计算机网络与技术北京邮电大学课件.

1.3 通信网络的发展趋势
通信技术数字化
通信业务综合化 网络互通融合化 通信网络宽带化 网络管理智能化 通信服务个人化
2018/5/19 24
通信技术的发展趋势
网络与业务分离化 核心网络IP化
网络结构简捷化
通信技术
网络互通融合化
交换传输高速化
网络管理智能化
2018/5/19
网络技术导 论
张 冬 梅 (zhangdm@)
北京邮电大学计算机学院
2018/5/19
1
课程简介
教材： <<通信导论>>，北京邮电大学出版社 授课时间：32课时 教师联系方式：张冬梅 zhangdm@ 或 zhangdm1@
课件获得方式：
6
1.1.1 通信
通信的定义 通信是传递信息的手段，即将信息从发送器传送 到接收器
通信的目的 为了完成信息的传输和交换
2018/5/19
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1.1.1 通信（续）
相关概念
信息：消息中包含的有意义的内容 消息：信息的表现形式 信号：消息的载体，消息靠信号来传递
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1.1.1 通信（续）

信息量的度量公式： I=loga1/P 信号的表示形式是时间的函数 f(t)=Acos(ωt+φ)
信号的时域分析

信号的频域分析

信号的表示形式是频率的函数 f(ω)=Aπ[δ(ω+ω0)+ δ(ω-ω0)]
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1.1.2 通信系统
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1.1.3 通信网络

北邮计算机学院：王小茹
从⺴网网络硬件角角度进行行分类
• 软件(software)
– 通信协议：即传输规则，如TCP/IP等； – 应用用软件：如www、EMAIL、FTP等。
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1.1.5 计算机⺴网网络主要应用用
网上事务 处理
• 电子商务、电子政 务、电子金融、远 程教育、远程医疗 等
远程用户 通信
• 电子邮件、IP电话、 网络会议等
1.1.1 The definition of COMPUTER NETWORK
定义：由自自主计算机互 联起来的集合体。
解释点：
• 自自主计算机 • 互联 • 集合体
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Note 1: Autonomous Computer 自自主计算机
• 由硬件和软件两部分组成，完整地实现计 算机的各种功能。
– 计算机⺴网网络分层的设计结构 – 计算机⺴网网路协议、接口口、服务 – ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
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1.1 计算机⺴网网络的基本概念
计算机网络的定义
计算机网络的概念
• 与主从式计算机系统的区别 • 与分布式计算机系统的区别
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Computer Networks
计算机网网络
北京邮电大大学 计算机学院 王小茹
网网虫虫？ …… 寻找我们的代言言人人 水水神？ 织女女？
蜘蛛侠的成长过程
诲人人不倦，雄厚的师资力力量； 因材施教，合理的课程设置； 五光十十色色，丰富的研究领域； 胸怀天下，多样的视野开拓；
北邮计算机学院：王小茹
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Note 2: Interconnected

7
基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像 计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属 于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分， 而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此 必须对基带信号进行调制(modulation)。
f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
11
2.2.3 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输 信号时会产生各种失真以及带来多种干 扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距 离越远，在信道的输出端的波形的失真 就越严重。
12
数字信号通过实际的信道
有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
15
香农公式表明
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的 极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的 传输。
若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实 际信道不可能是这样的），则信道的极限信息 传输速率 C 也就没有上限。
2
第 2 章 物理层（续）
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用
2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术

Data Wrapped by different layers
NFS
SNMP
…
…
App. TCP IP Link
PHY
User Data TCP IP Link
Header Link
Message Segment or user datagram Datagram Frame
UDP User Data User Data User Data User Data
physicalphysicaldatalinkdatalinkipiptcpudptcpudpapplicationapplicationlayerlayerprotocolsprotocolstcpipversusosiotherstcpipversusosiothers应用层应用层应用层应用层会晤层会晤层会晤层会晤层表示层表示层表示层表示层传送层传送层传送层传送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snasnadecnetdecnetnovellnovellipxspxipxspxappletalkappletalktcpipprotocolstacksmtpsmtpftpftphttphttptelnettelnettcptcpudpudpnfsnfssnmpsnmp
分组交换VS ATM
Packet switching vs. ATM
Network Architecture Packet switching ATM ATM ATM ATM Service Model Best effort CBR VBR ABR UBR Guarantees Bandwidth none Loss No Order No Timing No Congestion feedback No (inferred via loss) No congestion No congestion yes no

application transport network data link physical
application transport network data link physical
Transport Layer 3-4
Transport vs. network layer
network layer: logical communication between hosts transport layer: logical communication between processes
IP datagrams with same dest. port #, but different source IP addresses and/or source port numbers will be directed to same socket at dest
Transport Layer 3-10
our goals:
understand principles behind transport layer services:
• Multiplexing, demultiplexing • reliable data transfer • flow control • congestion control
Transport services and protocols
provide logical communication between app processes running on different hosts transport protocols run in end systems • send side: breaks app messages into segments, passes to network layer • rcv side: reassembles segments into messages, passes to app layer more than one transport protocol available to apps • Internet: TCP and UDP

（可靠） 暑假建议看

传输层的端到端与
6.5.2 TCP的服务 TCP的点到点？
(2个应用程序的点到点，2个网络的端到端) (三次握手，定时器，缓 存。。。)
越界获取------------>
6.5.3 TCP协议 6.5.4 TCP的头部
报文段（数据段）的数据格式 TCP头部的格式
CR TPDU； n A 发出序号为X+1的第一个数据TPDU，并确认B
的序号为Y的CR TPDU。 n Fig. 6-11 （DATA序号应为X+1）
n 三次握手方案解决了由于网络层会丢失、存 储和重复包带来的问题。
6.2.3 释放连接
两军问题
B1 to B2:今晚攻击 B2 to B1：今晚真要攻击？ B1 to B2：真的。。。
比特 0
8
16
24
31
源端口
目的端口
序号
TCP 首部
数据 偏移
确认
U AP RSF
保 留 R CS SY I
G KH T NN
检验和
号 窗口
紧急指针
20 字节
固定 首部
选 项 （长 度 可 变）
填充
序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流 （！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！）
TCP 分用
UDP 分用
TCP 报文段
UDP 用户数据报
IP 分用
IP 数据报
IP 数据报
套接口口(socket)
n 在网络中，每个应用程序是端到端通信连接的端 点，使用socket，或套接字、套接口标识。
n 套接口和端口、IP 地址的关系是：

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分槽ALOHA的效率分析
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4.2.2 Carrier Sense Protocol 载波监听多路访问协议
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载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD
A Bit-Map Protocol
n 象这样在实际发送信息前先干广广播发送请求的协议称为预留 协议（reservation protocol）
n 效率 n 轻负载下，效率为 d / (N + d)，数据帧由d个时间单位 组成； n 重负载下，效率为 d / (d + 1)。
n 缺点 n 与站序号有关的不平等性,序号大大的站得到的服务好； n 每个站都有 1 比比特的开销。
A
发送数据
A
B 检测到发生碰撞
A
t = 2τ - δ A 检测到
发生碰撞
A
STOP A
STOP
B B 发送数据
t=τ-δ t=τ
单程端到端 传播时延记为τ
B
t=τ-δ B B 检测到信道空闲
发送数据
t=τ-δ/2 B 发生碰撞
t=τ B B 检测到发生碰撞
停止发送
B
重要特性
n 使用用 CSMA/CD 协议的以太⺴网网不能进行行全双工工 通信而而只能进行行双向交替通信（半双工工通信）。
n 以太⺴网网的端到端往返时延 2τ 称为争用用期， 或碰撞窗口口。
n 经过争用用期这段时间还没有检测到碰撞， 才能肯定这次发送不会发生生碰撞。
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带宽(bandwidth) 是指某个信号具有的频 带宽度，单位是赫兹（或千赫、兆赫、 吉赫等）。
从时域角度定义：
网络带宽表示在单位时间内从网络中的 某一点到另一点所能通过的最高数据率。 单位是比特每秒，或 b/s (bit/s)。
更常用的带宽单位是
➢ 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） ➢ 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） ➢ 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） ➢ 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
➢ OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标 准生产的设备无法及时进入市场；
➢ OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层 次中重复出现。
2. TCP/IP参考模型
TCP/IP 协议
在因特网所使用的各种协议中，最重要的和最 著名的就是TCP/IP协议，TCP（Transmission Control Protocol）指传输控制协议，IP（ Internet Protocol）指网际协议。
请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。
3. 吞吐量
吞吐量(throughput)表示在单位时间内通 过某个网络（或信道、接口）的数据量。
吞吐量更经常地用于对现实世界中的网 络的一种测量，以便知道实际上到底有 多少数据量能够通过网络。
48五层协议的体系结构应用层applicationlayer运输层transportlayer网络层networklayer数据链路层datalinklayer物理层physicallayer数据链路层物理层主机1向主机2发送数据主机1ap主机2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部成为应用层pdu主机1向主机2发送数据主机1ap主机2应用层pdu再传送到运输层加上运输层首部成为运输层报文主机1向主机2发送数据主机1ap主机2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部成为ip数据报或分组主机1向主机2发送数据主机1ap主机2ip数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部成为数据链路层帧主机1向主机2发送数据主机1ap主机2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机1向主机2发送数据应用层applicationlayer物理传输媒体主机1ap电信号或光信号在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机2主机1向主机2发送数据主机1ap主机2物理层接收到比特流上交给数据链路层主机1向主机2发送数据主机1ap主机2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分上交给网络层主机1向主机2发送数据主机1ap主机2网络层剥去首部取出数据部分上交给运输层主机1向主机2发送数据主机1ap主机2运输层剥去首部取出数据部分上交给应用层主机1向主机2发送数据主机1ap主机2应用层剥去首部取出应用程序数据上交给应用进程主机1向主机2发送数据主机1ap主机2我收到了ap发来的应用程序数据

运输层上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当运输层51运输层协议概述511进程之间的通信512运输层的两个主要协议513运输层的端口52用户数据报协议udp521udp概述522udp的首部格式上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当运输层续53传输控制协议tcp概述531tcp最主要的特点532tcp的连接54可靠传输的工作原理541停止等待协议542连续arq协议55tcp报文段的首部格式上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当运输层续56tcp可靠传输的实现561以字节为单位的滑动窗口562超时重传时间的选择563选择确认sack57tcp的流量控制571利用滑动窗口实现流量控制571必须考虑传输效率上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当运输层续58tcp的拥塞控制581拥塞控制的一般原理582几种拥塞控制方法583随机早期检测red59tcp的运输连接管理591tcp的连接建立592tcp的连接释放593tcp的有限状态机上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当51运输层协议概述511进程之间的通信从通信和信息处理的角度看运输层向它上面的应用层提供通信服务它属于面向通信部分的最高层同时也是用户功能中的最低层
三类端口


熟知端口，数值一般为 0~1023。 登记端口号，数值为1024~49151，为没有熟 知端口号的应用程序使用的。使用这个范围的 端口号必须在 IANA 登记，以防止重复。 客户端口号或短暂端口号，数值为 49152~65535，留给客户进程选择暂时使用。 当服务器进程收到客户进程的报文时，就知道 了客户进程所使用的动态端口号。通信结束后， 这个端口号可供其他客户进程以后使用。

• BitTorrent, eMule, DHT, KAD
损伤硬盘，侵犯版权
官方否认 网络可以下载比特精灵和电驴的源代码
Domain Name System (DNS) 域名服务器
转化为 传输层
顶级域名中的edu是美国用的- 其他国家的学校及教育机构是二三级域名
• 当客户进程向服务器进程发出建立连接请求 时，要寻找连接服务器进程的熟知端口(21)， 同时还要告诉服务器进程自己的另一个端口 号码，用于建立数据传送连接。
• 接着，服务器进程用自己传送数据的熟知端 口(20)与客户进程所提供的端口号码建立数 据传送连接。
• 由于FTP使用了两个不同的端口号，所以数 据连接与控制连接不会发生混乱。
Computer Network
计算机⺴网网络
北京邮电大大学 计算机学院
⺩王小小茹
第7章 应用层
Applica(on Layer
概述
Conven(onal Internet Applica(on Protocols
Peer-­‐to-­‐peer Paradigm
从属进程对客户进程的请求处理完毕后即终 止，但从属进程在运行期间根据需要还可能 创建其他一些子进程。
• 回到等待状态，继续接受其他客户进程发来 的请求。主进程与从属进程的处理是并发地 进行。
两个连接
• 控 制 连 接 在 整 个 会 话 期 间 一 直 保 持 打 开， FTP 客户发出的传送请求通过控制连接发送 给服务器端的控制进程，但控制连接不用来 传送文件。
(kan)
不考
• 5,6 • 7, 8 • 22,40
Homework
不收了
• The protocol machines are the same at both sides

普通的电话线路能传送计算机数据吗？
A. 不能 B. 能 C. ……
你的思路？
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已知条件：
假设数据/信息传输率为b位/秒（b比特/秒） 发送8位所需的时间为8/b秒； 一次谐波的频率是b/8Hz； 一条普通电话线通常的截至频率为3000Hz, 则可以发送的谐波次数大约是：
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傅立叶分析：Fourier Analysis
任何正常的周期为T的函数g(t),都可以由（无 限个）正弦和余弦函数合成。
f = 1/T为基频（基波）
an为正弦函数n次谐波的振幅； bn为余弦函数n次谐波的振幅。
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例子：
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•此时强调的带宽是 信道的带宽； •信道的带宽越高，传输信号的能力越强。
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（2）信息传输速率
就是计算机网络的带宽， 指计算机网络可通过的最高数据率，即每秒多少
比特。单位为比特/秒，即b/s，又称比特率。 通常所说的100兆的以太网其信息传输速率就是
100M/s，这里包括传输的净荷以及为控制传输所 附加的信息。
对于这种比喻一定要谨慎对待。
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常见的错误是混淆了两种速率
在网络中有两种不同的速率：
信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒， 或公里/秒）
计算机向网络发送比特的速率（比特/秒）
这两种速率的意义和单位完全不同。 宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。
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Bridge Baud and Bit

保留为今后使用
IP 地址中的网络号字段和主机号字段
A 类地址 0
net-id 8 bit
host-id 24 bit
B 类地址 1 0
net-id 16 bit
host-id 16 bit
C 类地址 1 1 0
net-id 24 bit
host-id 8 bit
D 类地址C1 1类1 0地址的网络号字多段播 n地et址-id 为 3 字节
网际协议 IP 是 TCP/IP 体系结构中两个最主要的协 议之一 。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：
n 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)
n 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)
net-id 16 bit
host-id 16 bit
(内部256台设备)
net-id 24 bit
host-id 8 bit
(IGMP协议使用)
D 类地址 A1 1类1 0地址的网络号字多 段播 n地et址-id 为 1 字节
E 类地址 1 1 1 1 0
保留为今后使用
IP 地址中的网络号字段和主机号字段
E 类地址 1 1 1 1 0
保留为今后使用
IP 地址中的网络号字段和主机号字段
A 类地址 0
net-id 8 bit
host-id 24 bit
B 类地址 1 0
net-id 16 bit
host-id 16 bit
C 类地址 1 1 0
net-id 24 bit
host-id 8 bit
D 类地址 1C1 1类0 地址的主机号多字播段地ho址st-id 为 1 字节

课件制作人：王小茹
3.3 基本数据链路层协议
停止等待协议 Stop and Wait Protocols
课件制作人：王小茹
1.如何设计数据链路层的协议？
课件制作人：王小茹
2.建立一个数据链路层通信模型
假设
物理层、数据链路层和网络层都是独立的进程； 点到点的链路中所有的节点都不会崩溃； 数据链路层使用数据帧（Frame），网络层使用分
四种情况
A
B
A
B
出错
丢
失
tout
！
重 传
送 主 机
(b) 数据帧出错
重 传
送 主 机
(c) 数据帧丢失
A
B
tout 丢
送
失
主
重！
机
传
丢
弃
(d) 确认帧丢失
课件制作人：王小茹
课件制作人：王小茹
这个杀手不太冷！
协议在设计上有小瑕疵！
课件制作人：王小茹
D1:0 D2:1 D3:0
课件制作人：王小茹
停止等待协议的算法(2)
码用high-low pair/low-high pair表示1/0， high-high/low-low不表示数据，可以用来 做定界符。
课件制作人：王小茹
课件制作人：王小茹
3.1.2 帧同步/成帧（framing）
成帧：将原始的比特流分解成若干离散的“段” 中。
结点
帧
帧
结点
常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字 管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧 （frame）。
一条无源的点到点的物理线路段，中间没 有任何其他的交换结点。
数据链路(Data Link) ：

• 当中继系统是转发器或网桥时，一般并不 称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网 络扩大了，而这仍然是一个网络。
• 网关由于比较复杂，目前使用得较少。 • 互联网都是指用路由器进行互连的网络。 • 由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文
献将网络层使用的路由器称为网关。
路由器与交换机的主要区别
• 工作层次不同 • 数据转发所依据的对象不同 • 传统的交换机只能分割冲突域，不能
交换结构－通过纵横交换结构进行交换
I1
I2
I3
有2N条总线，可以使N个输入 端口和N个输出端口相连接。当输入 端口收到一个分组时，就将它发送 到与该输入端口相连的水平总线上。 若通向所要转发的输出端口的垂直 总线是空闲的，则在这个节点将垂 直总线与水平总线连通，然后将该 分组转发到这个输出端口。 Cisco Catalyst 12000(60G) 。
A 类地址 0
net-id 8 bit
host-id 24 bit
B 类地址 1 0
net-id 16 bit
host-id 16 bit
C 类地址 1 1 0
net-id 24 bit
host-id 8 bit
D 类地址 A1 1类1 0地址的网络号字多 段播 地ne址t-id 为 1 字节
E 类地址 1 1 1 1 0
路由器提供了防火墙的服务
路由器仅仅转发特定地址的数据包，不 传送不支持路由协议的数据包传送和未知目 标网络数据包的传送，从而可以防止广播风 暴。
6.2 网际协议IP
网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。 与 IP 协议配套使用的还有四个协议：
地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)