(完整版)计算机网络基础与Internet应用--第3章--局域网课件

1、计算机网络基础与Internet应用（第四版）第3章 局域网 数据链路层的基本协议局域网的构成以太网控制方式和帧格式交换机的工作原理3.1.1 数据链路层的基本概念1.链路与数据链路链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。（物理链路）数据链路(data link)：这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输（逻辑链路）3.1.1 数据链路层的基本概念2.链路层的主要作用形成逻辑上无差错的数据链路。（通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的传输）其传输数据的单位是：。3.1.1

2、 数据链路层的基本概念3. 数据链路层的主要功能归纳如下：（1）链路管理 ：链路的建立、维持和释放（2）帧定界 （也帧同步）（3）流量控制 (flow control)（4）差错控制 (前向纠错、差错检测)（5）将数据和控制信息区分开（6）透明传输（7）寻址4数据链路层提供的服务 （1）无确认无连接服务 （2）有确认无连接的服务 （3）有确认面向连接服务3.1.2 数据链路层的协议什么是停止等待协议？在数据通信过程中，发送端每发送一帧数据都必须等待接收端给出该帧的肯定应答后，才发送下一帧数据。 理想化的数据传输的两个假定：（1）链路理想化，保证不会出错，也不会丢失数据（不需要差错控制）。（2）

3、不需要流量控制，接收方能够以任意速率接收数据（缓冲区足够大或者接收速率大于发送速率） 3.2.1 完全理想化的数据传输完全理想化的数据传输(2) 具有最简单流量控制的数据链路层协议去掉第二个假设，保留第一个。由接收方控制发送方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。说明：发送结点与接收结点工作过程两个假设都去掉（如何验证收到的数据帧出错？）1.停止等待协议工作过程A站的数据链路层从高层获得数据并装配成帧：1）发送一帧信息给B后，A站处于等待状态2）直到A收到B确认后，A再继续发下一帧。(3) 实用的停止等待协议有时链路上的干扰很严重，或由于其他一些原因，结点B收不到结点A发来的数据帧

4、。这种情况称为帧丢失。于是就出现了死锁现象。2. 如何解决“死锁现象”？(3) 实用的停止等待协议解决死锁方法：设定超时计时器(timeout timer)。工作方法：若到了超时计时器所设置的重传时间tout，而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。（3）实用的停止等待协议Tout多长时间合适呢？（3） 实用的停止等待协议Touttp+tpr+ta+tp+tpr (taSWS，没有意义 。接收窗口的规则很简单，归纳如下：（1）只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。（2）每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。同

5、时向发送端发送对该帧的确认。例：接收窗口大小RWS1，接收窗口的工作原理如下: 接收方可以对最后收到的帧确认，从而表明这个帧及以前的所有帧都正确地收到了，从而提高了效率。 接收窗口移动了，发送窗口才能够向前移动。滑动窗口。问题：发送序号（SeqNum）一定，SWS最大是多少?是不是SWSSeqNum就一定是最好的？假设SeqNum=8，SWS=8，RWS1 ，发送端发送07号帧，并都被接收端确认，接收端发送ACK0ACK7。 让我们考虑下面两种情况： 1、ACK0ACK7都被发送端收到，发送端发送新的07号帧； 2、ACK0ACK7出错，发送端超时重发原来的07号帧； 接收端不能够正确区别第二

6、次收到的8个帧具体是新的帧还是原来重发的帧。结论：当RWS=1的时候，SWSmax=SeqNum-1例题：卫星信道的数据率为1Mb/s，取卫星信道的单程传播时延为0.25秒，每一个数据帧长都是2000bit，忽略误码率、确认帧长和处理时间。WT7，试计算采用连续ARQ协议其信道利用率是多少？3. 选择重传ARQ协议为进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是计时器超时的数据帧。但这必须加大接收窗口，以便先收下去发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后一并送交主机。 可以避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。但必须在接收端设置相当容量的缓

7、存。对于选择重传协议，若用n比特进行编号，接收窗口的最大值RWSmax2n/2，当接收窗口处于最大值时，发送窗口SWS=RWS=2n/23. 选择重传ARQ协议表3-1 几种协议的窗口最大值协 议发送窗口的最大值接收窗口的最大值备 注停止等待11n为帧的编号位数连续ARQ2n-11选择ARQ2n/22n/23.1.3 高级数据链路控制什么是链路控制规程？为实现传输控制所制定的一些规格和顺序。其中：规格：同步字符的起始点、平时线路的状态。顺序：数据发送的格式。如先发送什么，后发送什么链路控制规程涉及的主要问题？包括：数据编码、同步方式、传输控制字符、报文格式、差错控制、应答方式，传输控制步骤、通

8、信方式和传输速率等内容。面向字符型控制规程面向比特型控制规程链路控制规程的种类？1。面向字符型控制规程（1）什么是面向字符型控制规程若干个字符组成一个信息块帧，一起发送，利用一些特殊的定义符来界定帧的起始和结束，分隔不同的段和控制整个信息的交换过程，并且这些定义符也是由字符组成。表3-2 面向字符型的传输控制规程的控制字符控制字符含义控制字符符号控制字符的编码标题开始SOH01H正文开始STX02H正文结束ETX03H传输完毕EOT04H询 问ENQ05H承 认ACK06H否 认NAK15H转 义DLE10H同 步SYN16H码组传输结束ETB17H1。面向字符型控制规程（2）面向字符型控制规

9、程的帧格式synsynSOH报头STX正文ETX校验码EOT1。面向字符型控制规程（3）面向字符型帧格式所带来：数据透明传输问题。解决方法：使用转义字符DLE(10H)即：1）将每个独立的控制字符都作为普通的数据字符对待2）仅当控制字符紧随在DLE之后时，才具有控制意义。1。面向字符型控制规程面向字符型帧格式变成：DLE SYN DLE SYN DLE SOH 报头 DLE STX 正文DLEETX校验码DLE ETO3）如果在正文中也出现了DLEETX，把其转化为DLEDLEETX。（3）控制序列和控制协议1）确认（ACK）控制序列 SYN SYN DLE ACK2）否认（NAK）控制序列

10、SYN SYN DLE NAK（3）控制序列和控制协议3）询问（ENQ）控制序列 SYN SYN 站地址 DLE ENQ4）拆链（EOT）； SYN SYN 站地址 DLE EOT（4）面向字符型控制规程的数据传输过程 1）建立连接阶段（建立收发关系）（4）面向字符型控制规程的数据传输过程 2）数据传输阶段 （4）面向字符型控制规程的数据传输过程 3）拆除连接阶段（释放收发关系） （4）面向字符的（传输的数据和控制信息都是某个字符集，例如ASCII中的一个），存在的弱点：1）采用停止等待协议，收发双方交替工作，通信线路的利用率低 2）通信设备必须使用同样字符代替，不同的BSC协议要求使用不同的

11、代码。3）只对数据部分进行了差错控制，控制部分的差错得不到检测，可靠性差。4）不易扩展，增加功能必须设定一个新得控制符。 （1）定义面向比特型控制规程是靠约定比特模式（而不是靠使用特殊定义的字符）来定界帧的开始和结束。面向比特型控制规程的一个实例是：HDLC（高级数据链路控制规程）2。面向比特型控制规程（2） HDLC适用于链路的两种基本配置：非平衡配置平衡配置。 非平衡配置的特点是由一个主站(primary station)控制整个链路的工作。平衡配置特点是链路两端的站为复合站，都可以发出命令和响应。2。面向比特型控制规程2。面向比特型控制规程HDLC帧结构各字段的意义数据链路层的数据传送是

12、以帧为单位的。（2）HDLC帧格式 作用：表示一帧的开始和结束帧间的同步信号：当帧与帧之间不发送信息时，可连续地发送标志序列。透明传输解决方法：HDLC采用零比特填充法（使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1）。1）标志序列F（01111110）01111110 11011111 0 0100110001111000111111 0 0111001011 01111110起始标志 插入0 插入0 结束标志例如：假设要发送的数据为11011111 01001100 01111000 11111101 11001011，通过零比特填充法处理后，发往线路的信息为： 地址字段8个比特。非平衡方式时，

13、地址字段写入次站的地址。平衡方式时，地址字段写入确认站的地址。2）地址字段帧校验序列FCS为16比特。采用的生成多项式为CRCCCITT。校验的范围为地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特。 3）帧校验序列字段根据控制字段的前两比特的不同，HDLC帧可以划分为三大类，即信息帧、监督帧和无编号帧，其简称分别是I (Information)、S (Supervisory)和U (Unnumbered)。若控制字段的第1比特为0，则该帧为信息帧。比特2 4为发送序号N(S)，而比特6 8为接收序号N(R)。N(S)表示当前发送的信息帧的序号，而N(R)表示这个站所期望收到的帧的发送序号（该序号是由

14、对方填入的）。在全双工通信中，双方各有一个N(S)和N(R) 。N(R) 带有确认的意思。表示序号为N(R)-1(mod 8)的帧以及在这以前的各帧都已经正确收到了。N(R)可以用来进行捎带确认。第5比特是P/F字段。主站将P比特置为1表示要求对方立即发送响应。对方确认帧若将F比特置为1表示要发送的数据已经发送完毕。3监督帧若控制字段的第1 2比特为1 0，则对应的帧即为监督帧S。监督帧共有四种，取决于第3 4比特的值(如图3-11中标有S的二比特)。表3-1是这四种监督帧的名称和功能。（1）S=00，接收准备就绪（RR）帧，表示准备接收下一帧并确认序号为N(R)-1及其以前的各帧。（2）S=

15、10，接收未就绪（RNR）帧，表示暂停接收下一帧数据，但确认序号为N(R)-1及其以前的各帧。（3）S=01，拒绝接收（REJ）帧，发送该REJ监控帧的一方说明已经确认序号为N(R)-1及其以前的各帧，但编号N(R)的帧有差错，希望对方重发编号为N(R)及其以后的所有帧。（4）S=11，选择接收（SREJ）帧，该帧的含义类似REJ帧，但希望对方仅仅重发第N(R)帧。前三种用于连续ARQ协议中，最后一种用于选择重传ARQ协议中。 监督帧中不包含数据，所以总的长度只有48比特。不需要有发送序号N(S)。前两种相当于确认帧ACK。REJ相当于NAK。 RR帧和RNR帧还具有流量控制的作用。5无编号帧

16、若控制字段的第1 2比特都是1时，这个帧就是无编号帧U。因为不存在N(S)和N(R)字段。3.2 局域网的基本概念 局域网（LAN，Local Area Network）是将分散在有限地理范围内（如一栋大楼、一个部门）的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和资源共享。3.2.1 局域网的特点 （1）极高的数据传输速率。（2）范围较小。（3）误码率较低。3.2.2 局域网的参考模型与协议标准局域网多采用广播式传输，需要很好地解决多个设备对子信道的争用问题 局域网络协议，一方面必须设法解决由于竞争所带来的信息冲突问题；另一方面又要对通信协议中的

17、一些功能进行相应的简化。3.2.2 局域网的参考模型与协议标准 一个局域网（LAN）通常由四个部分组成,分别是：服务器、工作站、通信设备和通信协议。 在局域网中所有的通信处理功能是由网卡来实现的，但在物理上却不明显。有时为了扩展局域网络的范围还要引入路由器、网桥、网关和通信服务器等网络部件。 3.2.3 局域网的构成1. 服务器 服务器是整个网络系统的核心，它为网络用户提供服务并管理整个网络，在其上运行的操作系统是网络操作系统。 服务器分为：文件服务器、打印服务器和通信服务器。2. 客户机 客户机是指当一台计算机连接到局域网上时，这台计算机就成为局域网的一个客户机。 客户机是用户和网络的接口设

18、备，用户通过它可以与网络交换信息，共享网络资源。 客户机通过网卡、通信介质以及通信设备连接到网络服务器。 客户机与服务器在网络中的作用比较？ 网络通信设备是指连接服务器与工作站之间的物理线路（又称传输媒体、或传输介质）或连接设备（包括有网络适配器、集线器和交换机等）。 3. 网络通信设备 1网络适配器 网络适配器NIC（Network Interface Card）也就是俗称的网卡。 网卡除了起到物理接口作用外，还有控制数据传送的功能，网卡一方面负责接收网络上传过来的数据包，解包后，将数据通过主板上的总线传输给本地计算机；另一方面它将本地计算机上的数据打包后送入网络。 网卡还有串并转换功能。2

19、集线器 集线器又称集中器，也就是俗称的HUB。 集线器是把来自不同的计算机网络设备的电缆集中配置于一体，它是多个网络电缆的中间转接设备，象树的主干一样，集线器是各分枝的汇集点，是对网络进行集中管理的主要设备。（3）交换机 交换机（Switch）大多数是工作在OSI的7层模型中的第二层（即数据链路层）的设备，作用是对封装数据包进行转发，并减少冲突域、隔离广播“风暴”。 （3）交换机 交换机（Switch）的数据交换方式：直通方式（Cut through）：存储转发方式（Store & Forward）： 无碎片直通方式（Fragment Free） （4）路由器路由器（Router）是工作在OS

20、I的7层模型中的第三层（网络层）的网络设备 路由的主要作用是将不同的网段连接起来，或是将不同网络操作系统上运行的不同协议进行转换，以实现异构互通。 4 . 通信协议 为了完成两个计算机系统之间的数据交换而必须遵守的一系列规则和约定称为通信协议。 在局域网络中一般使用的通信协议有：NetBEUI（用户扩展接口）协议IPX/SPX（网际交换/顺序包交换）协议TCP/IP（传输控制协议/网际协议）。 3.3 以太网 以太网（Ethernet）是由美国Xerox公司和Stanford大学联合开发并于1975年提出的，目的是为了把办公室工作站与昂贵的计算机资源连接起来，以便能从工作站上分享计算机资源和其

21、他硬件设备。 一、以太网的两个标准1980年9月，Dec公司、Intel公司和施乐公司联合提出了10Mbps的以太网第一个版本的DIX V1。1982年出第二版DIX V2，这个版本成为世界第一个局域网产品规约。1983年IEEE802委员会公布的802.3局域网络协议（CSMA/CD），基本上和Ethernet技术规范一致，于是，Ethernet技术规范成为世界上第一个局域网的工业标准。两个标准：DIXEthernet V2 IEEE 802.3以太网的两个标准 局域网的层次结构： 物理层和数据链路层数据链路层又分为：逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层媒体接

22、入控制MAC (Medium Access Control)子层 提出以太网基于下面的想法：要寻找一种最简单的方法将一些相距较近的计算机互相连接起来，使它们可以很方便和很可靠地进行较高速率的数据通信。 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关。不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说是都透明的。只有在MAC子层才能看见所连接的是采用什么标准的局域网。CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测最初此协议的实现是在一根总线上完成的。为什么在总线上完成？简单、可靠。且是无源器件。3.3.2 以太网的介质访问控制方式 总线的特点：采用广播通信，并采用每台主机使用不同的地址

23、。在帧中写时接收站地址，此地址与某主机地址相同时，该主机接收数据。1、CSMA/CD协议为通信方便，以太网采取了两种主要的措施：1。采用无连接方式2。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。（为什么？）1、CSMA/CD协议因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。目的站收到错帧丢弃，差错由高层来决定。如：高层采用TCP协议，TCP发现一些数据丢失，经过一段时间后，TCP将这些数据重新传递给以太网。但以太网并不知道这是一个重传的数据帧，而是当作一个新的帧来发送。1、CSMA/CD协议以太网采用的介质访问控制方式（MAC）是CSMA/CD。下面说明其要点：“多点接入

24、”：多台计算机通过一根总线连接。“载波监听”：指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否忙，忙则等待。如何检测总线忙？1、CSMA/CD协议“碰撞检测”（也称冲突检测）即计算机边发送数据边检测信道上是否产生冲突。如何检测冲突的产生呢？检测冲突后，停止发送数据，但发送干拢串（Jam串）以加强冲突，目的告知整个网络产生冲突。1、CSMA/CD协议在这种工作方式下为什么还会产生冲突？下面用图说明。1、CSMA/CD协议 局域网上的两站A和B相距1km，用同轴电缆相连。电磁波在电缆中的传输速度为空气中的2/3（3x108x2/3=2x108m/s），因此1km电缆需要5us。因此，A向B发出的信息

25、，在5us后才能到达B。或者说，如果B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧（因为此时A不在发送数据，所以CSMA认为信道空闲），则必然要和A发送的帧发生冲突。以太网的最小帧长度是64字节 ,其组成是？802.3标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的MAC帧：（1）MAC客户数据字段的长度与长度字段的值不一致；（2）帧的长度不是整数个字节；（3）用收到的帧检验序列FCS校验有差错；（4）收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46 1500字节之间。3. CSMA/CD的最小帧长MAC子层的标准还规定了帧间最小间隔为9.6s 当以太网的数据速率从10Mb/s提高到100Mb/s时，将一个网段的最

26、大电缆长度减小到100m，帧间隔时间从原来的9.6s改为现在的0.96s。 帧的最小长度要求是：数据帧的发送时延要大于往返时延。时延时延(delay)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的部分组成的。（1）传播时延（2）发送时延 （3）排队时延（1）传播时延传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率信道是铜轴：传播速率是2.3*105km/s光纤：2.0*105km/s例如：1000km的光纤线路产生的传播时延大约为5ms。（2）发送时延发送时延是发送数据所需要的时间。发

27、送时延的计算公式是：发送时延 = 数据块长度 信道带宽（数据率）（3）往返时延 指一条总线最远的两个端点这间传播时延的两倍。例如，1000km长的光纤线路产生的往返时延为大约为10ms。 例如，假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s。设信号在网络上的传播速率为2108m/s，求能够使用些协议的最小帧长。例题：一条1Km长的10Mb/s的CSMA/CD的局域网，信号的传播速度为200m/s，数据帧的长度为256比特（其中包括32比特帧头、校验、及其它开销。传输成功后的第一个时隙被留给接收方，用来使接收方捕获信道并发送一个32比特的确认帧，假设没有冲突，有效的数据传输速率是多少？以太

28、网的MAC帧格式有两种标准： DIX Ethernet V2标准 IEEE的802.3标准。3.3.3 以太网的两种帧格式 （1）前同步码数据帧是以一个64位的前同步码字段开始。前同步码由交替的1和0所组成的8个字节组成。其第8个字节与前面稍有不同，即前6位是交替的1和0，最后两位是连续的两个1 1. DIX Ethernet V2标准（2）目的地址目的地址就是指接收端的48位物理地址 （3）源地址源地址是48位，用来表明该数据帧是由哪一个工作站发送的 1. DIX Ethernet V2标准（4）类型字段在DIX以太网标准中，类型与长度字段占2个字节 1. DIX Ethernet V2标准

29、类型（16进制表示） 所代表的协议0 x0800 IP 协议0 x0806 ARP协议0 x8035 RARP协议0 x8137 Novell IPX协议0 x86ddIPv6协议（5）数据字段数据字段的长度范围是461500字节。 （6）帧校验序列字段在以太网中，帧校验采用的方法是CRC循环冗余校验。 1. DIX Ethernet V2标准IEEE的802.3数据帧格式的标准与DIX Ethernet V2标准大致相同，但也有一些区别，主要区别有：（1）第4个字段是长度/类型字段。此字段即可表示MAC帧的数据字段的长度（不是整个MAC帧的长度），也可以用来表示DIX Ethernet V2

30、的类型字段值。2. IEEE的802.3标准 （2）在IEEE 802.3的数据帧格式中，第5个字段是数据字段，在该字段中包括了LLC子层的LLC帧。LLC帧的首部有三个字段，即目的服务访问点DSAP（1字节）、源服务访问点SSAP（1字节）和控制字段（1或2字节）。 2. IEEE的802.3标准 基于共享式集线器的以太网，其标准是10BASE-T标准（IEEE802.3），传输速率为10Mb/s，基带传输，传输媒体为双绞线，采用编码是曼彻斯特编码。 3.3.4 基于共享式集线器（HUB）的以太网3.3.5 高速以太网 1993年10月，100Mbps以太网技术出现。 高速局域网是指速率达到

31、或超过100Mbps的局域网。100BASE-T是在双绞线上传送100 Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议，它又称为快速以太网(Fast Ethernet)。1. 快速以太网 物理层标准有三种： 100BASE-TX 2对5类UTP或者STP，一对用于发送，一对用于接收。信号编码采用多电平传输3（MLT-3）。 100BASE-FX 2对光纤。信号编码采用4B/5B-NRZI(不归零1制）。100BASE-T4 4对3类或5类UTP。信号编码采用8B6T-NRZ。最大长度200米，可以通过中继扩展到1000米。可以提供1000Mb/s的通信带宽，采用和传统10M，100M以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长。因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级 2. 吉比特以太网 截波扩展帧（64512字节） 非截波扩展帧（=512字节） 3.4 交换机 1. 什么是交换机 交换机就是一种在