教学课件第一章计算机网络技术的历史和新进展

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1、1第一章计算机网络技术的计算机网络技术的历史和新进展历史和新进展2计算机网络向用户提供的计算机网络向用户提供的最重要的功能最重要的功能 连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。3关于计算机网络的三个命题关于计算机网络的三个命题高速计算机网络是信息社会的神经和血管体系结构：网络的骨架和神经协议：网络的心脏和血液4主要内容主要内容网络概述网络概述Internet的发展和成功经验的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾计算机网络技术的历史回顾5什么是网络什么是网络-从端系统的角度看从端系统的

2、角度看网络提供的服务:信息传递-信鸽、烽火、信使、卡车、电报、电话、Internet-类比运输服务：物体的传递马、火车、卡车和飞机不同的网络以什么为区分-所提供的服务服务以什么为区分-延迟、带宽、丢失率、端节点数目、服务接口、可靠性,单播/多播，实时，消息/字节流6什么是网络什么是网络-从网络核心的角度看从网络核心的角度看电子、光子等作为传输介质链路：光纤、电缆和卫星交换节点：机械/电/光协议:TCP/IP,ATM,MPLS,SONET,Ethernet,PPP,X.25,FrameRelay,AppleTalk,IPX,SNA功能:路由，差错控制、拥塞控制、服务质量(QoS)应用：FTP、H

3、TTP、X windows7网络类型网络类型空间距离-局域网(LAN):以太网、令牌环、FDDI-城域网(MAN):DQDB,SMDS-广域网(WAN):X.25,ATM,frame relay信息类型-数据网络 vs.通信网络应用类型-专用网络：飞机订票网，银行网，信用卡网，电话网-通用网络：Internet8网络类型网络类型使用权-私有：企业网-公用：电话网、Internet协议的所有权-私有:SNA-开放:IP技术-地面 vs.卫星-有线 vs.无线协议-IP,AppleTalk,SNA9计算机网络发展历史计算机网络发展历史计算机网络的形成-多终端系统1970年代的计算机网络-X.25

4、分组交换网：各国的电信部门建设运行-各种专用的网络体系结构：SNA，DNA-Internet 的前身ARPANET进行实验运行1980年代的计算机网络-标准化计算机网络体系结构：OSI-局域网络 LAN 技术空前发展-建成NSFNET，Internet 初具规模10计算机网络发展历史计算机网络发展历史1990年代的计算机网络-Internet空前发展-Web技术在Internet/Intranet 得到广泛应用2000年代的计算机网络-IPv6网络快速发展-移动技术发展迅速-下一代互联网研究受到普遍重视11Internet发展发展历史历史1969年，ARPANET产生1970年代，作为研究项目

5、，带宽56kbps，连接计算机不超过100台。1979年，TCP/IP成熟1980 83，APPANet和 MILNET分 开，ARPANET采用TCP/IP协议1983年，BSD UNIX内含TCP/IP198586，NSF开始建设NSFNET，作为骨干网连接6个超级计算机中心，带宽1.544Mbps，连接10,000台计算机12Internet发展发展历史历史1987 90，连 接 地 区 网 络，NSI，ESNET，DARTnet，TWBNet，计算机数量超过10万台199092，NSFNET发展到45兆带宽，连接16个地区网络1994年，NSF骨干网解体，出现多个商用骨干网今天：Int

6、ernet骨干网的速率达到2.5/10Gbps，连接150多个国家的上千万台计算机2004.1，全球主要学术网宣布开通IPv6服务13中国计算机网络的发展历史中国计算机网络的发展历史1970年代末开始1980年代-局域网-OSI网络体系结构-低速广域网（电话线）1990年代-局域网Novell,TCP/IP-X.25广域网及其应用-国民经济信息化高潮的到来，“金”字工程-互联网Internet在中国开始大规模发展 2000-推动以IPv6为基础的下一代互联网14Internet在中国的发展在中国的发展1988年，中国第一个电子邮件发到Internet1990 1993，通过 X.25与国际连网

7、，Tunet1994年，中科院高能所，64K，日本1995年，CERNET,128K,Sprint；Chinanet,64K+64K,Sprint1996年，ChinaGBN,64K,Sprint1997.12，用户74万1998.12，用户达到200万2003.6，用户达到6800万2005.6，用户达到10300万15Internet在中国的发展在中国的发展(2009)2009年底，中国网民人数达到3.84亿，比1997年增长了618倍，年均增长3，195万人，互联网普及率达到28.9%，超过世界平均水平。中国境内网站达323万个，比1997年增长了2，152倍。中国拥有IPv4地址约2.

8、3亿个，已成为世界第二大IPv4地址拥有国。中国使用宽带上网的网民达到3.46亿人，使用手机上网的网民达到2.33亿人。162011年中国手机用户概况年中国手机用户概况2011.5用户总数已达9亿2010年3.03亿用户使用手机上网，较2009年增加了2.3亿。2010年新增3G用户数3.47亿，2011年第1季度新增3G用户数1.35亿2010年购买智能手机6200万部，预计2011年购买智能手机9500万部 17主要内容主要内容网络概述Internet的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾18Internet全球范围、通用、异构的公用计算机网络Internet协议-开放的标准:Inter

9、net Engineering Task Force(IETF)负责标准的制订维护和协调-是其他类型网络的技术基础企业内部网（Intranet）由研究机构开发 19Internet的增长的增长Internet上的主机数上的主机数:Aug.1981 213Oct.1984 1,024Dec.1987 28,174 Oct.1990 313,000 Oct.1993 2,056,000Apr.1995 5,706,000Jul.1997 19,540,000Jul.2000 93,047,78520最近的增长最近的增长(1991-2000)21Internet 发展规模和趋势发展规模和趋势Inte

10、rnet的发展速度-是历史上发展最快的一种技术-以商业化后达到 5000 万用户为例电视用了13年，收音机用了38年，电话更长Internet 从商业化后达到 5000 万用户用了4 年时间Internet 正在以超过摩尔定理的速度发展22网络时代的三大基本定律网络时代的三大基本定律摩尔定律摩尔定律:CPU性能性能18个月个月翻番翻番,10年年100倍。倍。所有电子系统所有电子系统（包括电子通信（包括电子通信系统，计算机）系统，计算机）都适用都适用光纤定律光纤定律：超摩尔定律超摩尔定律，骨骨干网带宽干网带宽9个月个月翻番，翻番，10年年10000倍倍。带宽带宽需求呈超高速增需求呈超高速增长的趋

11、势长的趋势迈特卡尔夫定迈特卡尔夫定律律:联网定律联网定律，网络价值随用户网络价值随用户数平方成正比。数平方成正比。未联网设备增加未联网设备增加N倍，效率增加倍，效率增加N倍。倍。联网设备联网设备增加增加N倍，效率倍，效率增加增加N2倍倍23网络带宽与网络带宽与CPU性能性能24光纤容量光纤容量25高水平大容量光纤传输试验系统高水平大容量光纤传输试验系统容量光纤长度特点研制单位3Tb/s 40km 用 T-EDFANTT(160Gb/s X 19 CH OTDM/WDM)(DSF-0=1535nm)用DSF光纤(NZDSF)PD1-1-1.02Tb/s1000km0.4b/s/Hz，用 SMF光

12、纤CNET(20Gb/s x 51 CH WDM)(SMF 环测)101km放大器间距PD4-1-1Tb/s342km用True Wave光纤 Lucent(40Gb/s x 25 CH)(True Wave 光纤)85 km放大器间距PD7-1-750Gb/s2000km采用 C波段和 L波段Tyco(5.3Gb/s x 50 CH,10Gb/s x 8CH)(纯Si光纤+NZDSF环测)纯Si光纤PD16-1-640Gb/s7200km0.33b/s/HzTyco(10Gb/s x 64 CH)(NZDSF 环测)PD2-1-490Gb/s335.2KM 采用拉曼放大+EDFA混合Luce

13、nt(10Gb/s x 49 CH)(ZDSF 环测)0色散光纤(67km)+NZDSF(17km)PD8-1-340Gb/s6380km实线试验Alcatel(10Gb/s x 34 CH WDM)(NZDSF)50GHz SpacingPD18-1-80Gb/s172kmSolitonChalmer(10Gb/s x 8 CH OTDM)(DSF 0=1547nm)已敷设的光纤PD6-126数据流量超过话音数据流量超过话音0199619971998199920002001200220406080100120140160180RelativeCapacity(%)VoiceDataSourc

14、e:MCI(Vint Cerf)International data traffic already exceeds international voice from Australia and Scandinavia.27数据中绝大部分是数据中绝大部分是IP数据数据200020001998199819961996All OtherIPXTCP/IPTraffic RatiosSource:Gartner 1997Source:Gartner 1997100%100%90%90%80%80%70%70%60%60%50%50%40%40%30%30%20%20%10%10%0%0%28Inte

15、rnet上的信息趋于交互上的信息趋于交互Relative UserPopulationMultimediaDynamic WWWStatic WWWFTP and TelnetE-Mail and NewsOther8%17%39%27%7%2%13%18%23%23%16%7%14%17%12%15%28%14%To Transactional Pages(Red)andAudio/Video Content(Purple)100%80%60%40%20%0%200019981996Source:The Yankee Group,199629应用促进网络发展应用促进网络发展Simple Vi

16、deo,MultimediaBrowsing,PCM VoiceIP,PCS,E-Mail,File TransferPagingVideo Conferencing,MPEG1 NTSC VideoTelnet,VoIPISDN,Frame RelayATM/POST3/E3T1/E1New ModemWireless WANOld Modem.004.0192.0288.1281.53155Mb/sMinimum Bandwidth for Application per UserVirtual Reality,Medical Imaging30Data/Voice/Video 三网融合三

17、网融合Internet31高速信息网络的发展方向：高速信息网络的发展方向：通信与计算聚合通信与计算聚合通信和计算技术的聚合-改变了各自的原有特征高速信息网络体系结构的发展趋势-分层结构；分布控制、管理和安全机制分层结构-应用（Application）-服务（Service）-基础设施（Infrastructure）32下一代互联网的技术体系结构下一代互联网的技术体系结构(1)(1)33下一代互联网的技术体系结构下一代互联网的技术体系结构(2)(2)34协议层次扁平化协议层次扁平化ATMSDH/SONETIPOpticalB-ISDNIP over ATMIP over SDH/SONETIP

18、over OpticalLong-Term WinnersIPATMOpticalIPSDH/SONETOpticalIPOpticalMultiplexing,Protection,and Management at Every Layer.Eliminating Layers Lowers Costs.35Internet标准化组织标准化组织Internet Engineering Task Force（IETF）：IETF负责Internet协议的研发和改进。IETF被分为很多个工作组（working groups），他们提交的文档称为RFC（Request For Comments）。

19、IRTF（Internet Research Task Force）：IRTF由一些专注于某个领域长期发展的研究小组组成。Internet Architecture Board（IAB）：IAB负责定义Internet的整体框架，为IETF提供大方向上的指导。The Internet Engineering Steering Group（IESG）：IESG在技术方面管理IETF的活动，负责Internet标准的制定过程。36Internet标准的制定过程标准的制定过程所有的标准以RFC的形式发布出来，可以从免费获得。但不是所有的RFC都是Internet标准。标准形成的一般步骤是：-Inte

20、rnet Drafts-RFCs-Proposed Standard-Draft Standard（需要两个可以工作的实现）-Internet Standard（由IAB发布）David Clark,MIT,1992:We reject:kings,presidents,and voting.We believe in:rough consensus and running code.”37Internet提供的服务提供的服务计算资源的共享访问：telnet（1970s）数据和文件的共享访问：FTP，NFS（1980s）人们互相通讯的媒介：-email(1980s),网上聊天室,即时消息（19

21、90s）-语音和视频（1990s）-取代电话？信息分发的媒介-USENET（1980s）-WWW(1990s)取代报纸、杂志？-语音和视频（1990s）取代电视、CD、电影？38与网络有关的工业界与网络有关的工业界电话公司-拥有传输线路和接入线路，大量的客户有线电视公司-拥有接入线路无线/卫星公司-通讯线路电力、铁路公司-有能力铺设线路39与网络有关的工业界与网络有关的工业界媒体公司-可以提供内容ISP，Internet服务提供商设备制造商-交换机/路由器，芯片，光纤，计算机软件公司40Internet 物理结构物理结构BackboneISPISPResidential Access-Mode

22、m-DSL-Cable modem-Satellite-LANEnterprise/ISP access,Backbone transmissionT1/T3,DS-1 DS-3OC-3,OC-12ATM vs.SONET,vs.WDM Campus networkEthernet,ATM41长距离传输链路长距离传输链路Types of links-T1/DS1:1.544 Mbps-T3/DS3:44.736 Mbps-STS-1/OC-1:51.850 Mbps-STS-3/OC-3:155.2 Mbps-STS-12/OC-12:622.080 Mbps-STS-48/OC-48:2.4

23、88 Gbps-STS-192/OC-192:9.953 GbpsHigher levels of services offered commercially-Frame Relay-ATMPossibilitiesIP over SDH/SONET IP over ATMIP over Frame RelayIP over WDM42Internet的主要技术特点的主要技术特点分层的分布式结构无连接的分组交换技术网络互连协议IP（IP over everything）路由器加专线技术可扩展的路由技术端到端的网络连接技术层次结构的域名、网络管理技术通用的应用技术43Internet 的成功经验

24、的成功经验有远见的政府不断支持：1969有风险的企业参与和投入：-NFS：MCI、IBM-vBNS：MCI；Abilene:Qwest，CISCO联合协作的开放式研究：IETF/RFC教育和科研的示范网络为起点-具有实验物理学的研究特点-ARPAnet、NSF、ANS、vBNS简单实用的技术路线：TCP/IP44Research andDevelopmentCommercializationPartnershipsPrivatizationNSFNETInternet2,Abilene,vBNSAdvanced US Govt NetworksARPAnetgigabittestbedsAct

25、iveNetswirelessWDMSprintLinkInternetMCIUS GovtNetworksANSInteroperableHigh PerformanceResearch&EducationNetworks21st CenturyNetworkingQuality of Service(QoS)45主要内容主要内容网络概述网络概述Internet的发展和成功经验的发展和成功经验计算机网络技术的历史回顾计算机网络技术的历史回顾46Paul Baran在分布式通信方面的贡献在分布式通信方面的贡献时间:1960-1964目标:建造一套健壮的通信系统可以承受核攻击结果:分组交换网络D

26、ST Distce Nxt-HDestination addressdata47Baran的设计细节的设计细节自适应系统:热土豆路由策略如果不知道正确的路由，就把报文转发给所有的邻居节点通过观察路过的报文更新路由表，旧的路由表项会过期而被删除尽可能快的转发报文-不需要每次都沿着最短路径转发学习并适应变化的环境48Baran的设计细节的设计细节报文发送每个交换节点根据自己的路由表判断如何转发报文每个报文的转发都是独立于其他报文的交换节点不保存端节点的状态-可扩展性好-不是最有效的网络-发送不是完美的端节点必须能容忍发送错误并从中恢复 49Baran的设计细节的设计细节分布式系统所有交换节点是平等

27、的-避免了单一节点失效问题部件可以失效，但系统不可以系统的健壮性来自于-足够的物理（硬件）冗余-适应性路由模拟实验表明：模拟实验表明：“extremely survivable networks can be built using a moderately low redundancy of connectivity level”Paul Baran,196450鲜为人知的故事鲜为人知的故事.当时很多电信界的人认为Baran的设计是完全荒谬的。“they kicked,screamed,grumbled,and worse.Their response tended to be emotio

28、nal,often with anger,rarely with humor”“outsiders could not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network”51两种实现可靠系统的思路两种实现可靠系统的思路电话系统-笨终端，聪明的网络-确保每个网络部件都是可靠的 系统可靠性部件可靠性 通过局部冗余实现部件的高可靠性 期望每个部件都能正常工作，部件失败的可能性很低-需要人工配置的，高度控制的网络 Baran的系统-建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统-自适应的系统-聪明的终端，

29、可以修正传输错误 52Baran设计思想的一种实现设计思想的一种实现:the Internet连接异构的子网，提供两种基本功能-全球唯一的地址-报文通过动态路由从源节点发送到目的节点 特性:simple,flexible,scalable,and robustIPs view of the worldIPAll kinds of subnet technologiesall kinds of applicationsall kinds of transport protocols53分组交换的特点：简单性分组交换的特点：简单性每个报文携带各自的地址信息 一个路由表可以为所有的流量服务 可以适应

30、爆炸性的增长-越简单越不容易出错-越简单越容易增长-对基本网络功能的要求少，可以在其上建立多种类型的网络 54分组交换的特点：灵活性分组交换的特点：灵活性可以在各种底层物理网络上运行-Ethernet,FDDI,Frame Relay,ATM,SONET,DWDM 可以支持各种类型应用-telnet,ftp,email,多媒体,web,电子商务What will the future bring?l The best bet would be to stay flexible55分组交换的特点：可扩展性分组交换的特点：可扩展性可扩展的系统必须能对付端系统的增加 流量的增加 网络规模的增长-大的

31、路由表-路由频繁的变化 lWith IP,“the network knows nothing about individual end applications;end applications know nothing about network internals”Van Jacobsonlmade it possible to aggregate routing table entries according to scaling need56分组交换的特点：健壮性分组交换的特点：健壮性动态路由具有自适应的特性-动态路由和报文转发相辅相成-周期性路由更新-默认:现有的部件会失效，会有新

32、的部件加入，认为变化是正常的牺牲一定的带宽的利用率，提高健壮性(报文头开销，更新开销)57今天的今天的Internet与30年前相比-规模更大-用户更多-功能更多，更有价值-但是，健壮性、适应性和互联程度都下降了.地址空间趋于耗尽-越来越多的用户通过NAT访问网络 58NAT:a feature or a problem?NAT解决了地址耗尽的问题，并且增强了安全性和控制性 NAT打破了许多协议和应用基于IP地址全球唯一的假设无法支持peer to peer的应用。端到端的报文传输路径变成多个NAT域的级联，相当于虚电路Later comerInternetNATNATNATNATNATNAT

33、NATNATNATNAT59NAT:a feature or a problem?NAT导致随着时间推移，Internet原有结构遭到破坏为了恢复Internet原有结构，必须过渡到IPv6-解决地址短缺的问题为什么IPv6还未大规模使用，一些反对者的说法-NAT喜好者:NAT比过渡到IPv6便宜而且容易-地址不会这么快耗尽，至少可以支撑到2010，甚至2020年60How Soon?IPv4地址何时耗尽?-NAT可以保证地址永远够用，但是降低整个网络的互通性IPv6的部署宜早不宜迟-对于指数增长的网络，问题拖得越久越难解决-等两年就意味着问题的难度增长了4倍61小结小结基于分组交换的IP结构使网络的持续增长成为可能Internet需要过渡到IPv6以阻止目前网络结构的破坏和保证将来的增长过渡到IPv6将会是困难和昂贵的，需要一个过程