1、第第6章章 计算机网络简介计算机网络简介 本章主要内容本章主要内容6.1 计算机网络的历史（1）联机系统阶段联机系统阶段6.1 计算机网络的历史(2)（2）计算机互连网络阶段）计算机互连网络阶段（3）标准化网络阶段）标准化网络阶段（4）网络互联与高速网络）网络互联与高速网络6.2 6.2 计算机网络的定义计算机网络的定义 按照对网络的不同认识分成三类：按照对网络的不同认识分成三类：n广义的观点；广义的观点；n资源共享的观点；资源共享的观点；n用户透明性的观点。用户透明性的观点。获得大多数学者认同的是资源共享的观点。获得大多数学者认同的是资源共享的观点。6.2 6.2 计算机网络的基本特征计算机
2、网络的基本特征 n计算机网络的主要目的p实现计算机资源的共享实现计算机资源的共享p计算机资源是指计算机硬件、软件和数据计算机资源是指计算机硬件、软件和数据n互连的计算机在不同地理位置的“自治计算机”p自治计算机是指该计算机具有独立的数据处理能力自治计算机是指该计算机具有独立的数据处理能力p在不联网的情况下，该计算机可以独立工作在不联网的情况下，该计算机可以独立工作n联网的计算机之间的通信遵守共同的通信协议6.2计算机网络与分布式系统的差别计算机网络与分布式系统的差别 n分布式系统：分布式系统：p一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体，好像是一个系统一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的
3、整体，好像是一个系统似的。似的。n计算机网络：计算机网络：p统一性、模型以及其中的软件都不存在，用户看到的是实际的机器。统一性、模型以及其中的软件都不存在，用户看到的是实际的机器。n分布式系统是建立在网络之上的软件系统，具有高度的内分布式系统是建立在网络之上的软件系统，具有高度的内聚性和透明性。聚性和透明性。6.2 计算机网络的结构计算机网络的结构 n通信子网通信子网:p由通信控制处理机、通信线路及通信设备构成；由通信控制处理机、通信线路及通信设备构成；p完成网络数据传输、数据转发等；完成网络数据传输、数据转发等；p通信子网通信子网是计算机网络的内层。是计算机网络的内层。n资源子网资源子网:p
4、由计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件与信息资源组成；由计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件与信息资源组成；p资源子网负责全网的数据处理业务，向网络提供各种网络资源与网络服务。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络提供各种网络资源与网络服务。p资源子网资源子网是计算机网络的外层。是计算机网络的外层。6.2 计算机网络的结构计算机网络的结构(2)6.2 网络协议网络协议n协议：协议：指双方共同遵守的约定和通信规则，是通信双方关指双方共同遵守的约定和通信规则，是通信双方关于通信如何进行所达成的共识。于通信如何进行所达成的共识。n协议的定义是：协议的定义是：网络中实体间有关通
5、信规则约定的集合。网络中实体间有关通信规则约定的集合。n 协议有三个要素：协议有三个要素：p语法语法：数据与控制信息的格式、数据编码等。：数据与控制信息的格式、数据编码等。p语义语义：控制信息的内容，做出的动作及响：控制信息的内容，做出的动作及响 应。应。p时序时序：事件先后顺序和速度匹配。：事件先后顺序和速度匹配。6.3 6.3 层次层次 n层次化结构有许多优点：层次化结构有许多优点：p各层之间相互独立各层之间相互独立p利于实现和维护利于实现和维护p易于标准化易于标准化 6.3 层次层次（2）n划分层次要遵循如下通用的原则：划分层次要遵循如下通用的原则：p层次不能过多。真正需要的时候才划分一
6、个层次。层次不能过多。真正需要的时候才划分一个层次。p层次也不能过少。应该保证能够从逻辑上将功能分开，层次也不能过少。应该保证能够从逻辑上将功能分开，截然不同的功能最好不要合在同一层。截然不同的功能最好不要合在同一层。p类似的功能放在同一层。类似的功能放在同一层。p在实现技术经常变化的地方增加层次。在实现技术经常变化的地方增加层次。p层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小。层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小。6.3 接口接口 n接口是相邻两层之间的边界接口是相邻两层之间的边界p低层通过接口为上层提供服务。低层通过接口为上层提供服务。n上层通过接口使用低层提供的服务上层通过接口使
7、用低层提供的服务p上层为服务的使用者，低层为服务的提供者。上层为服务的使用者，低层为服务的提供者。n服务的使用者和提供者经访问点直接联系。服务的使用者和提供者经访问点直接联系。6.3 6.3 网络体系结构网络体系结构 n网络体系结构：网络体系结构：p指层次结构与各层协议的集合。指层次结构与各层协议的集合。n网络体系结构：网络体系结构：p把协议和层次组织在一起的有机整体把协议和层次组织在一起的有机整体。6.3 6.3 开放系统互联开放系统互联/参考模型参考模型（OSI）该模型有下面几个特点：每个层次的对应实体之间都通过各自的每个层次的对应实体之间都通过各自的各个计算机系统都有相同的各个计算机系统
8、都有相同的不同系统的相应层次有不同系统的相应层次有同一系统的各层次之间通过同一系统的各层次之间通过相邻的两层之间，下层为上层提供服务，同时上层相邻的两层之间，下层为上层提供服务，同时上层使用下层使用下层6.3 6.3 开放系统互联开放系统互联/参考模型参考模型（2）nOSI参考模型是具有七个层次的框架，自底向上的七个层次分别参考模型是具有七个层次的框架，自底向上的七个层次分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。用层。n任何遵循任何遵循OSI标准的系统，只要物理上连接起来，它们之间都可标准的系统，只要物理上连接起来
9、，它们之间都可以互相通信。以互相通信。6.3 OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程p对等过程对等过程 p层间接口层间接口 p层次组织层次组织 n数据传输过程数据传输过程:n若主机若主机A需发送数据到主机需发送数据到主机B，其数据是应用进程，其数据是应用进程A提交的，提交的，要求将数据传输给主机要求将数据传输给主机B的应用进程的应用进程B，其传输过程如下，其传输过程如下图所示。图所示。6.3 OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程(2)6.3 OSI (Open System Interconnection)p每一层都有相关、相对应的物理设备，路由器是三层交换设备，每一层都有相
10、关、相对应的物理设备，路由器是三层交换设备，交换机是二层交换设备。交换机是二层交换设备。p建立七层模型是为解决异种网络互连时的兼容性问题，主要的功建立七层模型是为解决异种网络互连时的兼容性问题，主要的功能是帮助不同类型的主机实现数据传输。能是帮助不同类型的主机实现数据传输。p最大优点是将最大优点是将这三个概念明确地区分开来，通这三个概念明确地区分开来，通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。的通讯。n好处如下：好处如下：p减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定
11、位故障所处层次，便于查找和纠错；位故障所处层次，便于查找和纠错；p在各层分别定义标准接口，使具备相同在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层对等层的不同的不同网络设备网络设备能实现互操作，各层之间相对独立，一种高能实现互操作，各层之间相对独立，一种高层协议可在多种低层协议上运行；层协议可在多种低层协议上运行；p刺激网络技术革新，每次更新都可以在小范围内进行，刺激网络技术革新，每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术；不需对整个网络动大手术；nOSI参考模型的最底层或第一层。参考模型的最底层或第一层。n主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种主要定义物理设备标准，
12、如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传传输介质输介质的传输速率等。的传输速率等。p该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。电压以便发送和接收携带数据的信号。p用户要传递信息就要利用一些用户要传递信息就要利用一些物理媒体物理媒体，如双绞线、同轴电缆等，但具，如双绞线、同轴电缆等，但具体的物理媒体并不在体的物理媒体并不在OSI的的7层之内，有人把物理媒体当做第层之内，有人把物理媒体当做第0层。层。p物理层物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、的任务就是为它
13、的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和规程特性。电气、功能和规程特性。nOSI参考模型的第二层，它控制参考模型的第二层，它控制网络层网络层与与物理层物理层之间的通信。之间的通信。n定义了如何让格式化数据以进行传输，以及如何让控制对物理介定义了如何让格式化数据以进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。质的访问。p主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。p为保证传输，从为保证传输，从网络层网络层接收到的数据被分割成特定的可被接收到的数据被分割成特定的可被物理层物理层传输的帧。传输的帧。p帧是用来移动数据的结构包，
14、它包括原始帧是用来移动数据的结构包，它包括原始数据数据、发送方和接收方、发送方和接收方的物理的物理地址地址以及检错和控制以及检错和控制信息信息。nOSI参考模型的第三层参考模型的第三层。n在位于不同地理位置的网络中的两个在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统主机系统之间提供连接和路径选择之间提供连接和路径选择。p其主要功能是将其主要功能是将网络地址网络地址翻译成对应的翻译成对应的物理地址物理地址，并决定如何将数据从发送，并决定如何将数据从发送方方路由路由到接收方。到接收方。p网络层网络层通过综合考虑发送优先权、通过综合考虑发送优先权、网络拥塞网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的程度、服务质量
15、以及可选路由的花费来决定从一个网络中花费来决定从一个网络中节点节点A 到另一个网络中节点到另一个网络中节点B 的最佳路径。的最佳路径。p由于由于网络层网络层处理，并智能指导处理，并智能指导数据传送数据传送，路由器路由器连接网络各段，所以路由器连接网络各段，所以路由器属于网络层。属于网络层。p在网络中，在网络中，“路由路由”是基于是基于编址编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。送。nOSI参考模型的第四层。参考模型的第四层。n定义了一些传输数据的协议和定义了一些传输数据的协议和端口号端口号。p传输协议传输协议同时进行同时进行流量控制流量控制或是基于接
16、收方可接收数据的快慢程或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。度规定适当的发送速率。p传输层传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包数据包进行强制分割。进行强制分割。p以太网以太网无法接收大于无法接收大于1500字节字节(Byte)的的数据包数据包。p发送方节点的传输层将发送方节点的传输层将数据分割数据分割成较小的数据片，同时对每一数成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。正确的顺序重组。nOSI参考模型的第五层。参考模型的第五层
17、。n通过通过传输层传输层(端口号端口号：传输端口与接收端口：传输端口与接收端口)建立数据建立数据传输的通路。传输的通路。p负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。p会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。nOSI参考模型中的第六层。参考模型中的第六层。n确保一个系统的确保一个系统的应用层应用层所发送的信息可以被另所
18、发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。一个系统的应用层读取。p应用程序和网络之间的应用程序和网络之间的翻译官翻译官，在表示层，数，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；据将按照网络能理解的方案进行格式化；p这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。n是最靠近用户的是最靠近用户的OSI层。层。n这一层为用户的应用程序这一层为用户的应用程序(例如例如电子邮件电子邮件、文件传输文件传输和和终端仿真终端仿真)提供网络服务。提供网络服务。OSI开放式系统互联参考模型开放式系统互联参考模型1模型优点模型优点2物理层3数据链路层4网络层5传输层6会话层7
19、表示层8应用层9模型简版：6.4 TCP/IP参考模型参考模型 nTCP/IP参考模型有4层：p主机至网络层：对应了主机至网络层：对应了OSI模型的数据链路层和物理层；模型的数据链路层和物理层；p应用层：对应了应用层：对应了OSI模型的会话层、表示层和应用层。模型的会话层、表示层和应用层。6.4 TCP/IP6.4 TCP/IP参考模型与参考模型与OSI参考模型的比较参考模型的比较n共同点共同点：p都以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议互相独立。都以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议互相独立。p各层的功能基本相似各层的功能基本相似。n不同点：不同点：p OSI模型适用于任何新的网络的设
20、计，模型适用于任何新的网络的设计，TCP/IP不适用除不适用除TCP/IP协协议栈外的其它协议栈；议栈外的其它协议栈；pOSI模型的服务、接口和协议这三个概念的区别比较明确，模型的服务、接口和协议这三个概念的区别比较明确，TCP/IP模型并没有明确地区分服务、接口和协议三者之间的差异。模型并没有明确地区分服务、接口和协议三者之间的差异。6.5 6.5 改良的改良的TCP/IPTCP/IP参考模型参考模型6.6 面向连接服务与无连接服务面向连接服务与无连接服务n在通信过程中，服务分为两类：在通信过程中，服务分为两类：v面向连接服务面向连接服务：在数据传输开始前必须先建立通信双方之间在数据传输开始
21、前必须先建立通信双方之间的连接，然后开始传输数据，数据传输完毕还要拆除连接。的连接，然后开始传输数据，数据传输完毕还要拆除连接。v无连接服务无连接服务：在通信时直接将数据传输给接收方，不需要在在通信时直接将数据传输给接收方，不需要在传输信息前在通信双方建立连接，传输完成后自然也不用拆传输信息前在通信双方建立连接，传输完成后自然也不用拆除连接。除连接。6.6 6.6 适用范围适用范围n面向连接服务面向连接服务适用于要求较高的场合，因为它比较可靠。适用于要求较高的场合，因为它比较可靠。p适用于大数据量的传输适用于大数据量的传输p系统额外开销的比例缩小系统额外开销的比例缩小n无连接服务无连接服务适用
22、于要求相对较低的场合适用于要求相对较低的场合p适用于数据量较小的传输适用于数据量较小的传输p显得比较经济显得比较经济6.7 6.7 数据交换技术的分类数据交换技术的分类n电路交换（电路交换（circuit exchanging）n分组交换（分组交换（packet exchanging）n报文交换（报文交换（message exchanging）6.7 电路交换技术电路交换技术p独占线路。电路交换技术必须实现通信双方的物理连接，否则无法进行通独占线路。电路交换技术必须实现通信双方的物理连接，否则无法进行通信信。p不介入对数据的处理。不介入对数据的处理。p无差错检测功能。无差错检测功能。p优点是实
23、时性好。优点是实时性好。p缺点主要是系统效率低（由于独占线路的缘故）、不适应突发性数据的传输、缺点主要是系统效率低（由于独占线路的缘故）、不适应突发性数据的传输、不具备差错检测能力等等。不具备差错检测能力等等。6.7 6.7 分组交换技术分组交换技术p数据分段传输。数据分段传输。p存储转发。存储转发。p不需要独占线路。不需要独占线路。p通信线路的利用率高；通信线路的利用率高；p采用了路由选择技术，可以提高工作效率；采用了路由选择技术，可以提高工作效率；p在每个节点都进行差错检测，可以保证通信的正确性和可靠性；在各在每个节点都进行差错检测，可以保证通信的正确性和可靠性；在各个通信节点可以进行通信
24、速率、数据格式的转换，提高了灵活性。个通信节点可以进行通信速率、数据格式的转换，提高了灵活性。实时性相对较差实时性相对较差。6.7 虚电路和数据报虚电路和数据报p面向连接的服务面向连接的服务p无连接的服务无连接的服务n采用面向连接服务时称为采用面向连接服务时称为n采用无连接服务时称为采用无连接服务时称为6.7 虚电路工作原理虚电路工作原理虚电路的通信过程分为三个阶段：虚电路的通信过程分为三个阶段：p虚电路连接建立阶段。虚电路连接建立阶段。p数据传输阶段。数据传输阶段。p虚电路连接拆除阶段。虚电路连接拆除阶段。6.7 虚电路虚电路（2）I.分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条分组发送之
25、前，必须在发送方与接收方之间建立一条II.分组信息都将通过这条虚电路按照发送顺序传送，因此分组不分组信息都将通过这条虚电路按照发送顺序传送，因此分组不必携带必携带等辅助信息。等辅助信息。分组到达目的节点时分组到达目的节点时的现象。的现象。规定了传输路径，当分组通过虚电路上的每个节点时，规定了传输路径，当分组通过虚电路上的每个节点时，节点只需要做差错检测，不需要再做路由选择。节点只需要做差错检测，不需要再做路由选择。II.网络中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接网络中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。6.7 数据报的工作原理数据报的工作原理 6.7 数据报的特点数据报的特点（2）的
26、不同分组可以经由不同的传输路径的不同分组可以经由不同的传输路径到达目的节点。到达目的节点。的不同，同一报文的不同分组到达目的不同，同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复与丢失现象。的节点时可能出现乱序、重复与丢失现象。n每一个分组在传输过程中都必须带有每一个分组在传输过程中都必须带有在传输数据前后需要建立和拆除连接，在传输数据前后需要建立和拆除连接，p增加了系统开销，但是每个分组中携带的额外数据较少。增加了系统开销，但是每个分组中携带的额外数据较少。适用于较大数据量的传出。适用于较大数据量的传出。不需连接就可以传输数据，系统开销小，但每个分组不需连接就可以传输数据，系统开销小，但每
27、个分组中必须携带源地址、目的地址等信息，分组中的额外信息量中必须携带源地址、目的地址等信息，分组中的额外信息量增加。增加。适用于少量数据的传输。适用于少量数据的传输。6.8 计算机网络的分类计算机网络的分类 a)总线型结构总线型结构 b)环形结构环形结构 c)星型结构星型结构 a)局域网局域网 b)广域网广域网 c)城域网城域网 a)广播通信信道广播通信信道b)点对点通信信道点对点通信信道 6.8 总线型结构总线型结构p结构简单灵活，易于扩展。结构简单灵活，易于扩展。p共享能力强，便于广播式传输。共享能力强，便于广播式传输。p网络响应速度快，但负荷重时则性能迅速下降。网络响应速度快，但负荷重时
28、则性能迅速下降。p局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，局部站点故障不影响整体，可靠性较高。但是，总线出现故障，则将影响整个网络。则将影响整个网络。p易于安装，费用低。易于安装，费用低。p网络效率和带宽利用率低。网络效率和带宽利用率低。p采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。p各工作站点平等，都有权争用总线，不受某站点仲裁。各工作站点平等，都有权争用总线，不受某站点仲裁。6.8 星型结构星型结构 n星型结构的主要特点是：星型结构的主要特点是：p星型拓扑结构简单，便于管理和维护。星型拓扑结构简单，便于管理和维护。p易实现结构化布线。
29、易实现结构化布线。p星型结构易扩充，易升级。星型结构易扩充，易升级。p通信线路专用，电缆成本高。通信线路专用，电缆成本高。p星型结构的网络由中心节点控制与管理，中心节点的星型结构的网络由中心节点控制与管理，中心节点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。p中心节点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且中心节中心节点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且中心节点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。6.8 局域网局域网 p覆盖的地理区域比较小，仅工作在有限的地理区域内覆盖的地理区域比较小，仅工作在有限的地理区域内（0.120千米）。千米）。p传输速率
30、高，可达传输速率高，可达1Mbps1Gbps。p误码率低。误码率低。p拓扑结构简单，常用的拓扑结构有：拓扑结构简单，常用的拓扑结构有：。6.8 6.8 广域网广域网 p覆盖区域大，在几千米几千、几万千米，网络可跨越市、覆盖区域大，在几千米几千、几万千米，网络可跨越市、地区、省、国家甚至全球。地区、省、国家甚至全球。p广域网连接常借用公用网络。广域网连接常借用公用网络。p传输速率比较低，一般在传输速率比较低，一般在64Kbps2Mbps，最高可达到，最高可达到45Mbps，广域网的传输速率正在不断地提高。，广域网的传输速率正在不断地提高。p网络拓扑结构复杂。网络拓扑结构复杂。6.8 6.8 城域
31、网城域网 介于局域网与广域网之间；介于局域网与广域网之间；n覆盖范围从几千米到几十千米；覆盖范围从几千米到几十千米；n一个城市的规模，称为城域网，也称为一个城市的规模，称为城域网，也称为都市网。都市网。中国国电集团公司新大楼局域网中国国电集团公司新大楼局域网 中国国电集团公司多业务广域网中国国电集团公司多业务广域网 6.8 6.8 广播通信信道广播通信信道 n多个节点共享一个通信信道，一个节点发出的信息必多个节点共享一个通信信道，一个节点发出的信息必然为其它所有节点收到；然为其它所有节点收到；p这种技术的网络称为广播式网络。这种技术的网络称为广播式网络。n采用广播通信信道的网络主要是局域网，城
32、域网有部采用广播通信信道的网络主要是局域网，城域网有部分采用了该技术。分采用了该技术。p广播式网络共享传输介质的特点，决定了这类网络只广播式网络共享传输介质的特点，决定了这类网络只能在有限距离内传输，所以该技术不适用于广域网。能在有限距离内传输，所以该技术不适用于广域网。6.86.8点对点通信信道点对点通信信道n这类信道中一条通信线路只能连接一对节点，如这类信道中一条通信线路只能连接一对节点，如果两个节点之间没有直接连接的线路，它们只能果两个节点之间没有直接连接的线路，它们只能通过中间节点转接。通过中间节点转接。n采用这种技术的网络称为点对点式网络。采用这种技术的网络称为点对点式网络。6.9
33、国际性标准化组织国际性标准化组织 n国际电信联盟电信标准化部国际电信联盟电信标准化部n国际标准化组织国际标准化组织n电气与电子工程师协会电气与电子工程师协会n美国国家标准化协会美国国家标准化协会n国际互连网社团和国际互联网工程任务组国际互连网社团和国际互联网工程任务组6.9 IEEE 802标准 B局域网技术主要涉及的是物理层和数据链路层局域网技术主要涉及的是物理层和数据链路层；B数据链路层分成两个子层：数据链路层分成两个子层：逻辑链路控制（LLC，logical link control）子层介质访问控制（MAC，media access control）子层；n逻辑链路控制子层负责逻辑链路
34、控制子层负责p逻辑地址逻辑地址p控制信息控制信息p数据的处理数据的处理p符合符合IEEE 802标准的局域网的标准的局域网的LLC子层均相同子层均相同 6.9 IEEE 802标准n质访问控制子层负责解决共享介质的竞争问题质访问控制子层负责解决共享介质的竞争问题p包括同步包括同步p标志标志p流量控制流量控制p差错控制的规范差错控制的规范p节点的物理地址也在这一层中节点的物理地址也在这一层中 介质访问控制子层对一个局域网来说有着至关重要的影介质访问控制子层对一个局域网来说有着至关重要的影响。响。局域网有三个要素：局域网有三个要素：p网络拓扑网络拓扑p传输介质传输介质p介质访问控制方法介质访问控制
35、方法n这三个要素决定了局域网的这三个要素决定了局域网的 基本性能。基本性能。IEEE 802标准标准(定义)n1980年，年，IEEE成立局域网标准委员会成立局域网标准委员会(称称802委员会委员会)。该委员会专门从事局域网的标准化工作，制定了该委员会专门从事局域网的标准化工作，制定了IEEE 802标准。标准。pIEEE 802.1是整个体系结构的总论。是整个体系结构的总论。pIEEE 802.2定义了逻辑链路控制子层，所有符合该标准的定义了逻辑链路控制子层，所有符合该标准的局域网其内容均相同。局域网其内容均相同。pIEEE 802.3IEEE 802.16涵盖物理层和介质访问控制涵盖物理层
36、和介质访问控制子层，不同的局域网主要是这部分的标准不同。子层，不同的局域网主要是这部分的标准不同。IEEE 802标准标准（分工）IEEE 802标准之间的关系 n1969年年开始投入运行的开始投入运行的ARPANET是一个广域网是一个广域网；n1970年年，夏威夷大学设计了一个局域网，采用的是无线技，夏威夷大学设计了一个局域网，采用的是无线技术的广播式网络，称为术的广播式网络，称为ALOHA网；网；n1974年年，英国剑桥大学研制了一种分槽式环形基带局域网，英国剑桥大学研制了一种分槽式环形基带局域网络，称为剑桥环络，称为剑桥环；以太网历史简介：以太网历史简介：以太网（以太网（Ethernet
37、）是）是1973年由年由Xerox公司开发，公司开发，后来由后来由DIX联盟（由联盟（由DEC、Intel、Xerox三家公司组成三家公司组成）1982年推出了年推出了Ethernet Verson2（简称（简称EV2），），1983年，年，IEEE 802委员会将委员会将EV2规格稍加修改，正规格稍加修改，正式公布了式公布了IEEE 802.3标准。标准。帧结构帧结构以太网的帧结构以太网的帧结构n以太网帧的开始是以太网帧的开始是7字节的字节的前导码前导码，其内容是交，其内容是交替出现的替出现的1和和0，即：，即：10101010101010。帧结构帧结构1n目的地址：目的地址：2/6B，信息
38、接收方的物理地址，一般为，信息接收方的物理地址，一般为6字节字节，某些情况下也允许为，某些情况下也允许为2字节。字节。n源地址：源地址：2/6B，信息发送方的物理地址，一般为，信息发送方的物理地址，一般为6字节，字节，某些情况下也允许为某些情况下也允许为2字节。字节。p源地址和目的地址的长度必须一致源地址和目的地址的长度必须一致n帧长度：帧长度：2B，数据字段的长度。，数据字段的长度。帧结构帧结构2以太网的帧结构以太网的帧结构n数据数据：01500B，由LLC子层交付的内容，最大不得超过1500字节，但可以为0。n填充：填充：046B，根据数据字段的长度来决定，如数据字段的长度大于或等于46字
39、节，则填充字段为0，如果小于46字节，则由填充字段予以补足到46字节。n帧校验：帧校验：4B，采用32位的CRC校验。校验范围是从目的地址字段到填充字段。n以太网采用以太网采用CSMA/CD媒体访问机制，任何工作站都可以媒体访问机制，任何工作站都可以在任何时间访问网络。在任何时间访问网络。n在发送数据之前，首先需要侦听网络是否空闲，如果网络在发送数据之前，首先需要侦听网络是否空闲，如果网络上没有任何数据传送，工作站就会把所要发送的信息投放上没有任何数据传送，工作站就会把所要发送的信息投放到网络当中。到网络当中。n否则，工作站只能等待网络下一次出现空闲的时候再进行否则，工作站只能等待网络下一次出
40、现空闲的时候再进行数据的发送。数据的发送。(1)n以太网不用中央控制器来通知每台计算机怎样按顺序使用以太网不用中央控制器来通知每台计算机怎样按顺序使用共享电缆共享电缆n连接在以太网上的计算机都参与一种叫做连接在以太网上的计算机都参与一种叫做CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection，带有冲突检测的载波，带有冲突检测的载波侦听多路访问）的分布协调方案。侦听多路访问）的分布协调方案。n这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态。这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态。n当没有计算机发送帧时，以太网中不含有电子信号。当没有
41、计算机发送帧时，以太网中不含有电子信号。n为确定电缆当前是否被使用，计算机应该检测载波。为确定电缆当前是否被使用，计算机应该检测载波。(2)CSMA/CD的发送流程的发送流程CSMA/CD的发送流程可以概括为的发送流程可以概括为4点：点：n先听后发先听后发n边听边发边听边发n冲突停止冲突停止n延迟重发延迟重发 CSMA/CD的信息发送流程(3)一个节点发送信息的具体的过程如下：一个节点发送信息的具体的过程如下：n第一步第一步，发送信息前先对线路进行侦听。，发送信息前先对线路进行侦听。n第二步，第二步，在信息传输的全过程中，发送方必须始终进行监听，直到信息在信息传输的全过程中，发送方必须始终进行
42、监听，直到信息发送完成。如果在整个过程中没有发生冲突，则认为发送信息成功，停发送完成。如果在整个过程中没有发生冲突，则认为发送信息成功，停止监听。如果监听到发生冲突，进行第三步。止监听。如果监听到发生冲突，进行第三步。n第三步第三步，在监听到发生冲突的情况下，先发送一段较强的信号以加强冲，在监听到发生冲突的情况下，先发送一段较强的信号以加强冲突，然后进行第四步。突，然后进行第四步。n第四步第四步，停止发送信号，等待一个随机时间，停止发送信号，等待一个随机时间，然后回到第一步重新开，然后回到第一步重新开始。始。(4)n如果第一次发送信息时发生碰撞，而第二次发送信息时再如果第一次发送信息时发生碰撞
43、，而第二次发送信息时再次发生碰撞，出现这种情况时次发生碰撞，出现这种情况时延迟的时间要加倍延迟的时间要加倍。n根据根据CSMA/CD协议，最多可以重发协议，最多可以重发16次，但每次重发前次，但每次重发前的延迟都要再加一倍。用公式表示就是：的延迟都要再加一倍。用公式表示就是：=02kn式中，式中，0是一个随机数，是由系统给出的延迟初始值。是一个随机数，是由系统给出的延迟初始值。k则则是一个特定的值，取值为是一个特定的值，取值为010。(5)CSMA/CD的接收流程的接收流程:n第一步，第一步，接收信息。接收信息。n第二步，第二步，判断接收到的信息是否为碎片（即发生冲突判断接收到的信息是否为碎片
44、（即发生冲突后丢弃的无用信息）。后丢弃的无用信息）。n第三步，第三步，识别目的地址。识别目的地址。n第四步，第四步，差错校验。差错校验。n第五步，第五步，接收成功。接收成功。(6)碰撞槽时间（碰撞槽时间（slot time）及其对以太网的影响：）及其对以太网的影响：n碰撞槽时间是碰撞槽时间是CSMA/CD机制中重要的一个参数。机制中重要的一个参数。n因为它确定了以太网的许多基本特性。因为它确定了以太网的许多基本特性。(7)碰撞槽的概念(8)n处于以太网最远两端的是节点处于以太网最远两端的是节点A和节点和节点B，它们之间的距离称，它们之间的距离称为网络直径，以字母为网络直径，以字母D表示，而网络
45、中电磁波的传播速度以表示，而网络中电磁波的传播速度以字母字母V表示。表示。n显然，从节点显然，从节点A发送信号到节点发送信号到节点B收到信号所需的时间：收到信号所需的时间：=D/Vn称为碰撞槽时间。称为碰撞槽时间。(9)n节点节点A准备向节点准备向节点B发送信息，网络上是无信号的。发送信息，网络上是无信号的。节点节点A发送信号后，一直在监听其信号传输情况。发送信号后，一直在监听其信号传输情况。n在信号即将到达节点在信号即将到达节点B的时候，节点的时候，节点B也开始发送信号了，也开始发送信号了，碰撞在节点碰撞在节点B的附近发生。节点的附近发生。节点B立即就知道发生了碰撞，立即就知道发生了碰撞，但
46、节点但节点A还不知道，要等到发生碰撞的信号返回才能知道。还不知道，要等到发生碰撞的信号返回才能知道。n信号从节点信号从节点A到达节点到达节点B再返回节点再返回节点A所需的时间是所需的时间是2。(10)一个例子：n早期的以太网数据传输速率是早期的以太网数据传输速率是10Mbps，同轴电缆的电磁，同轴电缆的电磁波传播速度是波传播速度是2108m/s，最小的以太网帧长度是，最小的以太网帧长度是64B即即512bit。n用电磁波传播速度除以以太网数据传输速率，可以得到用电磁波传播速度除以以太网数据传输速率，可以得到n（2108m/s）/（10106bit/s）=20m/bit(11)一个例子：一个例子
47、：n再用最小帧长度与上述结果相乘，考虑到实际上要计算往返的时间，再用最小帧长度与上述结果相乘，考虑到实际上要计算往返的时间，可以得到：可以得到：512bit20m/bit/2=5120mp这就是以太网能够达到的理论上最大的直径。这就是以太网能够达到的理论上最大的直径。p沿途还有中继器等设备的延迟也占用了时间，沿途还有中继器等设备的延迟也占用了时间，p以太网设计时的最大直径只有这个值的一半：以太网设计时的最大直径只有这个值的一半：2500米。米。p这也就是为什么局域网不能无限延伸的根本理由。这也就是为什么局域网不能无限延伸的根本理由。(1)n10Base5沿用总线型网络沿用总线型网络n10Bas
48、eT的网络拓扑则改成了星型。的网络拓扑则改成了星型。(3)快速以太网快速以太网:n随着计算机运行速度的提高：随着计算机运行速度的提高：p以太网以太网10Mbps的数据传输速率不能满足需要。的数据传输速率不能满足需要。p出现快速以太网，它的数据传输速率达到了出现快速以太网，它的数据传输速率达到了100Mbps。p快速以太网与上述快速以太网与上述10M以太网完全兼容，型号是以太网完全兼容，型号是100BaseTX(4)交换式以太网交换式以太网:n交换式以太网的核心部件是以交换式以太网的核心部件是以太网交换机。太网交换机。p交换机是一种由多个在端到端基础上，交换机是一种由多个在端到端基础上，连接局域
49、网各网段或各独立设备的高速端口组成的设备，连接局域网各网段或各独立设备的高速端口组成的设备，p它为每一个独立的端口提供全部的局域网传输介质带宽。它为每一个独立的端口提供全部的局域网传输介质带宽。n交换机通过计算交换机通过计算MAC帧中的目的地址，并将这些帧转交至正确的端口帧中的目的地址，并将这些帧转交至正确的端口来完成上述操作。来完成上述操作。p同一时刻，它可以对多个网段间的帧进行交换。同一时刻，它可以对多个网段间的帧进行交换。(5)千兆以太网千兆以太网n千兆网主要使用全双工的工作方式千兆网主要使用全双工的工作方式n摆脱摆脱CSMA/CD介质访问控制方法对传输距离的限制。介质访问控制方法对传输
50、距离的限制。n这时的传输距离大为缩短。这时的传输距离大为缩短。(6)以太网家族的种类繁多，下面简单介以太网家族的种类繁多，下面简单介绍一下以太网家族的主要成员。绍一下以太网家族的主要成员。n10Base5。n10Base2。n10BaseT。n100BaseTX。n100BaseT4。p 100BaseFX。p 1000BaseT。p 1000BaseCX。p 1000BaseLX。p 1000BaseSX。(1)光学传输光学传输和和无线电波传输无线电波传输。无线局域网主要用于以下几个方面：无线局域网主要用于以下几个方面：n传统局域网的补充传统局域网的补充n建筑物间的互联建筑物间的互联n漫游漫
