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1 ! 1 1

2 Course Website: /~jdyu/ teaching/cn/index.html About Myself: Jiadi Yu, Assistant Prof., Ph.D Office Room: 3-129, SEIEE 1 2

3 ! Computer NetworksFourth Edition Andrew S. Tanenbaum Vrije Universiteit Amsterdam, The Netherlands ISBN /TP

4 ! A. S. Tenenbaum William Stallings Douglas E. Comer TCP/IP

5 1!

6 ! Internet 1 6

7 ! Client/Server 1 7

8 ! 1 8

9 ! Client/Server 1 9

10 Client/ServerC/S! WS WS WS WS WS WS 1 10

11 ! Internet 1 11

12 ! 1 12

13 ! 哪 么 1 13

14 ! H 1 R 1 H 2 R 2 R i H 3 R j R k H m H n 1 14

15 ! 1 15

16 ! 1 16

17 ! 1 17

18 ! 1 18

19 What s the Internet millions of connected computing devices: hosts = end systems router server workstation mobile running network apps local ISP communication links fiber, copper, radio, satellite regional ISP transmission rate = bandwidth routers: forward packets (chunks of data) company network 1 19

20 Cool internet appliances IP picture frame Web-enabled toaster + weather forecaster World s smallest web server Internet phones 1 20

21 What s the Internet protocols control sending, receiving of msgs e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: network of networks router server local ISP workstation mobile loosely hierarchical public Internet versus private intranet regional ISP Internet standards RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force company network 1 21

22 What s the Internet: a service view communication infrastructure enables distributed applications: Web, , games, e- commerce, file sharing communication services provided to apps: Connectionless unreliable connection-oriented reliable 1 22

23 What s a protocol? human protocols: what s the time? I have a question introductions specific msgs sent specific actions taken when msgs received, or other events network protocols: machines rather than humans all communication activity in Internet governed by protocols protocols define format, order of msgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt 1 23

24 What s a protocol? a human protocol and a computer network protocol: Hi Hi Got the time? 2:00 Q: Other human protocols? time TCP connection request TCP connection response Get <file> 1 24

25 Network Structure 1 25

26 A closer look at network structure: network edge: applications and hosts network core: routers network of networks access networks, physical media: communication links 1 26

27 The network edge: end systems (hosts): run application programs e.g. Web, at edge of network client/server model client host requests, receives service from always-on server e.g. Web browser/server; client/server peer-peer model: minimal (or no) use of dedicated servers e.g. Gnutella, KaZaA, Skype 1 27

28 Network edge: connection-oriented service Goal: data transfer between end systems handshaking: setup (prepare for) data transfer ahead of time Hello, hello back human protocol set up state in two communicating hosts TCP - Transmission Control Protocol Internet s connectionoriented service TCP service [RFC 793] reliable, in-order bytestream data transfer loss: acknowledgements and retransmissions flow control: sender won t overwhelm receiver congestion control: senders slow down sending rate when network congested 1 28

29 Network edge: connectionless service Goal: data transfer between end systems same as before! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: connectionless unreliable data transfer no flow control no congestion control App s using TCP: HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) App s using UDP: streaming media, teleconferencing, DNS, Internet telephony 1 29

30 The Network Core 1 30

31 The Network Core mesh of interconnected routers the fundamental question: how is data transferred through net? circuit switching: dedicated circuit per call: telephone net packet-switching: data sent thru net in discrete chunks The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. 1 31

32 Network Core: Circuit Switching End-end resources reserved for call link bandwidth, switch capacity dedicated resources: no sharing circuit-like (guaranteed) performance call setup required 1 32

33 Network Core: Circuit network resources (e.g., bandwidth) divided into pieces pieces allocated to calls resource piece idle if not used by owning call (no sharing) Switching dividing link bandwidth into pieces frequency division time division 1 33

34 Circuit Switching: FDM and FDM TDM Example: 4 users frequency TDM time frequency time 1 34

35 Numerical example How long does it take to send a file of 640,000 bits from host A to host B over a circuit-switched network? All links are Mbps Each link uses TDM with 24 slots/sec 500 msec to establish end-to-end circuit Let s work it out! 1 35

36 Another numerical example How long does it take to send a file of 640,000 bits from host A to host B over a circuit-switched network? All links are Mbps Each link uses FDM with 24 channels/ frequencies 500 msec to establish end-to-end circuit Let s work it out! 1 36

37 Network Core: Packet Switching each end-end data stream divided into packets user A, B packets share network resources each packet uses full link bandwidth resources used as needed Bandwidth division into pieces Dedicated allocation Resource reservation resource contention: aggregate resource demand can exceed amount available congestion: packets queue, wait for link use store and forward: packets move one hop at a time Node receives complete packet before forwarding 1 37

38 A Packet Switching: Statistical 10 Mb/s Ethernet Multiplexing statistical multiplexing C B queue of packets waiting for output link 1.5 Mb/s D E Sequence of A & B packets does not have fixed pattern, shared on demand statistical multiplexing. TDM: each host gets same slot in revolving TDM frame. 1 38

39 Packet switching versus circuit switching Packet switching allows more users to use network! 1 Mb/s link each user: 100 kb/s when active active 10% of time circuit-switching: 10 users packet switching: with 35 users, probability > 10 active less than N users 1 Mbps link Q: how did we get value ? 1 39

40 Packet switching versus circuit switching Is packet switching a slam dunk winner? Great for bursty data resource sharing simpler, no call setup Excessive congestion: packet delay and loss protocols needed for reliable data transfer, congestion control Q: How to provide circuit-like behavior? bandwidth guarantees needed for audio/video apps still an unsolved problem Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? 1 40

41 L Packet-switching: store-andforward R R R Takes L/R seconds to transmit (push out) packet of L bits on to link or R bps Entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link: store and forward delay = 3L/R (assuming zero propagation delay) Example: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delay = 15 sec more on delay shortly 1 41

42 Packet-switched networks: forwarding Goal: move packets through routers from source to destination we ll study several path selection (i.e. routing) algorithms datagram network: destination address in packet determines next hop routes may change during session analogy: driving, asking directions virtual circuit network: each packet carries tag (virtual circuit ID), tag determines next hop fixed path determined at call setup time, remains fixed thru call routers maintain per-call state 1 42

43 Network Taxonomy Telecommunication networks Circuit-switched networks Packet-switched networks FDM TDM Networks with VCs Datagram Networks Datagram network is not either connection-oriented or connectionless. Internet provides both connection-oriented (TCP) and connectionless services (UDP) to apps. 1 43

44 ! Internet 1 44

45 ! 1 45

46 ! 1 46

47 LAN Local Area Network IEEE 802.3CSMA/CD 10M IEEE M IEEE 802.5IBM4M 16M 1 47

48 MAN Metropolitan Area Network LAN 1 48

49 WAN Wide Area Network host end system communication subnet resource subnet 1 49

50 LAN! point-to-point - store-and-forward packet-switched 1 50

51 1!

52 ! ISO/OSI TCP/IP 1 52

53 ! 1 53

54 A ISO/OSI! Tnbm P39 Fig OSI B APDU PPDU SPDU TPDU 1 54

55 ! 1 55

56 ! 1 56

57 OSI/RM OSI OSI OSI OSI! OSI! OSI OSI! OSI 1 57

58 ! OSI TCP/IP TCP/IP! 1 58

59 TCP/IP! TCP/IP OSI TCP/IP 1 59

60 ! 5! 4! 3! 2! 1! (application layer) (transport layer) (network layer) (data link layer) (physical layer) 1 60

61 1 2! 1 AP ! PDU 2 AP

62 1 2! 1 AP PDU!! 2 AP

63 1 2! 1 AP ! IP! 2 AP

64 1 2! 1 AP IP!! 2 AP

65 1 2! 1 AP !! 2 AP

66 1 2! 1 AP !! 2 (application! layer) AP

67 1 2! 1 AP ! 2 AP

68 1 2! 1 AP AP !!

69 1 2! 1 AP !! 2 AP

70 1 2! 1 AP !! 2 AP

71 1 2! 1 AP !! 2 AP

72 1 2! 1 AP AP 1!! 2 AP

73 1 2! 1 AP !!!!!! H 3 H 4 H 5!! H 5! H 4 H 5!!! 2 AP H 2 H 3 H 4 H 5! T

74 1 2! 1 AP !! H 2 H 3 H 4 H 5! T AP

75 1 2! 1 AP !! H 3 H 4 H 5! H 2 H 3 H 4 H 5! T 2 2 AP

76 1 2! 1 AP !! H 4 H 5! H 3 H 4 H 5! 2 AP

77 1 2! 1 AP !! H 5! H 4 H 5! 2 AP

78 1 2! 1 AP ! H 5! PDU!! 2 AP

79 1 2! 1 AP AP 1!! 2 AP

80 ! (entity) 1 80

81 ! SAP (Service Access Point) 1 81

82 !!!! n + 1!!!! SAP SAP n!! 1 82

83 OSI TCP/IP! OSI! TCP/IP! TCP/IP! 7! 6! 5! 4!!!!!! (! TELNET, FTP, SMTP ) (TCP UDP)!!! () 3!! IP! 2!! 1!!! 1 83

84 Everything IP over Everything over IP TCP/IP! IP! IP!! HTTP SMTP DNS RTP! TCP UDP! IP!

85 !! ARPA (Advanced Research Project Agency) (survivability) (circuit switching) 1 85

86 ! 1 86

87 ARPANET! 1 87

88 !!!!!!! 1 88

89 ! 1 89

90 ! ARPANET ARPA 1983 TCP/IP ARPANET ARPANET! MILNET! 1983~1984 Internet 1990 ARPANET 1 90

91 ! 1986 NSF NSFNET!!! Mb/s T3 1 91

92 !!!!!!!!!!!! 1 92

93 !!!!!!!!!!! 1 93

94 ! 1993 NSFNE T ISP NAP (Network Access Point) 4 NAP NAP NAP

95 ! ISP!! ISP! NAP! ISP!!! ISP! NAP! ISP ISP ISP! ISP!!!!! 1 95

96 ! NAP ISP! ISP ISP PC! 1 96

97 1 97

98 1!

99 ! 1 99

100 ! 20 1 = bit V = log 2 V 1 100

101 !

102 ! 离 两 种 1 102

103 ! 1 103

104 ! 1 104

105 Nyquist! H Hz V! = 2Hlog 2 V b/s V01 2H 1 105

106 ! (Baud)(bit)! 1 106

107 Shannon! H HzS/N!(b/s) = Hlog 2 (1+S/N) db db= 10log 10 S/N 30dBS/N=

108 ! W S/N C 1 108

109 ! 3500Hz 30dB (b/s) = Hlog 2 (1+S/N) = 3500log 2 (1+1000) (b/s) 35k bps 1 109

110 ! 1 110

111 ! 1 111

112 ! 1) ASK(Amplitude Shift Keying) 2) FSK(Frequency Shift Keying) 3) PSK(Phase Shift Keying) QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 1 112

113 ASK (Amplitude Shift Keying) ASK 1 113

114 FSK (Frequency Shift Keying) 1.5f f0 2f1 0 1 FSK 1 114

115 PSK (Phase Shift Keying) 00 π1 0 1 PSK 1 115

116 !

117 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QPSK 2bit/ QAM-16 4bit/ QAM-64 6bit/ Tnbm P128 Fig (a) (b) (c) 1 117

118 ! 1 118

119 ! 01 4B/5B 1 119

120 NRZ (nonreturn-to zero) 10 bit bit 1 120

121 Manchester encoding bit -0 bit bit bit 1 121

122 differential Manchester encoding bit bitbit bit0 0 0 bit bitbit bit

123 4B/5B! NRZ1nonreturn-to-zero change on one 4bit5 bit 5B

124 164B/5B! 16 4bit 5bit 16 4bit 5bit A B C D E F bit5bit54 bit5b

125 ! bit bit bit 4B/5B

126 ! 1 126

127 ! PCM Pulse Code Modulation PCM f(t) 1 127

128 ! t A B C D E F G H A B C D E F G H

129 ! 3500Hz 8000Hz 1 129

130 ! 8 PCM 8 bit 8000 /64k b/s 1 130

131 ! Ω 185 M500 M 8100 M UTP cat 3/cat

132 ! 750 MHz 100 km HFCHybrid Fiber Coax 54 ~ 550 MHz MHz! 1 132

133 ! 1 133

134 ! ASCII

135 ! bit 1 135

136 ! ASCII EBCDIC SYN BISYNC 1 136

137 bit! bit ( ) bit HDLCSDLC CRC 1 137

138 bit! bit ( ) 10 1 bitbit0bit

139 ! 1 139

140 RS-232C RS-232-CModem DTEdata terminal equipment DCEdata circuit-terminating equipment 1 140

141 RS-232C! 25D 25 PIN 9 PIN DTEMale DCEFemale 0+12 V 1-12 V 15 m <20k b/s 1 141

142 RS-232-C! DTE Frame Ground Transmit Data Receive Data Request To Send Clear To Send Data Set Ready Signal Ground Carrier Detect Data Terminal Ready DCE 1 142

143 RS-232-C! DTE Frame Ground Transmit Data Receive Data Request To Send Clear To Send Data Set Ready Signal Ground Carrier Detect Data Terminal Ready DTE 1 143

144 ! 25pin9pin 25pin 9pin 1 Frame Ground FG 2 3 Transmit Data TxD 3 2 Receive Data RxD 4 7 Request To Send RTS 5 8 Clear To Send CTS 6 6 Data Set Ready DSR 7 5 Signal Ground GND 8 1 Carrier Detect CD 20 4 Data Terminal Ready DTR 1 144

145 ! Pin Pin 1 -STROBE 10 -ACK 2 DATA0 11 BUSY 3 DATA1 12 Paper Empty 4 DATA2 13 Select 5 DATA3 14 -Auto Feed 6 DATA4 15 -ERROR 7 DATA5 16 -INIT 8 DATA6 17 -SELECT IN 9 DATA GROUND 1 145

146 ! Multiplexing FDM Frequency Division Multiplexing TDM Time division Multiplexing 1 146

147 FDM FDM 1 147

148 FDM! 1 148

149 FDM! khz Hz khz Tnbm P138 Fig (a)(b)(c) 1 149

150 TDM 1 150

151 TDM! A A9 A8 A7 A6 A3 A2 A1 A0 B B9 B8 B7 B6 B3 B2 B1 B0 C C9 C8 C7 C6 D5 C5 B5 A5 D4 C4 B4 A4 t i+7 t i+6 t i+5 t i+4 t i+3 t i+2 t i+1 t i C3 C2 C1 C0 D D9 D8 D7 D6 D3 D2 D1 D

152 TDM! TDM 1 152

153 TDM! A A4 A3 A2 A1 B C B2 B1 C3 C2 C1 A3 D2 C2 D1 A2 C1 B1 A1 A D C B A D C B A D C B A D D3 D2 D

154 TDM! TDM TDMTDMSTDM 1 154

155 TDM! A A4 A3 A2 A1 B C D B2 B1 C3 C2 C1 D3 D2 D1 D3 A4 C3 B2 A3 D2 C2 D1 A2 C1 B1 A

156 ! 1 156

157 ! 1 157

158 ! 1 158

159 ! 1 159

160 ! -storeforward store-forward 1 160

161 ! 1 161

162 ! - store-forward 1 162

163 ! t A B C D A B C D A B C D Tnbm P149 Fig

164 ! 适 1 164

165 ! 适 1 165

166 ! store-forward 1 166

167 ! ATM 1 167

168 ! 1 168

169 Thanks 1 169

第 1 章 概 述 1.1 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 中 的 作 用 1.2 计 算 机 网 络 的 发 展 过 程 *1.2.1 分 组 交 换 的 产 生 *1.2.2 因 特 网 时 代 *1.2.3 关 于 因 特 网 的 标 准 化 工 作 1.2.4 计 算 机 网 络 在

第 1 章 概 述 1.1 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 中 的 作 用 1.2 计 算 机 网 络 的 发 展 过 程 *1.2.1 分 组 交 换 的 产 生 *1.2.2 因 特 网 时 代 *1.2.3 关 于 因 特 网 的 标 准 化 工 作 1.2.4 计 算 机 网 络 在 计 算 机 网 络 ( 第 4 版 ) 课 件 第 1 章 计 算 机 网 络 概 述 郭 庆 北 Ise_guoqb@ujn.edu.cn 2009-02-25 第 1 章 概 述 1.1 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 中 的 作 用 1.2 计 算 机 网 络 的 发 展 过 程 *1.2.1 分 组 交 换 的 产 生 *1.2.2 因 特 网 时 代 *1.2.3 关 于 因 特

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