《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ) 》（王崇剛）教案 （理論部分） 局域網(wǎng)技術(shù)（二）局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方式

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課題局域網(wǎng)技術(shù)（二）——局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方式課時(shí)2課時(shí)（90min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）理解并掌握CSMA/CD介質(zhì)訪問控制（2）理解并掌握單令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制（3）理解并掌握令牌總線介質(zhì)訪問控制思政育人目標(biāo)：在以立德樹人作為教育工作為根本任務(wù)的前提下，通過教學(xué)不斷地提高學(xué)生的關(guān)鍵能力，如學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)造能力等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對(duì)于人類的積極意義。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方式教學(xué)難點(diǎn)：CSMA/CD介質(zhì)訪問控制教學(xué)方法問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學(xué)設(shè)計(jì)第1節(jié)課：傳授新知（28min）第2節(jié)課：傳授新知（30min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計(jì)意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（5min）【教師】提出以下問題：新聞發(fā)言人(PressSpokesman)新聞發(fā)言人是國家、政黨、社會(huì)團(tuán)體任命或指定的專職(比較小的部門為兼職)新聞發(fā)布人員，其職責(zé)是在一定時(shí)間內(nèi)就某一重大事件或時(shí)事，約見記者或舉辦新聞發(fā)布會(huì)、記者招待會(huì)，針對(duì)有關(guān)問題闡述本部門的觀點(diǎn)立場(chǎng)，并代表有關(guān)部門回答記者的提問。在局域網(wǎng)在同樣也存在這樣的“發(fā)言人”來避免由于多方發(fā)言造成的“沖突”或者癱瘓。那么請(qǐng)同學(xué)們思考在局域網(wǎng)中“發(fā)言人”是如何解決問題的？帶著這個(gè)問題，來學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容?！緦W(xué)生】聆聽、思考【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（25min）【教師】要求學(xué)生通過文旌課堂APP掃描二維碼播放“CSMA/CD工作原理”視頻，并講解新知CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)協(xié)議），早期主要是以太網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸方式，廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)中。1．CSMA/CD協(xié)議的工作原理。CSMA/CD協(xié)議是一種允許沖突的介質(zhì)隨機(jī)發(fā)送的多路訪問控制協(xié)議，它的工作原理可以類比多人開會(huì)。在會(huì)議中，當(dāng)某個(gè)人想發(fā)言時(shí)，需要先聽是否有其他人在發(fā)言：如果有，則繼續(xù)聽，等等再說；如果沒有，就可以發(fā)言。在沒有人發(fā)言的情況下，可能出現(xiàn)同時(shí)有兩人或多人發(fā)言的情況，這種情況稱為沖突。一旦發(fā)生沖突，立刻停止發(fā)言，繼續(xù)監(jiān)聽，等過一段時(shí)間再發(fā)言。如果沖突發(fā)生多次仍無法發(fā)言，那么暫時(shí)放棄發(fā)言。（1）多路訪問（MA）。網(wǎng)絡(luò)中的任意站點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）載波偵聽（CS）。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要檢測(cè)信道上是否有其他站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道忙（即有站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)），則繼續(xù)監(jiān)聽信道，一直等到信道空閑再發(fā)送數(shù)據(jù)。注意：總線上并沒有什么“載波”。因此，“載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測(cè)總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。（3）沖突檢測(cè)（CD）若網(wǎng)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，這樣哪個(gè)工作站都辨別不出真正的數(shù)據(jù)是什么。這種情況稱為數(shù)據(jù)沖突，又稱為碰撞。?【教師】提出問題，課堂互動(dòng)思考：檢測(cè)到?jīng)_突后應(yīng)當(dāng)如何解決呢？如果檢測(cè)到?jīng)_突信號(hào)，則立即停止發(fā)送，并發(fā)送阻塞信號(hào)，然后按二進(jìn)制指數(shù)退避算法策略計(jì)算等待時(shí)間。在等待一個(gè)時(shí)隙后，再重新監(jiān)聽信道的忙閑和檢測(cè)沖突信號(hào)。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題（4）如果載波偵聽和沖突檢測(cè)過程進(jìn)行了多次，都沒有成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則暫時(shí)放棄數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)以上工作過程，CSMA/CD協(xié)議的工作原理可以概括為4點(diǎn)：先聽先發(fā)，邊聽邊發(fā)，沖突停止，后退重傳。2．CSMA/CD協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)原理比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，發(fā)送時(shí)間增長，發(fā)送效率急劇下降。3．重要特性①使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。②每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。③這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)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。4．采用標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CD的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802．3或者ISO8802/3。5．二進(jìn)制指數(shù)退避算法（1）爭(zhēng)用期①最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時(shí)間2（兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受碰撞。②以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延2稱為爭(zhēng)用期，或碰撞窗口。③經(jīng)過爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒有檢測(cè)到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。（2）二進(jìn)制指數(shù)退避算法CSMA/CD中，在檢測(cè)到?jīng)_突，并發(fā)完阻塞信號(hào)后，為了降低再?zèng)_突的概率，需要等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后再用CSMA的算法發(fā)送。為了決定這個(gè)隨機(jī)時(shí)間，采用了一個(gè)通用的退避算法，稱為二進(jìn)制指數(shù)退避算法。①具體過程對(duì)每個(gè)幀，當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時(shí)，設(shè)置參量為L=2。退避間隔取1到L個(gè)時(shí)間片中的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。1個(gè)時(shí)間片等于2α。當(dāng)幀重復(fù)發(fā)生一次沖突時(shí)，將參量L加倍。設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，超過這個(gè)次數(shù)，則不再重傳，并報(bào)告出錯(cuò)，一般重傳達(dá)16次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。舉例：如果第二次發(fā)生碰撞：n=2k=MIN(2,10)=2R={0,1,2,3)延遲時(shí)間={0,51.2us,102.4us,153.6us}中任取一值②特點(diǎn)：這個(gè)算法是按后進(jìn)先出的次序控制的，即未發(fā)生沖突，或很少發(fā)生沖突的幀，具有優(yōu)先發(fā)送的概率，而發(fā)生過多次沖突的幀，其發(fā)送成功的概率越來越小。③IEEE802.3就是采用CSMA/CD算法，并用二進(jìn)制指數(shù)退避算法。由于在介質(zhì)上傳播的信號(hào)衰減，為了正確地檢測(cè)出沖突信號(hào)，傳統(tǒng)的802.3網(wǎng)絡(luò)限制電纜最大長度為500m。④核心思想站點(diǎn)沖突次數(shù)越多，平均等待時(shí)間也越長。【學(xué)生】聆聽、思考、記憶通過教師的講解和演示，幫助學(xué)生掌握CSMA/CD介質(zhì)訪問控制課堂互動(dòng)（13min）【教師】提出問題，課堂互動(dòng)思考：假設(shè)在采用廣播鏈路的10Mbps以太網(wǎng)中，回答下列問題：（1）某結(jié)點(diǎn)連續(xù)第5次沖突后，按二進(jìn)制指數(shù)退避算法，選擇K=4的概率是多少？相應(yīng)地延遲多久再次重新嘗試發(fā)送幀？（2）如果連續(xù)第12次沖突，該結(jié)點(diǎn)最多延遲多久再次重新嘗試發(fā)送幀？解析：（1）連續(xù)第5次沖突后，結(jié)點(diǎn)網(wǎng)卡從{0,1,2,…,31}中選擇K，因此，選擇到K=4的概率為1/32，相應(yīng)地延遲時(shí)間為4X512/(10X10^6)=0.2048ms=204.8μs。（2）當(dāng)連續(xù)12次沖突后，網(wǎng)卡將從{0,1,2,…,1022，1023}中選擇K，（1分）因此最多延遲時(shí)間是選擇到K=1023，相應(yīng)地延遲時(shí)間為1023X512/(10X10^6)=52.3776ms?！緦W(xué)生】聆聽、思考、回答問題通過練習(xí)題鞏固所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解第二節(jié)課問題導(dǎo)入（5min）【教師】你聽說過令牌環(huán)網(wǎng)嗎？你了解它的控制方式嗎？【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（30min）【教師】結(jié)合教材講解令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制一、令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制令牌環(huán)網(wǎng)是IBM公司于70年代發(fā)展的，現(xiàn)在這種網(wǎng)絡(luò)比較少見。TokenRing是一種令牌環(huán)網(wǎng)協(xié)議，定義在IEEE802.5中。老式的令牌環(huán)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)傳輸速度為4Mbps或16Mbps；新型的快速令牌環(huán)網(wǎng)速度可達(dá)100Mbps。1．令牌環(huán)的結(jié)構(gòu)令牌環(huán)在物理上是一個(gè)由一系列環(huán)接口和這些接口間的點(diǎn)—點(diǎn)鏈路構(gòu)成的閉合環(huán)路，各站點(diǎn)通過環(huán)接口連到網(wǎng)上。為了解決競(jìng)爭(zhēng)，可以使用一個(gè)稱為令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿著環(huán)路循環(huán)。規(guī)定只有獲得令牌的站點(diǎn)才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后立即釋放令牌以供其他站點(diǎn)使用。2．令牌環(huán)訪問控制方法（詳見教材）?【教師】要求學(xué)生使用文旌課堂APP掃描二維碼播放“令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制方法”視頻，并提出問題：簡(jiǎn)單概述令牌環(huán)訪問控制方法。?【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題以站點(diǎn)A向站點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)為例，令牌環(huán)操作過程如圖所示：（1）網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)空令牌繞行網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)空令牌繞行（2）發(fā)送站點(diǎn)A把空令牌改成忙令牌，并附加要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送站點(diǎn)A把空令牌改成忙令牌，并附加要發(fā)送的數(shù)據(jù)（3）接收站點(diǎn)C讀取發(fā)送給它的數(shù)據(jù)接收站點(diǎn)C讀取發(fā)送給它的數(shù)據(jù)（3）根據(jù)收到來自接收站點(diǎn)C的物理發(fā)送頭，發(fā)送站點(diǎn)A產(chǎn)生空令牌根據(jù)收到來自接收站點(diǎn)C的物理發(fā)送頭，發(fā)送站點(diǎn)A產(chǎn)生空令牌【學(xué)生】聆聽、思考、記憶【教師】結(jié)合教材令牌總線介質(zhì)訪問控制二、令牌總線介質(zhì)訪問控制令牌總線訪問控制是在物理總線上建立一個(gè)邏輯環(huán)，從物理上看，這是一種總線結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，和總線網(wǎng)一樣，站點(diǎn)共享的傳輸介質(zhì)為總線；從邏輯上看，這是一種環(huán)型結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，接在總線上的站點(diǎn)組成一個(gè)邏輯環(huán)，每個(gè)站點(diǎn)被賦于一個(gè)順序的邏輯位置。1．結(jié)構(gòu)將總線上各站點(diǎn)組成邏輯環(huán)，在物理上是總線型，在邏輯上是環(huán)型。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)地址的大小排列成為一個(gè)環(huán)狀(邏輯環(huán))，沿邏輯環(huán)傳遞令牌，傳遞次序與物力位置無關(guān)。將總線上各站點(diǎn)組成邏輯環(huán)，在物理上是總線型，在邏輯上是環(huán)型。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)地址的大小排列成為一個(gè)環(huán)狀(邏輯環(huán))，沿邏輯環(huán)傳遞令牌，傳遞次序與物力位置無關(guān)。2．令牌總線介質(zhì)訪問方法的基本操作分為兩個(gè)狀態(tài):兩個(gè)狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)、令牌傳送狀態(tài)通過限定每個(gè)站發(fā)送幀的最大長度，使站點(diǎn)等待取得令牌的時(shí)間是確定的。等待令牌的時(shí)間：如果所有的站都有報(bào)文要發(fā)送，則最壞情況下等待取得令牌和發(fā)送報(bào)文的時(shí)間就應(yīng)該等于全部令牌傳送時(shí)間和報(bào)文發(fā)送時(shí)間的總和；另一方面，如果只有一個(gè)站點(diǎn)有報(bào)文要發(fā)送，則最壞情況下等待時(shí)間只是全部令牌傳遞時(shí)間的總和?！緦W(xué)生】聆聽、思考、記憶通過教師的講解和演示，幫助學(xué)生掌握令牌環(huán)介質(zhì)訪問控制、令牌總線介質(zhì)訪問控制方式課堂互動(dòng)（5min）【教師】提出問題，要求學(xué)生討論并回答問題簡(jiǎn)述IEEE802.3采用的介質(zhì)訪問控制協(xié)議及其基本思想?！緦W(xué)生】思考、討論、回答問題通過練習(xí)題鞏固所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解課堂小結(jié)

（3min）【教師】簡(jiǎn)要總結(jié)本節(jié)課的要點(diǎn)CSMA/CD即載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)，是廣播型信道中采用一種隨機(jī)訪問技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)型訪問方法，具有多目標(biāo)地址的特點(diǎn)。它處于一種總線型局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正逐步向星型發(fā)展。CSMA/CD采用分布式控制方法，所有結(jié)點(diǎn)之間不存在控制與被控制的關(guān)系。由點(diǎn)—點(diǎn)鏈路構(gòu)成的環(huán)路上運(yùn)行的數(shù)據(jù)幀能被所有的站點(diǎn)接收到，而且任何時(shí)刻僅允許一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此同樣存在發(fā)送權(quán)競(jìng)爭(zhēng)問題。為了解決競(jìng)爭(zhēng)，可以使用一個(gè)稱為令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿著環(huán)路循環(huán)。將總線上各站點(diǎn)組成邏輯環(huán)，在物理上是總線型，在邏輯上是環(huán)型。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)地址的大小排列成為一個(gè)環(huán)狀(邏輯環(huán))，沿邏輯環(huán)傳遞令牌，傳遞次序與物力位置無關(guān)?！緦W(xué)生】總