计算机网络 TCPIP 详解协议

TCP/IP详解:

协议

一•向川夫孽计算机学院

陈黎

教案下载：cs.scu.edu.cn/-chenli

课件密码：yjs2009

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的版本

--•---•---•---T•C--P-/-I-P-------------

■在1983年TCP/IP就成为因特网的正式标准。因

特网发展时，TCP/IP也在发展，从开始到现在

共有6个版本.

版本4：大部分的因特网目前使用版本4,然而这个版

本具有明显的缺点。主要的问题是因特网的地址只

有32位长，而地址空间还要分成为不同的类。随着

因特网的飞速增长，对预期的用户数设计的32位的

地址就显得不够用了。此外.将地址空间划分为不

同的类更进一步限制可用的地址数。

■版本5：版本5是基于OSI模型提出的。由于层次的

改变很大和预期的代价很高始终没有超出建议阶段。

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TCP/IP的版本

—•---•-----■----•-------------------------

■版本6

■IETF设计了一个新的版本，叫做版本6。在这个版本中，

惟一改动的协议就是网络层中的几个协议。IPV40P的版本

4）变成为IPv6（IP的版本6）,ICMPV4变成为ICMPV6,同时

册I］除了RARP。

■IPv6又称为IPng（下一代IP）,它使用128位（16字节）地址，

而不是目前使用的32位（4字节）地址。因此IPv6可容纳很大

数量的用户。在版本6中，分组的格式简化了，而与此同

时还可在将来灵活地增加一些功能。

■新的版本支持网络层的鉴别、数据完整性和保密性，它设

计成可处理实时数据（如音频和视频）的传输，以及可携带

从其他协议来的数据。IPng还能够处理拥塞和发现路由，

这比现在的版本要好。

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第二章链路层

―•---•----■•---------------------

一、引言

1O链路层的作用

＞为IP模块发送和接收IP数据报

＞为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答

＞为RARP发送RARP请求和接收RARP应答

2o本章的内容

以太网链路层的协议

局域网

点对点的协议：SLI寻口PPP

网络互连设备

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■■■■局域网

局说(LXN)7.一个数据通信系统，

允许一些独立的设备在受限的地理范

围内彼此能够直接通信。

局域网常用的体系结构：

＞以太网

＞令牌网

＞分布式接口(FDDI)

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局域网的参考模型

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.

局域网的标准系列

•IEEE802.1：对802整个做了介绍

并且定义了接口原语；

•IEEE802.2：描述了数据链路层的

上部，使用了逻辑链路控制层LLC

(logicallinkcontrol协议；

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局域网的标准系列

•802.3〜802.5分别描述了3个局域网标

准，分别是CSMA/CD、令牌总线、令牌

环标准。

>1EEE802.3：定义CSMA/CD总线网

的介质访问控制和物理层规范;

>1EEE802.4：定义令牌总线网的介质

访问控制和物理层规范;

>IEEE802.5：定义令牌环形网的介质

访问控制和物理层规范。

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•LLC(logicallinkcontrol)逻辑链路控制：

由IEEE8022定义，是一个可运行于所有802

LAN和MAN协议之上的数据链路层协议。

»隐藏各种802网络之间的差别，向网络层

提供了一个统一的格式和接口，这些格式、

接口和协议完全基于OSI；

ALLC构成了数据链路层的上半部，MAC构

成数据链路层的下半部。

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与关系示意图

•--L-L-C---M--A-C----

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—・---•-局--域•--网-•-—------以--太---网--(L——1)

•以太网是指数字设备公司、英特尔公司和

Xerox公司在1982年联合公布的一个标准

•以太网用一种称作CSMA/CD的媒体接入方

法，带冲突检测的载波侦听多路接入。

•IEEE802委员会公布了一个标准集。

♦802.3针对整个网络

♦802.4针对令牌总线

♦802.5令牌环网

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——••-局--域•网•——------以---太---网-'⑵__L——

以太网如此流行的原因

,以太网是最早、也是传播最广泛的局域网

，令牌环网、FDDI和ATM都比以太网复杂而

且价格更贵

“以太网的硬件设备变得更普遍并且便宜

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■■局垓网一以太网⑶

以太网的标准

866246-15004

前导码目标地址源地址类型数据帧校验码

前导码字段占8个字节，每个字节的比特

模式为“10101010”,用于实现收发双方的时钟

同步。最后1个字节，其比特模式为

“10101011”,用于指示一帧的开始。前导码的

作用是使接收端能根据“1\"0”交变的比特模式

迅速实现比特同步，当检测到连续两位“厂时，

便将后续的信息递交给MAC子层。

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局域网——以太网⑷

--•--•------------

CSMA/CD……载波侦听—冲突检测

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局域网—以太网(5)

•---•---・---•---------------------

■非坚持算法

■如果媒体是空闲的，立即发送

如果媒体忙，等待一个由概率分布决定的随

机重发延迟

■1-坚持算法

如果媒体空闲，则可以立即发送

如果媒体忙，继续监听,检测到空闲立即发送

如果有冲突，则等待一个随机时间立刻发送

cl@

.■局域网一以太网(6)

e

>P-坚持算法：

»监听总线,如果媒体空闲，则以P的概率发送,而以1-P

的概率延迟

»延迟以后,继续监听

»如果忙继续监听

♦:♦冲突处理

>冲突检测：主机在发送帧的过程中检测到冲突

时，发送一个32—48位的阻塞信号，警告其它主机

现在已经发生冲突。

>冲突退避和重发：

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局域网——以太网(7)

——•---•----■---•---------------------

如何发现冲突

＞最短帧长

-避免帧的第一个比特到达电缆的远端前帧已经发完，帧发送时间应该

大于2T；

--IPacketstarts

聿/attime0

(a)(b)

Noiseburstgets

(C)Co川sionat(d)

timeT

-10MbpsLAN,最大冲突检测时间为51.2微秒，最短帧长为64字节

(从目的地址开始计算)；

-网络速度提高，最短帧长也应该增大或者站点间的距离要减小。

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信号传播时延

从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数

据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，

称为信号传播时延。信号传播时延(口s)=两站点的距

离(m)/信号传播速度(200m/us)。

假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大

传播时延为tp。当A站点发送数据后，经过接近于最大

传播时延tp时，B站点正好也发送数据，此时冲突便发

生。发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A

站点需再经过一份最大传播时延tp后，才能检测出冲

突。

也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出

一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的

两倍(2tp)0

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灯居传输时延

戴据庙从二个‘站点开始发送，到该数据

帧发送完毕所需的时间和为数据传输时

延；同理，数据传输时延也表示一个接

收站点开始接收数据帧，到该数据帧接

收完毕所需的时间。

数据传输时延(s)=数据帧长度(b让)/数据传

输速率(bps)。

若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从

一个站点开始发送，到该数据帧被另一

个站点全部接收所需的总时间，等于数

据传输时延与信号传播时延之和。

.■局域网一以太网(8)

■二进制指数后退算法(binaryexponentialbackoff)

-将冲突发生后的时间划分为长度为512微秒的时槽

•发生第一次冲突后，各个站点等待0或1个时槽再开

始重传；

•发生第二次冲突后，各个站点随机地选择等待0,1,2或

3个时槽再开始重传；

•第i次冲突后，在0至2-1间随机地选择一个等待的

时槽数，再开始重传；

•10次冲突后，选择等待的时槽数固定在0-1023间；

•16次冲突后，发送失败，报告上层。

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■---•--局-■域---网•-——-------以---太---网---(-9-)

以太网有三种实现方式:

10BASE5:粗以太网,，采用的拓扑结构是总线拓

扑结构，使用基带信号，最大的网段长度是500米

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局域网——以太网(10)

•--•--・--•--------------

10BASE2：细缆以太网。比10BASE5要便

宜，但仍能支持同样的速率，总线拓扑结构。

好处是降低了价格使得安装更加容易。但是

工作距离短只有185米和容量较少。

BNOT

连接器细同轴电缆

最长185米

NIC收发电路

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w.r

局域网・——---■--以-•太---网---(-1--1-)----------

10BASE-T：双绞线以太网，也是目前最流

行的以太网络。使用非屏蔽双绞线的星形

拓扑结构，支持的速度10M,最大长度100

米

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同时具有粗缆、细缆

和双绞线接口的网卡

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局域网——令牌网（0）

・----■----•--------------------

令牌环网是IBM开发出来

局域网标准，使用逻辑环

拓扑结构。

环上各主机只能按顺序进

行发送，并且每次只能发

送1帧

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局域网

-■--■令牌网（1）

主机通过环接口、

电缆连成一个头尾相连

的环，帧沿着一个方向

一位一位的传输。

环形网需要解决的的

问题：

1.如何控制帧的插入

2.如何控制帧的接收

3.如何删除帧

sac

局域网——令牌网（2）

A忽略该帧

C吸收返回的帧，并

E复制该帧cl@删除，将令牌传递给D

环的长度往往折算成比特数来度量，以比特度

量的环长反映了环上能容纳的比特数量。

假如某站点从开始发送数据帧到该帧发送完毕

所经历的时间，等于该帧从开始发送经循环返

回到发送站点所经历的时间，则数据帧的所有

比特正好布满整个环路。

换言之，当数据帧的传输时延等于信号在环路

上传播时延时，该数据帧的比特数就是以比特

度量的环路长度。

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实际操作过程中，环路上的每个接口都会引入延迟。

接口延迟时间的存在，相当于增加了环路上的信号传

播时延，也即等效于增加了环路的比特长度。

接口引入的延迟同样也可以用比特来度量。一般，环

路上每个接口相当于增加1位延迟。由此，可给出以

比特度量的环长计算式：

环的比特长度=信号传播时延X数据传输速率+接口

延迟位数=环路媒体长度x5(us/Km)X数据传输速率

+接口延迟位数

■式中5us/Km即信号传播速度200m/us的倒数。

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例如，某令牌环媒体长度为10Km,数据传输

速率为4Mbps,环路上共有50个站点，每个站

点的接口引入1位延迟，则可计算得：

环的比特长度=10(Km)X5(us/Km)X4(Mbps)

+1(bit)X50

如果由于环路媒体长度太短或站点数太少，以

至于环路的比特长度不能满足数据帧长度的要

求，则可以在每个环接口引入额外的延迟，如

使用移位寄存器等。

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局域网——令牌网（3）

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——•--•--■--令•牌--环--的--维--护-----

令牌环的故障处理功能主要体现在对令牌和数据帧的维护上。

令牌本身就是比特串，绕环传递过程中也可能受干扰而出错，以至造成

环路上无令牌循环的差错；

-当某站点发送数据帧后，由于故障而无法将所发的数据帧从网上撤消

时，又会造成网上数据帧持续循环的差错。令牌丢失和数据帧无法撤

消，是环网上最严重的两种差错，可以通过在环路上指定一个站点作为

主动令牌管理站，以此来解决这些问题。

主动令牌管理站通过一种超过机制来检测令牌丢失的情况，该

超时值比最长的帧为完全遍历环路所需的时间还要长一些。如

果在该时段内没有检测到令牌，便认为令牌已经丢失，管理站

将清除环路上的数据碎片，并发出一个令牌。

■为了检测到一个持续循环的数据帧，管理站在经过的任何一个

数据帧上置其监控位为1,如果管理站检测到一个经过的数据

帧的监控拉的已经置为1,便知道有某个站未能清除自己发出

的数据帧，管理站将清除环路的残余数据，并发出一个令牌。

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—令•-牌---环--的---特--点-------

令牌环网在轻负荷时，由于存在等待令牌

的时间，故效率较低；但在重负荷时，对

各站公平访问且效率高。

考虑到帧内数据的比特模式可能会与帧的

首尾定界符形式相同，可在数据段采用比

特插入法或违法码法，以确保数据的透明

的俞。

令牌环的通信量可以加以调节，一种方法

是通过允许各站点在其收到令牌时传输不

同量的数据，另一种方法是通过设定优先

权使具有较高优先权的站点先得到令牌。

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.局域网;--令牌网（4）

冬属环向质实现

cl@

.*

.■局域网——HDD(1)

1「设才双权的由来:

FDDI是由ANSI和ITU-T进行标准化局域网标准。

支持100Mbps的数据传输速率，是一种与以太网

和令牌都不同的局域网。设计FDDI的时候只能使

用光纤。但是现在可以使用铜缆，称为CDDI。

・令牌环网主要缺点：容易失效。当连接两台计算机的电

缆整个被切断，整个网络瘫痪。

・双环网即利用了环网的优点及技术，又设计了自身恢复

的功能，从而避免令牌环网易失效的缺点。

•FDDI一光纤分布式数据接口

cl@

•__■局__域■_网_■——____F__D_D_I__(_2__)

■光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributed

DataInterface)是一个使用光纤作为传输媒体

的令牌环形网。

■FDDI的主要特性如下：

使用基于IEEE802.5令牌环标准的MAC协议；

■利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双

环拓扑；

■数据率为100Mbit/s,光信号码元传输速率为125

Mbaud；

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局域网——FDDI（3）

---•---■---•-------------------

■1000个物理连接（若都是双连接站，则为500个

站）；

■最大站间距离为2km（多模光纤），环路长度为100

km,即光纤总长度为200km；

■分组长度最大为4500字节。

FDDI主要用作校园环境的主干网。这种环境

的特点是站点分布在多个建筑物中，其中可能

遇到点对点链路长达2km的情形。FDDI就作

为一些低速网络之间的主干网。

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•---•---・---•----F-D--D--I的---主--要---技-术标准

AFDDI电缆由两个光纤环组成，一个顺

时针发送，另一个逆时针发送。两根光

纤处于同一根光缆中，可以一次性同时

安装。

A当一台计算机失效时，FDDI具有自恢

复功能，网络不会失效，这是它较IBM

令牌的主要优越性。

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FDDI自恢复示意图

(a)由两个反相环组成的FDDI;

(b)当某处发生故障时，两个环可组成单个长环。

cl@

-•---•---•---令•--牌---总--线---网--------

■令牌总线媒体访问控制访问是将局域

网物理总线的站点构成一个逻辑环，

每一个站点都在一个有序的序列中被

指定一个逻辑位置，序列中最后一个

站点的后面又跟着第一个站点。

每个站点都知道在它之前的前趋站和

在它之后的的后继站标识

cl@

令牌总线：IEEE802.4标准

---•-----•-----■-----•----------------------------

■令牌总线网原理

结合了以太网和令牌环协议的特性

-站点被逻辑地组织成一个环，令牌在它们之间传递

■一个站点想要发送数据就必须等待令牌的到达

■站点间的通信是通过公共总线，如同以太网中的那样

适用于工厂自动化、过程控制及需要实时处理的应用：用线性组织

来满足物理环境，用逻辑环顺序来设置一个每个站点必须等待获得

令牌的时间上限

令牌循环：A-B-C-D-E

cl@

,再幅痴狂要操祚

(“环痂台心即‘生成一个顺序访问的次序。

网络开始启动时，或由于某种原因，在运行

中所有站点不活动的时间超过规定的时间，

都需要进行逻辑环的初始化。初始化的过程

是一个争用的过程，争用结果只有一个站能

取得令牌，其它的站台点用站插入的算法插

入。

⑵令牌传递算法。逻辑环按递减的站地址次

序组成，刚发完帧的站点将令牌传递给后继

站，后继站应立即发送数据或令牌帧，原先

释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确

；1三律壮口拄坦仝酶u

令牌总线的主要操作

•-----•-----・-----•---------------------------

(4)站退出环算法。可以通过将其前趋站

和后继站连到一起的办法，使不活动的

站退出逻辑环，并修正逻辑环递减的站

地址次序。

(5)故障处理。网络可能出现错误，这包

括令牌丢失引起断环，重复地址、产生

新令牌等。网络需对这些故障做出相应

的处理。

cl@

-令-牌•--总--线--网--络-

7020

a.总线和环

20y--------45--------70y----------90y----------112

b.降序

cl@

令牌总线网--络•-中--的•-令--牌--传--输-----------

a.站点112没有数据，将令牌交给90

c.站点70发送数据帧给站点112d.站点70发送令牌给站点45

cl@

WW9W

在实践中，点到点通信主要用在两种情况下，

第一种情况是数以千计的机构有一个或多个

LAN,连接一个路由器。典型地，所有与外界的

连接都是通过一个或两个路由器来实现的，这

个路由器和远处的路由器通过点到点的线路连

接。

第二种情况是数百万的单台计算机通过调制解

调器和拨号电话线，直接与因特网相连。

点到点的协议：SLIP、PPP

cl@

——•---SU•--P-一■--串-•-行----线----路----I-P---(-1--)

SLIP；串行线路IP__SerialLineIP

帧格式的规则：

1.IP数据报以一个称为END的特殊字符结束。

2.如果IP报文中某个字符为END,则连续传输

两个字节OxdbQxdc来取代

3.如果IP报文中某个字符为ESC字符，就需要

连续传输两个字节OxdbQxdd来取代。

cl@

SUP一串行线路IP(2)

―>>----------------------------------

-----------------------------------------IPdatagram----------------------------------

SLIP的缺陷：

＞每一端必须知道对方的1丹也址

＞数据帧中没有类型字段。

＞SLIP没有在数据帧中加入校验和。

cl@

串行线路

•---S•-L-I-P・-——--•------------I-P---(-3-)

CSLIP—压缩SLIH办议

可以把TC用口IP的40个字节的头

部压缩为3或5个字节

可以缩短交互式的响应时间

cl@

P)P:点对点协议

IETF推出点到点线路的数据链路层协议，从而

解决了SLIP的问题，并成为正式的因特网标准，

RFC1661,RFC1662,RFC1663

PPP的组成部分：

＞在串行链路上封装IP数据报的方法

＞建立、配置及测试数据链路的链路控制协议

LCP

＞针对不同网络层协议的网络控制协议体