计算机网络课程建设

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重难点内容分析解放军理工大学陈鸣mingchennj@163.com2013.3.30

南京

一、讲解“多路访问技术”二、讲解“链路层交换机原理”四、讨论“网络课的实验设置”

五、讨论“交换机与路由器的异同”内容提要

三、讲解“IP编址”讲解要点当多个结点频繁访问信道协同结点无碰撞，统一控制效率高当大量结点偶尔访问信道结点随机占资源，简单算法解碰撞用探究方法：发现问题，解决问题问题：信道只有一个，访问结点多个，如何设计共享算法？多路访问(multipleaccess)链路和协议多路访问概念：多个发送/接收结点同时使用广播信道，如何协调它们共享一个信道局域网环境，密集端系统通常使用多路访问方式5应用场景：信道资源紧缺，大量端系统或者频繁访问网络，或者以较小概率访问网络多路访问协议：要求共享单一广播信道两个或更多结点并行传输相互干扰碰撞：结点同时接收到两个或更多信号多路访问协议决定结点怎样共享信道的分布式算法，如决定何时结点能够传输？出现碰撞时如何分解？共享信道的通信必须使用信道本身!不能用带外信道来协调6理想的多路访问协议速率Rbps的广播信道1.当只有一个结点时，能够以速率R发送2.当有M个结点时，每个能以平均速率R/M发送3.分布式:无特殊结点来协调传输无同步时钟、时隙4.简单7…碰撞后如何分解？方法与碰撞概率多大有关。R

bps12M多路访问MAC协议:分类有三种类型:信道划分将信道划分为较小的“段”(时隙，频率，编码)为每个结点分配一部分专用轮流结点轮流，信息较多的轮流发送的时间较长随机访问不划分信道，允许碰撞设法从“碰撞”恢复8问题：协议应用场景不同，设计协议的方法是否有所不同？多路访问协议分类信道划分MAC协议:TDMATDMA:时分多路访问

“循环”访问信道每个站点在每个循环中获得固定长度时隙(长度=分组传输时间)不使用的时隙则空闲例子：6个站点的LAN,时隙1、3、4有分组,时隙2、5、6空闲(浪费)10信道划分MAC协议:FDMAFDMA:频分多路访问

信道频谱划分为频带每个站点分配固定的频带频带中未使用的传输时间空闲例子：6个站点的LAN,频带1、3、4有分组,频带2、5、6空闲(浪费)11FDM和TDM特点消除了碰撞且公平结点在每个帧时间内得到了专用的传输速率R/Nbps若系统仅有少数几个有大量分组要发送的结点分配的频率或时隙被浪费适合场合所有结点都持续有大量数据发送CDMA是另一种信道划分协议见2.3.2节12多路访问协议分类两种轮流MAC协议轮询(有中心):

主结点“邀请”从结点依次传输关注问题:轮询开销时延单点故障(主结点)令牌传递(无中心):控制令牌从一个结点顺序地传递到下一个令牌报文关注问题:令牌开销时延单点故障(令牌消失)适用于希望共享信道但却无法预测访问结点的数量的场景14多路访问协议分类随机访问协议大量结点以小概率发送分组以信道全部速率R传输结点间无优先权协调两个或更多传输结点发送➜“碰撞”(小概率)随机访问MAC协议定义了:如何检测碰撞如何从碰撞中恢复(例如，经延迟后重新传输)随机访问MAC协议的实例:ALOHA时隙ALOHACSMA,CSMA/CD,CSMA/CA16ALOHA

一种用于解决在分组无线通信系统中分配广播信道的分布式方法假定所有帧有相同长度结点随时传输帧结点是异步的如果2+结点同时传输，所有结点检测碰撞操作当结点获得新帧，将随时传输无碰撞，结点能够继续发送新帧如果碰撞，结点能够检测到17纯ALOHA非时隙ALOHA:无同步要求结点i的帧成功传输的条件在t0发送与在[t0-1,t0+1]发送的其他帧无碰撞其他结点不传输的概率和不开始传输新帧概率均为给定结点i成功传输一帧的概率N个活跃结点时，ALOHA的效率是取极限，得协议最大效率为

1/(2e)=0.18518时隙ALOHA优点效率较高缺点有碰撞/空闲时隙，浪费时隙时钟同步困难19时隙ALOHA效率假定N个有许多帧要发送结点，每个时隙以概率p发送结点1在一个时隙中成功发送的概率=p(1-p)N-1任何结点成功发送的概率=Np(1-p)N-1对N结点为使效率最大化，求p*,使得Np(1-p)N-1最大化对许多结点，当N趋近无穷大，取Np(1-p)N-1极限,得到1/e=0.37效率：当有许多结点，且每个都有许多帧要发送时，成功时隙与总时隙的长期比值最多:

信道用于有用传输的时间是37%！20ALOHA载荷与吞吐量关系21效率载荷CSMA(载波侦听多路访问)ALOHA用于无线，CSMA用于有线CSMA:

发前先听如果侦听到信道忙,推迟传输如果侦听到信道空闲:传输整个帧边发边听发送时侦听到信道忙,立即停止；转发强化冲突信号人类类比:不要打断他人说话；难免两人同时讲话22问题：CSMA能否用于无线环境？CSMA协议效率是否更高？为什么？CSMA碰撞发前先听，仍可出现碰撞:传播时延意味着两个结点也许不能听到其他结点传输碰撞:整个分组传输时间被浪费注意:距离与传播时延在决定碰撞概率中的作用问题：所有结点都进行载波侦听，为什么还会发生帧碰撞呢？23CSMA/CD(碰撞检测)CSMA/CD:

载波侦听在短时间内检测到碰撞碰撞的传输尽快结束，以减少信道浪费碰撞检测:

在有线的LAN中容易:测量信号强度，比较传输的和接收的信号在无线LAN中困难：碰撞可能听不到人类类比:礼貌的交谈者问题：能否进一步提高CSMA效率？24CSMA/CD碰撞检测25信道传播时延τ起关键作用：

,a越小，网络性能越好多路访问协议比较信道划分MAC协议在高负载时高效、公平地共享信道低负载时低效：信道访问中延时，当1个活跃结点时，甚至仅有分配了1/N带宽!随机访问MAC协议低负载是有效：单个结点能够全面利用信道高负载：碰撞开销大轮流协议兼有两方面的优点!26多路访问协议小结问题：对共享媒体你需要做些什么?信道划分,通过时间、频率或编码时分,频分轮流从中心站点轮询，令牌传递随机划分(动态的),ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD载波侦听:在某些技术(有线)中容易，在另一些(无线)中困难CSMA/CD用在以太网中CSMA/CA用在802.11中27

一、讲解“多路访问技术”

二、讲解“链路层交换机原理”四、讨论“网络课的实验设置”

五、讨论“交换机与路由器的异同”内容提要

三、讲解“IP编址”易错的概念交换机是否使用了CSMA/CD协议？为何称为以太网交换机？经过交换机通信是否是可靠的？没有，因为交换机每个端口只连接一台主机。它使用了以太网帧格式。不可靠，它没有端到端可靠传输机制。当几台主机同时向一个端口大量发送分组时，一旦该端口缓存满时就会丢包。交换机链路层设备：比集线器智能化存储并转发以太网帧当帧在网段上转发时，检查帧首部并基于MAC目的地址，选择性地向一个或多个出链路转发帧当帧在网段上转发时，使用CSMA/CD访问网段透明性主机不知道交换机的存在即插即用,自学习交换机不必配置30交换机:并行传输扩大容量端系统与交换机直接连接交换机缓存分组（？）入链路上使用以太协议：全双工，无碰撞每条链路是一个碰撞域交换:

A到A’和B到B’能够同时无碰撞地进行而集线器无法办到!AA’BB’CC’具有6个接口的交换机(1,2,3,4,5,6)12345631交换机表查表：交换机具有一个交换机表，每表项:(MAC地址,接口,时戳)AA’BB’CC’123456具有6个接口的交换机(1,2,3,4,5,6)32问题:

交换机如何知道经接口4可达A’,经接口5可达B’?交换机:自学习当收到帧时，交换机“学习”到发送方位置：入链路在交换机表中记录下发送方/位置对AA’BB’CC’123456AA’Source:ADest:A’MAC地址

接口

TTL交换机表(初始为空)A16033问题:

这些表项是如何创建的，谁维护交换机表?交换机：帧过滤/转发算法当交换机收到帧:1.记录与发送主机关联的链路2.使用MAC目的地址索引交换机表3.

if找到目的地项

then{

if目的地位于帧到达的段

then

丢弃帧

else在指示的接口转发该帧

}

else

洪泛向所有接口(除了该帧到达的)转发该帧34提供不可靠、无连接服务无连接:

在交换机入口和出口之间没有握手不可靠:

交换机出口不向入口发送应答或否定应答经交换机，丢包应比共享以太网情况好当端口缓存满时，传送的帧可能有丢包如果高层使用TCP，将可能弥补35

一、讲解“多路访问技术”二、讲解“链路层交换机原理”四、讨论“网络课的实验设置”

五、讨论“交换机与路由器的异同”内容提要

三、讲解“IP编址”易错的概念IP编址(IPaddressing)的概念？目前采用何种IP编址方法？CIRD的主要用途是什么？设计特定的IP地址结构以支持高效完成分组转发任务无类别域间选路CIRD提高路由器转发速度IP编址:点分十进制记法10000000000010110000001100011111机器中存放的IP地址是32bit二进制代码10000000000010110000001100011111每隔8bit插入一个空格以提高可读性采用点分十进制记法则进一步提高可读性1128

11331将每8bit的二进制数转换为十进制数IP地址长32bit长，共能容纳232(约40亿)个IP地址3839IP编址:接口IP地址:对主机、路由器接口的32-bit标识符接口:在主机/路由器和物理链路之间的连接路由器通常具有多个接口主机可能具有多个接口IP编址与每个接口相联系7=11011111000000010000000100000001223111分类编址早期定义的编址方案记为IP地址::={<网络号>,<主机号>}40地址类别网络号主机号各类地址边界固定子网编址子网掩码(subnetmask)增加第三个层次，即子网号IP地址结构定义为：41IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}例：/27，即子网掩码共有27个连续的1什么是子网?IP地址子网相同部分的设备接口能够物理上互相到达而没有中间路由器无类别域间路由选择(CIDR)把一块相邻接的IP地址压缩成一个表项，其结构为：IP地址::={<网络地址>/<前缀>}以a.b.c.d开始且前缀为x的所有IP地址均从对应的接口转发连续IP地址，路由器转发表上仅对应为一个表项CIDR技术对于解决因特网路由器转发表空间急剧膨胀的问题至关重要421100100000010111

0001000000000000子网部分主机部分/23层次编址和路由聚合43目的地址范围链路接口/210/241/212其他3前缀匹配链路接口11001000

00010011

00010011001000

00010011

00011000 111001000

00010011

000112其他3最长前缀匹配规则：70前24bit与表中的第二项匹配，而该地址的前21bit与表中的第三项匹配：应选择与表中的第二项相匹配

一、讲解“多路访问技术”二、讲解“链路层交换机原理”

四、讨论“网络课的实验设置”

五、讨论“交换机与路由器的异同”内容提要

三、讲解“IP编址”讨论题：网络课的实验设置网络课是否应当设置实验？你校开设了吗？网络实验的目的是什么？当然……原理验证理解复杂的计算机网络工作原理技能训练提高计算机网络应用和维护的技能研究创新用于发现网络新知识、验证协议或某种猜想等实验设置举例第1章实验1使用