Internet 原理与技术

1. 清华大学计算机基础教育课程系列教材 赵锦蓉 编著 Internet 原理与技术

2. 第1章 计算机网络的基本概念(2学时) 第2,3,4章 数据通信基础(3) 第5-8章 物理网络技术(6) 第9章 Internet网络层(2) 第10章 Internet传输层(2) 第11,13-18章 Internet应用层服务(15) Internet原理与技术 • Internet是如何发展起来的？ • Internet是如何工作的？ • Internet目前在研究什么？

3. 第1章 计算机网络的基本概念 • 什么是计算机网络？ • 网络协议与分层模型 • 计算机网络技术的发展历史 • 计算机网络的国际标准化组织

4. 什么是计算机网络？ • 局域网LAN(Local Area Network) • 广域网WAN(Wide Area Network) • 互联网internet：是由多个物理网络(局域网和/或广域网)互联而成, 是网络的网络。 • 全球互联网 Internet • 组成计算机网络的部件 • 信息在网上怎样传输—包交换 (packet switching)

5. 局域网 (LAN) 局域网：在一栋或相邻的几栋大楼内。以太网( Ethernet)、令牌环网( token ring)、光纤分布式数据接口FDDI、无线网等。公共传输信道，广播式通信。下图是集线器连接的双绞线以太网。

6. 广域网 (WAN) 广域网：覆盖一个城市, 国家, 全球。ATM网, 帧中继网, X.25包交换网, 接口报文处理机IMP互连的ARPANET。点到点互连，点到点式通信。

7. 通过modem及电话线连网 计算机通过调制解调器及电话线连网，这是目前家庭的重要连网通信方式。

8. 互联网internet 路由器 以太网 ATM网 以太网 FDDI 令牌 环 环 PPP/TDM 以太网 以太网

9. 组成计算机网络的部件：网络结点 (主机和通信设备)，传输介质 • 主机—网上的计算机称为主机(host )，主机插上网络接口卡，通过传输介质连到通信设备的端口。还要有什么？ • 通信设备—为主机转发数据。有交换机 (ATM交换机、帧中继交换机、X.25包交换机)，集线器，网桥，调制解调器，路由器等。 • 传输介质—有线介质( 双绞线、同轴电缆、光纤)，无线介质。

10. 信息在网上怎样传输—包交换(packet switching) 从基于线路交换的电话网到基于包交换的计算机网，这是通信领域最根本的革命。IP电话…。 用 户 数 据 包头 数据 包头 数据 包头 数据 包 包 包

11. 信息在网上怎样传输 —包交换(packet switching) (续) • 封装：数据分成大小适当的块，每个块加上包头构成一个包(packet)或称分组。 • 包由包头(header)及数据(data)组成，像一封传统的信件，包头像信封，数据即内容。 • 包头包括接收者和发送者的地址或路径信息，以及其它包传输控制信息。 • 包交换：从发送主机沿某路径到达接收主机，由途经的网络结点收下整个包，作短暂存储，选择路径，转发到下个结点。

12. 包交换技术(packet switching)数据报方式:为每个包单独选择路径 B X A 1 E Y 2 C 3 D F G

13. 包交换技术(packet switching)虚电路方式:在源和目标间先建立路径 B X A E Y C D F G

14. 优点： 共享(不是独占)通信线路 通信成本低 充分利用线路带宽 可采用虚电路(virtual circuit)方式通信 缺点： 传输时延 (delay) 时延抖动 (delay jitter) 拥塞 (congestion) 差错和丢失 包交换的优点和缺点—相对于线路交换 (circuit switching)

15. 网络协议与分层模型 • 什么是通信协议? (communication protocol) • 通信协议为何要分层? • OSI七层参考模型 IBM 的 SNA 网络协议是七层的 • TCP/IP协议体系

16. 什么是通信协议？ • 通信双方的信息交换规则和约定。 • 协议的内容包括包头的语法和语义。 • 包头的语法：长度、格式、分几个字段、每个字段有几位等。 • 包头的语义：每个字段表示什么控制信息，通信双方如何处理。例如差错检测、差错控制、通信流量控制、路由选择等。 • 时序：控制信息交互顺序等。

17. 通信协议为何要分层？ • 复杂的大问题分割成小问题来处理。 • 模块化的设计和实现。层次按功能划分。 • 每层利用下层提供的功能，并为上层提供服务。 • 各层的设计、实现、测试可独立进行。 • 每层有多个协议，多个层合成一个协议栈。协议栈和上下层关系称协议体系。

18. OSI七层参考模型 协议数据单元 PDU 应用层 A AH 数据 应用层 A (Protocol Data 表示层 P PH APDU 表示层 P Unit) 会话层 S SH PPDU 会话层 S 传输层 T TH SPDU 传输层 T 网络层 N NH TPDU 网络层 N 数据链路层 数据链路层 DH NPDU D D 物理层 DPDU 物理层 网络

19. OSI七层参考模型(续) • 应用层：本层提供用户对网上资源的访问服务，如电子邮件、文件传输等。 • 表示层：定义用户或进程交换数据的格式，如数据转换、数据压缩、数据加密。 • 会话层：为进程之间建立和管理会话。 • 传输层：本层确定向进程提供何种端到端传输服务，如可靠、顺序、无丢失等。

20. OSI七层参考模型(续) • 网络层：NPDU一般称为包 (packet)，本层主要为包确定从源主机到目标主机的路径。本层和本层以下的功能由主机和中间结点共同完成。有连接(虚电路)…。 • 数据链路层：DPDU一般称为帧 (frame)，本层处理介质直接连接的结点之间的帧传输。从物理层接收二进制位流、识别帧界、差错检测、差错控制、流量控制。

21. OSI七层参考模型(续) • 物理层：这是七层模型的第一层，即最底层。本层处理二进制位流，描述网络硬件接口的机械、电气、功能、过程特性：如多少针 (25针、9针等)，每针的用途，位的表示，位的速率，接口电路的功能，位的传输/接收过程等。 作为标准OSI是失败的, OSI产品也没有流行起来, 但是它的确提供了一个参考模型。

22. OSI参考模型(续)包的传输过程，交换机(路由器)实现下三层OSI参考模型(续)包的传输过程，交换机(路由器)实现下三层 发送主机 接收主机 应用层 应用层 表示层 表示层 会话层 会话层 路由器 路由器 传输层 传输层 网络层 网络层 网络层 网络层 数据链 路层 数据链 路层 数据链 路层 数据链 路层 物理层 物理层 物理层 物理层

23. OSI参考模型(续) • 对等层 (peer) 的概念：发送主机的第 N 层所发送的包由接收主机的第 N 层处理，它们之间的通信遵循对等层协议，即第 N 层协议。 • 协议、服务、接口的概念：每层协议利用下层协议的功能，并为上层协议提供服务，每层协议只完成部分功能，层层功能叠加，协议栈全体才完成全部功能。

24. TCP/IP协议体系 TELNET, FTP, SMTP, HTTP... SNMP, DNS,... 应用层 TCP UDP 传输层 网络层 IP 局域网：以太网, 令牌环网, FDDI, 无线网 广域网：ATM, X.25, 帧中继, PPP/TDM PPP RS-232

25. TCP/IP协议体系(续) 网络层以下(没有规定)可以是多种物理网络：局域网、广域网、调制解调器＋电话网、……。 • 局域网是两层：物理层和数据链路层。 • 广域网中：X.25是三层，帧中继是两层，ATM看作三层，PPP/TDM看作两层。 ( PPP/TDM 指路由器通过点到点的协议 PPP，以及电信网的时分多路复用 TDM 线路互连。) • 调制解调器＋电话网是 PPP/RS-232 两层。

26. TCP/IP协议体系(续) • 网络层：IP 提供“尽力而为 (best effort)”数据报传递服务。它无连接，为每个包确定路径，不保证可靠，即包可能损坏、丢失、错序、重复。它只要求物理网络提供最基本功能传输包。因而能灵活、健壮地互联各种物理网络。 • 传输层：TCP 提供进程间可靠传输服务；UDP提供进程间数据报传输服务，不保证可靠，也尽力而为。 • 应用层：为不同应用进程提供通信服务。

27. TCP/IP协议体系(续)—应用层协议 • 远程登录协议 TELNET (TELecommunication NETwork) • 文件传输协议FTP(File Transfer Protocol) • 简单电子邮件传输协议SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) • 超文本传输协议 HTTP (HyperText Transfer Protocol) • 简单网络管理协议 SNMP (Simple Network Management Protocol) • 域名系统 DNS (Domain Name System)

28. TCP/IP协议体系(续) • TCP/IP可以看作五层协议模型。(也有四层的说法：IP下面是设备驱动程序，它是物理网络接口和网络协议软件之间的接口层。) • TCP/IP协议体系是两头大中间小双漏斗模式，中间IP, TCP和UDP, 物理网络和应用五花八门。 • 各种物理网络用网关互连，网关实现包的转发，以及不同物理网络的协议转换。网关是老名称，现在叫(IP)路由器。 • TCP/IP的基本设计目标就是将各种物理网络可靠地互联, Internet就是多种网络的互联网。...

29. TCP/IP协议体系(续) 主机 主机 D：数据链路层P：物理层 应用层 应用层 TCP, UDP TCP, UDP 路由器 路由器 IP IP IP IP D1 D1 D2 D2 D3 D3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 路由器互连物理网络

30. TCP/IP协议体系(续)

31. 计算机网络技术的发展历史 • 从主机终端网到ARPANET • OSI七层模型 • PC机和局域网 • Internet的发展历史 • Internet主干网技术的发展 • NGI 和 Internet2 • Internet 的文化

32. Internet 的发展历史 • 1969年底建成4个结点的ARPANET，这是第一个包交换网，也是Internet的开始。包交换理论是MIT的 Leonard Kleinrock 在60年代发展的。 ARPANET的 IMP是第一个包交换路由器，由BBN公司建造，它们用租用的电话线连接。第一个IMP在1969年9月安装在UCLA，3个月后另三个安装在SRI, UCSB和Utah大学。1971年连接23个主机和15个IMP, 包括MIT、Harvard等。同年AlohaNet 在Hawaii大学建立, 它使用无线链路，在4个岛的计算机之间广播数据。

33. Internet 的发展历史(续) • 1969～1983：研究试验阶段。ARPANET 原使用NCP提供主机到主机的可靠通信...。1972年 Robert Kahn 建议建立开放协议标准，1973年Vinton Cerf 和 Kahn 设计了TCP的第一个草案，后来决定把寻径、转发和可靠传输分成两层，即 IP 和TCP。1972年BBN的 Ray Tomlinson发明了 email，选符号@ 连接用户名和地址。70年代中TCP/IP开始稳定。1983年1月ARPANET上所有系统完成从NCP 向 TCP/IP 转换。

34. Internet 的发展历史(续) TCP/IP与Unix 的集成是驱动Internet的重要事件：DARPA资助项目将 TCP/IP 加到UCB的Unix，即 BSD Unix，即 Unix 的 public-domain 版本。文档标准变成运作软件，自由分发。TCP/IP 迅速繁殖，大学、公司开始建立 TCP/IP 网。... • 1983～1994：Internet在教育、科研领域发展和使用。在80年代中NSF开始设计和建立横穿美国，连接5个超级计算中心和国家大气研究中心的国家主干网 NSFNET，并资助建立地区网。NSFNET代替ARPANET成为Internet的主干网。

35. Internet 的发展历史(续) 1989年NSFNET主干网从原先的 56kbps 升级到T1(1.544Mbps)，连接了上千个网。1990年主干网升级到T3 (45Mbps)，ARPANET停止运转。Internet上的应用：email, ftp, telnet 到WWW。1988年Internet被蠕虫入侵，影响6000到60000台主机，蠕虫事件后建立了计算机应急小组CERT (Computer Emergency Response Team)。 • 1994年以后 Internet 商业化。由公司提供主干网服务，NSF不能资助商业活动。

36. Internet的发展是曲折的 • 国际标准化组织ISO从1977年开始致力于网络协议国际标准化工作，1984年发表OSI七层协议参考模型，并陆续制订了各层协议标准…。欧洲电信部门和美国政府曾大力推动…。 • 1984年CCITT提出完全数字化的线路交换电话网的第一个标准，也称综合业务数字网 ISDN，综合话音服务和数据通信服务。但它最终没有能代替迄今使用的数字和模拟混合的电话网。其基本速率是64kbps，在90年代这个速率对计算机网来说太低了，它是线路交换...。

37. Internet的发展是曲折的 • 国际电信联合会电信标准部 ITU-T 在1988年公布宽带综合服务数字网 B-ISDN 的模式及规范，它是第二代ISDN，它基于ATM 信元交换技术，是包交换。曾希望用ATM来统一电话网、电视网、计算机网，即三网合一。但ATM交换机价格昂贵，在局域网无法与 10/100/1000Mbps 以太网竞争。ATM曾用于 Internet的主干网...。随着新技术的发展，ATM担当三网合一重任的神话已经破灭。

38. Internet 主干网技术的发展 • ARPANET到NSFNET，80年代末56Kbps升级到1.5Mbps。90年代初主干网升级到45Mbps。 Internet 爆炸式增长，带宽...。 • 90年代ATM技术发展...，90年代中NSF和MCI合作建立主干网 vBNS (1995提供服务)，采用 IP overATM over SONET/SDH 技术，最初是155Mbps，后来升级为 622M bps。问题...，随着新技术的发展，这种主干网技术已不再风光。

39. Internet 主干网技术的发展(续) • 1996年～1997年间开始高速交换路由器的研究，采用交换结构、并行处理技术。千兆位交换路由器GSR、太位交换路由器TSR的出现消除了路由瓶颈。IP over PPP over SONET/SDH (简称 IP overSONET/SDH或 POS：Packet Over SONET/SDH）在Internet主干网上取代了ATM。例如：vBNS＋。ATM 的路由器接口最快622Mbps，POS 路由器接口可达2.5Gbps, 10Gbps。

40. Internet 主干网技术的发展(续) • 光密集波分多路复用 DWDM 技术进一步提高了网络传输速率，在一根光纤上同时传输多个不同波长的信号，对应不同信道(2，…，160个信道...)，信道速率2.5Gbps、10Gbps。发展了IP over DWDM，近年对全光交换设备, 光互联网研究十分活跃。 主干网速率从56kbps到1.5Mbps到45Mbps到155M bps到622Mbps到2.5Gbps…， IP、TCP 照常维持运作，反映协议的有效、灵活、可扩展, 但…。

41. Internet面临的问题—网络拥塞，IP地址紧缺，网络安全，服务质量等等Internet面临的问题—网络拥塞，IP地址紧缺，网络安全，服务质量等等 • 32位IPv4地址空间将耗尽，另一严重的问题是主干网路由器的路由表爆炸，目前已超过10万表项。IPv4地址估计能用到2008年。长远要采用IPv6，IPv6比 IPv4有更长(128位)的地址，从 IPv4 平滑过渡到 IPv6非常重要。过渡到IPv6 耗资巨大?! 美国拥有全世界IPv4地址的74％…。 • 网络安全一直是Internet薄弱环节，TCP/IP有很多安全漏洞，随着Internet规模扩大和商业化安全问题更突出，Internet对恶意攻击是脆弱的…，不断打补丁。

42. NGI 和 Internet 2 • 美国联邦政府1996年公布下一代Internet计划 NGI (Next Generation Internet)，其三个主要目标是：指导先进网络技术研究，包括服务质量保证，数字影像流，网络可靠性、健壮性和安全性；高性能网络基础设施原型，速率为当前Internet的100~1000倍；发展新应用...。 • 1996年由大学牵头为教育和科研确立创建下一代网络应用和技术，即 Internet2，当前包括200多所美国大学、工业界及政府部门。 Internet2 的主干网是 Abilene(2.5Gbps)。

43. Internet的文化 • Internet 在不断变化、发展、更新之中。 • Internet 的成功部分是由于它的文化，即开放,合作。Internet 的管理、运作、发展是成千上万个人和机构合作努力的结果。 • 没有一个机构拥有或统治Internet，它允许成千上万个机构的人参与，并对它的前进作出贡献。 • Internet 的活动中心是IETF。

44. 计算机网络国际标准化组织 • 联合国的国际电信联合会下属电信标准部 ITU-T 的前身是CCITT，它是一个官方组织，每个国家政府是它的正式成员。它制订了 V.24 (RS-232)、X.25、基于ATM 的 B-ISDN 等。 • 国际标准化组织 ISO建于1946年，发布的标准范围广，有12000多，制订了OSI参考模型，它是志愿性组织，但70%成员是政府标准化机构。 • IEEE802委员会主要制订局域网标准。 • 工业界人士组成的志愿性论坛：ATM论坛、帧中继论坛、光互联网论坛等。

45. 计算机网络国际标准化组织(续) • Internet标准的研究管理机构 －IETF是开放的国际性标准化团体 －TCP/IP协议标准发表在RFC文档 －Internet协议的标准化进程 (2001年IEEE802决定：其标准在正式通过6个月后开放，即可免费下载。ITU-T正规，IETF完全开放，IEEE802介于两者之间，它的标准最后要由成员投票通过。)

46. Internet标准的研究管理机构 Internet SOCiety IAB 定义Internet体系 RFC编辑 IESG IANA ICANN IETF

47. Internet标准的研究管理机构(续) • Internet工程特别任务组 IETF (Internet Engineering Task Force)是 Internet标准协议开发的主要团体。 • Internet 体系委员会 IAB 指定 IETF主席。 • IETF 的技术工作是由许多工作组 WG (Working Group)完成的。工作组分应用、网络管理、路由、安全、传输、用户服务等领域。 • IETF主席和领域主任组成 Internet 工程指挥组 IESG (Internet Engineering Steering Group)，负责IETF活动管理，批准新的工作组，批准标准。

48. Internet标准的研究管理机构(续) • Internet 编号管理局 IANA（Internet Assigned Numbers Authority)负责指定协议参数值，IANA发布在RFC已指定的所有参数的表，发布在题目为“Assigned Numbers”的RFC1700中。 • IANA还负责协调 IP 地址和顶层域名的管理和注册服务。IANA按地区委任RIPE NCC， APNIC，ARIN分别负责欧洲和中东，亚太，美洲和其它地区的地址注册服务。 • 1998年10月成立了ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)代替IANA。

49. IETF是开放的国际标准化团体 • IETF 没有正式成员，任何人可以加入IETF 的活动。 • IETF 的工作组是开放的组织，工作组通过电子邮件进行讨论、作决定、传递文档。每个工作组都有一邮寄表，任何人都可加入任何工作组的邮寄表，工作组的文档向任何人公开，工作组通过“大概一致”作决定。

50. TCP/IP协议标准发表在RFC文档—RFC(Request For Comments)分五类 • 标准化进程中的协议(Standards Track) • 最好的当前实施 BCP (Best Current Practice)：它是某些操作规则或IETF处理工作的标准, 这些RFC另外给予序号BPCx。 • 实验性的(Experimental)：它可以是IETF的工作结果报告。