计算机网络chapter4

LOGOComputer Networks计算机与控制学院 王鑫参考文献vAndrew S. Tanenbaum, Computer Networks (Fourth Edition), 清华大学出版社 & Prentice Hall, 2004 vJames F. Kurose等著，陈鸣译. 计算机网络 自顶向下方法与Internet特色（第三版）.机 械工业出版社，2005 v谢希仁.计算机网络（第四版）.电子工业出版 社，2003 ContentsIntroduction(7)1The Physical Layer(5)2The Data Link Layer(6)3The MAC Sub-layer(6)4The Network Layer(6)5The Transport Layer(4)6The Application Layer(4)7Network Security(4)84 The MAC Sub-layer v学习目的：理解CSMA/CD协议的基本原理，学 习ETHERNET的相关知识，网络互联知识。 v学习重点：CSMA/CD的基本原理，局域网的体 系结构，网络互联。 v学习难点：ETHERNET中最大跨距的计算。ConceptvStatic channel allocation methods: 信道静态分 配方法，such as: FDM、TDM、WDM、CDM vDynamic channel allocation methods: 信道动 态分配方法， random access channel: 随机接入，Multiple access channel(多点接入)，such as : ALOHA 、CSMA、CSMA/CD controlled access channel: 受控接入，such as : polling(轮询)4.1 Carrier Sense Multiple Access Protocols(CSMA, 载波侦听多路访问协议) Sense first, send second (先听后 发) v 1-persistent CSMA: 1坚持 CSMA v 0-persistent CSMA: 0坚持 CSMA v p-persistent CSMA: p坚持 CSMAQuestion：如果一个站在 发送数据之前已经监听到信 道为空闲，那么信道是否一 定空闲呢？4.2 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)先听后发，边听边发，冲突停发，延迟再发。1. Collision Detection: v 比较接收到的信号的电压大小。若接收到的信号的电压值超 过某一门限值，就可认为是发生了冲突。 v 当采用曼彻斯特编码时，电压的过零点是在每一比特的正中 央。发生冲突时，过零点的位置将改变。根据过零点位置的 变化，也可以判断是否发生了冲突。 v 在发送帧时也同时进行接收，将收到的信号逐比特地与发送 的比特相比较。若有不符合的，就说明有冲突存在。 4.2 CSMA/CD (CSMA with Collision Detection)2. The Binary Exponential Backoff Algorithm (二 进制指数后退算法，p278)即冲突后随机等待延迟的确定。设基本退避 时间等于两站点之间的最大传播时延的两倍。定义 k=min重传次数，10，然后从离散的整数集合0 ，1，2 k-1中随机地取出一个数，记为 r，该站 点的等待时延就是r倍的基本退避时间。当重传16 次仍不能成功时，则丢弃该帧。4.3 IEEE 802 and Ethernet vIEEE 802 vIEEE 802.3 and Ethernet vEthernet Performance vSwitched Ethernet(交换式以太网) vHigh-speed Ethernet IEEE 802LAN Reference ModelData link layerLLC MAC Physical layerv Physical layer：signal code and decode(信号的编码和译码 ), produce and wipe off front-SYN(产生和去除前同步码), send and receive bits(传输和接收比特) v The MAC sub-layer：framing(成帧)，error control (bits)， locate address(寻址) v The LLC sub-layer：Link management, provide interface, error control, numbering (编号) LAN Reference Model局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据 链路层站点 2LLC LLC 子层看不见子层看不见 下面的局域网下面的局域网LAN characteristic: (1) Transmission media: Twisted pair, Coaxial cable, Fiber optics (2) Topology structure: Star, Bus, Ring, Tree (3) MAC: 介质访问控制方法, CSMA/CD, Token Ring, Token Bus LAN Reference Model物理 媒体环 形总 线树 形星 形 双绞 线基带 同轴 电缆宽带 同轴 电缆光纤无线 媒体IEEE 802.3 and EthernetvIEEE 802.3: CSMA/CD vEthernet: DIX-DEC, Intel, Xerox IEEE 802.3 and EthernetThree kinds of Ethernet cabling. (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.IEEE 802.3 and Ethernet1. Transceiver: 收发器 （1）Receive/send data：接收/发送数据 （2）Collision detection：检测冲突 （3）Carrier sense：载波侦听 （4）Jabber control：超长控制：当检测到某个数据帧的长度超过上限值 时，即认为该站出了故障，接着就自动禁止该站向总线发送数据。 2. Transceiver cable: 收发器电缆，5 STP （1）Two of the pairs: data in and data out （2）Two of the pairs: control signals in and out （3）One of the pairs: power cable 3. Network Interface card：网卡 （1）framing: 成帧，帧的封装和接封 （2）link management: 链路管理 （3）code and decode: 编码和译码，Manchester Code(曼彻斯特编码) IEEE 802.3 and Ethernet10BASE510BASE210BASE-T10BROAD3610BASE-FP10BASE-FL10BASE-FB传输媒体同轴电缆 （50）同轴电缆 （50）非屏蔽双 绞线同轴电缆 （75）850mm光纤 对850mm光纤 对850mm光纤 对编码技术基带 （曼彻斯 特编 码）基带 （曼彻斯 特编 码）基带 （曼彻斯 特编 码）宽带（DPSK ）曼彻斯特/on -of曼彻斯特/on -of曼彻斯特/on -of拓扑结构总线总线星形总线/树形星形星形/最大网段 长度（m）5001851001 800100020002000每网段的 节点数10030/33/收发器外置设备内置芯片内置芯片/内置芯片内置芯片内置芯片最大跨距 媒体段数2500m/5925m/5500m/53600m/22km/24km/230km/15电缆直径 （mm）1050.41.00.41.062.5125um62.5125um62.5125umIEEE 802.3 and EthernetFrame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE 802.3.IEEE 802.3 and Ethernet4. 802.3 MAC sub-layer （1）The minimum frame is 64 bytes, and the maximum frame is 1518 bytes. （2）The Preamble field: 10101010 1010101010101011 （3）The Invalid frame: 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 - 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 - 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负 责重传丢弃的帧 Ethernet Performancev以太网的最大作用距离（跨距） Ethernet Performancev 以太网的最大作用距离（跨距） 假设跨距为L，传播速率为R1（注：电缆中，R1一般固 定为200m/us），最小帧长为F，传输速率为R2，物理层处 理时间为tPHY，使用中继器的数量为N，一个中继器的延时 为tr，则碰撞槽时间（slot time）为：（注：碰撞槽时间即 是在帧发送过程中，发生碰撞时间的上限。即在这段时间 中，可能检测到碰撞，而过了这段时间，永远不会发生碰 撞，也不会检测到碰撞。）slot time2L/R1+2tPHY+2Ntr slot time=F/R2 由式、可知：LR1（F/R2-2tPHY-2Ntr）/2 由上式可知：若传输率R2固定，则跨距L越大，最小帧 长度F越大。若最小帧长度F不变，则传输率R2越高，跨距 L越小。 Ethernet Performance500 m250 m750 m500 m500 m50 m50 m50 m网段 1转发器网段 2网段 3转发器转发器转发器Ethernet Performance定义：a= / T0 ， 其中为单程传播延迟，T0为帧的发送时间 = F/C= C/F 定义：S为信道利用率（归一化吞吐量），即为整个 网络在T0时间内成功发送帧的数目。Smax = T0/( T0+)= 1/(1+4.44a) 另，根据定义可知： S= NT0 =NF/C 其中：N为工作站的数目， 为每台计算机单位时间 发出的帧数。 注意： S与G（负载）的区别。Ethernet PerformanceThe Third Homework1. P244 NO.17 2. P340 NO.21Switched Ethernet(交换式以太网)vfull-duplex communication: 通常采用全双工通信 vswitch and share: 交换和共享的区别 vdata link layer: 交换机工作在数据链路层 v对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个 用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。 v使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的 带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独 占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽， 因此对于拥有 N 对端口的交换机的