Internet原理与技术

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

• Internet 是如何发展起来的？

• Internet 是如何工作的？

• Internet 目前在研究什么？

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)

第 1章 计算机网络的基本概念

• 什么是计算机网络？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

什么是计算机网络？

• 局域网 局域网 LANLAN(LLocal AArea NNetwork)• 广域网广域网 WAN(WWide AArea NNetwork)

• 互联网互联网 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• 组成计算机网络的组成计算机网络的部件• 信息在网上怎样传输—包交换信息在网上怎样传输—包交换 (

packet switching)

局域网 (LAN)

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

( hub)集线器

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IMPIMP 互连的 ARPANETARPANET 。点到点互连点到点互连，点到点到点式通信点式通信。

交换机 交换机

交换机 交换机

工作站

超级计算机服务器

PC机

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。

PC机 Modem Modem 服务器

公共电话网

互联网 internet

以太网以太网

令牌环

FDDI环

以太网以太网

ATM 网路由器

PPP/TDM

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

• 主机主机—网上的计算机称为主机 ( hosthost ) ，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？还要有什么？

• 通信设备通信设备—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。

• 传输介质传输介质—有线介质 ( 双绞线、同轴电缆、光纤 ) ，无线介质。

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

数据 数据包头 包头 包头 数据

包 包 包

信息在网上怎样传输 —包交换 (packet switching) ( 续 )

• 封装封装：数据分成大小适当的块，每个块加上包头构成一个包 (packetpacket) 或称分组。

• 包由包头包头 (header) 及数据数据 (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，作短暂存储存储，选择路径选择路径，转发转发到下个结点。

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

C

D

G

E

F

Y12

3

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

C

D

G

E

F

Y

包交换的优点和缺点—相对于线路交换 (circuit switching)

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

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

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包头的语法语法和语义语义。• 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控制信

息息，通信双方如何处理。例如差错检测、差错检测、差错控制、通信流量控制、路由选择差错控制、通信流量控制、路由选择等。

• 时序：控制信息交互顺序等。

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。

OSI 七层参考模型

应用层 A 数据AH

表示层 P PH

SH

TH

NH

DH

会话层 S

传输层 T

网络层 N数据链路层

D

物理层

应用层 A

表示层 P

会话层 S

传输层 T

网络层 N数据链路层

D

物理层

网络

协议数据单元 PDU(Protocol Data

Unit) APDU

PPDU

SPDU

TPDU

NPDU

DPDU

OSI 七层参考模型 ( 续 )

• 应用层应用层：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。

• 会话层会话层：为进程之间建立和管理会话。• 传输层传输层：本层确定向进程进程提供何种端到端到

端端传输服务，如可靠、顺序、无丢失等。

OSI 七层参考模型 ( 续 )

• 网络层网络层： NPDU 一般称为包包 (packetpacket) ，本层主要为包确定从源主机到目标主机的路径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 )… 。

• 数据链路层数据链路层： DPDU 一般称为帧帧 (frameframe) ，本层处理介质直接连接的结点之间的帧传输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。

OSI 七层参考模型 ( 续 )

• 物理层物理层：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参考模型。

OSI 参考模型 ( 续 )包的传输过程，交换机 ( 路由器 ) 实现下三层

网络

应用层表示层会话层传输层网络层数据链

路层物理层

网络层数据链

路层物理层

网络层数据链

路层物理层

应用层表示层会话层传输层网络层数据链

路层物理层

发送主机 接收主机

路由器 路由器

OSI 参考模型 ( 续 )

• 对等层对等层 (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。

• 协议协议、服务服务、接口接口的概念：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。

TCP/IP 协议体系

TELNET, FTP, SMTP, HTTP... SNMP, DNS,...

TCPTCP UDP

IPIP

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

网络层传输层

应用层

TCP/IP 协议体系 ( 续 )

网络层以下网络层以下 (( 没有规定没有规定 )) 可以是多种物理网可以是多种物理网络络：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。

TCP/IP 协议体系 ( 续 )

• 网络层网络层： IP IP 提供“尽力而为 提供“尽力而为 ((best effort)”best effort)” 数数据报传递服务据报传递服务。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。

• 传输层传输层： TCP TCP 提供进程间可靠传输服务提供进程间可靠传输服务；UDPUDP 提供进程间数据报传输服务，不保证可靠，也尽力而为。

• 应用层应用层：为不同应用进程提供通信服务。

TCP/IP 协议体系 ( 续 )— 应用层协议

• 远程登录协议 TELNETTELNET (TELTELecommunication NETNETwork)

• 文件传输协议 FTPFTP (FFile TTransfer PProtocol)• 简单电子邮件传输协议 SMTPSMTP (SSimple MMail

TTransfer PProtocol)• 超文本传输协议 HTTPHTTP (HHyperTText TTransfer

PProtocol)• 简单网络管理协议 SNMPSNMP (SSimple NNetwork

MManagement PProtocol)• 域名系统 DNSDNS (DDomain NName SSystem)

TCP/IP 协议体系 ( 续 )

• TCP/IP 可以看作五层五层协议模型。 (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两头大中间小双漏斗模式，中间 IPIP, TCPTCP和和 UDPUDP, 物理网络和应用五花八门。

• 各种物理网络用网关网关互连，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 ((IPIP)) 路由器路由器。

• TCP/IP 的基本设计目标就是将各种物理网络可靠地互联 , InternetInternet就是多种网络的互联网互联网。 ...

TCP/IP 协议体系 ( 续 )

应用层TCP,UDP

IP

D1

P1 P1 P2

D1 D2

IP

2网 P2 P3

D2 D3

IP

应用层TCP,UDP

IP

D3

P33网

主机 主机

路由器 路由器

D ：数据链路层 P ：物理层

路由器互连物理网络

1网

TCP/IP 协议体系 ( 续 )

局域网 卫星网

广域网 包无线网

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• InternetInternet 的发展历史的发展历史• Internet主干网技术的发展• NGI 和 Internet2

• Internet 的文化

Internet 的发展历史

• 19691969年底建成 4 个结点的 ARPANETARPANET ，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 IMPIMP 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。

Internet 的发展历史 ( 续 )

• 19691969 ～～ 19831983 ：研究试验阶段。 ARPANET 原使用 NCPNCP 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 TCPTCP 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 IP 和 TCPTCP。 1972年 BBN 的 Ray Tomlinson 发明了 emailemail ，选符号@ @ 连接用户名和地址。 70年代中 TCP/IP开始稳定。 19831983年年 11月月 ARPANETARPANET 上所有系统完成从上所有系统完成从 NCP NCP 向 向 TCP/IP TCP/IP 转换转换。

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。 ...

• 19831983 ～～ 19941994： 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 NSFNETNSFNET ，并资助建立地区网。 NSFNET代替 ARPANET 成为 Internet 的主干网。

Internet 的发展历史 ( 续 )

1989年 NSFNET 主干网从原先的 5656kbps kbps 升级到T1(1.544Mbps1.544Mbps) ，连接了上千个网。 1990年主干网升级到 T3 (45Mbps45Mbps)， ARPANET停止运转。 Internet 上的应用： email, ftp, telnet 到WWWWWW。 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 CERTCERT (CComputer EEmergency RResponse TTeam)。

• 19941994 年以后 年以后 Internet Internet 商业化商业化。由公司提供主干网服务， NSF 不能资助商业活动。

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 OSIOSI 七层协七层协议参考模型议参考模型，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完全数字化的线路交换电话网网的第一个标准，也称综合业务数字网 综合业务数字网 ISDNISDN ，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 ...。

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 B-ISDN 的模式及规范，它是第二代 ISDN ，它基于 ATM ATM 信元交信元交换换技术，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。

Internet 主干网技术的发展

• ARPANET到 NSFNETNSFNET， 80年代末 5656KbpsKbps升级到 11..55MbpsMbps。 90年代初主干网升级到4545MbpsMbps 。 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 vBNS (1995提供服务 ) ，采用 IP overIP over ATM over SONETATM over SONET//SDH SDH 技术，最初是 155155MbpsMbps ，后来升级为 622622M bpsM bps 。问题 ...，随着新技术的发展，这种主干网技术已不再风光。

Internet 主干网技术的发展 ( 续 )

• 1996年～ 1997年间开始高速交换路由器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 IP over PPP over SONETSONET//SDH SDH (简称 IP overIP over SONETSONET//SDHSDH 或 POSPOS： PPacket OOver SSONET/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。

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 DWDMIP 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…。

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• 3232 位位 IPv4IPv4 地址空间地址空间将耗尽，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 20082008 年年。长远要采用 IPv6， IPv6IPv6比 IPv4 有更长 (128128 位位 ) 的地址，从 IPv4 IPv4 平滑过渡到 平滑过渡到 IPv6IPv6 非常重要。过渡到过渡到IPv6 IPv6 耗资巨大耗资巨大 ?! ?! 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。

NGI 和 Internet 2

• 美国联邦政府 1996年公布下一代 Internet 计划 NGINGI (NNext GGeneration IInternet) ，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 Internet2Internet2 ，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)。

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。

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-ITU-T 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 ISOISO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。

• IEEE802IEEE802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论坛： ATM论坛、帧

中继论坛、光互联网论坛等。

计算机网络国际标准化组织 ( 续 )

• InternetInternet 标准的研究管理机构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(2001年年 IEEE802IEEE802决定：其标准在正式通过决定：其标准在正式通过 66

个月后开放，即可免费下载个月后开放，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。 )

Internet 标准的研究管理机构

Internet SOCietyInternet SOCiety

IABIAB

IESGIESG

IETFIETF

RFCRFC编辑编辑 IANAIANAICANNICANN

定义 Internet 体系

Internet 标准的研究管理机构 ( 续 )

• Internet 工程特别任务组 IETF IETF (IInternet EEngineering TTask FForce) 是 Internet 标准协议开发的主要团体。

• Internet 体系委员会 IAB IAB 指定 IETF 主席。• IETF 的技术工作是由许多工作组 WG WG

(WWorking GGroup)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 IESG (IInternet EEngineering SSteering GGroup) ，负责 IETF活动管理，批准新的工作组，批准标准。

Internet 标准的研究管理机构 ( 续 )

• Internet 编号管理局 IANAIANA（ IInternet AAssigned NNumbers AAuthority)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 NumbersAssigned 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 NCCRIPE NCC ，APNICAPNIC， ARINARIN 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 ICANNICANN (IInternet CCorporation for AAssigned NNames and NNumbers)代替 IANA 。

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。

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 TrackStandards Track)

• 最好的当前实施 BCP BCP (BBest CCurrent PPractice) ：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 (ExperimentalExperimental) ：它可以是IETF 的工作结果报告。

TCP/IP 协议标准发表在 RFC 文档—RFC(Request For Comments) 分五类

• 信息性的 (InformationalInformational) ：它包括对常见操作问题的回答， IAB 的意见，历史备忘录等，有些发表在 4月 1日愚人节的信息性 RFC只是幽默的笑话。

• 历史性的 (HistoricHistoric) ：已被更新文档取代的文档是历史性的，因标准化过程中止等其它原因作废的文档也成为历史性的。

Internet 协议的标准化进程

• 标准文档从 Internet 草案草案开始，存在草案目录 (ftp://ftp.ietf.org/internet-draft/) ，草案不是发表的文档， 6 个月后自动删除。

• 协议要成为标准需经历：建议标准建议标准(proposed standardproposed standard) 、草案标准草案标准 (draft draft standardstandard) 、标准标准 (standardstandard)三个阶段。

• 草案成为建议标准后就进入标准化进程，作为 RFC 发表。

Internet 协议的标准化进程 ( 续 )

• RFC 文档发表时被指定一个以 RFC 为前缀的序号，如： RFC2800。 RFCRFC 文档从文档从不更新不更新，若需修改，修改后以新的修改后以新的 RFCRFC序号发表序号发表，老的就作废，成为历史性的。

• 成为建议标准六个月后可升为草案标准，其关键是运行代码 , 至少要有两个基于不同代码、独立、可互操作的实现 , 并有足够的成功运行经验 , 才能升为草案标准。

Internet 协议的标准化进程 ( 续 )

• 若技术上高度成熟，且对 Internet 有重要用度，草案标准在 4 个月后可经批准升为Internet 标准，并被另外指定序号STDx 。注意，标准被修改后再发表时，它的 RFC 序号要更新， STDxSTDx 不变不变。

• STD1STD1周期性地总结标准化进程中的标准化进程中的 RFCRFC文档文档的当前状态，它本身也是 RFC 文档，如 RFC2800 。因不断更新，大多已作废。

Internet RFC 发表过程InternetInternet

draftdraft

ProposedProposedstandardstandard

ExperimentalExperimental InformationalInformational

DraftDraftstandardstandard

InternetInternetstandarsstandars

HistoricHistoric