《計算機網(wǎng)絡技術基礎 》（王崇剛）教案 （理論部分） 局域網(wǎng)技術（二）局域網(wǎng)的介質訪問控制方式

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課題局域網(wǎng)技術（二）——局域網(wǎng)的介質訪問控制方式課時2課時（90min）教學目標知識技能目標：（1）理解并掌握CSMA/CD介質訪問控制（2）理解并掌握單令牌環(huán)介質訪問控制（3）理解并掌握令牌總線介質訪問控制思政育人目標：在以立德樹人作為教育工作為根本任務的前提下，通過教學不斷地提高學生的關鍵能力，如學習能力、創(chuàng)造能力等，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，幫助學生認識到科學技術進步對于人類的積極意義。教學重難點教學重點：局域網(wǎng)的介質訪問控制方式教學難點：CSMA/CD介質訪問控制教學方法問答法、討論法、講授法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學設計第1節(jié)課：傳授新知（28min）第2節(jié)課：傳授新知（30min）教學過程主要教學內容及步驟設計意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況問題導入（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、社會團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，其職責是在一定時間內就某一重大事件或時事，約見記者或舉辦新聞發(fā)布會、記者招待會，針對有關問題闡述本部門的觀點立場，并代表有關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。那么請同學們思考在局域網(wǎng)中“發(fā)言人”是如何解決問題的？帶著這個問題，來學習本節(jié)課的內容?！緦W生】聆聽、思考【教師】通過學生的回答引入要講的知識引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣傳授新知

（25min）【教師】要求學生通過文旌課堂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/沖突檢測協(xié)議），早期主要是以太網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸方式，廣泛應用于以太網(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隨機發(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。在會議中，當某個人想發(fā)言時，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，等過一段時間再發(fā)言。如果沖突發(fā)生多次仍無法發(fā)言，那么暫時放棄發(fā)言。（1）多路訪問（MA）。網(wǎng)絡中的任意站點都可以發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）載波偵聽（CS）。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要檢測信道上是否有其他站點在發(fā)送數(shù)據(jù)。若信道忙（即有站點在發(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”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。（3）沖突檢測（CD）若網(wǎng)上有兩個或兩個以上工作站同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線上就會產(chǎn)生信號的混合，這樣哪個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，課堂互動思考：檢測到?jīng)_突后應當如何解決呢？如果檢測到?jīng)_突信號，則立即停止發(fā)送，并發(fā)送阻塞信號，然后按二進制指數(shù)退避算法策略計算等待時間。在等待一個時隙后，再重新監(jiān)聽信道的忙閑和檢測沖突信號。?【學生】聆聽、思考、回答問題（4）如果載波偵聽和沖突檢測過程進行了多次，都沒有成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則暫時放棄數(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：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)點原理比較簡單，技術上易實現(xiàn)，網(wǎng)絡中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。但在網(wǎng)絡負載增大時，發(fā)送時間增長，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)不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。②每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內，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以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。4．采用標準CSMA/CD的標準為IEEE802．3或者ISO8802/3。5．二進制指數(shù)退避算法（1）爭用期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)過時間2（兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受碰撞。②以太網(wǎng)的端到端往返時延2稱為爭用期，或碰撞窗口。③經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。（2）二進制指數(shù)退避算法CSMA/CD中，在檢測到?jīng)_突，并發(fā)完阻塞信號后，為了降低再沖突的概率，需要等待一個隨機時間，然后再用CSMA的算法發(fā)送。為了決定這個隨機時間，采用了一個通用的退避算法，稱為二進制指數(shù)退避算法。①具體過程對每個幀，當?shù)谝淮伟l(fā)生沖突時，設置參量為L=2。退避間隔取1到L個時間片中的一個隨機數(shù)。1個時間片等于2α。當幀重復發(fā)生一次沖突時，將參量L加倍。設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，一般重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。舉例：如果第二次發(fā)生碰撞：n=2k=MIN(2,10)=2R={0,1,2,3)延遲時間={0,51.2us,102.4us,153.6us}中任取一值②特點：這個算法是按后進先出的次序控制的，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，并用二進制指數(shù)退避算法。由于在介質上傳播的信號衰減，為了正確地檢測出沖突信號，傳統(tǒng)的802.3網(wǎng)絡限制電纜最大長度為500m。④核心思想站點沖突次數(shù)越多，平均等待時間也越長。【學生】聆聽、思考、記憶通過教師的講解和演示，幫助學生掌握CSMA/CD介質訪問控制課堂互動（13min）【教師】提出問題，課堂互動思考：假設在采用廣播鏈路的10Mbps以太網(wǎng)中，回答下列問題：（1）某結點連續(xù)第5次沖突后，按二進制指數(shù)退避算法，選擇K=4的概率是多少？相應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，該結點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，結點網(wǎng)卡從{0,1,2,…,31}中選擇K，因此，選擇到K=4的概率為1/32，相應地延遲時間為4X512/(10X10^6)=0.2048ms=204.8μs。（2）當連續(xù)12次沖突后，網(wǎng)卡將從{0,1,2,…,1022，1023}中選擇K，（1分）因此最多延遲時間是選擇到K=1023，相應地延遲時間為1023X512/(10X10^6)=52.3776ms?！緦W生】聆聽、思考、回答問題通過練習題鞏固所學知識，加深對知識點的理解第二節(jié)課問題導入（5min）【教師】你聽說過令牌環(huán)網(wǎng)嗎？你了解它的控制方式嗎？【學生】聆聽、思考、回答問題引導學生主動思考，激發(fā)學生的學習興趣傳授新知

（30min）【教師】結合教材講解令牌環(huán)介質訪問控制一、令牌環(huán)介質訪問控制令牌環(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100Mbps。1．令牌環(huán)的結構令牌環(huán)在物理上是一個由一系列環(huán)接口和這些接口間的點—點鏈路構成的閉合環(huán)路，各站點通過環(huán)接口連到網(wǎng)上。為了解決競爭，可以使用一個稱為令牌（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才有權發(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使用。2．令牌環(huán)訪問控制方法（詳見教材）?【教師】要求學生使用文旌課堂APP掃描二維碼播放“令牌環(huán)介質訪問控制方法”視頻，并提出問題：簡單概述令牌環(huán)訪問控制方法。?【學生】聆聽、思考、回答問題以站點A向站點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)絡空閑時空令牌繞行網(wǎng)絡空閑時空令牌繞行（2）發(fā)送站點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C讀取發(fā)送給它的數(shù)據(jù)接收站點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C的物理發(fā)送頭，發(fā)送站點A產(chǎn)生空令牌根據(jù)收到來自接收站點C的物理發(fā)送頭，發(fā)送站點A產(chǎn)生空令牌【學生】聆聽、思考、記憶【教師】結合教材令牌總線介質訪問控制二、令牌總線介質訪問控制令牌總線訪問控制是在物理總線上建立一個邏輯環(huán)，從物理上看，這是一種總線結構的局域網(wǎng)，和總線網(wǎng)一樣，站點共享的傳輸介質為總線；從邏輯上看，這是一種環(huán)型結構的局域網(wǎng)，接在總線上的站點組成一個邏輯環(huán)，每個站點被賦于一個順序的邏輯位置。1．結構將總線上各站點組成邏輯環(huán)，在物理上是總線型，在邏輯上是環(huán)型。根據(jù)各節(jié)點地址的大小排列成為一個環(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。將總線上各站點組成邏輯環(huán)，在物理上是總線型，在邏輯上是環(huán)型。根據(jù)各節(jié)點地址的大小排列成為一個環(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。2．令牌總線介質訪問方法的基本操作分為兩個狀態(tài):兩個狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)、令牌傳送狀態(tài)通過限定每個站發(fā)送幀的最大長度，使站點等待取得令牌的時間是確定的。等待令牌的時間：如果所有的站都有報文要發(fā)送，則最壞情況下等待取得令牌和發(fā)送報文的時間就應該等于全部令牌傳送時間和報文發(fā)送時間的總和；另一方面，如果只有一個站點有報文要發(fā)送，則最壞情況下等待時間只是全部令牌傳遞時間的總和?！緦W生】聆聽、思考、記憶通過教師的講解和演示，幫助學生掌握令牌環(huán)介質訪問控制、令牌總線介質訪問控制方式課堂互動（5min）【教師】提出問題，要求學生討論并回答問題簡述IEEE802.3采用的介質訪問控制協(xié)議及其基本思想?！緦W生】思考、討論、回答問題通過練習題鞏固所學知識，加深對知識點的理解課堂小結

（3min）【教師】簡要總結本節(jié)課的要點CSMA/CD即載波偵聽多路訪問/沖突檢測，是廣播型信道中采用一種隨機訪問技術的競爭型訪問方法，具有多目標地址的特點。它處于一種總線型局域網(wǎng)結構，其物理拓撲結構正逐步向星型發(fā)展。CSMA/CD采用分布式控制方法，所有結點之間不存在控制與被控制的關系。由點—點鏈路構成的環(huán)路上運行的數(shù)據(jù)幀能被所有的站點接收到，而且任何時刻僅允許一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)，因此同樣存在發(fā)送權競爭問題。為了解決競爭，可以使用一個稱為令牌（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)點地址的大小排列成為一個環(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?！緦W生】總