计算机网络教学幻灯片省公开课一等奖全国示范课微课金奖

计算机网络绥化学院计算机系李欣课程介绍：本门课程主要介绍数据通信原理、网络体系结构等基础理论，并介绍了局域网、广域网和TCP/IP协议族中多个关键协议及其原理。1第1页第4章计算机局域网络本章内容局域网特点及关键技术局域网体系结构共享信道介质访问控制方法以太网（Ethernet）*高速局域网*无线局域网（WLAN）2第2页2.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-passing信号传输形式基带、宽带以上三种技术决定了局域网特征3第3页LAN经典拓扑结构总线型:全部结点都直接连接到共享信道星型:全部结点都连接到中央结点环型:节点经过点到点链路与相邻节点连接BusStarRingABCADCBABCAT4第4页3.局域网体系结构局域网标准：IEEE802（ISO8802）IEEE802是一个标准系列：IEEE802,IEEE802.1～IEEE802.14其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，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网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC

高层OSIIEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层功效以及它们为网络层提供服务和接口5第5页IEEE802标准系列中主要标准802.2-逻辑链路控制802.3-CSMA/CD（以太网）

802.4-TokenBus（令牌总线）802.5-TokenRing（令牌环）802.6-分布队列双总线DQDB--MAN标准802.8–FDDI（光纤分布数据接口）802.11–WLAN（无线局域网）6第6页IEEE802体系结构示意图数据链路层在不一样子标准中定义分别对应于LLC子层和MAC子层……802.3CSMA/CD802.4TokenBus802.5TokenRing802.6DQDB802.8FDDI802.2LLC数据链路层物理层LLCMAC802.1DBridge802体系结构PHY网际互联7第7页局域网物理层功效：位流传输；同时前序产生与识别；信号编码和译码。IEEE802定义了各种物理层，以适应不一样网络介质和不一样介质访问控制方法。两个接口：连接单元接口（AUI）－可选，仅用于粗同轴电缆介质相关接口（MDI）屏蔽不一样介质特征，使之不影响MAC子层操作8第8页局域网数据链路层按功效划分为两个子层：LLC和MAC功效分解目标：将功效中与硬件相关部分和与硬件无关部分分开，以适应不一样传输介质。处理共享信道(如总线)介质访问控制问题，使帧传输独立于传输介质和介质访问控制方法。LLC：与介质、拓扑无关；MAC：与介质、拓扑相关。9第9页局域网数据链路层特点：局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；支持介质访问控制功效；提供一些网络层功效，如网络服务访问点(SAP)、多路复用、流量控制、差错控制、...MAC子层功效：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功效：向高层提供统一链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供一些网络层功效。对不一样LAN标准，它们LLC子层都是一样，区分仅在MAC子层（和物理层）。10第10页PALLC帧结构DSAPSSAP控制域数据111/2长度可变单位：字节高层PDU

LLC首部

LLC数据IEEE802LAN封装过程：LLC帧MAC帧MAC数据分组介质上传输帧MAC首部MAC尾部MAC尾部MAC数据MAC首部11第11页局域网网络层和高层IEEE802标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功效局域网拓扑结构比较简单，普通不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功效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、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。12第12页4.2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：各站点怎样访问共享信道？怎样处理同时访问造成冲突（信道争用）？处理以上问题方法称为介质访问控制方法。两类介质共享技术：静态分配（FDM、WDM、TDM、CDM）不适合用于局域网动态分配（随机接入、受控接入）CSMA/CD、Token-Passing13第13页信道共享技术分类信道共享技术TDMFDMSTDMATDM随机访问受控访问CSMACSMA/CD集中控制分散控制轮询令牌静态分配动态分配以太网令牌环网WDMCDM14第14页局域网中介质访问控制方法常见有两种：载波检测多路访问/冲突检测（CSMA/CD）CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect

采取随机访问技术竞争型介质访问控制方法令牌传递（TokenPassing）TokenRingTokenBusFDDI采取受控访问技术分散控制型介质访问控制方法15第15页1.CSMA/CD多个站点怎样安全地使用共享信道？最简单思绪：发送前先检测一下其它站点是否正在发送（即信道忙否）。若信道空闲，是否能够马上发送？若有多个站点都在等候发送，必定冲突！处理：等候一段随机时间后再发（降低了冲突概率）若信道忙，怎样处理？继续监听：等到信道空闲后马上发送等到信道空闲后等候随机时间后再发送等候一段随机时间后再重新检测信道一旦出现两个站点同时发送情况，怎样处理？以上方法均无法处理！16第16页CSMA/CD—带冲突检测载波监听多路访问用于IEEE802.3以太网工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则马上发送；假如信道忙，则继续监听，一旦空闲就马上发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则马上停顿发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；发送Jam信号目标是强化冲突，方便使全部站点都能检测到发生了冲突。等候一段随机时间（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。CAMA/CD动画演示17第17页站点1站点2距离L传输时延tCSMA/CD协议时间槽时间槽——能够检测到冲突时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）若两站点之间传输时延为a，则时间槽＝2a。如下列图所表示：站点2发送帧碰撞站点1在t＝0时发送帧站点2停顿发送当δ→0时，将不会再发生冲突。这时，时间槽→2a。18第18页时间槽意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则此次发送不会再发生冲突；时间槽与网络跨距、传输速率、最小帧长有亲密关系！以太网中，时间槽＝51.2µs传输速率＝10Mb/s时，一个时间槽内可发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）。由此可知：1.冲突只可能在一帧前64字节内发生；2.帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；∴以太网要求，最小帧长度为64字节3.长度小于64字节帧（碎片帧）都是无效帧。想一想：什么情况下会产生碎片帧？19第19页与时间槽相关几个网络参数采取CSMA/CD局域网中，因为时间槽限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定关系：

Fmin＝kSRk:系数能够看出：最小帧长度不变时，传输率越高，网络跨距就越小；传输率固定时，网络跨距越大，最小帧长度就应该越大；网络跨距固定时，传输率越高，最小帧长度就应该越大。

非常主要结论！20第20页退避时间确实定（退避算法）CSMA/CD采取了截断二进制指数退避算法算法以下：1.令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；2.k=min（重传次数，10）；3.r=在[0,1,…,(2k-1)]中随机取一个数；4.退避时间=rT。限定最大重传次数＝16，若发送16次仍不成功，则发送失败。21第21页CSMA/CD优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻时，有很好性能：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％以上冲突数量增加使网络速度大幅度下降22第22页2.令牌传递（TokenPassing）ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路主要用于IEEE802.5令牌环网

拓扑结构：点到点链路连接，组成闭合环23第23页TokenRing/802.5操作哪个站点能够发送帧，是由一个沿着环旋转称为“令牌”（TOKEN）特殊帧来控制。只有持有令牌站能够发送帧，而没有拿到令牌站只能等候；拿到令牌站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己数据进行发送；目标站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后由源站点回收，并送出一个空令牌，使其余站点能取得帧发送权。24第24页TokenRing/802.5操作举例AT=0T（c）帧循环一圈后,A将数据帧回收并放出空令牌AT=0TData（a）A有数据要发送,它抓住空令牌（b）AT=1A将令牌修改为数据帧头,并加挂数据发送TDataCData目标站点从环上拷贝数据TDataCTDataCTDataC25第25页令牌环网实际结构——星型环路ABCDE集线器26第26页4.3传统以太网以太网产生与发展70年代中期由施乐企业（BobMetcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）最初人们认为电磁波是经过“以太”来传输经DEC,Intel和Xerox企业改进为10Mb/s标准（DIX标准）DIXV1（1980）、DIXV2（1982）－EthernetII特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CD、同轴电缆1985年被采纳为IEEE802.3，支持各种传输媒体。“带有冲突检测载波监听多路访问方法和物理层技术规范”EthernetII和IEEE802.3二者区分很小仅是帧格式和支持传输介质略有不一样当前已发展到万兆以太网，仍在继续发展…

教材P108一个在以前被假定为电磁波传输介质，含有绝对连续性、高度弹性、极其稀薄等特征。27第27页IEEE802.3以太网标准（主要）传统以太网：10Mb/s802.3——粗同轴电缆802.3a——细同轴电缆802.3i——双绞线802.3j——光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u——双绞线，光纤千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z——屏蔽短双绞线、光纤802.3ab——双绞线万兆以太网（10GE）：10Gb/s802.3ae——光纤28第28页以太网物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10

Base

5传统以太网10Base5粗同轴10Base2细同轴10Base-TUTP10Base-FMMF快速以太网和千兆以太网100Base-TUTP100Base-FMMF/SMF1000Base-XSTP/MMF/SMF1000Base-TUTP传统以太网四种物理层选项特征见教材p109，表4.329第29页Ethernet/802.3操作任何站点发送数据时都要遵照CSMA/CD协议；每个站点都能够接收到全部来自其它站点数据（广播信道）；只有地址与帧目标地址相同站点才接收数据；目标站点将复制该帧，其它站点则忽略该帧。ABCAC发送帧，目标地址为AABCA复制该帧A信号由终端电阻吸收ABCC发觉网络空闲终端电阻ABCB忽略该帧A30第30页Ethernet/IEEE802.3帧格式PR：前导码-10101010序列，用于使接收方与发送方同时SFD：帧首定界符–10101011，表示一帧开始DA/SA：目标/源MAC地址LEN：数据长度（数据部分字节数），取值范围：0-1500Type：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），其作用是确保帧长大于64字节FCS：帧校验序列（CRC-32）66246-15004字节FCSSATypeDADataPadEthernetIEEE802.32/62/6246-15004字节FCSSALENDALLC-PDUPad校验区间64-1518字节PRSFD71PRSFD71用途：确保帧长≥64字节31第31页MAC地址又称为物理地址，它是网络站点全球唯一标识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。网络站点每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点硬件中。一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口个数。比如：安装有多块网卡计算机；有多个以太网接口路由器。网络接口MAC地址能够认为就是宿主设备网络地址。32第32页IEEE802.3标准要求：MAC地址长度为6个字节，共48位；可表示246≈70万亿个地址（有2位用于特殊用途）高24位称为机构惟一标识符OUI，由IEEE统一分配给设备生产厂商；如3COM企业OUI=02608C低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备网络硬件接口。也能够是2个字节，但这种格式地址极少使用。I/GOUI（22位）G/LEI（24位）0=全局管理地址1=当地管理地址（普通不用）0=单播地址1=组播地址33第33页MAC地址三种类型：单播地址：（I/G＝0）拥有单播地址帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定站点。——点对点传输多播地址：（I/G＝1）拥有多播地址帧将发送给网络中由组播地址指定一组站点。——点对多点传输广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址帧将发送给网络中全部站点。——广播传输注意，以上分类只适合用于目标地址。34第34页同轴电缆以太网粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器:发送/接收,冲突检测,电气隔离总线型拓扑

粗缆收发器AUI电缆NICVampiretap最大段长度500m每段最多站点数100≥2.5m网络最大跨度2.5km

网络最多5个段

终端匹配器35第35页细缆BNC接头NIC细缆以太网（10Base2）细同轴电缆，可靠性稍差无外置收发器轻便、灵活、成本较低总线型拓扑每段最大长度185m每段最多站点数30≥0.5m网络最大跨度925m网络最多5个段

终端匹配器

36第36页双绞线连接标准在以太网标准中，10Mbps与100Mbps双绞线系统采取相同线序：1、2两根线为一对，3、6两根线为另一对。色标 Pin# Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝 4 不用白蓝 5 不用绿 6 RD-白棕 7 不用棕 8 不用1234567837第37页当两个HUB连接时，要使用交叉连接方法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。38第38页光纤以太网

使用光纤介质；两根62.5/125μm多模光纤，收发各一根星形拓扑结构；通惯用于远距离网络连接；主要类型：FOIRL（光纤中继器间链路）用于连接两个HUB（或中继器）链路间最大距离1km10Base-FL（用以替换FOIRL）链路间最大距离2km任意两节点间中继器数≤6个光纤与其它介质可使用介质转换器进行转换介质转换器是可连接不一样介质中继器39第39页全双工以太网只能在双绞线和光纤链路上实现；收、发使用了不一样物理信道不再使用CSMA/CD机制，所以传输距离不受时间槽限制；但要受到信号衰减影响全双工操作条件：使用双绞线或光纤；链路两端设备都必须支持全双工操作；支持全双工设备包含全双工网卡、网络交换机。40第40页4.4局域网扩展什么情况下需要扩展？网络范围扩大更多站点加入网络多个独立局域网进行互联怎样扩展？主要在三个层次上物理层数据链路层网络层41第41页在物理层上进行局域网扩展设备：总线网：中继器星形/环形网：集线器特点：一个网段上信号不加选择地被复制到另一个网段；扩展后网络仍是一个冲突域。优缺点：简单、成本低网络规模不能太大站点数量：冲突随站点数量增多而变得越来越严重地域范围：时间槽限制只能互联相同类型网络42第42页例：从分离部门网络到统一企业网络集线器人力资源部集线器市场部集线器技术开发部集线器财务部43第43页在数据链路层上进行局域网扩展设备：网桥、交换机特点：一个网段上帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后网络仍是一个广播域。优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽限制；远程网桥可将局域网范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；不能隔离广播帧。44第44页在链路层上扩展局域网网桥/交换机独立冲突域网段1HUB网段2HUB广播域45第45页在网络层上进行局域网扩展设备：路由器特点：一个网络上分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后网络被路由器分隔成多个子网。优缺点：隔离广播域，限制了广播帧泛滥；地域范围能够任意扩展；能依据最正确路由转发分组；能够互联不一样类型网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。46第46页财务部集线器技术开发部集线器市场部集线器人力资源部集线器在网络层上扩展局域网技术开发部路由器集线器财务部路由器集线器市场部路由器集线器路由器人力资源部集线器企业网/广域网47第47页4.5高速局域网10Mb/s满足应用要求吗？从10Mb/s向100Mb/s、1000Mb/s迁移起因：对主干带宽需求80年代末开始，直到今天仍未停顿主要产品FDDI快速以太网100VG-AnyLAN千兆以太网、万兆以太网最终胜利者是谁？关键：兼容(保护投资)、灵活、简易、技术成熟48第48页1.快速以太网（FastEthernet，FE）传输速率为100Mb/s以太网，比传统以太网快10倍标准为IEEE802.3u拓扑结构为基于集线器星形结构；传输介质只支持双绞线和光纤；帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3标准。提供了10/100Mb/s自适应功效；IEEE802.3u定义了4种不一样物理层标准（p128）100Base-TX：使用两对5类双绞线100Base-FX：使用62.5/125μm多模光纤100Base-T4：使用四对3类双绞线100Base-T2：使用两对3类双绞线49第49页100Base-TX拓扑结构max.5mHUBHUB任意两个站点间最多允许3个链路段工作站工作站max.100m50第50页快速以太网应用主干连接需要高带宽服务器和高性能工作站网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站向桌面系统普及10Mb/s10MHUB企业网100Mb/s100MHUB100Mb/s服务器100Mb/s小型机100Mb/s100MHUB51第51页2.千兆位以太网和万兆位以太网千兆位以太网（GigabitEthernet，GE）技术进步必定新应用网络分布计算、计算机视频、网络存放快速以太网快速普及要求主干有更高带宽两个主要标准IEEE802.3z，1998.6正式公布1000Base-SX，MMF/550m1000Base-LX，SMF/5000m1000Base-CX，屏蔽短铜缆/25mIEEE802.3ab，1999.6正式公布1000Base-T，UTP/100m52第52页千兆位以太网特征1000Mb/s，全双工或半双工沿用10Mb/s传统以太网帧格式半双工仍使用CSMS/CD协议兼容10Base-T和100Base-T节点能力自动协商速率提升到1000Mb/s时网络跨距问题：为保持兼容，半双工时最小帧长度仍要求为64字节，造成网络跨距缩短为不足20米，实用价值大大降低！处理方法：1.将时间槽扩展为512字节（是以前8倍）；2.“载波扩展”技术：帧长不足512字节时，在其后填充特殊符号至512字节；（想一想，是否完美？）“帧突发”技术：允许站点连续发送多个短帧处理短帧较多时网络传输效率低问题短帧较多时将使网络传输效率大大降低。极端情况下，只有正常时12%。使用“帧突发”技术后，效率可提升到72%，到达快速以太网95％。链路两端节点必须各自向对方通告自己能力（速度、物理层类型、半/全双工）并自动选择适当工作模式。53第53页千兆以太网工作参数2/62/6246-150040-448字节≥64字节≥512字节FCSSALEN/TypeDALLC-PDU/DataPad载波扩展参数千兆以太网

快速以太网

传统以太网

时间槽(载波扩展)512字节时间64字节时间64字节时间帧间间隔

0.096μs0.96μs9.6μs重发上限

161616回退上限

101010拥塞序列长度

32位

32位

32位

最大帧长度

1518字节

1518字节

1518字节

最小帧长度64字节64字节64字节突发长度上限

8192字节

－－当帧长小于512字节时，需填充“载波扩展”符号54第54页千兆以太网物理层技术1000Base-X信号编码与解码1000Base-T信号编码与解码1000Base-CX短铜缆收发器1000Base-LX1300nm长波光纤收发器1000Base-SX850nm短波光纤收发器1000Base-TUTP收发器25米2对短屏蔽铜缆5000米9μm单模光纤550/220米50/62.5μm多模光纤100米4对5类UTPMAC子层（全双工/半双工）更高层千兆位介质无关接口（GMII）55第55页千兆以太网拓扑结构在半双工方式时，网络跨距减小很多：任意两个站点间最多只能有一个中继器（p139图4.42）在全双工方式时，网络跨距仅与介质和收发器特征相关：站点间允许有多台千兆设备，能够结构较大范围网络（p140图4.43）千兆位交换机千兆位交换机千兆位路由器56第56页千兆以太网应用交换机到交换机连接或园区网之间主干连接，比如两个校区之间链路（P141图4.44）；将网络交换机之间10/100M链路用1000M链路代替，能够显著地提升网络整体性能。

含有高带宽需求服务器集群或一些高性能工作站与网络主干之间连接（P141图4.45）；经过网络服务器中配置千兆以太网卡，能够建立与交换机之间1000M连接，极大地提升了服务器传输带宽。

企业网络或园区网络主干（P142图4.46）；千兆位以太网交换机能同时支持多台100Mbit/s交换机、路由器、集线器和服务器等设备。同时，以千兆位以太网交换机为关键主干网络能支撑更多网段，每个网段有更多节点及更高带宽。

多机系统主机之间互联。57第57页万兆位以太网万兆位以太网特征传输速率为10Gb/s；保留了802.3帧格式、最大帧长度和最小帧长度；不再使用CSMA/CD协议；只能工作在全双工方式；只使用光纤（多模或单模）作为传输介质；支持两种类型物理层