第2章计算机网络低层协议.ppt

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1、第2章 计算机网络低层协议,2.1 物理层 2.2 数据链路层 2.3 面向比特的链路控制规程（HDLC） 2.4 网络层 2.5 拥塞控制,本章主要内容,2.1 物 理 层,本节主要内容 2.1.1 物理层的基本概念 2.1.2 物理层下的传输媒体 2.1.3 物理层协议举例,2.1.1 物理层的基本概念,物理层研究的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体。 物理层协议主要解决的是主机、工作站等数据终端设备与通信线路上的通信设备之间的接口问题。,2.1.1 物理层的基本概念,物理层有4个特性： 机械特性：指明接口所用接线器的形

2、状和尺寸、引脚数目和排列方式，定义接插及锁紧方式等。 电气特性：指明在接口电缆的线路上出现的电压、电流等范围。 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压信号表示何种意义，通信过程中完成何种功能。 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，是功能事件时序的描述。,2.1.2 物理层下的传输媒体,1. 双绞线,标准568B：橙白1，橙2，绿白3，蓝4，蓝白5，绿6，棕白7，棕8；,EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序,标准568A：绿白1，绿2，橙白3，蓝4，蓝白5，橙6，棕白7，棕8；,这二者并没有本质的区别，只是颜色上的区别，用户需要注意的只是在连接两个水晶头时必须保证

3、： 1，2线对是一个绕对；3，6线对是一个绕对； 4，5线对是一个绕对；7，8线对是一个绕对,（1）双绞线 两条相互绝缘的导线按一定距离绞合若干次 (UTP,STP),最常见的错误: 1 2 3 4 5 6 7 8 绿白 绿 桔白 桔 蓝白 蓝 棕白 棕 1 2 3 4 5 6 7 8 桔白 桔 绿白 绿 蓝白 蓝 棕白 棕 1 2 3 4 5 6 7 8 绿白 绿 蓝白 蓝 桔白 桔 棕白 棕 1 2 3 4 5 6 7 8 桔白 桔 蓝白 蓝 绿白 绿 棕白 棕 结果：普通测线仪显示正常，但网线距离10米，网络性能急剧下降,双绞线,STP双绞线,UTP双绞线,双绞线,铜线,铜线,聚氯乙烯

4、套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,网线的制作,准备工作： RJ45卡线钳一把 水晶头 双绞线 制作步骤：共有四步，可以简单归纳为四个字：“剥”，“理”，“插”，“压”,步骤一 剥线,剥线的长度为13mm15mm，不宜太长或太短,步骤三 插线,一定要平行插入到线顶端，以免触不到金属片,步骤四 压线,压过的水晶头的金属脚比没压要低,线缆检测,发射器和接收器两端的灯同时亮为正常,2.1.2 物理层下的传输媒体,2. 同轴电缆,同轴电缆,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,同轴电缆,3

5、光缆 （1）物理特性 （2）传输特性,2.1.2 物理层下的传输媒体,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,2.1.2 物理层下的传输媒体,（3）连通性 光纤最普遍的连接方式是点点方式，但是在某些实验系统中，也可以采用多点连接方法。 （4）地理范围 光纤信号衰减极小，它可以在6km8km的距离内，在不使用中继器的情况下，实现高速率的数据传输。 （5）抗干扰性 光纤不受外界电磁干扰与噪声

6、的影响，能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。 （6）价格 目前，光纤价格高于同轴电缆与双绞线。,光纤通信系统的基本构成,光源是光波产生的根源 光纤是传输光波的导体 光发送机的功能是产生光束,将电信号转变成光信号,再将光信号导入光纤 光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理,光纤,光纤中心是光传播的玻璃芯 芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封 套，以使光纤保持在芯内 再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封 套,2.1.2 物理层下的传输媒体,4红外传输 5微波通信 6激光通信 7卫星通信,无线通信,无线电波：传输数据速率为2-6Mbps，适用于短距

7、离 微波：地面微波的频率为4-6GHz，卫星微波为11-14GHz 红外线：一个方向16Mbps，多个方向不超过1Mbps,无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信,返回本章,2.1.3 物理层协议举例,1EIA RS-232C接口标准,（1）机械特性,（2）电气特性,串口的电气特性： 1）RS-232串口通信最远距离是50英尺=15m 2）RS232可做到双向传输，全双工通讯，最高传输速率20kbps 3）RS-232C上传送的数字量采用负逻辑，且与地对称 逻辑1：-5-15V 逻辑0：+5+

8、15V,2.1.3 物理层协议举例,（3）功能特性,EIA-232/V.24 的信号定义,(1) 保护地,(2) 发送数据,(3) 接收数据,(4) 请求发送,(5) 允许发送,(6) DCE 就绪,(7) 信号地,(8) 载波检测,(20) DTE 就绪,(22) 振铃指示,DTE,DCE,计算机 或 终端,调制解调器,DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码

9、的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。,两个 DTE 通过 DCE 进行通信的例子,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,EIA-232/ V.24 接口,调制解调器,网 络,例如，同一型号的计算机 之间可采用交叉连接，如 图所示。,2.1.3 物理层协议举例,（4）规程特性,RS-232零调制解调器连接示意图,2.1.3 物理层协议举例,（4）规程特性 DTE-A向DTE-B发送数据的过程: 当DTE-A要和DTE-B进行通信时，DTE-A将DTR置有效，同时 通过TXD向DCE-A发送电话号码信号。 DCE-B将RI置为有效

10、，通知DTE-B有呼叫信号到达。DTE-B将 DTR置为有效， DCE-B接着产生载波信号，并将CTS置为有 效，表示已准备好接收数据。 DCE-A检测到载波信号，将DCD及CTS置为有效，通知DTE-A 通信电路已连接好。 DCE-A向DCE-B发送载波信号，DCE-B将CTS置为有效。 DTE-A若有发送的数据，将DSR置为有效，DCE-A作为回应信 号，将RTS信号置为有效。DTE-A通过TXD发送串行数据， DCE-A将数据通过通信线路发向DCE-B。 DCE-B将收到的数据通过RXD传送给DTE-B。,2.1.3 物理层协议举例,2RS-499接口标准 (1)RS-449 规定了接口

11、的机械特性、功能特性和过程特性，采用37根引脚的插头座。 (2)RS-423A 采用非平衡传输方式，即单线传送信号，公共参考电平为地。 (3)RS-422A 采用平衡传输方式，即双端发送，双端接收，所有电路没有公共地，抗干扰能力大大加强。,2.2 数据链路层,数据链路层简介 局域网介绍 以太网交换机工作原理,数据链路层简介,数据链路层是OSI参考模型的第二层，在物理层基础上向网络层提供服务 数据链路层为物理链路上提供可靠的数据传输 局域网的数据链路层协议有以太网、令牌环网等 广域网数据链路层协议有PPP、HDLC、Frame Relay等,数据链路层功能,帧同步功能 差错控制功能 流量控制功能

12、 链路管理功能,差错控制,常见差错控制的方法有： 检错重发 （CRC） 超时重发 （Timeout）,停待协议工作原理,连续ARQ协议工作原理,流量控制和链路管理,流量控制功能不是只有数据链路层才提供 流量控制功能是控制发送方发送数据的速率 链路管理是指数据链路层连接的建立、维持和释放,流量控制,利用窗口进行流量控制,LAN数据链路层标准,IEEE 802制定了系列局域网标准 IEEE802.3： 以太网 IEEE802.4：令牌总线 IEEE802.5：令牌环 IEEE802.11：无线局域网 IEEE802标准涵盖了物理层和数据链路层,WAN数据链路层标准,WAN服务通常由电信运营商提供

13、WAN数据链路层标准包括： HDLC PPP LAPB Frame Relay,广域网的数据传输方式,数据链路层简介 局域网介绍 以太网交换机工作原理,目录,LAN数据链路层,分为两个子层： LLC：Logical Link Control MAC：Media Access Control,MAC与802.2 标准,LLC,MAC,数据链路层,物理层 LLC 的位置,网络层,协议格式,分组,网络,MAC/物理地址,厂商编号,序列号,24 bits,24 bits,00e0.fc01.2345,Rom,Ram,MAC地址有48位，前3个字节用于标识不同的厂家。,802.3 帧,PRE: 先导字节

14、, 7个10101010 SFD: 帧开始标志, 10101011 DA: 目的 MAC地址 SA: 源MAC地址 LEN: LLC帧长度 DATA: 数据字段 PAD: 填充字段 CRC: 校验字段,7,1,6,6,2,2 or 3,4,LLC 帧,64到1518字节,字节,CRC,PAD,DATA,LLC 控制信息,LEN,SA,DA,SFD,PRE,HDLC帧格式,地址,标志,信息,帧校验,标志,面向比特 透明传输零比特填充法 运行于同步串行线路,HDLC帧格式,标志字段：标志帧的起始 地址字段：用来寻址目的设备 控制字段：构成各种命令以及响应 信息字段：有效信息或者数据 帧校验：校验帧

15、错误,HDLC的帧结构,HDLC的帧结构,数据链路层简介 局域网介绍 以太网交换机工作原理,目录,MAC地址表,交换机内部都有一张MAC地址表,E0/3,E0/5,E0/7,E0/16,MAC：M1,MAC：M2,MAC：M3,MAC：M4,目的MAC地址,发送端口号,M1,E0/3,M2,E0/5,M3,E0/7,M4,E0/16,PC1,PC2,PC4,PC3,MAC地址学习,最初交换机的MAC地址表为空,MAC地址学习,MAC地址表没有记录，数据帧从其它所有端口转发出去 识别数据帧的源MAC地址，学习MAC地址和端口对应关系,MAC地址学习,通过MAC地址表实现数据帧的单点转发 MAC地

16、址表的维护,中继器,中继器是一种信号放大设备,数据链路层简介 局域网介绍 数据链路层设备 以太网交换机工作原理,2.3 网 络 层,本节主要内容 2.3.1 广域网的概念 2.3.2 网络层提供的服务 2.3.3 路由选择机制,2.3.1 广域网的概念,广域网,2.3.1 广域网的概念,OSI模型的7层结构,广域网,2.3.2 网络层提供的服务,网络层提供的服务,(1)数据报分组交换,分组交换网中数据传输之前无需建立连接的方式称为数据报方式,网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。 网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。 网络不保证所传送

17、的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机. 当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 . 数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。 实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。,(2)虚电路分组交换,虚电路方式需要通过网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立之后，通信双方才能进行数据传输。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就

18、发回响应，然后双方就建立了虚电路。,两种服务的思路来源不同,虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。 可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。,网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。 用数据报既迅速又经济。 若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。,数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点,在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。 在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地

19、址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。 这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。,数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证 连接的建立 必须有 不要 目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分组使 目的站的全地址 用短的虚电路号,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发 当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生

20、变化,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 可以由分组交换网 由用户主机负责 差错处理和 负责也可以由用户 流量控制 主机负责,2.3.3 路由选择机制,广域网在给接入到网络的每一台计算机进行编址时，采用层次结构的编址方案。 最简单的层次编址方案就是把一个地址分成前后两部分。前一部分表示分组交换机，后一部分表示连接在分组交换机上的计算机。,2.3.3 路由选择机制,计算机的编址和网络层结点交换机的路由表,交换机2中的路由表就可进一步简化,2, 1 2, 2,4 5 6 7,交 换 机 1,交换机 2,交 换 机 3

21、,1, 1 1, 3,3, 2,3, 3,每个交换机都有两组端口。 一组是和本地主机相连的低速端口，,另一组是和其他交换机相连的高速端口。,1 2 3,1 2 3,1 2 3,2, 1 2, 2,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口,主机地址3, 2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口,交 换 机 1,1, 3,主机地址1, 3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口,1 2 3,1 2 3,4 5 6 7,1 2 3,2, 1 2, 2,4 5 6 7,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,这里给出结

22、点交换机 2 中的转发表作为例子,例如，一个欲发往主机3, 2的分组到达了交换机 2。,交 换 机 1,1, 3,这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3, 2的项目。,4 5 6 7,1 2 3,1 2 3,1 2 3,2, 1 2, 2,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,目的站是3, 2吗？,交 换 机 1,1, 3,查找转发表中的下一个项目。,否,1 2 3,1 2 3,4 5 6 7,1 2 3,2, 1 2, 2,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,目的站是3, 2吗？,交 换 机 1,1, 3,查找转发表中的下一个项目。,否,1 2 3,1 2 3,4 5 6 7,1 2 3,2, 1 2, 2,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,目的站是3, 2吗？,交 换 机 1,1, 3,根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3。,是,1 2 3,1 2 3,4 5 6 7,1 2 3,2, 1 2, 2,交换机 2,交 换 机 3,1, 1,3, 2,3, 3,交 换 机 1,1, 3,分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。 从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了， 把该分组直接交付给主机3, 2即可。,1 2 3,1 2 3,4 5 6 7,1 2 3,