1 電腦網路 第一章

2 第一章 電腦網路與網際網路 本章目標： – 什麼是網際網路 (Internet)? – 什麼是通訊協定 (Protocol)? – 什麼是網路邊界 (Network Edge) 和網路核心 (Network Core)? – 什麼是存取網路 (Access Network)? – 什麼是實體媒介 (Physical Media)? – 什麼是分層 (layering)? –Internet 的歷史 ?

3 Internet 的歷史 Arpanet introduced in 1969 TCP/IP, by V. Cerf and R. Kahn, in 1974 Ethernet, by R. M. Metcalfe et al., in 1976 Cellular telephones in 1978 PC introduced in early 1980s Proliferation of LANs and hence the Internet in mid 1980s Mosaic browser in 1993 and World-Wide Web Consortium in 1994

4 Internet 概觀 (1/2) Internet 是由成千上萬的 通訊設備所組成，包含 了 PC, 工作站, 伺服器, PDA 等, 甚至是烤麵包機 也有可能參與 Internet 。 通訊用的連線可以是光 纖線、銅線、無線電、 衛星等。 Routers ：負責在網路中 轉送資料封包 local ISP company network regional ISP router workstation server mobile

5 Internet 概觀 (2/2) 通訊協定 (protocols) ：控制訊息的接收和傳送。 – 例如： TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: “network of networks” – 寬鬆的階層式架構 – 開放的 Internet 和私有的 Intranet Internet 的標準 –RFC: Request for comments –IETF: Internet Engineering Task Force

6 在 Internet 上的服務 Internet 是一個可提供分散式服務的 Infrastructure – 例如： WWW, , 電子商務, 資料庫, 網路 連線遊戲等服務 通訊服務提供兩種模式 – 連線導向 (connection-oriented) – 非連線導向 (connectionless) 目前 Internet 能提供服務，但是不提供保證 – 即使多付費也無法取得服務品質的保證

7 通訊協定 (1/2) 何謂通訊協定 ? – 人類的通訊協定 甲：「你好！」乙：「你也好！」甲：「今天晚上有空一起吃飯嗎？」乙：「有的！」 – 機器的通訊協定 所有 Internet 上面的溝通都必須仰賴通訊協定 必須詳細定義訊息格式、訊息收或送的順序，和收 到或傳送訊息時該做的動作。

8 通訊協定 (2/2) 你好 妳好 現在幾點 ? 2:00 TCP connection req. TCP connection reply. time人類和機器的通訊協定比較

9 網路的結構 網路邊界 (Network Edge) – 應用軟體和主機 網路核心 (Network Core) –Routers – 網路中的其他各種網路 存取網路 (Access Networks), 實體媒介 (Physical Media)

10 The Network Edge 端點主機 (host; end system) – 執行應用軟體，例如 WWW, – 位於網路的邊垂 Client/Server 模式 –Client 對 server 提出要求， server 給予回應 – 例如： WWW client ( 瀏覽器 ) / server Peer to Peer 模式 – 主機之間的互動是平等對稱 的 – 例如：音訊、視訊會議

11 連線導向的服務 目的：端點主機之間的溝通 Handshaking ：在兩端建立初始狀態，準備資料 的傳送 TCP [RFC 793] - Transmission Control Protocol 是 Internet 上使用的連線導向服務協定 TCP 的特色 –Reliable, in-order byte-stream data transfer –loss ： acknowledge 和 retransmission –Flow Control ：傳送端不會傳送出超過接收端負荷的封 包數量 –Congestion Control ：當網路發生壅塞，傳送端降低傳 送速率。

12 非連線導向服務 目的：端點主機之間的溝通 UDP [RFC 768] - User Datagram Protocol 是 Internet 上使 用的非連線導向服務協定 UDP 的特色 –Unreliable data transfer –No flow control –No congestion control 使用 TCP 的應用程式 –HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) 使用 UDP 的應用程式 –Streaming media, teleconferencing, Internet telephony

13 The Network Core 由互相連結成網狀的 router 所組成 資料在網路中傳送的方式 –Circuit switching 每個 call 都有專屬的實際連 線：電話 –Packet switching 每個 packet 可能走不同的路 徑 –Message switching

14 Circuit Switching 每一個 call 都會在兩 端點沿途保留網路資 源 ( 頻寬 ) 獨占的資源，不和其 他的 call 共享 就像是替兩端建立了 一條獨占的 circuit 必須先做 call setup 的 動作

15 多工 (Multiplexing) 把網路頻寬分割成許 多小塊分配給不同的 call 如果 call 不使用此一小 塊頻寬，就會 idle ，此 時無法再分配給其他 call 使用 “ 小塊 “ 可以依頻率或 是依時間來分割 –Frequency division –Time division

16 Packet Switching (1/3) 所有人的 packets 共享網路資源 ( 頻寬 ) 每個 packet 傳送的時候利用全部的頻寬 所有頻寬需求加總的大小可以大於實際上 網路的頻寬大小 會發生壅塞的原因： packet 被 queue 起來等 待傳送 Store and forward ： packet 一次移動一個 hop

17 Packet Switching (2/3) B C 10 Mbps Ethernet 1.5 Mbps 45 Mbps D E statistical multiplexing Packets 在排隊 等待傳送

18 Packet Switching (3/3) Store and forward

19 Message Switching

20 Packet Switching 和 Circuit Switching 的比較 如果每個使用者需要 100 Kbps 頻寬, 但同時只會有 10% 的使用者上線 –Circuit switching ：容許 10 個使用者 –Packet switching ： 35 個使用者中有 10 個使用者同時上 線的機率甚小，所以可以支援較多的網路使用者 N 個使用者 1 Mbps link

21 Packet switching 的優點 – 處理 bursty data 的能力卓越 – 共享網路資源 – 不必事先做 call setup 的動作 Packet switching 的缺點 – 網路壅塞會造成 packet delay 和 loss – 必須配合 reliable data transfer 和 congestion control 的機制 Packet Switching 和 Circuit Switching 的比較

22 Routing 目的：在 router 間移動 packet ，以送達目的地 Datagram network 的特點 – 目的地位址可以決定下一站 – 即使在同一 session ，每個 packet 的路徑也可能會不同 Virtual circuit network 的特點 – 每個 packet 多帶一個 tag, 用 tag 來決定目的地 – 在做完 call setup 動作之後，路徑就固定了 – 每個 router 必須針對每個 call 的狀態作紀錄

23 Access Network 在這裡我們會介紹下列的 access network –Point to point access –Cable modem –Local area networks –Wireless access networks

24 Point to Point Access Modem 撥接： 56 Kbps ISDN (Integrated Services Digital Network) ： 128 Kbps ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line) ：上 傳 1 Mbps, 下載 8 Mbps 以上頻寬均為用戶端到 router 端的頻寬

25 Cable Modems HFC ： Hybrid Fiber Coax 從住家到 router (head end) 的頻寬 是共享的

26 Local Area Networks Ethernet ( 詳細介紹在第五章 ) – 最廣泛的 LAN 產品 –10/100 Mbps 最為常見, 1 Gbps 也已是成熟產 品, 10 Gbps 的標準也在制定中 – 使用的線材為雙絞銅線、銅軸線、光纖。 – 原始的設計理念為共用傳輸媒介，後來改成以 switching 技術為主

27 Wireless Access Networks Wireless LANs –2.4 GHz ISM 頻帶無線 電傳輸 – 產品眾多：例如 Lucent WaveLAN, Compaq WL110 – 目前市場主力為 11 Mbps (IEEE b) Access Point mobile hosts router

28 Physical Media Physical link: 訊號實 際傳輸的 link Guided media: 在實體 媒介上傳輸訊號, 如銅 線 Unguided media: 訊號 可以自由地傳輸, 如無 線電 雙絞線 (Twisted Pair) – 兩條以一定比例互相交 纏的銅線 –Category 3 TP: 傳統電 話線, 10Mbps Ethernet –Category 5 TP: 100Mbps Ethernet

29 Physical Media 銅軸電纜 (coaxial cable): 中心的線稱為 signal carrier, 外圍稱 為 shield –Bidirectional – 早期用於 10Mbps Ethernet 光纖 (fiber optic cable) – 玻璃纖維製，傳輸光線 – 傳輸速度快 – Gbps Ethernet, 點對點傳輸 達 5Gbps – 錯誤率極低

30 Physical Media – 無線電 Microwave –56 Mbps channel Wireless LAN –2 Mbps, 11 Mbps Wide-area ( 如行動電話 ) –CDPD 大約可達數 10K bps Satellite –50 Mbps channel –270 msec 點對點的延遲

31 Packet-switched 網路中的延遲 路徑中每個節點有四種延遲 –Nodal processing delay –Queueing delay –Transmission delay –Propagation delay A B propagation transmission nodal processing queueing

32 網路分層 (layering) 分層的理由 – 切割複雜系統成許多小塊 – 容易維護與發展每一分層 – 更動某一分層不會牽動整個系統 – 分層使得每一層的行為容易理解

33 Internet Protocol Stack 應用層 (application) ：支援網路的各種應 用軟體 – 如 ftp, smtp, http 傳輸層 (transport) ：兩端點之間資料傳輸 的虛擬連線 – 如 udp, tcp 網路層 (network) ：負責傳送端和接收端 之間的路徑 –Routing protocol, IP 連結層 (link) ：相臨端點之間的傳輸 –Ethernet, PPP 實體層 (physical) ：實體線材上的訊號 –cat3, cat5 application transport network link physical

34 邏輯上的通訊 application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical network link physical data 以 transport 為例 ，從 app 接收資料後， 送給對應的 peer ，然後等 待 peer 的回應 (ack) data transport ack

35 實際上的通訊 application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical network link physical data

36 分層中的 data 傳送端：每一層都會加上自己的 header, 然後送給下一層 接收端：讀取這一層對應的 header, 做處理後把 header 去 掉送給上一層 application transport network link physical application transport network link physical source destination M M M M H t H t H n H t H n H l M M M M H t H t H n H t H n H l message segment frame packet