計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)

本文檔相關(guān)內(nèi)容參見(jiàn)視頻7-9計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程

重難點(diǎn)內(nèi)容分析解放軍理工大學(xué)陳鳴mingchennj@163.com2013.3.30

南京

一、講解“多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)”二、講解“鏈路層交換機(jī)原理”四、討論“網(wǎng)絡(luò)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)置”

五、討論“交換機(jī)與路由器的異同”內(nèi)容提要

三、講解“IP編址”講解要點(diǎn)當(dāng)多個(gè)結(jié)點(diǎn)頻繁訪(fǎng)問(wèn)信道協(xié)同結(jié)點(diǎn)無(wú)碰撞，統(tǒng)一控制效率高當(dāng)大量結(jié)點(diǎn)偶爾訪(fǎng)問(wèn)信道結(jié)點(diǎn)隨機(jī)占資源，簡(jiǎn)單算法解碰撞用探究方法：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題問(wèn)題：信道只有一個(gè)，訪(fǎng)問(wèn)結(jié)點(diǎn)多個(gè)，如何設(shè)計(jì)共享算法？多路訪(fǎng)問(wèn)(multipleaccess)鏈路和協(xié)議多路訪(fǎng)問(wèn)概念：多個(gè)發(fā)送/接收結(jié)點(diǎn)同時(shí)使用廣播信道，如何協(xié)調(diào)它們共享一個(gè)信道局域網(wǎng)環(huán)境，密集端系統(tǒng)通常使用多路訪(fǎng)問(wèn)方式5應(yīng)用場(chǎng)景：信道資源緊缺，大量端系統(tǒng)或者頻繁訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，或者以較小概率訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議：要求共享單一廣播信道兩個(gè)或更多結(jié)點(diǎn)并行傳輸相互干擾碰撞：結(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到兩個(gè)或更多信號(hào)多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議決定結(jié)點(diǎn)怎樣共享信道的分布式算法，如決定何時(shí)結(jié)點(diǎn)能夠傳輸？出現(xiàn)碰撞時(shí)如何分解？共享信道的通信必須使用信道本身!不能用帶外信道來(lái)協(xié)調(diào)6理想的多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議速率Rbps的廣播信道1.當(dāng)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，能夠以速率R發(fā)送2.當(dāng)有M個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，每個(gè)能以平均速率R/M發(fā)送3.分布式:無(wú)特殊結(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)調(diào)傳輸無(wú)同步時(shí)鐘、時(shí)隙4.簡(jiǎn)單7…碰撞后如何分解？方法與碰撞概率多大有關(guān)。R

bps12M多路訪(fǎng)問(wèn)MAC協(xié)議:分類(lèi)有三種類(lèi)型:信道劃分將信道劃分為較小的“段”(時(shí)隙，頻率，編碼)為每個(gè)結(jié)點(diǎn)分配一部分專(zhuān)用輪流結(jié)點(diǎn)輪流，信息較多的輪流發(fā)送的時(shí)間較長(zhǎng)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)不劃分信道，允許碰撞設(shè)法從“碰撞”恢復(fù)8問(wèn)題：協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)景不同，設(shè)計(jì)協(xié)議的方法是否有所不同？多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議分類(lèi)信道劃分MAC協(xié)議:TDMATDMA:時(shí)分多路訪(fǎng)問(wèn)

“循環(huán)”訪(fǎng)問(wèn)信道每個(gè)站點(diǎn)在每個(gè)循環(huán)中獲得固定長(zhǎng)度時(shí)隙(長(zhǎng)度=分組傳輸時(shí)間)不使用的時(shí)隙則空閑例子：6個(gè)站點(diǎn)的LAN,時(shí)隙1、3、4有分組,時(shí)隙2、5、6空閑(浪費(fèi))10信道劃分MAC協(xié)議:FDMAFDMA:頻分多路訪(fǎng)問(wèn)

信道頻譜劃分為頻帶每個(gè)站點(diǎn)分配固定的頻帶頻帶中未使用的傳輸時(shí)間空閑例子：6個(gè)站點(diǎn)的LAN,頻帶1、3、4有分組,頻帶2、5、6空閑(浪費(fèi))11FDM和TDM特點(diǎn)消除了碰撞且公平結(jié)點(diǎn)在每個(gè)幀時(shí)間內(nèi)得到了專(zhuān)用的傳輸速率R/Nbps若系統(tǒng)僅有少數(shù)幾個(gè)有大量分組要發(fā)送的結(jié)點(diǎn)分配的頻率或時(shí)隙被浪費(fèi)適合場(chǎng)合所有結(jié)點(diǎn)都持續(xù)有大量數(shù)據(jù)發(fā)送CDMA是另一種信道劃分協(xié)議見(jiàn)2.3.2節(jié)12多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議分類(lèi)兩種輪流MAC協(xié)議輪詢(xún)(有中心):

主結(jié)點(diǎn)“邀請(qǐng)”從結(jié)點(diǎn)依次傳輸關(guān)注問(wèn)題:輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)時(shí)延單點(diǎn)故障(主結(jié)點(diǎn))令牌傳遞(無(wú)中心):控制令牌從一個(gè)結(jié)點(diǎn)順序地傳遞到下一個(gè)令牌報(bào)文關(guān)注問(wèn)題:令牌開(kāi)銷(xiāo)時(shí)延單點(diǎn)故障(令牌消失)適用于希望共享信道但卻無(wú)法預(yù)測(cè)訪(fǎng)問(wèn)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量的場(chǎng)景14多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議分類(lèi)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議大量結(jié)點(diǎn)以小概率發(fā)送分組以信道全部速率R傳輸結(jié)點(diǎn)間無(wú)優(yōu)先權(quán)協(xié)調(diào)兩個(gè)或更多傳輸結(jié)點(diǎn)發(fā)送?“碰撞”(小概率)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)MAC協(xié)議定義了:如何檢測(cè)碰撞如何從碰撞中恢復(fù)(例如，經(jīng)延遲后重新傳輸)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)MAC協(xié)議的實(shí)例:ALOHA時(shí)隙ALOHACSMA,CSMA/CD,CSMA/CA16ALOHA

一種用于解決在分組無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中分配廣播信道的分布式方法假定所有幀有相同長(zhǎng)度結(jié)點(diǎn)隨時(shí)傳輸幀結(jié)點(diǎn)是異步的如果2+結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸，所有結(jié)點(diǎn)檢測(cè)碰撞操作當(dāng)結(jié)點(diǎn)獲得新幀，將隨時(shí)傳輸無(wú)碰撞，結(jié)點(diǎn)能夠繼續(xù)發(fā)送新幀如果碰撞，結(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)到17純ALOHA非時(shí)隙ALOHA:無(wú)同步要求結(jié)點(diǎn)i的幀成功傳輸?shù)臈l件在t0發(fā)送與在[t0-1,t0+1]發(fā)送的其他幀無(wú)碰撞其他結(jié)點(diǎn)不傳輸?shù)母怕屎筒婚_(kāi)始傳輸新幀概率均為給定結(jié)點(diǎn)i成功傳輸一幀的概率N個(gè)活躍結(jié)點(diǎn)時(shí)，ALOHA的效率是取極限，得協(xié)議最大效率為

1/(2e)=0.18518時(shí)隙ALOHA優(yōu)點(diǎn)效率較高缺點(diǎn)有碰撞/空閑時(shí)隙，浪費(fèi)時(shí)隙時(shí)鐘同步困難19時(shí)隙ALOHA效率假定N個(gè)有許多幀要發(fā)送結(jié)點(diǎn)，每個(gè)時(shí)隙以概率p發(fā)送結(jié)點(diǎn)1在一個(gè)時(shí)隙中成功發(fā)送的概率=p(1-p)N-1任何結(jié)點(diǎn)成功發(fā)送的概率=Np(1-p)N-1對(duì)N結(jié)點(diǎn)為使效率最大化，求p*,使得Np(1-p)N-1最大化對(duì)許多結(jié)點(diǎn)，當(dāng)N趨近無(wú)窮大，取Np(1-p)N-1極限,得到1/e=0.37效率：當(dāng)有許多結(jié)點(diǎn)，且每個(gè)都有許多幀要發(fā)送時(shí)，成功時(shí)隙與總時(shí)隙的長(zhǎng)期比值最多:

信道用于有用傳輸?shù)臅r(shí)間是37%！20ALOHA載荷與吞吐量關(guān)系21效率載荷CSMA(載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn))ALOHA用于無(wú)線(xiàn)，CSMA用于有線(xiàn)CSMA:

發(fā)前先聽(tīng)如果偵聽(tīng)到信道忙,推遲傳輸如果偵聽(tīng)到信道空閑:傳輸整個(gè)幀邊發(fā)邊聽(tīng)發(fā)送時(shí)偵聽(tīng)到信道忙,立即停止；轉(zhuǎn)發(fā)強(qiáng)化沖突信號(hào)人類(lèi)類(lèi)比:不要打斷他人說(shuō)話(huà)；難免兩人同時(shí)講話(huà)22問(wèn)題：CSMA能否用于無(wú)線(xiàn)環(huán)境？CSMA協(xié)議效率是否更高？為什么？CSMA碰撞發(fā)前先聽(tīng)，仍可出現(xiàn)碰撞:傳播時(shí)延意味著兩個(gè)結(jié)點(diǎn)也許不能聽(tīng)到其他結(jié)點(diǎn)傳輸碰撞:整個(gè)分組傳輸時(shí)間被浪費(fèi)注意:距離與傳播時(shí)延在決定碰撞概率中的作用問(wèn)題：所有結(jié)點(diǎn)都進(jìn)行載波偵聽(tīng)，為什么還會(huì)發(fā)生幀碰撞呢？23CSMA/CD(碰撞檢測(cè))CSMA/CD:

載波偵聽(tīng)在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到碰撞碰撞的傳輸盡快結(jié)束，以減少信道浪費(fèi)碰撞檢測(cè):

在有線(xiàn)的LAN中容易:測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，比較傳輸?shù)暮徒邮盏男盘?hào)在無(wú)線(xiàn)LAN中困難：碰撞可能聽(tīng)不到人類(lèi)類(lèi)比:禮貌的交談?wù)邌?wèn)題：能否進(jìn)一步提高CSMA效率？24CSMA/CD碰撞檢測(cè)25信道傳播時(shí)延τ起關(guān)鍵作用：

,a越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議比較信道劃分MAC協(xié)議在高負(fù)載時(shí)高效、公平地共享信道低負(fù)載時(shí)低效：信道訪(fǎng)問(wèn)中延時(shí)，當(dāng)1個(gè)活躍結(jié)點(diǎn)時(shí)，甚至僅有分配了1/N帶寬!隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)MAC協(xié)議低負(fù)載是有效：?jiǎn)蝹€(gè)結(jié)點(diǎn)能夠全面利用信道高負(fù)載：碰撞開(kāi)銷(xiāo)大輪流協(xié)議兼有兩方面的優(yōu)點(diǎn)!26多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議小結(jié)問(wèn)題：對(duì)共享媒體你需要做些什么?信道劃分,通過(guò)時(shí)間、頻率或編碼時(shí)分,頻分輪流從中心站點(diǎn)輪詢(xún)，令牌傳遞隨機(jī)劃分(動(dòng)態(tài)的),ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD載波偵聽(tīng):在某些技術(shù)(有線(xiàn))中容易，在另一些(無(wú)線(xiàn))中困難CSMA/CD用在以太網(wǎng)中CSMA/CA用在802.11中27

一、講解“多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)”

二、講解“鏈路層交換機(jī)原理”四、討論“網(wǎng)絡(luò)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)置”

五、討論“交換機(jī)與路由器的異同”內(nèi)容提要

三、講解“IP編址”易錯(cuò)的概念交換機(jī)是否使用了CSMA/CD協(xié)議？為何稱(chēng)為以太網(wǎng)交換機(jī)？經(jīng)過(guò)交換機(jī)通信是否是可靠的？沒(méi)有，因?yàn)榻粨Q機(jī)每個(gè)端口只連接一臺(tái)主機(jī)。它使用了以太網(wǎng)幀格式。不可靠，它沒(méi)有端到端可靠傳輸機(jī)制。當(dāng)幾臺(tái)主機(jī)同時(shí)向一個(gè)端口大量發(fā)送分組時(shí)，一旦該端口緩存滿(mǎn)時(shí)就會(huì)丟包。交換機(jī)鏈路層設(shè)備：比集線(xiàn)器智能化存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀當(dāng)幀在網(wǎng)段上轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，檢查幀首部并基于MAC目的地址，選擇性地向一個(gè)或多個(gè)出鏈路轉(zhuǎn)發(fā)幀當(dāng)幀在網(wǎng)段上轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，使用CSMA/CD訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)段透明性主機(jī)不知道交換機(jī)的存在即插即用,自學(xué)習(xí)交換機(jī)不必配置30交換機(jī):并行傳輸擴(kuò)大容量端系統(tǒng)與交換機(jī)直接連接交換機(jī)緩存分組（？）入鏈路上使用以太協(xié)議：全雙工，無(wú)碰撞每條鏈路是一個(gè)碰撞域交換:

A到A’和B到B’能夠同時(shí)無(wú)碰撞地進(jìn)行而集線(xiàn)器無(wú)法辦到!AA’BB’CC’具有6個(gè)接口的交換機(jī)(1,2,3,4,5,6)12345631交換機(jī)表查表：交換機(jī)具有一個(gè)交換機(jī)表，每表項(xiàng):(MAC地址,接口,時(shí)戳)AA’BB’CC’123456具有6個(gè)接口的交換機(jī)(1,2,3,4,5,6)32問(wèn)題:

交換機(jī)如何知道經(jīng)接口4可達(dá)A’,經(jīng)接口5可達(dá)B’?交換機(jī):自學(xué)習(xí)當(dāng)收到幀時(shí)，交換機(jī)“學(xué)習(xí)”到發(fā)送方位置：入鏈路在交換機(jī)表中記錄下發(fā)送方/位置對(duì)AA’BB’CC’123456AA’Source:ADest:A’MAC地址

接口

TTL交換機(jī)表(初始為空)A16033問(wèn)題:

這些表項(xiàng)是如何創(chuàng)建的，誰(shuí)維護(hù)交換機(jī)表?交換機(jī)：幀過(guò)濾/轉(zhuǎn)發(fā)算法當(dāng)交換機(jī)收到幀:1.記錄與發(fā)送主機(jī)關(guān)聯(lián)的鏈路2.使用MAC目的地址索引交換機(jī)表3.

if找到目的地項(xiàng)

then{

if目的地位于幀到達(dá)的段

then

丟棄幀

else在指示的接口轉(zhuǎn)發(fā)該幀

}

else

洪泛向所有接口(除了該幀到達(dá)的)轉(zhuǎn)發(fā)該幀34提供不可靠、無(wú)連接服務(wù)無(wú)連接:

在交換機(jī)入口和出口之間沒(méi)有握手不可靠:

交換機(jī)出口不向入口發(fā)送應(yīng)答或否定應(yīng)答經(jīng)交換機(jī)，丟包應(yīng)比共享以太網(wǎng)情況好當(dāng)端口緩存滿(mǎn)時(shí)，傳送的幀可能有丟包如果高層使用TCP，將可能彌補(bǔ)35

一、講解“多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)”二、講解“鏈路層交換機(jī)原理”四、討論“網(wǎng)絡(luò)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)置”

五、討論“交換機(jī)與路由器的異同”內(nèi)容提要

三、講解“IP編址”易錯(cuò)的概念I(lǐng)P編址(IPaddressing)的概念？目前采用何種IP編址方法？CIRD的主要用途是什么？設(shè)計(jì)特定的IP地址結(jié)構(gòu)以支持高效完成分組轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)無(wú)類(lèi)別域間選路CIRD提高路由器轉(zhuǎn)發(fā)速度IP編址:點(diǎn)分十進(jìn)制記法10000000000010110000001100011111機(jī)器中存放的IP地址是32bit二進(jìn)制代碼10000000000010110000001100011111每隔8bit插入一個(gè)空格以提高可讀性采用點(diǎn)分十進(jìn)制記法則進(jìn)一步提高可讀性1128

11331將每8bit的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)IP地址長(zhǎng)32bit長(zhǎng)，共能容納232(約40億)個(gè)IP地址3839IP編址:接口IP地址:對(duì)主機(jī)、路由器接口的32-bit標(biāo)識(shí)符接口:在主機(jī)/路由器和物理鏈路之間的連接路由器通常具有多個(gè)接口主機(jī)可能具有多個(gè)接口IP編址與每個(gè)接口相聯(lián)系7=11011111000000010000000100000001223111分類(lèi)編址早期定義的編址方案記為IP地址::={<網(wǎng)絡(luò)號(hào)>,<主機(jī)號(hào)>}40地址類(lèi)別網(wǎng)絡(luò)號(hào)主機(jī)號(hào)各類(lèi)地址邊界固定子網(wǎng)編址子網(wǎng)掩碼(subnetmask)增加第三個(gè)層次，即子網(wǎng)號(hào)IP地址結(jié)構(gòu)定義為：41IP地址::={<網(wǎng)絡(luò)號(hào)>,<子網(wǎng)號(hào)>,<主機(jī)號(hào)>}例：/27，即子網(wǎng)掩碼共有27個(gè)連續(xù)的1什么是子網(wǎng)?IP地址子網(wǎng)相同部分的設(shè)備接口能夠物理上互相到達(dá)而沒(méi)有中間路由器無(wú)類(lèi)別域間路由選擇(CIDR)把一塊相鄰接的IP地址壓縮成一個(gè)表項(xiàng)，其結(jié)構(gòu)為：IP地址::={<網(wǎng)絡(luò)地址>/<前綴>}以a.b.c.d開(kāi)始且前綴為x的所有IP地址均從對(duì)應(yīng)的接口轉(zhuǎn)發(fā)連續(xù)IP地址，路由器轉(zhuǎn)發(fā)表上僅對(duì)應(yīng)為一個(gè)表項(xiàng)CIDR技術(shù)對(duì)于解決因特網(wǎng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)表空間急劇膨脹的問(wèn)題至關(guān)重要421100100000010111

0001000000000000子網(wǎng)部分主機(jī)部分/23層次編址和路由聚合43目的地址范圍鏈路接口/210/241/212其他3前綴匹配鏈路接口11001000

00010011

00010011001000

00010011

00011000 111001000

00010011

000112其他3最長(zhǎng)前綴匹配規(guī)則：70前24bit與表中的第二項(xiàng)匹配，而該地址的前21bit與表中的第三項(xiàng)匹配：應(yīng)選擇與表中的第二項(xiàng)相匹配

一、講解“多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)”二、講解“鏈路層交換機(jī)原理”

四、討論“網(wǎng)絡(luò)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)置”

五、討論“交換機(jī)與路由器的異同”內(nèi)容提要

三、講解“IP編址”討論題：網(wǎng)絡(luò)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)課是否應(yīng)當(dāng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)？你校開(kāi)設(shè)了嗎？網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的目的是什么？當(dāng)然……原理驗(yàn)證理解復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作原理技能訓(xùn)練提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和維護(hù)的技能研究創(chuàng)新用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)新知識(shí)、驗(yàn)證協(xié)議或某種猜想等實(shí)驗(yàn)設(shè)置舉例第1章實(shí)驗(yàn)1使用