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局部计算机网络

局部计算机网络. 陈庆章 qzchen@zjut.edu.cn 2012.10.16. 已经申报的创新实验计划介绍. 大一英语口语网络教材的研究与设计 藉由网络的互动、搭载多媒体的特性，以系统化的教学设计方式来发展一套网络英语会话教材，并提供一套可行的网络化学习评鉴机制，除可提供给学习者一个在网络上进行英语学习的学习情境外，亦可为英语教师提供另一种设计网络英语会话教材时的思考面向 。. 上次课程复习. 网络协议、协议三要素 协议分层 协议标准 OSI /RM TCP/IP 、 Ethernet 、 Token Ring 地址： MAC 、 IP 、 URL

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Presentation Transcript

  1. 局部计算机网络 陈庆章 qzchen@zjut.edu.cn 2012.10.16

  2. 已经申报的创新实验计划介绍 大一英语口语网络教材的研究与设计 藉由网络的互动、搭载多媒体的特性，以系统化的教学设计方式来发展一套网络英语会话教材，并提供一套可行的网络化学习评鉴机制，除可提供给学习者一个在网络上进行英语学习的学习情境外，亦可为英语教师提供另一种设计网络英语会话教材时的思考面向。

  3. 上次课程复习 • 网络协议、协议三要素 • 协议分层 • 协议标准 OSI /RM • TCP/IP 、Ethernet、Token Ring • 地址：MAC、IP、URL • 相关命令：Ipconfig、Ping、Arp、Tracert 等

  4. 系统A 系统B 实体 对等层 服务 对等实体 接口 物理网络 PDU SDU

  5. OSI/RM的体系结构分为7层 应用层Application 为网络应用提供服务 数据表示 在用户间建立会话关系 不同主机进程间的通信 在主机间传输分组 在节点间可靠地传输帧 位流的透明传输 7 6 5 4 3 2 1 表示层Presentation 会话层Session 传输层Transport 网络层Network 数据链路层Data Link 物理层Physical

  6. 在各层中实现的主要功能 • 差错控制 • 使对等层的通信更加可靠 • 流量控制 • 控制发送端的速率，使接收端能来得及接收 • 分段和重装 • 发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合 • 建立连接和释放连接 • 信息包识别

  7. Hi 请求连接 Hi 连接确认 What’sthe time? 传送文件：xxxxx.xxx 2:00 <文件> time 人相互交流的协议和通信协议之间的对比

  8. Flag Address Ctrl Data FCSS Flag SOH HEAD STX TEXT ETX BCC 通信协议的三要素 • 语义 • 对协议中各协议元素的含义的解释，例如： • 在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束 • 在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束 • 语法 • 协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如： • 时序 • 通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则 HDLC BSC

  9. 封装 拆封 段头 数据 分组头 段头 数据 数据多层封装 数据 段 分组 帧 帧头 分组头 段头 帧尾 数据

  10. RJ45连接线实验

  11. 讲课之前的实验 1 2 3 4 5 6 7 8 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 • 任务：制作一根网线（568B）

  12. 问题 • 双绞线接线标准为什么要有两种（568A和568B）？ • 双绞线还有两种用法：①交叉线，就是一头是568A，另一头是568B；②翻转线：最简单的制作方法就是两头的线序都一样但在做另一头的时候把水晶头反过来夹住就可以了。这两种又有什么意义？

  13. 局部计算机网络

  14. 要点 • 局域网的特点及关键技术 • 局域网的体系结构 • 共享信道的介质访问控制方法 • 以太网（Ethernet） • 令牌环网（Token Ring）

  15. stations hub stations hub hub station Server farm Switch 局域网（LAN）特点 • 覆盖范围小：房间、建筑物、园区范围、距离≤25km • 高传输速率：10Mb/s～1000Mb/s • 低误码率：10-8～10-11 • 拓扑：总线、星形、环形 • 介质：UTP、Fiber、COAX • 私有性：自建、自管、自用

  16. 局域网关键技术 • 拓扑结构（逻辑、物理）：总线型、星形、环形、树形 • 介质访问方法：CSMA/CD、Token-Ring • 信号传输形式：基带、宽带 • 以上三种技术决定了局域网的特征

  17. LAN典型拓扑结构 • 总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 • 星型: 所有结点都连接到中央结点 • 环型: 节点通过点到点链路与相邻节点连接 D A B C A Star T Bus C A Ring B A B C

  18. IEEE 802 OSI 高层 由TCP/IP和NOS实现 IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口 网络层 逻辑链路控制 LLC 数据链路层 介质访问控制 MAC 物理层 物理层PHY 局域网体系结构 • 局域网的标准：IEEE802，它是一个系列标准 • 其体系结构只包含了两个层次：数据链路层和物理层 • 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

  19. IEEE802系列主要标准 • IEEE802.1A-----局域网体系结构 • IEEE802.1B-----寻址、网络互连与网络管理 • IEEE802.2------逻辑链路控制(LLC) • IEEE802.3------CSMA/CD访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3i-----10Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3u-----100Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3ab----1000Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3z----1000Base-SX和1000Base-LX访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.4------Token-Bus访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.5------Token-Ring访问控制方法

  20. IEEE802系列主要标准（续） • IEEE802.6-------城域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.7-------宽带局域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.8-------FDDI访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.9-------综合数据话音网络 • IEEE802.10------网络安全与保密 • IEEE802.11------无线局域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.12------100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范 • 请课后查询，看看IEEE802.11标准有哪些？

  21. 8 0 2 体系结构 802.1D Bridge 网际互联 802.2 LLC LLC 数据链路层 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB 802.8 FDDI … … MAC PHY 物理层 IEEE802体系结构示意图 • 数据链路层在不同的子标准中定义 • 分别对应于LLC子层和MAC子层

  22. 局域网的网络层和高层 • IEEE 802标准没有定义网络层和更高层： • 没有路由选择功能 • 局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接 • 流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成 • 网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议）和网络操作系统来实现。

  23. 网卡与MAC协议 • 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 • 网卡的重要功能： • 进行串行/并行转换。对数据进行缓存。数据校验。 • 地址识别。组帧和拆帧。访问控制等。 • 其中程序按照MAC协议规范进行数据帧的封装与拆封。

  24. 网卡的作用 计算机 高 速 缓 存 网络接口卡 （网卡） CPU 存储器 至局域网 串行通信 I/O 总线 并行通信

  25. 介质访问控制方法 • 局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题： • 各站点如何访问共享信道？ • 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？ • 解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。 • 动态分配介质（随机接入、受控接入） • CSMA/CD、Token-Passing • CSMA/CD采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

  26. 介质访问控制方法 • 以CSMA/CD为例 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 E A B D C B向D 发送数据 不接受 不接受 不接受 接受 只有 D 接受 B 发送的数据

  27. CSMA/CD（IEEE802.3）概念 • CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测 • 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 • 载波监听：是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 • 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

  28. CSMA/CD的碰撞检测 • “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 • 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 • 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。 • 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 • 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

  29. 问题？ • 以太网的一般通信速率是10M，为什么我们常常得不到10M的速度？ • 两个站点同时发送，肯定产生冲突，此时如何处理？

  30. CSMA/CD工作原理 • 发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送； • 如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送； • 在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）； • 发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。 • 等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。 • 归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。

  31. 发送帧 Yes 媒体忙？ 延迟随机时间 No No Yes 发送 N≥16? No No 发送完？ 碰撞？ 发送失败 Yes Yes 碰撞次数N+1 发送成功 发送Jam CSMA/CD操作的流程图 接收流程是怎样？

  32. CSMA/CD的争用期 • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 • 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 • 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

  33. CSMA/CD的争用期 • 以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。 • 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 • 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突

  34. 二进制指数类型退避算法 • 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 • 确定基本退避时间（基数） ，一般是取争用期 2。 • 定义重传次数 k，k  10，即 k = Min[重传次数, 10] • 从整数集合[0,1,…, (2k1)]中随机地取出一个数，记为 R。重传所需的时延就是 R 倍的基本退避时间。 • T＝R×2τ • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 如：第一次重传K＝1，R＝0，1；T＝0，2τ。T在二者中随机选择。那么第二次重传呢？K＝2，R＝0，1，2，3；T＝0，2τ，4τ，6τ。如此可见，重传数次越多，则退避的时间就越长，称为动态退避。

  35. 7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字节 IEEE 802.3 DA SA LEN PR SFD FCS Pad LLC-PDU 校验区间 64-1518 字节 7 1 6 6 2 46-1500 4字节 Ethernet DA FCS SA Type Pad PR SFD Data CSMA/CD / Ethernet 帧格式 PR： 前导码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界符 – 10101011，表示一帧的开始 DA/SA：目的/源MAC地址 LEN： 数据长度（数据部分的字节数），取值范围：0-1500 Type： 类型，高层协议标识 LLC-PDU（Data）：数据，最少46字节, 最多1500字节，不够时以Pad填充 Pad： 填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于64字节 FCS： 帧校验序列（CRC-32） 用途：保证帧长≥64字节

  36. 问题 • 以太网最短帧长是多少？最长帧长是多少？ • 如果你发送的信息超过最长的帧长，那怎么办呢？

  37. CSMA/CD的优缺点 • 控制简单，易于实现； • 网络负载轻时，有较好的性能： • 30％－40％以内 • 延迟时间短、速度快 • 网络负载重时，性能急遽下降： • 70％－80％以上 • 冲突数量的增长使网络速度大幅度下降

  38. 以太网媒体接入控制 MAC 10BASE5 粗缆 10BASE2 细缆 10BASE-T 双绞线 10BASE-F 光缆 传统以太网的连接方法 • 传统以太网可使用的传输媒体有四种： • 铜缆（粗缆或细缆） • 铜线（双绞线） • 光缆 • 这样，以太网就有四种不同的物理层。

  39. 铜缆或铜线连接到以太网的示意图 10Base5 10Base2 10BaseT 主机箱 主机箱 主机箱 网卡 DB-15 连接器 双绞线 收发器电缆 RJ-45 插头 BNC 连接器 插口 收发器 插入式 分接头 MAU 内导体 MDI 集线器 BNC T 型接头 外导体屏蔽层 保护外层

  40. 500 m 50 m 500 m 50 m 50 m 500 m 以太网的最大作用距离 网段 1 网段 3 中继器 中继器 750 m 250 m 中继器 中继器 网段 2

  41. 粗缆以太网10BASE5 • 分插头：插入电缆 • 收发器：发送/接收, 冲突检测, 电气隔离，超长控制 • AUI：连接件单元接口 • 中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的 失真和衰减。 vampire tap 粗缆 BNC端子 收发器 最大段长度 500米 每段最多站点数 100 AUI 电缆 NIC 两站点间最小距离 2.5米 网络最大跨度 2.8公里

  42. 细缆以太网10BASE2 • 用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。 • 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。 • 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。

  43. 段最大长度 185m 每段最多站点数 30 两站点间最短距离 0.5 m 网络最大跨度 925 m 细缆以太网10BASE2 细缆 • BNC T型接头 • 无需插入电缆 • 用于办公室LAN BNC 接头 NIC

  44. 星形网 10BASE-T • 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 • 在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。 • 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

  45. 10BASET • Hub（集线器）相当于多端口转发器 • 用于办公室LAN • 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形 hub NIC 段最大长度 100m

  46. 以太网小结 • 10BASE-T这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 • 10BASE-T以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。 • 重点：CSMA/CD、以太（Ethernet）帧格式

  47. 作业 • IEEE802.5（Token Ring）也是一种常用网络协议，为何在我国不流行，甚至在国际上也逐渐淡出。请撰写论文，论证这种协议优点，以及逐渐被淘汰原因。论文题目自拟，例如IEEE802.3与IEEE802.5之比较、告别IEEE802.5、IEEE802.5重新崛起之要素 • 本周六下午五点前将作业传给我。

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