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1、第一章 计算机网络回顾,计算机网络的历史和新进展 计算机网络体系结构,Part 计算机网络技术的 历史和新进展,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,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,什么是网络 - 从端系统的角度看,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，
2、消息/字节流,什么是网络 - 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、HTTP、X windows,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
3、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：Internet,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, SNA,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 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
4、NSFNET，Internet 初具规模,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,Internet发展历史,1969年，ARPANET产生 1970年代，作为研究项目，带宽56kbps，连接计算机不超过100台。 1979年，TCP/IP成熟 198083，APPANet和MILNET分开， ARPANET采用TCP/IP协议 1983年，BSD UNIX内含TCP/IP 198586，NSF开始建设NSF
5、NET，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,Internet发展历史,198790，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：Internet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,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
6、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,Internet在中国的发展,1988年，中国第一个电子邮件发到Internet 1990 1993，通过 X.25与国际连网，Tunet 1994年，中科院高能所，64K，日本 1995年，CERNET, 128K, Sprint；Chinanet, 64K + 64K, Sprint 1996年，ChinaGBN,64K, Sprint 1997.12，用户74万 1998.12，用户达到200万
7、 2003.6，用户达到6800万 2005.6，用户达到10300万,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,Internet,全球范围、通用、异构的公用计算机网络 Internet协议 开放的标准: Internet 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,Internet的增长,Internet上的主机数: Aug. 1981 213 Oct. 1984 1,024 Dec. 1987 28,174 Oct. 1990 313,0
8、00 Oct. 1993 2,056,000 Apr. 1995 5,706,000 Jul. 1997 19,540,000 Jul. 2000 93,047,785,最近的增长 (1991-2000),Internet 发展规模和趋势,Internet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,网络时代的三大基本定律,摩尔定律: CPU性能18个月翻番,10年100倍。 所有电子系统（包括电子通信系统
9、，计算机）都适用,光纤定律： 超摩尔定律，骨干网带宽9个月翻番，10年10000倍。带宽需求呈超高速增长的趋势,迈特卡尔夫定律:联网定律， 网络价值随用户数平方成正比。未联网设备增加N倍，效率增加N倍。联网设备增加N倍，效率增加N2倍,网络带宽与CPU性能,光纤容量,高水平大容量光纤传输试验系统,数据流量超过话音,0,Relative Capacity (%),Voice,Data,Source: MCI (Vint Cerf),International data traffic already exceeds international voice from Australia and S
10、candinavia.,数据中绝大部分是IP数据,2000,1998,1996,All Other,IPX,TCP/IP,Traffic Ratios,Source: Gartner 1997,100%,90%,80%,70%,60%,50%,40%,30%,20%,10%,0%,Internet上的信息趋于交互,Relative User Population,8%,17%,39%,27%,7%,2%,13%,18%,23%,23%,16%,7%,14%,17%,12%,15%,28%,14%,To Transactional Pages (Red) and Audio/Video Cont
11、ent (Purple),100%,80%,60%,40%,20%,0%,2000,1998,1996,Source: The Yankee Group, 1996,应用促进网络发展,Simple Video, Multimedia,Browsing, PCM Voice,IP, PCS, E-Mail, File Transfer,Paging,Video Conferencing, MPEG1 NTSC Video,Telnet, VoIP,ISDN, Frame Relay,ATM/POS,T3/E3,T1/E1,New Modem,Wireless WAN,Old Modem,.004
12、,.0192,.0288,.128,1.5,3,155,Mb/s,Minimum Bandwidth for Application per User,Virtual Reality, Medical Imaging,Data/Voice/Video 三网融合,高速信息网络的发展方向： 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）,下一代互联网的技术体系结构,协议层次扁平化,ATM,SDH/SONET,IP
13、,Optical,B-ISDN,IP over ATM,IP over SDH/SONET,IP over Optical,Long-Term Winners,IP,ATM,Optical,IP,SDH/SONET,Optical,IP,Optical,Multiplexing, Protection, and Management at Every Layer.,Eliminating Layers Lowers Costs.,Internet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
14、多个工作组（working groups），他们提交的文档称为RFC（Request For Comments）。 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。,Internet标准的制定过程,所有的标准以RFC的
15、形式发布出来，可以从www.ietf.org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： Internet 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.”,Internet提供的服务,计算资源的共享访问：teln
16、et（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（1990s） 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？,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,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，
17、计算机 软件公司,Internet 物理结构,Backbone,ISP,ISP,Residential Access Modem DSL Cable modem Satellite LAN,Enterprise/ISP access, Backbone transmission T1/T3, DS-1 DS-3 OC-3, OC-12 ATM vs. SONET, vs. WDM,Campus network Ethernet, ATM,长距离传输链路,Types of links T1/DS1: 1.544 Mbps T3/DS3: 44.736 Mbps STS-1/OC-1: 51.85
18、0 Mbps STS-3/OC-3: 155.2 Mbps STS-12/OC-12: 622.080 Mbps STS-48/OC-48: 2.488 Gbps STS-192/OC-192: 9.953 Gbps Higher levels of services offered commercially Frame Relay ATM,Possibilities IP over SDH/SONET IP over ATM IP over Frame Relay IP over WDM,Internet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
19、 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,Internet 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/IP,Research and,Development,Commercialization,Partnerships,Privatiz
20、ation,NSFNET,Internet2, Abilene, vBNS,Advanced US Govt Networks,ARPAnet,gigabit,testbeds,Active,Nets,wireless,WDM,SprintLink,InternetMCI,US Govt,Networks,ANS,Interoperable,High Performance,Research &Education,Networks,21st Century,Networking,Quality of Service,(QoS),主要内容,网络概述 Internet的发展和成功经验 计算机网络技
21、术的历史回顾,Paul Baran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,Baran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,Baran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
22、误并从中恢复,Baran的设计细节,分布式系统 所有交换节点是平等的 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： “extremely survivable networks can be built using a moderately low redundancy of connectivity level”Paul Baran, 1964,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. Thei
23、r response tended to be emotional, often with anger, rarely with humor” “outsiders could not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network”,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
24、部件上的可靠系统 自适应的系统 聪明的终端，可以修正传输错误,Baran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 robust,IPs view of the world,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,分组交换的特点：灵活性,可以在各种底层物理网络上运行 Ethe
25、rnet,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? The best bet would be to stay flexible,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 大的路由表 路由频繁的变化 With IP, “the network knows nothing about individual end applications; end application
26、s know nothing about network internals”Van Jacobson made it possible to aggregate routing table entries according to scaling need,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),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 .
27、地址空间趋于耗尽 越来越多的用户通过NAT访问网络,NAT: 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,NAT: 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,How 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,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,