計算機網(wǎng)絡(luò)自頂向下(以太網(wǎng))--軟件工程專業(yè)

1、以太網(wǎng)以太網(wǎng)1.1.以太網(wǎng)的基本要素以太網(wǎng)的基本要素2.CSMA/CD2.CSMA/CD協(xié)議協(xié)議3.3.以太網(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)技術(shù)1.以太網(wǎng)的基本要素 一個以太局域網(wǎng)（一個以太局域網(wǎng)（Ethernet LAN)Ethernet LAN)可能形式多種多樣，它可能形式多種多樣，它可以有一個總線拓?fù)浠蛘呤切切屯負(fù)?，它可以在同軸電纜，可以有一個總線拓?fù)浠蛘呤切切屯負(fù)?，它可以在同軸電纜，雙絞線或者光纖上運行，它可以有不同的數(shù)據(jù)傳送速率，如：雙絞線或者光纖上運行，它可以有不同的數(shù)據(jù)傳送速率，如：10Mbps,100Mbps10Mbps,100Mbps和和1Gbps1Gbps。以太網(wǎng)的形式雖然各有不同，但。以太網(wǎng)

2、的形式雖然各有不同，但是它們都有一些共同的特性。是它們都有一些共同的特性。以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)提供無連接服務(wù)以太網(wǎng)采用基帶傳輸和曼徹斯特編碼以太網(wǎng)以太網(wǎng) MAC 幀幀物理層物理層MAC層層10101010101010 1010101110101010101010 10101011前同步碼前同步碼幀開始幀開始定界符定界符7 字節(jié)字節(jié)1 字節(jié)字節(jié)IP層層目的地址目的地址源地址源地址類型類型數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)CRC6624字節(jié)字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報1.1以太網(wǎng)的以太網(wǎng)的MAC 幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)幀定界符8字節(jié)數(shù)據(jù)字段的最小長度數(shù)據(jù)字段的最小長度最小幀長最小幀長 64 字節(jié)字節(jié) 18 字節(jié)首部尾部字節(jié)

3、首部尾部 =461.1以太網(wǎng)的以太網(wǎng)的MAC 幀結(jié)構(gòu)說明幀結(jié)構(gòu)說明n先導(dǎo)字段（8字節(jié)）：前7個字節(jié)均是10101010用于喚醒接收方，并使之與發(fā)送方的時鐘同步，最后一個字節(jié)是10101011用于告訴接受方我發(fā)送的數(shù)據(jù)來了。n目的地址字段（6字節(jié)）：用于確定信道上的信號發(fā)送給該局域網(wǎng)中的哪個適配器n源地址（6字節(jié)）：發(fā)送該幀的局域網(wǎng)上的適配器地址，誰發(fā)的就是誰的地址n類型（2個字節(jié)）：標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的 MAC 幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。1.1以太網(wǎng)的以太網(wǎng)的MAC 幀結(jié)構(gòu)說明幀結(jié)構(gòu)說明n數(shù)據(jù)字段（46-1500字節(jié)）：這個字段攜帶IP數(shù)據(jù)報，以太網(wǎng)的最大傳輸單元是1

4、500字節(jié)，多于1500字節(jié)的數(shù)據(jù)報將被分片處理，數(shù)據(jù)字段的最小長度是46字節(jié)，不夠46字節(jié)的需要填充到46個字節(jié)。這里大家想一下為什么最小數(shù)據(jù)幀是46？n循環(huán)冗余校驗（CRC 4字節(jié)）：CRC字段的目的是使得接收端的適配器檢測發(fā)送方發(fā)過來的幀當(dāng)中是否有錯誤數(shù)據(jù)字段的最小長度數(shù)據(jù)字段的最小長度最小幀長最小幀長 64 字節(jié)字節(jié) 18 字節(jié)首部尾部字節(jié)首部尾部 =461.2以太網(wǎng)提供無連接服務(wù)以太網(wǎng)提供無連接服務(wù)n所有的以太網(wǎng)技術(shù)都向網(wǎng)絡(luò)層提供了無連接服務(wù)，也就是說適配器A要向適配器B發(fā)送一個數(shù)據(jù)報時：pA會直接的把該數(shù)據(jù)報封裝在以太網(wǎng)幀中，然后將這一幀發(fā)送到局域網(wǎng)上，而不會事先先和適配器B“握手

5、”。pB接收到A的幀時間，通過CRC校驗之后，適配器并不發(fā)一個確認(rèn)幀，即使是校驗失敗了也不會發(fā)否認(rèn)幀，而是直接丟棄。這時間的A根本也不知道它發(fā)送的幀是被接受了還是被丟棄了，至于丟棄幀所造成的影響由B的上層協(xié)議負(fù)責(zé)。1.3以太網(wǎng)采用基帶傳輸和曼徹斯特編碼以太網(wǎng)采用基帶傳輸和曼徹斯特編碼n以太網(wǎng)使用基帶傳輸就是說適配器直接向廣播信道發(fā)送數(shù)字信號基帶數(shù) 字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2.CSMA/CD2.CSMA/CD協(xié)議協(xié)議nCSMA/CD =Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD =Carrier Sense Multiple Acc

6、ess with Collision Detection with Collision Detection = =載波監(jiān)聽多點接入載波監(jiān)聽多點接入/ /沖突檢測沖突檢測 是隨機訪問算法爭用型協(xié)議是隨機訪問算法爭用型協(xié)議nCSMA/CDCSMA/CD發(fā)展發(fā)展想發(fā)就發(fā)，沖突重發(fā)想發(fā)就發(fā)，沖突重發(fā)ALOHAALOHAALOHAALOHA載波檢測載波檢測CSMACSMA 載波檢測：發(fā)送前，先監(jiān)聽信道，信道空才發(fā)載波檢測：發(fā)送前，先監(jiān)聽信道，信道空才發(fā)CSMA CSMA 沖突檢測沖突檢測CSMA/CDCSMA/CD 沖突檢測：發(fā)送時，邊發(fā)邊測。沖突檢測：發(fā)送時，邊發(fā)邊測。2.1 CSMA/CA協(xié)議協(xié)議

7、基本思想基本思想CSMA/CDCSMA/CD的工作原理可概括成四句話，即：的工作原理可概括成四句話，即：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機延后重發(fā)先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停止，隨機延后重發(fā) n載波監(jiān)聽：先聽后發(fā)載波監(jiān)聽：先聽后發(fā) 發(fā)送前先監(jiān)聽總線上是否有信號，如果有，則停止發(fā)送發(fā)送前先監(jiān)聽總線上是否有信號，如果有，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)( (避免沖突避免沖突) )，同時繼續(xù)監(jiān)聽，直至發(fā)現(xiàn)信道空閑時，同時繼續(xù)監(jiān)聽，直至發(fā)現(xiàn)信道空閑時（信道空閑：（信道空閑：96bit96bit時間內(nèi)沒有檢測到信道上有信號），時間內(nèi)沒有檢測到信道上有信號），發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù). .n沖突檢測：邊聽邊發(fā)沖突檢測：邊聽邊發(fā)

8、邊發(fā)送數(shù)據(jù)，邊檢測信道看是否與別人發(fā)生沖突，邊發(fā)送數(shù)據(jù)，邊檢測信道看是否與別人發(fā)生沖突， 若沖突，立即停止發(fā)送，隨機延遲后再去若沖突，立即停止發(fā)送，隨機延遲后再去“載波監(jiān)聽載波監(jiān)聽”2.2 沖突檢測沖突檢測n這里引出來一個疑問，為什么有了載波監(jiān)聽（先聽再發(fā)），這里引出來一個疑問，為什么有了載波監(jiān)聽（先聽再發(fā)），還要沖突檢測還要沖突檢測（邊發(fā)邊聽）？邊發(fā)邊聽）？即，為什么測到信道閑再發(fā)送，仍會沖突？即，為什么測到信道閑再發(fā)送，仍會沖突？n原因：原因：一個站點檢測到自己附近沒有信號并不意味著信道上面沒有信一個站點檢測到自己附近沒有信號并不意味著信道上面沒有信號，號，電磁波傳播需要時間，以下兩種可能

9、性會導(dǎo)致信號沖突。電磁波傳播需要時間，以下兩種可能性會導(dǎo)致信號沖突。有別的一個或多個站點正在發(fā)送而信號，但是發(fā)送的信號還沒有傳有別的一個或多個站點正在發(fā)送而信號，但是發(fā)送的信號還沒有傳播到要發(fā)送信號的這個站點。播到要發(fā)送信號的這個站點?？赡苡袆e的一個或多個站點檢測到它自己周圍信道上沒有信號，自可能有別的一個或多個站點檢測到它自己周圍信道上沒有信號，自己正準(zhǔn)備發(fā)送而信號。己正準(zhǔn)備發(fā)送而信號。2.3 實例分析實例分析1 kmABt沖突沖突 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生沖突檢測到發(fā)生沖突 t = t = 02.3 實例分析實例分析n思考：經(jīng)過2 時間沒有檢測到?jīng)_突，可以肯定這次發(fā)送不會發(fā)生沖突

10、，這是為什么？n概念：以太網(wǎng)將2 稱為爭用期 (contentionperiod) ， 或沖突窗口，競爭時間片、時間槽、沖突時間 片。2.3 爭用期的長度爭用期的長度n理論上，CSMA/CD協(xié)議的爭用期為2 n工程上，10 M以太網(wǎng)，取 51.2 s 為爭用期的長度。p在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。p爭用期長度，又稱為512位延遲(51.2us) 。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。2.4 最短有效幀長最短有效幀長 n10 Mb/s 以太網(wǎng)，如果監(jiān)測到發(fā)生沖突， 一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 n監(jiān)測到?jīng)_突后立即中止發(fā)送， 這

11、時已發(fā)出的數(shù)據(jù)少于 64 個字節(jié)。這也就是為什么以太網(wǎng)規(guī)定：凡是長度小于 64 字節(jié)的幀都認(rèn)為是由于沖突而異常中止的碎片：無效幀。n所以： 10M以太網(wǎng)規(guī)定最短有效幀長為 64 字節(jié)2.5 小結(jié)小結(jié)n載波檢測只能減少沖突，不能避免沖突當(dāng)某個站點監(jiān)聽到信道空閑時，也可能信道并非是空閑的。p原因：電磁波傳播需要時間，而監(jiān)聽只能測到本站接入點的信號。n所以發(fā)送后需要檢測是否發(fā)生沖突：“沖突檢測”若沖突，立即停止發(fā)送，隨機延遲后在“載波檢測”n經(jīng)過2 時間沒有檢測到?jīng)_突，可以肯定這次發(fā)送不會發(fā)生沖突n線路越長，這種沖突的概率越大。設(shè)：信號傳播速度設(shè)：信號傳播速度c=200m/us， 總線長總線長d10

12、0m， d/c=100/200=0.5us ，2 1us 1us內(nèi)，有其他站點發(fā)送，都可能沖突內(nèi)，有其他站點發(fā)送，都可能沖突 總線長總線長d500m， d/c=500/200=2.5us ，2 5us 5us內(nèi)，有其他站點發(fā)送，都可能沖突內(nèi)，有其他站點發(fā)送，都可能沖突2.5 小結(jié)（續(xù)）小結(jié)（續(xù)）n以太網(wǎng)在最小幀長度不變的情況下，如果網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率由10Mbps改為100Mbps，請問端到端的最長距離應(yīng)該如何變化，答案是縮短到原來的1/5，因為必須保證在發(fā)送幀的時間大于信號往返的時間。n如果保證端到端距離不變的情況下網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)率由10Mbps改為100Mbps，則最小幀長度則會變成原來的10倍，上

13、面的例子如有不太恰當(dāng)之處，請大家及時指出。 2.6 截斷型二進(jìn)制指數(shù)退避算法截斷型二進(jìn)制指數(shù)退避算法 前面說的既然載波檢測只能減少沖突，若是沖突真的發(fā)生后延遲相同的時間，沖突雙方乃至多方仍然都會測到信道閑，很容易再次沖突，如下圖所示：延遲相同時間延遲相同時間CBA用戶時間2.6 截斷型二進(jìn)制指數(shù)退避算法截斷型二進(jìn)制指數(shù)退避算法n各站互相不能聯(lián)系，如何讓各站延遲不同的時間？各站互相不能聯(lián)系，如何讓各站延遲不同的時間？需要動態(tài)算法分配等待時間需要動態(tài)算法分配等待時間隨機取值隨機取值n如何取隨機值？如何取隨機值？n已知：發(fā)送后最多經(jīng)過已知：發(fā)送后最多經(jīng)過2 時間就能檢測到?jīng)_突，時間就能檢測到?jīng)_突，

14、所以，以所以，以2 為時間單位，為時間單位，p取隨機數(shù)取隨機數(shù) n random（0，X）p延時延時n倍的倍的2 時間再去監(jiān)聽信道時間再去監(jiān)聽信道p二個沖突站，取不同的二個沖突站，取不同的n，可以避免再次沖突，可以避免再次沖突2.6.1 隨機數(shù)的范圍隨機數(shù)的范圍n random（0，X）， X如何取？n X太小，負(fù)載重時，沖突太多設(shè)，有8個站要發(fā)信， 若X=3，可取0， 2 、4 、6 沖突可能性相當(dāng)大nX太大，負(fù)載輕時，效率低，延時大設(shè)，只有A，B二個站要發(fā)信， X=100，可取0， 2 、4 、，200 若A取180 ，B取190 ， 0180 時間內(nèi)信道浪費2.6.2 退避算法分析退避算

15、法分析n希望：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載計算延遲時間：p輕載時(發(fā)送站少)，在較小的區(qū)間取隨機數(shù)p重載時(發(fā)送站多)，在較大的區(qū)間取隨機數(shù)n如何知道負(fù)載輕重：p根據(jù)幀的重復(fù)沖突次數(shù)猜測負(fù)載輕重重復(fù)沖突次數(shù)多，說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重延時時間區(qū)間大，分散負(fù)載2.6.3 二進(jìn)制指數(shù)規(guī)律二進(jìn)制指數(shù)規(guī)律沖突次數(shù)iL隨機數(shù)n的范圍120 1240 3380 74160 151010240 10231120480 2047n為每個幀設(shè)一個局部參數(shù)Lp當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，令L2p每重復(fù)沖突一次，L加倍L=2，4，8，16，pn random（0，L-1）p隨機退避n*2 時間再監(jiān)聽信道n等價于：第i次沖突：L= 2ipn=ra

16、ndom（02i-1）p所以，稱為二進(jìn)制指數(shù)規(guī)律n效果：p沖突少的幀重發(fā)成功的機會大p沖突多的幀重發(fā)成功的機會小這個也是它的缺點2.6.4 什么是截斷型什么是截斷型n重復(fù)沖突次數(shù)重復(fù)沖突次數(shù) i 較大時，指數(shù)規(guī)律增長太快較大時，指數(shù)規(guī)律增長太快nn太大，網(wǎng)絡(luò)效率低，工程上，太大，網(wǎng)絡(luò)效率低，工程上，n取取1000已經(jīng)足夠，已經(jīng)足夠， 所以沖突次數(shù)所以沖突次數(shù) i10 （2i-1 i=10）時，）時，L不再加倍不再加倍pIf i10 then n = random（01023) else L=L*2； n = random（0L-1) n重復(fù)沖突次數(shù)太多（如重復(fù)沖突次數(shù)太多（如 i 大于大于15

17、） ，p這種情況可能性不大，猜測可能網(wǎng)絡(luò)有故障這種情況可能性不大，猜測可能網(wǎng)絡(luò)有故障p設(shè)置一個最大重傳次數(shù)設(shè)置一個最大重傳次數(shù)M（如，（如，M15），）， iM時，則不再重傳，并向上層報告出錯。時，則不再重傳，并向上層報告出錯。n綜上，整個算法等價于：綜上，整個算法等價于：pn= random（02i-1） i10pn= random（01023) 10=i16 2.6.5 沖突后，延時沖突后，延時n*2 時間再去監(jiān)聽信道時間再去監(jiān)聽信道ni：當(dāng)前連續(xù)沖突的次數(shù)n延時時間n*2pn=random（02i-1） i10pn= random（01023) 10i16 in10151023 2.7

18、強化沖突強化沖突人為干擾信號！人為干擾信號！n問題：距離較遠(yuǎn)時，信號衰減大， 沖突信號可能被誤測為不是沖突信號，那這時間該怎么辦呢？n強化沖突： 一旦發(fā)現(xiàn)沖突，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要發(fā)送較短較強的人為干擾信號(jamming signal)， 使其它站點能測到?jīng)_突信號。2.7 人為干擾信號實例分析人為干擾信號實例分析數(shù)據(jù)幀TBABtA 檢測到?jīng)_突開始沖突干擾信號 TJ數(shù)據(jù)片段信道占用時間A發(fā)送數(shù)據(jù)B發(fā)送數(shù)據(jù)2.7人為干擾信號實例分析人為干擾信號實例分析nA檢測到?jīng)_突（TB2）， 立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號。(B其實也發(fā)出了干擾信號，因為B的干擾信號影響到了A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，這里

19、便于理解沒有畫出B的干擾信號)n發(fā)送成功的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 2.8 CSMA/CD流程圖流程圖開始發(fā)送開始發(fā)送載波載波監(jiān)聽監(jiān)聽沖沖突突檢檢測測2 內(nèi)內(nèi)沖突沖突是是否否強化強化沖突沖突信道忙信道忙是是否否退退避避算算法法 隨機延時隨機延時沖突過多沖突過多是是否否 組組 幀幀發(fā)送成功發(fā)送成功放棄發(fā)送放棄發(fā)送通知上層通知上層2.9 以太網(wǎng)的信道利用率以太網(wǎng)的信道利用率n沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素：沖突使傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負(fù)載超過40時，效率明顯下降。而且隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，性能急劇下降！n沖突域：在同一個沖突域中的每一個節(jié)點都能收到所有被發(fā)送的幀。 2.9

20、以太網(wǎng)的信道利用率以太網(wǎng)的信道利用率 n發(fā)送一幀所需的平均時間發(fā)送一幀所需的平均時間p傳播時間傳播時間 n發(fā)完最后一位，再經(jīng)過時間發(fā)完最后一位，再經(jīng)過時間 ，信道上無信號在傳播信道上無信號在傳播p爭用時間：爭用時間：K2 p發(fā)送時間發(fā)送時間T0 = L/C (s)幀長幀長(bit)/發(fā)送速率發(fā)送速率 (b/s)發(fā) 送 成 功 爭用期 爭用期 爭用期 2 2 2T0t占用期 發(fā)生沖突 發(fā)送一幀所需的平均時間2.9 提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法以太網(wǎng)定義了參數(shù) a= /T0 ：端到端時延 T0：幀的發(fā)送時間方法一：減小 a 值，可以提高以太網(wǎng)的信道利用率a0 ：一發(fā)

21、生沖突就立即可以檢測出來， 并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。a 越大，爭用期所占的比例越大，信道浪費越大。 方法二：減小a值，提高以太網(wǎng)的信道利用率:限制以太網(wǎng)的連線長度，減小 。增加以太網(wǎng)的幀長，增大T0。 2.9 提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法提高以太網(wǎng)信道利用率的三種方法n我們大家都知道影響信道利用率的最主要因素就是信號沖突，那么我們就有必要分析一下信號沖突產(chǎn)生的因素：產(chǎn)生沖突的原因有很多，諸如：p數(shù)據(jù)分組的長度， T0 = L/C (s)幀長/ 速率 （以太網(wǎng)的最大幀長度為1518字節(jié)）p網(wǎng)絡(luò)的直徑（ ）p同一沖突域中節(jié)點的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。有了以上的分析不難得出提

22、高以太網(wǎng)信道利用率的方法三p使用網(wǎng)橋和交換機將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域（這也是前面為什么會提到?jīng)_突域的問題，因為前面的所有站點都是在同一個沖突域當(dāng)中），這樣前面的問題應(yīng)會得到相應(yīng)的化解。 2.9信道利用率的最大值信道利用率的最大值 Smaxn信道利用率最好的情況（理想化的情況）p發(fā)送數(shù)據(jù)沒產(chǎn)生沖突。p發(fā)送一幀占用線路的時間是 T0 + p發(fā)送的每一幀的長度都是幀的最大長度極限信道利用率 Smax為：3 常用的以太網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)常用的以太網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)3.1早期4種正式的10 M以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是共享以太網(wǎng)p 10Base-5：最初的粗同軸電纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)10：速率10M； BASE：基帶傳輸； 5：500米。p 10Base-2：細(xì)同軸電纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 細(xì)同軸電纜便宜，可靠性性差 2：185米p 10Base-T：使用集線器和雙絞線的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 更可靠、便宜和靈活 T：雙絞線p 10Base-F：光纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 價格較貴，不靈活 F ：光纜3 .2 常用的以太網(wǎng)技術(shù)常用的以太網(wǎng)技術(shù)n10Base2以太網(wǎng) 10Base2是一種非常流行的以太網(wǎng)技術(shù) 它使用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點是線性方式連接的，連接的介質(zhì)是同軸電纜，10代表1