现代计算机网络的体系结构

核心三问题
Who:网络与端实体的身份标识；Where:节点在网络何处；How:如 何把数据传输到指定端实体
8
I.计算机网络的演进！
早期 远程终 端连接
60’初 多重线 路控制
计 线路 调解器M 算 控制器 机
M 计 多重 算 线路 机 控制器
电话线路
调解器M M
终端T
T
…
M
M
M
公用电话网
…
M M
头部
数据
头部
数据
头部
数据
分组（或包）
分组（或包）
分组（或包）
12
电路/报文/分组交换的比较
呼叫请求 A-B的链路传播延时d(s) 报文 p1 一个P数 传时间 p1 p2
等待 k-1个 链、数传延时
电 路 建 立 时 间
呼 叫 阶 段
P2
p3 呼叫建立 报文
电路时延
p1
p2 P3
P4
p4
报文
p3
p4
4
Ch1:网络体系结构
1.1 网络系统结构概述 1.1.1基本问题与概念
计算机网络的演进！ 计算机网络的基本理念和创新 计算机网络的需求与约束！ 基本元素 基本结构
1.1.2 计算机网络的体系结构 1.1.3 网络性能测量与评价
两个基本指标 网络性能指标体系
1.1.4 怎样操作网络
From Dr. Vinton Cerf, Co-Creator of TCP/IP
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1.1.2 网络体系结构
网络系统 = 元素+结构
基本元素 硬件网络元素
点到点链路：光缆、电缆、无线电波 通信连接设备：波分传输、路由器 端接入设备：路由器、交换机、集线器 端设备：计算机、打印机、存储器…
API接口与Socket编程
5
什么是网络？

互连自治计算机的集合！
互联： 经媒质交换数据的能力 自治： 面向用户自管理 计算机、位置可见

分布式系统
A可强迫启/停/控B 面向系统处理/存储均不可见
网 络
信息世界1


Network is computing! Computing Storing Transforming 网络空间已经成为世界的 第五大战场！
逻辑链路：在两点间通过通信协议的作用建立起来的数 据联结通路
物理连接
点--点连接：连接一对结点的物理通路 多点连接：多个结点共享一条物理链路
通路(Path):
从源点到宿点所经过的一串节点和链路的有序集。或端 到端的通路
协议（Protocol）
多个进程为完成一个任务而共同遵守的动作序列规范
现代计算机 网络理论与技术
Sept./2014 李伟明 涂浩 CERNET华中地区网络中心
1
课程目标/结构/计划—2014版(32H)


梳理本科网络的基本知识 掌握现代网络的理论与技术 Ch1:体系结构-6H
网络体系结构概述 传输网基本理论与技术 计算机网络基本理论与技术


权，并称图G为网络（或赋权图）

节点（Node）:
端节点：自身拥有计算机资源的源宿用户设备 转接节点：支持网络连通并在网络中对数据起交换和转接的节点，如 交换机/路由器/集线器
链路(Link)： 物理链路：在物理层连接两个节点的物理介质，如电话线、同轴电缆 、光纤、无线电波
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链路、结点、协议和网络云
Application
Data
Tห้องสมุดไป่ตู้P IP
UDP
TCP IP
UDP
Network Interface Physical
Transmit node
2014/12/20
Network Interface Physical
Receiver node
24
因特网基础设施三层结构
第一层：Backbone中转网：国家或世界级网络主干
了解网络问题及研究 熟练网络编程方法 Ch4:P2P网络-4H
无结构P2P网络 有结构P2P网络

Ch5:流媒体网络-4H
音视频压缩原理 实时交互协议RTP/SIP 流媒体分发与监管

Ch2:拥塞控制-4H
TCP拥塞控制 主动队列管理AQM

Ch3:无线与移动网络-4H
无线网络 移动网络
数 据 传 送
N-1个分组 传输时间
报文
数 据 传 输 时 延
A
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
电路交换
报文交换
分组交换 13
III. 网络结构
物理：传输网+计算机网 逻辑：主干通信+接入资源（包括主机与用户）
IP计算机网络1 IP计算机网络2
l’s
l’s
l’s
l’s
l’s l’s
320G, 800G, LX
主机到主机的连接
硬件互连 分层网络系统结构
22
分层和协议
分层：功能聚合与划分 协议：两个或两个以上的参
应用程序 请求/回答 通道 消息流 通道
与方为完成特定的任务而采 取的一系列的确定步骤。
主机到主机的连接
硬件
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网络体系结构： 层和协议的集合
Layer Info.
Data
Application
25
G
Backbone
主干/中转性网络
G
Transit
地区/中转网络
R
R Stub
R
R
组织性网络
26
组织性网络
Customer Network
POP
AS1
NAP 交换中心
AS2 AS4
Customer Network
POP
POP:呈现点

NAP 交换中心
Point of Presence
AS3
Network Supervisor 来自检测、监控、保障的需求 保障国家或组织的信息安全

网络的设计者、设备的制造者、网络运营者和网络监管者 4维共同作用于网络
7
1.1.1 基本问题与概念

基本目标
按一定方式自动把数据从一端传送到另一端。
相关元素
端={实体（多），时间，地点，环境，要求…}
信息世界6 2
计算机网络的需求与约束
Constraints & Requirements Application Programmer 服务与应用需求 如某段时间内需要每个消息无错传输 Network Designer 设计的成本--效益特点 对不同用户有效分配资源和资源利用率 Network Provider 易于管理的系统特征 可靠运营/容易隔离故障/计费
分组可能通过多个路径穿越网络 数据报方式不能保证分组按序到达 10
虚电路方式
分组通过预先建立好的虚电路穿越网络
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II.基本理念与创新
分组交换（相对当时的电路交换） 端到端 TCP/IP融合接口上（应用）下（媒质）不同技术和要求
报文
1010011110101 …
…
… 1110001100000

NAP:网络交换中心

POP
PE Customer Network CE
Network Aceess Point
Autonomous Systems

AS:自治系统


CE:Custmer Equipment,边缘路由器 PE:Provider Equipment,运营商路由器
27
美国的互联网基础设施
用户子网 或资源子网
T
15
What is the Internet?


The largest network of networks in the world. Uses TCP/IP protocols and packet switching . Runs on any communications substrate.
v7 l8 l3 v2 l1 v1 l2 v4 l4 v3 v6 l6 l7 v5
=

物理连接+协议联接
l5
网络 = {节点，链路} = {V，L}
V = { v1, v2 ,... , vn} , L = { l1, l2 , … , lm }
网络=图=（顶点，边）=G=（V，E）， 若对图中每条边[vi，vj]赋予一个数wij，则称wij为边[vi，vj]的
公用电话网
M
…
T T
T
60’中 FEP处 理通信
计 算 机
前端 处理机 FEP
…
M
M
…
M
M
…
T T
T
计 70’始 集中器降 算 低通信费 机
前端 处理机 FEP
M
公用电话网 或高速线路
M
…
T
9
T
62-65-72’
分组交换--DARPA （Datagram 方式）
各分组独立地确定路由（传输路径） 不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号 重新排序和组装
三要素：语法、语义、规则(同步时序) 网络云：
区分通信子网交换交换结点（云内）和资源主机结点（ 云外）的分界线，可表示任何网络（单、多、交换等）
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物理网络的抽象表示
主机结点 网络云
H1 Ri H2 R1 Hi R2
交换结点
H3
Ri
Rn
Hm
21
网络分层结构的通信功能
应用程序通信 进程到进程的通道
软件网络元素
1－3层（物理、链路和网络IP）的通信协议 4－5层（运输、应用）的通信协议 各层活动的进程（各种系统或应用软件）
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体系结构

Architecture
系统：系统内部件之间，以及系统与环境之间的关系。 网络：网络层次划分、实体功能、交互协议的定义与描述。

网络体系结构的基本问题



实体={ID，网络接口，进程，程序，人，团体，数据？…} 时间={实体活动，收发，带宽，平滑…} 地点={海陆空天，编址，寻址，移动…} 环境={多样媒质，多样应用，现场…} 要求={量，速度，抖动，安全，语言，形式…}
方式={单播、多播、广播、（多）交互、载体…} 自动={理解，认知，拥控，流控，动作，归纳，智能…} 载体={互连、拓扑、光、电、波、设备…}…
Backbone Network Regional Network IXP Backbone Network Regional Network IXP Regional Network
local ISP
IXP
命名与定位； 路由与寻址； 端到端透明通信与内容感知分发； “傻网+智端” 与 “智网+傻端”（端控与中控）； 有连接电路交换与无连接分组交换； 尽力而为与QoS/EoS 物理网络与逻辑网络（主动编程） 端主机与海量传感器 …
18
网络的拓扑结构
结构 = 元素间相互关系
DWDM Network
l’s
l’s
波分传输网 14
逻辑构成：通信+资源
网络边界
主机
H H c
STAR
SW SW
T CCU
联机系统
T
T
L=2.048M
SW
T T
T
T
SW
用户子网
通信子网
SW SW
L=155M
T
C T
BUS
T
T
T
环网
c T
H：主机系统 C：接入控制设备 T：端设备 SW：节点交换机
H

Ch6:网络建模与分析-8H
排队论建模分析 以太网建模分析

Ch7:新一代网络-2H
IPV6网络 网络基本问题与研究
2
教学规则与资源
总成绩
总成绩 = 考试100%
学时安排：总计32学时/2个学分
3
参考书目
1. 2. 3. 4. 5.
6.
7. 8.
Computer Networking－A Top-Down Approch Featuring the Internet，Third Edition ,James F.Kurose, Computer Network－A System Approach（2），Larry L，机械工业 出版社，2000。后续各章作业是此书的作业 High Performance Communication Network(2),Jean Walrand. 机 械工业出版，2000. A.S Computer Networks, Tanenbaum(3)《计算机网络》（3），熊桂 喜等译，清华大学出版社，1997. High Speed Networks and Internets Performance and Quality of Service(2),高速网络与互联网－性能与质量服务（2），电子工业出版社 ，2003. 计算机通信与网络教程，林生，清华出版. 对等网络：结构、应用与设计，陈贵海等，清华出版社，2007.9 网络体系结构模式，（美）John Day著，付勇译，清华大学出版社， 2009
美NFSnet/欧Ebone/中Chinanet/CERNET 第二层：Transit地区性网：覆盖省、洲、国家, 提供到因特网的连接 因特网服务提供者ISP 第三层：Stub组织性网：本地服务提供商； 是一个自治网络系统，有AS号 校园网、企业网、公司网、政府网 由外围网关接入地区性网络