 IPv6 合作项目”。 2003 年 8 月，国务院批复同意国家发改委等八部委 "关于推动我国下一代互联网发展有关

工作的请示 "，正式启动 "中国下一代互联网示范工程 CNGI"。建设目标是在 2003 年到 2005 年的时间内，采用 IPv6 技术，完成 CNGI 主干网（覆盖 20 个城市 30 个核心节点）

中国联通，北京、成都、广州、上海、昆明、郑州、济南中国网通和中科院联合中标，北京、上海、广州、沈阳、长春、成都、兰州等 7 个节点的核心网建

设中国电信，关注现网过渡、兼容等问题中国移动，关注移动应用中 IPv6 的引入 CERNET2试验网已经开通，目前以 2.5G 的速度连接北京、上海和广州三个核心节点

北京

郑州

西安

武汉合肥上海

杭州

广州

成都

沈阳

天津

重庆

济南

厦门

大连

长春哈尔滨

长沙

南京

兰州

10G

2. 5G

用户接入网用户接入网用户接入网

用户接入网用户接入网

用户接入网

用户接入网


用户接入网

用户接入网

用户接入网

用户接入网

用户接入网用户接入网


CERNET2网络结构图

用户接入网

CERNET2 拓扑结构CERNET2 拓扑结构

10Gb/s 传输速率

1.4Internet1.4Internet 的应用的应用1.4Internet1.4Internet 的应用的应用第一章：概述第一章：概述

Internet (Globalinfrastructurefor information

which uses TCP/IP

Communication)

Internet (Globalinfrastructurefor information

which uses TCP/IP

Communication)

信息家电Information Appliance

Electroniccommerce

Remote Education

Telemedicine

Digital video/audio/applications download

Videoconferencing

Remotecontrol

传统应用Electronic mailFTPTelnetWWW

Distributeddatabases

IP PhoneVideo Phone

Interconnectionof networks(Intranets ， VPN)

视频会议

FAXTEL

PBX

Hospital

Telemedicine

University

Remote Learning

Home

TEL

control

应用的通信模式由

C/S => p2p

通信对象由

人与人 => 人与机器，机器与机器

智能交通Intelligent Transportation Systems

什么是 P2P

Client A Server

Client B

Client C Client D

Client E

Client X

Client Y

Peer A

Peer B

Peer C Peer D

Peer E

Peer X

Peer Y

集中式动态性低简单，高效扩展性差

全分布式高动态性复杂，开销大扩展性好

纯 P2P(Pure P2p)

Overlay

P2P 是实际物理网络之上的一个逻辑网络（或者称 overlay)

Overlay 层的构建只是为了进行 P2P 中索引信息的查找

实际的文件等信息的获取仍然在物理网络中传输 Peer D

Peer C

Peer B

Peer A

Peer Y

Peer X

Peer E我要找电影< 无间行者

>

< 无间行者 > 的索引在

这里

索引请求

索引结果

< 无间行者 >在这里

内容请求

1.5当前 Internet 的研究热点体系结构—顶层设计

NGI 与 NGN 新一代网络协议， IPv6

骨干网全光网络

光交换（光分组交换，光波长交换，光突发交换）光传输，例如WDM （ wave division multiplexing)

MPLS多协议标记交换服务质量（ QoS ）控制 , 高速路由交换技术

接入网：移动、无线网络 802.11,Wi-Mesh ， 802.16系列， 3G（ B3G,4G）移动 Ad hoc 网络，传感器网络

应用层覆盖网络， P2P （文件共享，流媒体）

网络安全


Radio Access

Mesh路由器

Internet

Mesh路由器

Mesh路由器

Mesh路由器Mesh路由器

Mesh路由器

Mesh路由器

Mesh路由器

体系结构 -协议栈

Wireless Users

TelephoneUsers

PSTN

MGW

Softswitch

xDSL

DSLAM

IP over DWDM QoS enabled IP Network

无线通信

Internet

Internet Services

DTN

DTN GW

IPDWDM

IPwlan

UDPSIP

空间网络

Wi-Mesh

Wi-Fi

GPS

Servers

IP Core Network

以太网802.3

无线网络802.11/806.16

IP core

DB

DNSSIP Web

GIS


Servers

IP Core Network

以太网802.3

无线网络802.11/806.16

IP core

Applications DB

DNSSIP

WebGIS

IPIP互联互联//路由路由

物理网络局域网/城域网


应用层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

资源子网（信息共享，处理）

通信子网（信息传输，路由）

网络的演变和变革资源子网

信息的共享，处理 -> 信息的查询，路由如：应用层组播， P2P （已经实用化）

通信子网信息的传输，路由转发 ->处理如：主动网络，网络编码

1.6 网络的标准和标准化组织 1. 标准化的必要性及类型

事实标准：没有正式规划，由一些大厂商产品形成的标准。法规标准：由一些权威标准化组织制定的标准。

2. 国际标准界最有影响的组织国际电信联盟 ITU （如 H.323 ， G.723.1 等） (http://www.itu.int) 国际标准化组织 ISO (http://www.iso.org) 电气电子工程协会 IEEE （如 IEEE 802 ） (http://www.ieee.org)

3. Internet 的标准化组织 Internet工程任务组 IETF （如请求评注 RFC ） (http://www.ietf.org) Internet研究任务组 IRTF

4. 其他组织各种论坛 Forum （如 ATM Forum ， http://www.atmforum.com ）美国国家标准协会 ANSI 地区标准化组织（如欧洲、日本的一些标准）

What was the first message even sent on the Internet?

1844 年，电报发明人 Morse 的第一份电报“ What hath God Wrought”

1876 年，电话发明人 Bell 的第一句电话 “ Watson, come here. I want you. ”

1969 年， Armstrong登上月球的第一句话“ One Giant Leap for Mankind. ”

It was simply a LOGIN from the UCLA computer to the SRI computer.Nobody noticed!!

1969 年 12 月的 ARPAnet

单位机型 OS

UCLA( 加州大学洛杉矶分校 ) SDS Sigma 7 SEX

SRI( 斯坦福研究所 ) XDS-940 Genie

UCSB( 加州大学圣巴巴拉分校 ) IBM 360/75 OS/MVT

UTAH( 犹他州立大学 ) Digital PDP-10

TENEX返回

1988年的 NSFNet

返回

接入因特网的主机数


This large graph shows the router level connectivity of the Internet as measured by Hal Burch and Bill Cheswick's Internet Mapping Project

返回

6BONE

CERNET

返回

1.6 信息通信网的发展过程——“三网合一，三网融合”＝》“ NGI & NG

N”


电信网

公用数据网

无线网

有线电视网

计算机局域网

因特网

1835年电报网

1876 年模拟电话网 3.4KHz

1960 年程控电话网 64Kb/s

1988年ISDN192Kb/s-2Mb/s

1992 年B-ISDN155Mb/s-622Mb/s

1976 年分组交换网 9.6Kb/s-64Kb/s

1990 年帧中继网 2~45Mb/s

80 年代模拟移动

90 年代GSM

2000 年W-CDMA （ 3GPP ） CDMA2000 （ 3GPP2 ）

70 年代 CATV

1994 年HFC

70 年代10BASE-5

10Mb/s

80 年代FDDI100Mb/s

90 年代初 100BASE-T100Mb/s

90 年代中ATM-LAN

97 年GBE1000Mb/s

1969 年ARPA

1982 年TCP/IP

1992 年IPv6 ， RTP

RSVP

1996 年第 3,4 层交换

1998年IP OVER SDHIP OVER WDM

NGN

2000 年光交换网Gb/s-Tb/s

软交换

450MHz

60ch. 模拟 TV

750MHz~1GHz

200ch。数字 TV cable modem

IP

NGI

21世纪初

B3G/4G

1997802.11 （ WiFi ）

21世纪初期 WPAN/WLAN/WMAN802.16 （ WiMAX）

网真Cisco ： Telepresence （２００６ .12 ）

HP ：

Halo Collaboration Studio （ 2006.8）

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用手机遥控你的家日本电信电话公司下属的移动电话系统公司新近开发出“手机遥控居家系统”。用户可使用手机通过因特网照顾家中的各种事务，如开关窗户和照明灯、监视人员出入等。如出现问题，家中设备会自动通过电子邮件向主人报警。

“ 机警”的便携“侦探” 配有全球移动电话系统 (GSM) 和全球定位系统 (GPS)的手机，能使你时时掌握宠物的动向。

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目前主要功能：电话、短信、照相、游戏、股票交易、电视

身份识别、电子支付

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信息化社会带来的影响生活丰富多彩

工业化社会——物质享受信息化社会——精神享受，双刃剑

经济生活日益变化产业结构的变革

社会功能不断充实新的法律、法规急需出台

国际间合作更加密切 “地球村”

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