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1 第 1 课 计算机网络概述 孔令和

2 什么是计算机网络 计算机网络 : 连接分散计算机设备以实现信息传递的系统 计算机网络的定义不断被扩充 : 无线局域网络 4G/5G 网络 数据中心网络 物联网

3 为什么要学习计算机网络 1 如果你们要找工作 国外 国内 Apple 华为 Google 百度 Amazon 阿里巴巴 Facebook 腾讯 Uber 京东 Paypal 奇虎 360 Yahoo! 新浪 Airbnb 小米

4 为什么要学习计算机网络 2 如果你们要创业

5 为什么要学习计算机网络 3 如果你们要留学 每个牛校必备的研究方向

6 为什么要学习计算机网络 4 如果你们要保研直博 陈贵海教授杰青博导 高晓沨副教授博导 贾维嘉教授千人博导 孔令和特别研究员博导 李明禄教授博导 唐飞龙教授博导 钱诗友助理研究员硕导 王新兵教授杰青博导 吴帆教授优青博导 伍民友教授博导 薛广涛教授博导 俞嘉地高工硕导 朱弘恣副教授博导 朱燕民教授青长博导

7 为什么要学习计算机网络 5 如果你们还要关心一下国家政策 十三五规划 物联网云计算大数据 光纤 高 速宽带 网络空间 安全 天地一体 信息网络

8 计算机网络课程教学主旨 培养对计算机网络的兴趣 了解计算机网络的基本知识 了解计算机网络的最新研究和发展 能动手做一些计算机网络的实际开发 能在计算机网络方法或应用方面提出小小创新

9 这门课怎么学 上课开心得听 学会自己看书, 阅读论文, 网上查阅资料 不仅认真对待作业, 还希望能常思考 团队形式的课程项目, 培养创新思考, 动手实践, 分工合作 不用太担心考试成绩

10 教材 Computer Networks, Andrew S. Tanenbaum, Pearson. Computer Networking: A Top-Down Approach, James F. Kurose, Pearson. 计算机网络, 谢希仁, 电子工业出版社

11 课程安排 第一周 : 课程简介 第二周 ~ 第十四周 : 讲课 第十五周 ~ 第十六周 : 项目答辩

12 扩展阅读 ACM SIGCOMM 2018 ACM SIGCOMM 2017 ACM SIGCOMM 2016 ACM MOBICOM 2018 ACM MOBICOM 2017 ACM MOBICOM 2016

13 成绩核算 平时成绩 20% 课程项目 30% 考试成绩 50%

14 课程项目时间安排 日期 内容 自由组队, 每队 3-4 人, 将协作完成课程项目 共同研读网络相关论文或产业报告, 讨论并自拟课题, 与老师协商后确认课题 通力合作完成课程项目, 交付 : 一 答辩 PPT; 二 成果演示 ( 比如 : 实验平台 仿真代码等 ); 三 项目报告 项目答辩 ( 顺序抽签决定, 每组 20 分钟, 其中 15 分钟答辩和演示,5 分钟提问回答 )

15 课程项目要求和建议 项目要求 : 网络相关的科研或工程项目 评价标准 : 创新性 25%, 实用性 25%, 成果完成度 25%, 答辩情况 25% 项目建议 : 课题大小适合 ; 尽早确认课题, 尽早开始 ; 分工合作, 各展所长 ; 创新是第一要素 希望以论文 专利 竞赛为目标 从读最新论文和改进开始

16 网络领域的学术期刊和会议 学术会议 CCF A:SIGCOMM,MOBICOM,INFOCOM CCF B:NSDI,MOBISYS,MOBIHOC,ICNP 学术期刊 CCF A:TON,TMC,JSAC CCF B:TWC,TOC,TOIT,TOSN

17 网络界的大神们 ( 还有很多 )

18 手机蓝牙 3D 鼠标 课程项目实例 1

19 课程项目实例 2 基于 COTS RFID 的穿墙追踪系统的验证 想法来源 :See Through Walls with COTS RFID System! In Proc. ACM MOBICOM, 2015.

20 课程项目实例 3 基于 LED 灯的手机间光通信

21 课程项目实例 4 基于 Wi-Fi 直连的文件传输应用程序

22 课程项目实例 5 APPO: Neural Adaptive Video Streaming in SJTU network environment 想法来源 :Cs2p: Improving video bitrate selection and adaptation with data-driven throughput prediction. ACM SIGCOMM 2016

23 课程项目实例 6 高精度自行车定位技术

24 地图攻击 课程项目实例 7

25 欢迎对网络方向的科研和技术感兴趣的同学加入我们实验室!

26 网络发展 自从 20 世纪 90 年代以后, 以 Internet 为代表的计算机网络得到了飞速的发展 已从最初的教育科研网络 ( 免费 ) 逐步发展成为商业网络 ( 有偿使用 ) 互联网已成为全球最大的和最重要的计算机网络 是人类自印刷术发明以来人类在存储和交换信息领域中的最大变革

27 互联网应用 绝大多数人通过使用互联网而认识了互联网 上网玩游戏 看网上视频 和朋友在微信上聊天 在互联网上搜索和查阅各种信息 利用互联网的电子邮件相互通信 ( 包括传送各种照片和视频文件 ) 互联网上购买各种物品 在互联网上购买机票或火车票 在互联网上预订酒店 利用互联网进行转账或买卖股票等交易

28 互联网的两个重要特点 互联网之所以能够向用户提供许多服务, 是因为互联网具有两个重要基本特点 : 连通性 (Connectivity) 使上网用户之间都可以交换信息 ( 数据, 以及各种音频视频 ), 好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样 注意, 互联网具有虚拟的特点, 无法准确知道对方是谁, 也无法知道对方的位置 共享 (Sharing) 指资源共享 资源共享的含义是多方面的 可以是信息共享 软件共享, 也可以是硬件共享 由于网络的存在, 这些资源好像就在用户身边一样, 方便使用

29 互联网基本概念 网络把许多计算机连接在一起 与网络相连的计算机常称为主机 网络 网络 网络 网络 网络 主机 主机可以是计算机, 也可以是智能手机等智能机器 网络 网络

30 万维网 WWW 的问世 互联网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络, 没有人能够准确说出互联网究竟有多大 互联网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代 由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web) 被广泛使用在互联网上, 大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用, 成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力

31 互联网的发展情况概况 从 1993 年至 2016 年互联网用户数的增长情况如图所示 可以看出, 在 2005 年互联网的用户数超过了 10 亿, 在 2010 年超过了 20 亿, 而在 2014 年已接近了 30 亿 1993 年至 2016 年互联网用户的增长情况

32 计算机网络的性能指标 计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标, 主要包括 : 速率 带宽 吞吐率 时延

33 1. 速率 比特 (bit) 是计算机中数据量的单位, 也是信息论中使用的信息量的单位 比特 (bit) 来源于 binary digit, 意思是一个 二进制数字, 因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标, 指的是数据的传送速率, 它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate) 速率的单位是 bit/s, 或 kbit/s Mbit/s Gbit/s 等 例如 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s 速率往往是指额定速率或标称速率, 非实际运行速率

34 2. 带宽 两种不同意义 : 无线网络中, 带宽 (bandwidth) 是指信号具有的频带宽度, 其单位是赫 ( 或千赫 兆赫 吉赫等 ) 有线网络中, 带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力 表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的 最高数据率 单位是 bit/s, 即 比特每秒 在 带宽 的上述两种表述中, 前者为频域称谓, 而后者为时域称谓, 其本质是类似的 也就是说, 一条通信链路的 带宽 越宽, 其所能传输的 数据率 也越高

35 数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄 带宽为 1 Mb/s 1 s s 每秒 10 6 个比特 时间 带宽为 4 Mb/s 每秒 个比特 时间

36 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 吞吐量受网络的带宽或速率的限制

37 4. 时延 (delay 或 latency) 时延 (delay 或 latency) 是指数据 ( 一个报文或分组, 甚至比特 ) 从网络 ( 或链路 ) 的一端传送到另一端所需的时间 有时也称为延迟或迟延 网络中的时延由以下几个不同的部分组成 : (1) 发送时延 (2) 传播时延 (3) 处理时延 (4) 排队时延

38 4. 时延 (delay 或 latency) (1) 发送时延 也称为传输时延 发送数据时, 数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间 也就是从发送数据帧的第一个比特算起, 到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间 发送时延 = 数据帧长度 (bit) 发送速率 (bit/s)

39 4. 时延 (delay 或 latency) (2) 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间 发送时延与传播时延有本质上的不同 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念 传播时延 = 信道长度 ( 米 ) 信号在信道上的传播速率 ( 米 / 秒 )

40 4. 时延 (delay 或 latency) (3) 处理时延 主机或路由器在收到分组时, 为处理分组 ( 例如分析首部 提取数据 差错检验或查找路由 ) 所花费的时间 (4) 排队时延 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量

41 4. 时延 (delay 或 latency) 数据在网络中经历的总时延就是发送时延 传播时延 处理时延和排队时延之和 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 必须指出, 在总时延中, 究竟是哪一种时延占主导地位, 必须具体分析

42 在结点 A 中产生处理时延和排队时延 四种时延所产生的地方 假设从结点 A 向结点 B 发送数据 在发送器产生发送时延 ( 即传输时延 ) 在链路上产生传播时延 数据 队列 结点 A 发送器 链路 结点 B 几种时延产生的地方不一样

43 容易产生的错误概念 对于高速网络链路, 我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率 提高链路带宽减小了数据的发送时延 以下说法是错误的 : 在高速链路 ( 或高带宽链路 ) 上, 比特会传送得更快些

44 计算机网络体系结构的形成 计算机网络是个非常复杂的系统 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行, 而这种 协调 是相当复杂的 分层 可将庞大而复杂的问题, 转化为若干较小的局部问题, 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理

45 协议与划分层次 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 ( 同步含有时序的意思 ) 网络协议 (network protocol), 简称为协议, 是为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定

46 两种国际标准 法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可 非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用 TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准

47 具有五层协议的体系结构 OSI 的体系结构 TCP/IP 的体系结构 五层协议的体系结构 7 应用层 应用层 6 5 表示层会话层 ( 各种应用层协议, 如 DNS, HTTP, SMTP 等 ) 5 应用层 4 运输层 运输层 (TCP 或 UDP) 4 运输层 网络层数据链路层物理层 网际层 IP 网络接口层 ( 这一层并没有具体内容 ) 网络层数据链路层物理层 (a) (b) (c) 计算机网络体系结构 : (a) OSI 的七层协议 ;(b) TCP/IP 的四层协议 ;(c) 五层协议

48 五层协议的体系结构 5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 应用层 (application layer) 运输层 (transport layer) 网络层 (network layer) 数据链路层 (data link layer) 物理层 (physical layer)

49 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 PDU (Protocol Data Unit): 协议数据单元 OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU 主机 2 AP

50 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 2 AP

51 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 2 AP

52 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP IP 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 2 AP

53 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 2 AP

54 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 物理传输媒体 主机 2 AP

55 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 物理层接收到比特流, 上交给数据链路层 主机 2 AP

56 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 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 2 AP

57 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 网络层剥去首部, 取出数据部分上交给运输层 主机 2 AP

58 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 运输层剥去首部, 取出数据部分上交给应用层 主机 2 AP

59 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 应用层剥去首部, 取出应用程序数据上交给应用进程 主机 2 AP

60 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 我收到了 AP 1 发来的应用程序数据! 主机 2 AP

61 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 注意观察加入或剥去首部 ( 尾部 ) 的层次 应用层首部 运输层首部 网络层首部 链路层首部 H 3 H 4 H 5 H 5 应用程序数据 应用程序数据 应用程序数据 H 4 H 5 应用程序数据 链路层尾部 主机 2 AP H 2 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 T 比特流

计算机网络

计算机网络 (delay latency) = + + LEC. A B A 0 0 0 B .6. = 0ms, 0Mb/s, 0x0 - x0x0 =x0 bit RTT RTT (Round-Trip Time) .7 OSI/RM OSI/RM OSI/RM TCP/IP (application layer) (transport layer) (network layer)

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