第三章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第三章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第一頁，共70頁。

決定局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特性的主要技術(shù)有三個：用于傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)，用于連接網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓撲，用于共享資源的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制方法——網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)。第二頁，共70頁。§4.1局域網(wǎng)的基本特性4.1.1局域網(wǎng)定義與特性局域網(wǎng)是將小區(qū)域內(nèi)的各種通信設(shè)備互連在一起的通信網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。第三頁，共70頁。局域網(wǎng)的三個屬性：局域網(wǎng)是一個通信網(wǎng)絡(luò)，從協(xié)議層次的觀點看，它包含著低三層的功能。數(shù)據(jù)通信設(shè)備包含計算機、終端和各種外圍設(shè)備等。小區(qū)是指一個建筑物、一個校園或者大至幾十千米直徑的一個區(qū)域。第四頁，共70頁。4.1.2傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜和光纖無線介質(zhì)：無線電波、微波、紅外線和激光。1.雙絞線（TwistedPairWire，TP）（1）物理特性一對雙絞線是把兩根具有絕緣保護的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞纏在一起形成的線對組成。（2）傳輸特性雙絞線主要用來傳輸模擬聲音信息，但同樣適用于數(shù)字信號的傳輸，特別適用于短距離的情況。第五頁，共70頁。（3）連通性可以用于點到點，也可用于多點連接。（4）地理范圍在100Mbps速率的數(shù)字系統(tǒng)中，最遠100M。（5）抗干擾性分為UTP和STP（6）價格目前超五類一箱（1000英尺）約400元左右。第六頁，共70頁。2.同軸電纜（CoaxialCable）公用電視天線CATV采用75Ω電纜數(shù)據(jù)傳輸使用50Ω電纜（1）物理特性（2）傳輸特性（3）連通性（4）地理范圍（5）抗干擾性（6）價格第七頁，共70頁。3.光導(dǎo)纖維（1）物理特性光纖是一種細小、柔軟并能導(dǎo)光線的介質(zhì)，是用石英玻璃（SiO2）制成的。（2）傳輸特性光纖是通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號。（3）連通性（4）地理范圍（5）抗干擾性（6）價格第八頁，共70頁。4.1.3局域網(wǎng)的拓撲網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點相互連接的方式或形式稱為網(wǎng)絡(luò)拓撲。1.星形拓撲（Star-Topology）星型網(wǎng)絡(luò)是將所有的工作站均連接至中央控制器，整個網(wǎng)絡(luò)由中央控制器來管理。如10BASE-T。第九頁，共70頁。第十頁，共70頁。2.總線型（Bus）總線型網(wǎng)絡(luò)利用一總線(BUS)作為所有節(jié)點的共同信道，其傳輸信息的方向為雙向，當(dāng)要新增節(jié)點時，只要將節(jié)點接到最近的BUS上即可?？偩€的端點必須加上終端電阻，以避免網(wǎng)絡(luò)上回傳末端的無用回音信號。

4.1.3局域網(wǎng)的拓撲第十一頁，共70頁。第十二頁，共70頁。3.環(huán)型（Ring）環(huán)型網(wǎng)絡(luò)將所有節(jié)點均連接在環(huán)上，任一節(jié)點送出的信號方向為單一方向，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點收到信號后，會對其做判斷，若本身即是目的地的節(jié)點，則接收此信號；否則，繼續(xù)將信號往下個節(jié)點傳送。

4.1.3局域網(wǎng)的拓撲第十三頁，共70頁。第十四頁，共70頁。型式管理方式容易造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓原因星型(Star)集中式中央控制器故障環(huán)型(Ring)可為集中式（以某節(jié)點為控制中樞）或分布式（每一節(jié)點地位相同）任一節(jié)點故障總線型(Bus)集中式Bus線故障表4-1第十五頁，共70頁。4.樹狀結(jié)構(gòu)第十六頁，共70頁。6.拓撲的選擇經(jīng)濟性靈活性可靠性4.1.3局域網(wǎng)的拓撲第十七頁，共70頁。4.1.4介質(zhì)訪問控制方法將傳輸介質(zhì)的頻帶有效地分配給網(wǎng)上各站點的用戶的方法稱為介質(zhì)訪問控制方法。設(shè)計一個好的介質(zhì)訪問控制協(xié)議有三個基本目標(biāo)：協(xié)議要簡單，獲得有效的通道利用率，對網(wǎng)上各站點用戶的機會均等。第十八頁，共70頁。1.信道分配問題（1）靜態(tài)分配方法（2）動態(tài)分配方法輪轉(zhuǎn)預(yù)約爭用2.介質(zhì)訪問控制方法（1）帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD）：先聽后說，邊聽邊說（2）令牌環(huán)（TokenRing)訪問控制（3）令牌總線（TokenBus）訪問控制第十九頁，共70頁。載波偵聽多路訪問/沖突檢測法載波偵聽多路訪問（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）是一種適合于總線結(jié)構(gòu)的具有信道檢測功能的分布式介質(zhì)訪問控制方法，其控制手段稱之為“載波偵聽”。

實際上，當(dāng)一個站開始發(fā)送信息時，檢測到本次發(fā)送有無沖突的時間很短，它不超過該站點與距離該站點最遠站點信息傳輸時延的2倍。假設(shè)A站點與距離A站最遠B站點的傳輸時延為T（圖4-1所示），那么2T就作為一個時間單位。

第二十頁，共70頁。第二十一頁，共70頁。CSMA/CD又被稱之為“先聽后講，邊聽邊講”，其具體工作過程概括如下：（1）先偵聽信道，如果信道空閑則發(fā)送信息。（2）如果信道忙，則繼續(xù)偵聽，直到信道空閑時立即發(fā)送。（3）發(fā)送信息后進行沖突檢測，如發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)出一串阻塞信號（連續(xù)幾個字節(jié)全1），通知總線上各站點沖突已發(fā)生，使各站點重新開始偵聽與競爭。（4）已發(fā)出信息的各站點收到阻塞信號后，等待一段隨機時間，重新進入偵聽發(fā)送階段。CSMA/CD發(fā)送過程可描述如圖4-2所示。第二十二頁，共70頁。圖4-2CSMA/CD發(fā)送過程流程圖第二十三頁，共70頁。CSMA按其算法的不同存在以下三種方式：（1）非-堅持CSMA（2）P-堅持CSMA（3）1-堅持CSMA第二十四頁，共70頁。令牌環(huán)訪問控制方式令牌環(huán)是一種適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的分布式介質(zhì)訪問控制方式，已由IEEE802委員會建議成為局域網(wǎng)控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一，即IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)。在令牌環(huán)網(wǎng)中，令牌也叫通行證，它具有特殊的格式和標(biāo)記。令牌有“忙（Busy）”和“空閑（Free）”兩種狀態(tài)。具有廣播特性的令牌環(huán)訪問控制方式，還能使多個站點接收同一個信息幀，同時具有對發(fā)送站點自動應(yīng)答的功能。其訪問控制過程如圖4-3所示。第二十五頁，共70頁。圖4-3傳送過程第二十六頁，共70頁。令牌總線訪問控制方式令牌總線訪問控制方式（Token-Bus）是在綜合了CSMA/CD訪問控制方式和令牌環(huán)訪問控制方式的優(yōu)點基礎(chǔ)上形成的一種介質(zhì)訪問控制方式。令牌總線控制方式主要用于總線型或樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。該方式是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)。如圖4-4所示，一個總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如果指定每一個站點在邏輯上相互連接的前后地址，就可構(gòu)成一個邏輯環(huán)。如圖中A→B→D→E→A（C站點沒有連入令牌總線中）。第二十七頁，共70頁。圖4-4總線結(jié)構(gòu)中的令牌環(huán)第二十八頁，共70頁。4.1.5局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)第二十九頁，共70頁。工作組名稱工作組簡稱制定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容IEEE802.1HILI有關(guān)LAN在OSI參考模型中的高層接口的管理（HihgLevelInterface）IEEE802.2LLC有關(guān)LAN在OSI參考模型中的第二層邏輯鏈接控制標(biāo)準(zhǔn)（LogicLinkControl）IEEE802.3CSMA/CD有關(guān)LAN在OSI參考模型中第二層的媒體訪問控制方式（MediaAccessControl）以CSMA/CD為標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.4TokenBus有關(guān)LAN在OSI參考模型中第二層的媒體訪問控制方式（MediaAccessControl）以TokenBus為標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.5TokenRing有關(guān)LAN在OSI參考模型中第二層的媒體訪問控制方式（MediaAccessControl）以TokenRing為標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.6MAN有關(guān)OSI參考模型第二層中城域網(wǎng)（MetropolitanAreaNetwaork）的媒體訪問控制方式IEEE802.7BBTAG有關(guān)OSI參考模型第一層中寬頻電纜的標(biāo)準(zhǔn)及對802.3及802.4的技術(shù)支持IEEE802.8FOTAG有關(guān)OSI參考模型第一層中，光纖電纜的傳輸及對802.3及802.4的技術(shù)支持IEEE802.9IVDLAN有關(guān)LAN中，聲音／數(shù)據(jù)綜合的功能標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.10SILS有關(guān)LAN中，安全問題的標(biāo)準(zhǔn)第三十頁，共70頁。4.1.6IEEE802局域網(wǎng)實現(xiàn)模型LLC子層MAC子層物理層LLC：LogicLinkControlMAC:MediaAccessControl物理層第三十一頁，共70頁?！?.2IEEE802.3與以太網(wǎng)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)用于描述基于CSMA/CD協(xié)議的物理層和介質(zhì)訪問控制子層協(xié)議。以太網(wǎng)是典型的總線型局域網(wǎng)，是世界上第一個成熟的局域網(wǎng)產(chǎn)品。4.2.1基本概念1.IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)2.以太網(wǎng)地址：以太網(wǎng)使用的是MAC地址，全世界沒有兩塊網(wǎng)卡的MAC地址是相同的。第三十二頁，共70頁。4.2.2IEEE802.3的MAC子層1.載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA）工作原理：先聽后說（1）非堅持CSMA（2）1-堅持CSMA（3）p-堅持CSMA2.載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）3.二進制指數(shù)退避算法第三十三頁，共70頁。非堅持CSMA算法發(fā)送前先偵聽信道若信道空閑，則可以發(fā)送若信道忙，則等待一定間隔后重試特點避免了在沖突后繼續(xù)發(fā)生沖突的可能性信道負載重時（沖突較多），防止沖突的作用明顯信道負載輕時，信道上出現(xiàn)較多空閑時間適用于信道負載較重的情況第三十四頁，共70頁。1-堅持CSMA算法若信道閑，立即啟動發(fā)送，重復(fù)1若信道忙，一直偵聽直到信道閑，重復(fù)1假如信道發(fā)生沖突，則等待一段隨機時間，重復(fù)1特點可能會再次產(chǎn)生沖突，依靠各個站點間偵聽到信道閑的時間差，離發(fā)送源近的站點會搶先占用信道信道負載輕時，可有效減少信道上的空閑時間信道負載重時，沖突現(xiàn)象嚴重適用于信道負載較輕的情況第三十五頁，共70頁。p-堅持CSMA算法：設(shè)定參數(shù)p(0<p<1)若信道閑，以概率p立即發(fā)送，概率(1-p)延遲一個時間單位。若信道忙，以致偵聽直到信道閑假如發(fā)送被延遲一個時間單位，則重復(fù)1特點p=1為1-堅持，p=0為0-堅持調(diào)整p值可滿足不同信道的負載情況適用于信道負載適中的情況如果有n個站點，np>1表示沖突后可能有不止一個站點會發(fā)送，引起新的沖突。所以一般取np<1。但如果n值不定，p就不定。采用固定p值，網(wǎng)絡(luò)的性能會隨站點數(shù)的變化而變化。第三十六頁，共70頁。CSMA的進一步說明三種方式在第一次準(zhǔn)備發(fā)送時，若信道空，立即啟動發(fā)送（思考：為什么）輕負載下，1-堅持的性能好，0-堅持差，p-堅持中等重負載下，1-堅持的性能差，0-堅持好，p-堅持中等1-堅持和0-堅持與網(wǎng)絡(luò)的具體站點數(shù)無關(guān)，性能相對穩(wěn)定第三十七頁，共70頁。二進制指數(shù)退避算法算法對每個幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，設(shè)置參數(shù)L＝2；退避取1~L個時間片中的一個隨機數(shù)，一個時間片等于2a；當(dāng)幀重復(fù)發(fā)生一次沖突時，則將參量L加倍；設(shè)置一個最大重傳次數(shù)，超過這個次數(shù)，則不再重傳，并報告出錯；未發(fā)生沖突或很少發(fā)生沖突的幀成功發(fā)送的概率大，反之則成功發(fā)送的概率小。第三十八頁，共70頁。4.2.310Mbps以太網(wǎng)1.傳輸方式：采用CSMA/CD方式，幀格式采用以太網(wǎng)格式。2.10Mbps以太網(wǎng)分類10Base-510Base-210Base-T10Base-F10Broad36第三十九頁，共70頁。3.10Mbps以太網(wǎng)物理層4.10Base-55.10Base-26.粗/細纜混合以太網(wǎng)L+3.28t≤500(m)7.10Base-T8.10Base-F9.10Broad36第四十頁，共70頁。10Base-5最大網(wǎng)段數(shù)為5；網(wǎng)段的最大長度為500m；電纜最大總長度為2500m；連接的最大站點數(shù)為100個或共492個；收發(fā)器間的最短距離為2.5m；網(wǎng)段的兩端必須用終結(jié)器，一端須接地；收發(fā)器電纜不可超過45m第四十一頁，共70頁。10Base-2最大網(wǎng)段數(shù)為5；網(wǎng)段的最大長度為185m；電纜最大總長度為925m；連接的最大站點數(shù)為30個或共142個；T型連接器間的最短距離為0.45m；網(wǎng)段的兩端必須用終結(jié)器，一端須接地第四十二頁，共70頁。第四十三頁，共70頁。7.10Base-T第四十四頁，共70頁。§4.3IEEE802.5與令牌環(huán)網(wǎng)IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)定義了令牌環(huán)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。典型的令牌環(huán)網(wǎng)是一個環(huán)狀拓撲，各計算機通過線纜連接成環(huán)形，在環(huán)路上采用的是令牌傳送控制方法。令牌環(huán)網(wǎng)的傳輸速率為4Mbps或16Mbps。整個環(huán)路的長度不能超過366m。在傳輸距離遠、負載重和實時要求嚴格的應(yīng)用環(huán)境下，令牌環(huán)網(wǎng)優(yōu)于競爭訪問式總線網(wǎng)。第四十五頁，共70頁。4.3.1令牌環(huán)網(wǎng)的組成第四十六頁，共70頁。4.3.2令牌環(huán)網(wǎng)的工作原理4.3.3令牌環(huán)網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法幀發(fā)送令牌發(fā)送幀接收優(yōu)先權(quán)操作第四十七頁，共70頁。4.3.4令牌環(huán)網(wǎng)的MAC幀格式起始幀控制接入控制目的地址源地址數(shù)據(jù)FCS結(jié)束幀狀態(tài)第四十八頁，共70頁。令牌環(huán)的管理令牌環(huán)網(wǎng)采用了部分集中控制的方案，環(huán)的主要管理功能由監(jiān)控站（Monitor）執(zhí)行，但監(jiān)控站是由所有站選舉出來的，當(dāng)一個監(jiān)控站失效時，其他站還可以再選舉一個新的監(jiān)控站。監(jiān)控站作用如下：保證不丟失令牌清除無主幀保持環(huán)路的最小時延回收無效幀第四十九頁，共70頁。§4.4IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)與令牌總線4.4.1令牌總線工作原理令牌總線的基本原理是：用信息控制對介質(zhì)的訪問，持令牌的站暫時控制了介質(zhì)，并可以送數(shù)據(jù)；令牌按一定規(guī)則在網(wǎng)上的各站之間循環(huán)地傳遞，從而形成一個邏輯環(huán)。第五十頁，共70頁。圖4-4總線結(jié)構(gòu)中的令牌環(huán)§4.4IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)與令牌總線第五十一頁，共70頁。4.4.1令牌總線介質(zhì)訪問控制1.邏輯環(huán)的初始化每個參與競爭的站發(fā)出一個宣稱信息幀，該幀的數(shù)據(jù)單元依該站地址的頭2位00，01,10,11分別以0、2、4、6個響應(yīng)窗口來填充；在發(fā)出該幀后就監(jiān)聽總線，如果檢測到有別的站在發(fā)送，就停止競爭；否則在超時后進行下一次嘗試但依該站地址的隨后2位來確定數(shù)據(jù)單元段的響應(yīng)窗口數(shù)；轉(zhuǎn)向②重復(fù)這一過程，直到所有的地址位都用完，最后一次重復(fù)中獲得成功的站就認為自己是持有信息的站。第五十二頁，共70頁。2.插入環(huán)算法無響應(yīng)，說明沒有站要插入邏輯環(huán)中收到一個正確的響應(yīng)，即只有一個請求插入環(huán)的站發(fā)出了置后站幀收到碰撞的響應(yīng)，即有多個站請求插入邏輯環(huán)，則持有令牌的站收到一個混亂的響應(yīng)幀，可通過一種基于地址的競爭方案來解決。無效響應(yīng)，即令牌持有站收到一個幀，但它不是置后繼幀，此時說明協(xié)議出問題第五十三頁，共70頁。3.退出環(huán)算法如果一個站Ts希望從邏輯環(huán)中退出，在收到令牌后，給它的前趨站Ps發(fā)一個置后繼站幀（該幀含有發(fā)送站Ts的后繼站的地址Ns），并將令牌傳遞給它的后繼站。當(dāng)它的前趨站收到一個置后繼站幀時，就相應(yīng)地修改它的Ns變量，以后就向新的后繼站傳遞令牌，原來的后繼站就被從網(wǎng)絡(luò)中刪除了。第五十四頁，共70頁。4.令牌傳遞算法后繼站處于活動狀態(tài)，發(fā)布者聽到了后繼站發(fā)出的數(shù)據(jù)幀或令牌幀；發(fā)布者沒有聽到后繼站發(fā)出的正常幀，向后繼站重發(fā)令牌幀；重發(fā)兩次失敗后，發(fā)布者認為后繼站已失效，這時發(fā)送who-follows幀，該幀的數(shù)據(jù)字段等于發(fā)布者的Ns值，其后有3個響應(yīng)窗口。收到這種幀的站把數(shù)據(jù)字段與本站的Ps值比較，以確定自己是否為失效的后繼站。如果是，則發(fā)回set-successor幀，原發(fā)布者據(jù)此重新調(diào)整自己的后繼站，并再一次傳遞令牌，轉(zhuǎn)①；第五十五頁，共70頁。4.令牌傳遞算法（續(xù)）如果發(fā)布who-follows幀的站沒有得到預(yù)期的響應(yīng)，則再一次發(fā)送who-follows；兩次發(fā)送who-follows幀失敗后，發(fā)出solicit-sucessor2幀，邀請新結(jié)點入環(huán)。別的站可以在其后的兩個窗口競爭入環(huán)。若這一著奏效，就建立了兩個站的邏輯環(huán)；若上一步驟重復(fù)兩次均失敗，則發(fā)布者假定網(wǎng)絡(luò)崩潰，或本站的接收器失效，這時停止活動，轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)。第五十六頁，共70頁。5.故障控制下游站失效多令牌故障第五十七頁，共70頁。4.4.3令牌總線MAC幀格式IEEE802.4令牌總線MAC幀格式PAFCSDDASADATA-UNIT前導(dǎo)碼FCSED幀開始幀控制目的地址源地址數(shù)據(jù)幀校驗序列幀結(jié)束定界符第五十八頁，共70頁?！?.5無線網(wǎng)絡(luò)4.5.1無線網(wǎng)絡(luò)的概念無線局域網(wǎng)是指以無線信道作傳輸媒介的計算機局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork）計算機無線連網(wǎng)的常見形式是把一個計算機站點以無線方式聯(lián)入一個計算機網(wǎng)絡(luò)中中，作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，使之具有網(wǎng)上工作站同樣的功能。它將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中的所有服務(wù)或者數(shù)個局域網(wǎng)連成一個區(qū)域網(wǎng)。第五十九頁，共70頁。4.5.2無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范4.5.3無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸介質(zhì)無線電波：指短波或超短波、微波光波：指激光、紅外線最佳選擇是微波無線通信與傳統(tǒng)的無線窄帶調(diào)制發(fā)射方式不同，它是寬帶調(diào)制發(fā)射，故它具有數(shù)據(jù)傳輸速率高(可達2Mbps)，發(fā)射功率小(只有100~200mW)，保密性好，抗干擾能力很強，不會與其他無線電設(shè)備及用戶互相發(fā)生干擾的特點。更方便的是易于多點通信，很多用戶可以通過相同的頻率進行通信。第六十頁，共70頁。4.5.4微波擴頻無線網(wǎng)的特點4.5.5微波擴頻通信技術(shù)1.基本原理擴頻通信的基本特性是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度信號來發(fā)射。C=Wlog2(1+P/N)C：傳輸速率W：帶寬P/N：信噪比用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。第六十一