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1、1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主机因特网45世界十大互连网公司世界十大互连网公司(2014) 谷歌、脸谱、阿里巴巴、亚马逊、腾迅、百度、ebay、Priceline、雅虎和京东(2014.9)：6世界六大互连网公司世界六大互连网公司(2017) 2017年，全球互联网公司市值排名前六位分别是苹果、谷歌、亚马逊、Facebook、腾讯和阿里巴巴
2、。放眼全球公司市值，互联网公司占据了前五名：7中国十大互连网公司中国十大互连网公司 腾讯、阿里巴巴、百度、京东、网易、新浪、美团点评、携程、360。其中，腾讯、阿里巴巴、百度连续五年位居前三。(2017.8)8BAT分别是B百度百度、A阿里巴巴阿里巴巴、T腾讯腾讯的首字母9李克强与互连网李克强与互连网+ 2015年政府工作报告：“制定互联网+行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场。”10互连网互连网+ 互联网+XX传统行业=互联网XX行业利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深
3、度融合，创造新的发展生态。电子商务、互联网金融、在线旅游、在线影视、在线房产等行业都是“互联网+”的杰作。11十三五十三五“网络强国战略网络强国战略” 构建泛在高效的信息网络：- 加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施，推进信息网络技术广泛运用，形成万物互联、人机交互、天地一体的网络空间 发展现代互联网产业体系：- 实施“互联网+”行动计划，促进互联网深度广泛应用，带动生产模式和组织方式变革，形成网络化、智能化、服务化、协同化的产业发展新形态12国家信息化发展战略纲要国家信息化发展战略纲要(2016.7) 中国信息化战略：2025年核心技术不受制于人- 到2020年3G、4G网络要
4、覆盖中国城乡，5G技术研发和标准要取得突破性进展；信息消费总额要达到6万亿元(人民币，下同)，电子商务交易规模达到38万亿元；核心关键技术部分领域要达到国际先进水平；建成中国-东盟信息港，初步建成网上丝绸之路。 - 到2025年，要实现宽带网络无缝覆盖；信息消费总额达到12万亿元，电子商务交易规模达到67万亿元；根本改变核心关键技术受制于人的局面。13国家信息化发展战略纲要国家信息化发展战略纲要(2016.7) - 届时，中国还计划建成四大国际信息通道，连接太平洋、中东欧、西非北非、东南亚、中亚、印巴缅俄等国家和地区，涌现一批具有强大国际竞争力的大型跨国网信企业。- 到本世纪中叶，中国网络强国
5、地位要日益巩固，在引领全球信息化发展方面有更大作为。 14计算机和人类潜力将是推动经济增长的计算机和人类潜力将是推动经济增长的主力主力18世纪以前，经济的驱动力为农耕19世纪至20世纪，制造和工业成为经济发展的主力进入21世纪，计算机和人类潜力计算机和人类潜力将是推动经济增长的主力。 Introduction Introduction1-1415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16什么是网络什么是网络 - 从端系统的角度看从端系统的角度看(1)网络提供的服务网络提供的服务: 信息传递信息传递- 信鸽
6、、烽火、信使 、卡车、电报、电话、Internet17什么是网络什么是网络 - 从端系统的角度看从端系统的角度看(2)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18什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传输介质链路链路：光纤、电缆和卫星交换节点交换节点：机械/电/光协议协议: TCP/IP, ATM, MPLS, SONET, Ethernet, PPP, X.25, FrameRelay, AppleTalk, IPX, SNA功
7、能功能: 路由，差错控制、拥塞控制、服务质量(QoS)应用应用：FTP、HTTP、X windows19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 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202011-2017移动智能终端发展态势移动智能终端发展态势21中国计算机网络的发展历史中国计算机网络的发展历史197
8、0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22Internet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，Tunet1994年，中科院高能所，64K，日本1995年，CERNET, 128K, Sprint；Chinanet, 64K + 64K, Sprint1996年，
9、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10300万23中国第一台中国第一台WWW服务器服务器:1994年建于中国科年建于中国科学院高能物理研究所学院高能物理研究所241995年，中国第一家网站年，中国第一家网站“瀛海威时空瀛海威时空”25Internet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
10、。中国拥有IPv4地址约2.3亿个，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。 262011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 27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28Internet全球范围、通用、异构的公用计算机网络Interne
11、t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 29Internet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 93,047,78530最近的增长最近的增长 (1991-200
12、0)31Internet 发展规模和趋势发展规模和趋势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32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
13、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33网络带宽与网络带宽与CPU性能性能34光纤容量光纤容量35数据流量超过话音数据流量超过话音0199619971998199920002001200220406080100120140160180RelativeCapacity(%)VoiceDataSource: MCI (Vint Ce
14、rf)International data traffic already exceeds international voice from Australia and Scandinavia.36数据中绝大部分是数据中绝大部分是IP数据数据All OtherIPXTCP/IP37Internet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%
15、14%To Transactional Pages (Red) andAudio/Video Content (Purple)100%80%60%40%20%0%200019981996Source: The Yankee Group, 199638Data/Voice/Video 三网融合三网融合Internet39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（Infr
16、astructure）40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)应用（Application）服务（Service）基础设施（Infrastructure）高速计算机互连网络（IP）光纤传输网络（DWDM） Ethernet WLAN工程：组播、QoS、IPv6、网络管理、网络测量数字视频、协同工作、实时控制、虚拟现实、 网格计算、远程教育、远程医疗、远程沉浸、 中间件：身份认证、访问控制、目录服务、网格41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)42协议层次扁平化协议层次扁平化ATMSDH/SONETIPOpticalB-ISDNIP ove
17、r ATMIP over SDH/SONETIP over OpticalLong-Term WinnersIPATMOpticalIPSDH/SONETOpticalIPOpticalMultiplexing, Protection, and Management at Every Layer.Eliminating Layers Lowers Costs.43INTERNET管理机构关系图管理机构关系图因特网协会 ISOC因特网研究指导小组IRSG 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组IESG RGWGRG领域领域因特网体系结构研究委员会 IAB WGWGWG
18、44各种各种RFC之间的关系之间的关系 因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的 RFC实验的 RFC提供信息的 RFC6 种 RFC45Internet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（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？46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
19、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47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48Internet 物理结构物理结构BackboneISPISP Residential Access- Modem- DSL- Cable modem- Satellite- LANEnterprise/ISP access, Backbone transmissionT1/T3, DS-1 DS-3OC-3, OC-12ATM v
20、s. SONET, vs. WDM Campus networkEthernet, ATM49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: 2.488 Gbps- STS-192/OC-192: 9.953 Gbps Higher levels of services offered commercially- Fra
21、me Relay- ATMPossibilitiesIP over SDH/SONET IP over ATMIP over Frame RelayIP over WDM50Internet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51Internet 的成功经验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
22、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/IP52Research andDevelopmentCommercializationPartnershipsPrivatizationNSFNETInternet2, Abilene, vBNSAdvanced US Govt NetworksARPAnetgigabittestbedsActiveNetswirelessWDMSprintLinkInternetMCIUS GovtNetworksANSInteroperableHigh
23、PerformanceResearch &EducationNetworks21st CenturyNetworkingQuality of Service(QoS)53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54Paul 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DST Distce Nxt-HDestination addressdata55Baran的设计细节的设计细节自适应系统: 热土豆路由策略如
24、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56Baran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 57Baran的设计细节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：模拟实
25、验表明： “extremely survivable networks can be built using a moderately low redundancy of connectivity level”Paul Baran, 196458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 emotional, often with anger, rarely with humor”“outsiders could
26、 not possibly understand the complexity of large systems like the telephone network”59两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，可以修正传输错误 60Baran设计思想的一种实现设计思想的一种实现:the Inte
27、rnet 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 protocols61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 可以适应爆炸性的增长 - 越简单越不容易出错 - 越简单越容易增长 - 对
28、基本网络功能的要求少，可以在其上建立多种类型的网络 62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 flexible63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 - 大的路由表 - 路由频繁的变
29、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 need64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，会有新的部件加
30、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) 65分组交换网络原理总结分组交换网络原理总结存储转发动态路由(包括每个分组自带源地址、目的地址，拓扑发现、路由选择)出错交由端系统处理66今天的今天的Internet与50年多前相比 - 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(Network Address Translation)访问网络 67NAT: 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
31、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 comerInternetNATNATNATNATNATNATNATNATNATNAT68NAT: 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69H
32、ow 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70IPv4 address exhaustionThe top-level exhaustion occurred on 31 January 2011The RIR(Regional Internet registry) APNIC(Asia-Pacific Network Information Centre)s exhaustion on 15 April 201171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