計算機網(wǎng)絡(luò)（第09講）第3章 物理層

1、計算機網(wǎng)絡(luò)講義1上次課主要內(nèi)容傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體物理層功能機械特性電氣特性功能特性過程特性物理層規(guī)程計算機網(wǎng)絡(luò)講義23.3 物理層設(shè)備物理層設(shè)備的功能是將主機與傳輸媒體相連，實現(xiàn)信號在媒體上傳輸，并向主機提供比特流傳輸服務(wù)。1、中繼器2、集線器計算機網(wǎng)絡(luò)講義3中繼器中繼器是把一根線纜中的電或光信號傳遞給另一根線纜，不進行路由選擇，也不進行分組過濾的物理層設(shè)備。1、按照OSI的術(shù)語，中繼器是物理層中間系統(tǒng)；2、其作用是延長通信介質(zhì)長度，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；3、可通過串聯(lián)中繼器擴大信號傳輸范圍，但由于信號特性和噪聲的影響，相互串聯(lián)的中繼器的數(shù)量有一定的限制。計算機網(wǎng)絡(luò)講義4集線器簡介

2、通常指共享式以太網(wǎng)集線器（hub）1、工作在物理層，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的機械、電氣、功能和規(guī)程特性，本質(zhì)上是多端口中繼器；2、不解釋傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是透明的；3、從一個端口接收信號，將其再生后中繼到其他端口，可以將信號放大（識別、重新形成）后，再傳出去； （1）廣播方式傳播信號； （2）在t0時刻，連接到集線器上的所有站點中，只有一個站點在發(fā)送數(shù)據(jù)，半雙工； （3）可以理解為集線器分時為各個站點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)； （4）從統(tǒng)計學(xué)角度來看，如果集線器的帶寬為F，連接N個站點，則每個站點獲得的帶寬為F/N；4、集線器可級聯(lián)和堆疊。計算機網(wǎng)絡(luò)講義5集線器原理示意圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義6集線器之間的連接方

3、式集線器與集線器之間的連接可以采用堆疊或級聯(lián)的方式 1、一個集線器提供的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量是有限的，一般情況下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要求的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量會大大超過一個集線器所提供的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量，如何解決這個問題呢？ 2、可以通過將不同集線器連接在一起，提供更多的網(wǎng)絡(luò)接口來滿足這個需求，于是，產(chǎn)生可集線器的連接方式問題； 3、這就是集線器的堆疊和級聯(lián) （1）堆疊和級聯(lián)是兩種不同的集線器連接方式； （2）利用堆疊和級聯(lián)不僅可以提供更多的網(wǎng)絡(luò)接口，而且還可以擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，既擴大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義7級聯(lián)級聯(lián)是將集線器的網(wǎng)絡(luò)端口直接連接起來，實現(xiàn)集線器的互聯(lián)，從而實現(xiàn)擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的目的。 1、集線器級聯(lián)要遵

4、循3-4-5原則； 2、集線器的級聯(lián)可以擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，提供更多的網(wǎng)絡(luò)端口，但卻極大的影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。計算機網(wǎng)絡(luò)講義8集線器級聯(lián)的性能分析服務(wù)器工作站A工作站B工作站C10Mbit/s10/6Mbit/s10/36Mbit/s10/6Mbit/s10/36Mbit/s計算機網(wǎng)絡(luò)講義9堆疊堆疊是將集線器的背板連接在一起，實現(xiàn)集線器的互聯(lián) 1.集線器的堆疊需要使用特殊的堆疊電纜進行，堆疊的數(shù)量隨不同廠家的產(chǎn)品不同 2.集線器的堆疊可以擴大網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)量，但不能擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍集線器集線器工作站工作站計算機網(wǎng)絡(luò)講義10集線器堆疊的性能分析服務(wù)器工作站A工作站B10Mbit/s10/18Mbi

5、t/s10/18Mbit/s計算機網(wǎng)絡(luò)講義11集線器連接方式總結(jié)堆疊和級聯(lián)都可擴大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。級聯(lián)在擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時也擴大了網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)量，但網(wǎng)絡(luò)性能受到極大的影響。堆疊只能擴大網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)量，但不能擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，網(wǎng)絡(luò)性能受影響，但比級聯(lián)要好。計算機網(wǎng)絡(luò)講義123.4 總結(jié)物理層功能物理層規(guī)程物理層設(shè)備第四章 數(shù)據(jù)鏈路層4.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述4.2 幀同步4.3 差錯控制4.4 可靠性傳輸4.5 高級控制鏈路協(xié)議HDLC4.6 點對點協(xié)議PPP4.7 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層4.8 以太網(wǎng)4.9 擴展以太網(wǎng)計算機網(wǎng)絡(luò)講義144.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述數(shù)據(jù)鏈路層的目的是為了提供功能上和規(guī)程

6、上的方法，以便建立、維護和釋放網(wǎng)絡(luò)實體間的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計要點向網(wǎng)絡(luò)層提供一個定義良好的服務(wù)接口處理傳輸錯誤調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流，確保慢速的接收方不會被快速的發(fā)送方淹沒。計算機網(wǎng)絡(luò)講義154.4.1 基本概念1、鏈路和數(shù)據(jù)鏈路2、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議3、點到點和端到端4、數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道類型5、網(wǎng)絡(luò)層分組與幀之間的關(guān)系計算機網(wǎng)絡(luò)講義161、鏈路與數(shù)據(jù)鏈路鏈路(link)就是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點。數(shù)據(jù)鏈路(data link)則是另一個概念。這是因為當(dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。也有人采用另

7、外的術(shù)語。這就是將鏈路分為物理鏈路和邏輯鏈路。物理鏈路就是上面所說的鏈路，而邏輯鏈路就是上面的數(shù)據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協(xié)議。計算機網(wǎng)絡(luò)講義172、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了一條鏈路的兩個結(jié)點間交換的數(shù)據(jù)單元格式，以及結(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)單元的動作。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)提供的最基本功能：（1）鏈路管理（數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放）（2）幀同步（定界）與透明傳輸（3）流量控制（4）差錯控制（5）將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開（6）尋址計算機網(wǎng)絡(luò)講義183、點到點和端到端從源結(jié)點（source node）到目的結(jié)點（destination node）的通信稱為端到端（end-to-end）通信，

8、通信路徑（path）可能由多個鏈路組成。在相鄰結(jié)點間的一條鏈路（link）上的通信稱為點到點（point-to-point）通信。計算機網(wǎng)絡(luò)講義194、數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道類型點對點信道：使用一對一的點對點通信方式。廣播信道：使用一對多的廣播通信方式。過程較復(fù)雜。必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)。計算機網(wǎng)絡(luò)講義205、網(wǎng)絡(luò)層分組與幀之間的關(guān)系IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點 A結(jié)點 B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點 A結(jié)點 B幀發(fā)送幀接收數(shù)據(jù)鏈路IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀裝入計算機網(wǎng)絡(luò)講義21虛擬通信過程局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R

9、3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動計算機網(wǎng)絡(luò)講義22實際通信過程局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動計算機網(wǎng)絡(luò)講義234.1.2 為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)目標(biāo)：將數(shù)據(jù)從源機器的網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)侥繕?biāo)機器的網(wǎng)絡(luò)層。

10、計算機網(wǎng)絡(luò)講義241、無確認(rèn)的無連接服務(wù)不建立點到點間的邏輯連接。不保證幀能夠被接收方正確接收。適用于服務(wù)質(zhì)量較好的信道和實時性業(yè)務(wù)。e.g. 大多數(shù)的LAN。計算機網(wǎng)絡(luò)講義252、有確認(rèn)的無連接服務(wù)不建立點到點之間的邏輯連接。接收方對收到的每一幀進行確認(rèn)，提供可靠性。適用于不可靠的信道。e.g. 無線系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)鏈路層上提供確認(rèn)只是一種優(yōu)化而不是要求。計算機網(wǎng)絡(luò)講義263、有確認(rèn)的有連接服務(wù)需要建立源機器和目標(biāo)機器之間的邏輯連接。保證該連接上的每一幀都被正確接收，并且只接收一次。保證接收幀的順序和發(fā)送幀的順序一致。相當(dāng)于為網(wǎng)絡(luò)層提供一個可靠的位流。數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷三個階段：建立連接：初始化各種變

11、量。數(shù)據(jù)傳輸：多個數(shù)據(jù)幀被傳輸。連接釋放：維護該連接的資源被釋放。計算機網(wǎng)絡(luò)講義27數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的位置計算機網(wǎng)絡(luò)講義284.2 幀同步幀是數(shù)據(jù)鏈路層的傳送單位，按OSI的術(shù)語就是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元DL-PDU 。如何將來自物理層的比特流組裝成幀？也就是如何確定幀的邊界問題，這個問題稱為幀同步，也可以稱為封裝成幀。封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀的基本結(jié)構(gòu)。另外還需要在幀的開始位置和結(jié)束位置添加幀定界符來確定幀的界限。幀定界符的重要作用就是進行幀定界。計算機網(wǎng)絡(luò)講義294.2.1 幀的基本結(jié)構(gòu)幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 M

12、TU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始計算機網(wǎng)絡(luò)講義304.2.2 成幀的方法字符計數(shù)法含字節(jié)填充的分界符法含位填充的分界標(biāo)志法物理層編碼違例法計算機網(wǎng)絡(luò)講義311、字符計數(shù)法在幀頭中用一個域來表示整個幀的字符個數(shù)特點：不需對幀內(nèi)數(shù)據(jù)進行任何處理。若計數(shù)出錯，對本幀和后面的幀有影響。計算機網(wǎng)絡(luò)講義322、含字節(jié)填充的分界符法使用特定的字符來標(biāo)示一幀的開始與結(jié)束 幀內(nèi)數(shù)據(jù)是由若干個字符組成的數(shù)據(jù)塊 SOH裝在幀中的結(jié)構(gòu)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT計算機網(wǎng)絡(luò)講義333、含位填充的分界標(biāo)志法數(shù)據(jù)幀可以包含任意長度的位（bit），每個字符也可以有任意的長度的位。每一幀開始和結(jié)束都有一個特殊的位模式

13、01111110。計算機網(wǎng)絡(luò)講義344、物理層編碼違例法只適用于物理層編碼有冗余的網(wǎng)絡(luò)。例如：802 LAN：Manchester encoding or Differential Manchester encoding 用high-low pair/low-high pair 表示1/0。high-high/low-low不表示數(shù)據(jù)，可以用來做定界符。計算機網(wǎng)絡(luò)講義354.2.3 透明傳輸當(dāng)標(biāo)志字節(jié)的位模式出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中時，會干擾幀的分界。FlagFlag出現(xiàn)了“Flag”被接收端當(dāng)作無效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個幀數(shù)據(jù)部分Flag完整的幀發(fā)送在前計算機網(wǎng)絡(luò)講義361、解決透明傳輸?shù)姆椒ㄗ止?jié)填充法/字符填充法位填充法/比特填充法計算機網(wǎng)絡(luò)講義372、字節(jié)填充法發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義38SOHSO