计算机网络06讲

1 2 4 4码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 这种技术更常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 鸡尾酒会原理 在一个大房间里 许多对人正在交谈 TDM就是房间里有人依次讲话 一个结束后另一个再接上 FDM就是所有的人分成不同的组 每个组同时进行自己的交谈 但依旧独立 码分复用就是房间里的不同对的人分别用不同的语言进行交谈 讲法语的人只理会法语 其他的就当作噪音不加理会 因此 码分复用的关键就是能够提取出所需的信号 同时将其他的一切当作随机噪声抛弃 2 原理 在CDMA中 每一个比特时间再划分为m个短的间隔 称为码片 通常m的取值为64或128 使用CDMA的每一个站被指派一个mbit码片序列 一个站如果要发送比特1 则发送它自己的mbit码片序列 如果要发送比特0 该发送该码片序列的二进制反码 给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 而且必须互相正交 码片向量规格化内积为零 例如 S站的8bit码片序列是00011011发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 3 注意 只有在带宽增加到m倍的情况下 发送的信息量才能从bb s增加到mb芯片 s 这使CDMA成为一种扩频方式的通信 假设调制及编码技术不变 假如l00个站点共用1MHz的带宽 在使用FDM时传输速率为10k s 以CDMA方式 每个站点使用完整的1MHz的带宽 芯片速率就为1M位 s 假如每比特少于100片 那么CDMA中每站的有效带宽就高于FDM 4 举例 1 码片序列的正交关系举例令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 5 例 6 例 续 7 练习 1 一个CDMA接收器得到下面的时间片 1 1 3 1 1 3 1 1 假设时间片序列有如下几个站 A 00011011B 00101110C 01011100D 01000010问 那些站发送数据 发送的是什么数据 8 2 5 2EIA 232 E接口标准 对DTE和DCE的接口制订的标准就是所谓的物理层协议 EIA ElectronicIndustriesAssociation美国电子工业协会 EIA 232的主要特性 机械特性 使用ISO2110关于插头座的标准 有25根引脚 分2排 13根和12根 插头在DTE上 插座在DCE上 电气特性 与CCITT的V 28建议书一致 采用负逻辑 即0表示 3V或更高的电压 1表示 3V或更负的电压 电缆长度在15m以内 传输速率不超过20kb s 长度越短 速度越快 规程特性 与CCITT的V 24建议书一致 规定各事件发生的次序 9 功能特性 与CCITT的V 24建议书一致 它规定了25根引脚的功能及电路连接 图2 28画出了25根引脚中的10根的信号定义 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 图2 28EIA 232 V 24的信号定义 10 11 12 第3章数据链路层 3 1使用点对点信道的数据链路层3 1 1数据链路和帧3 1 2三个基本问题3 2点对点协议PPP3 2 1PPP协议的特点3 2 2PPP协议的帧格式3 2 3PPP协议的工作状态 13 第3章数据链路层 续 3 3使用广播信道的数据链路层3 3 1局域网的数据链路层3 3 2CSMA CD协议3 4使用广播信道的以太网3 4 1使用集线器的星形拓扑3 4 2以太网的信道利用率3 4 3以太网的MAC层 14 第3章数据链路层 续 3 5扩展的以太网3 5 1在物理层扩展以太网3 5 2在数据链路层扩展以太网3 6高速以太网3 6 1100BASE T以太网3 6 2吉比特以太网3 6 310吉比特以太网3 6 4使用高速以太网进行宽带接入3 7其他类型的高速局域网接口 15 数据链路层 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型 点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通信方式 广播信道 这种信道使用一对多的广播通信方式 因此过程比较复杂 广播信道上连接的主机很多 因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发 16 数据链路层的简单模型 局域网 广域网 主机H1 主机H2 路由器R1 路由器R2 路由器R3 电话网 局域网 主机H1向H2发送数据 从层次上来看数据的流动 17 数据链路层的简单模型 续 局域网 广域网 主机H1 主机H2 路由器R1 路由器R2 路由器R3 电话网 局域网 主机H1向H2发送数据 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1 R2 R3 H1 H2 仅从数据链路层观察帧的流动 18 3 1使用点对点信道的数据链路层3 1 1数据链路和帧 链路 link 是一条无源的点到点的物理线路段 中间没有任何其他的交换结点 一条链路只是一条通路的一个组成部分 数据链路 datalink 除了物理线路外 还必须有通信协议来控制这些数据的传输 若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上 就构成了数据链路 现在最常用的方法是使用适配器 即网卡 来实现这些协议的硬件和软件 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能 19 IP数据报 1010 0110 帧 取出 数据链路层 网络层 链路 结点A 结点B 物理层 数据链路层 结点A 结点B a b 发送 接收 链路 IP数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的是帧 20 数据链路层像个数字管道 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道 而在这条数字管道上传输的数据单位是帧 早期的数据通信协议曾叫作通信规程 procedure 因此在数据链路层 规程和协议是同义语 21 3 1 2三个基本问题 1 封装成帧 2 透明传输 3 差错控制 22 封装成帧和透明传输 封装成帧 framing 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部 然后就构成了一个帧 确定帧的界限 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界 帧结束 帧首部 IP数据报 帧的数据部分 帧尾部 MTU 数据链路层的帧长 开始发送 帧开始 23 字符计数法 24 带填充字符的首尾界符法 25 带填充比特的首尾标志法 每一帧开始和结束的地方都加入一个特殊的位模式 01111110 标志字节 当发送方的数据链路层碰到数据中5各连续的 1 时 自动填充一位 0 26 物理层编码违例法 该成帧方法适用于那些物理介质上的编码方式中包含冗余信息的网络 例如 有些LAN用2个物理位来编码1为数据 如 1 是 高 低 0 是 低 高 可使用 高 高 或 低 低 来表示帧的边界 27 3 差错检测 在传输过程中可能会产生比特差错 1可能会变成0而0也可能变成1 在一段时间内 传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER BitErrorRate 误码率与信噪比有很大的关系 为了保证数据传输的可靠性 在计算机网络传输数据时 必须采用各种差错检测措施 28 循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中 广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术 在发送端 先把数据划分为组 假定每组k个比特 假设待传送的一组数据M 101001 现在k 6 我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送 29 冗余码的计算 用二进制的模2运算进行2n乘M的运算 这相当于在M后面添加n个0 得到的 k n 位的数除以事先选定好的长度为 n 1 位的除数P 得出商是Q而余数是R 余数R比除数P少1位 即R是n位 30 冗余码的计算举例 现在k 6 M 101001 设n 3 除数P 1101 被除数是2nM 101001000 模2运算的结果是 商Q 110101 余数R 001 把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去 发送的数据是 2nM R即 101001001 共 k n 位 31 110101 Q 商 P 除数 1101101001000 2nM 被除数 11011110110101110000111011010110000011001101001 R 余数 作为FCS 循环冗余检验的原理说明 32 33 帧检验序列FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS FrameCheckSequence 循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同 CRC是一种常用的检错方法 而FCS是添加在数据后面的冗余码 FCS可以用CRC这种方法得出 但CRC并非用来获得FCS的唯一方法 34 接收端对收到的每一帧进行CRC检验 1 若得出的余数R 0 则判定这个帧没有差错 就接受 accept 2 若余数R 0 则判定这个帧有差错 就丢弃 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错 只要经过严格的挑选 并使用位数足够多的除数P 那么出现检测不到的差错的概率就很小很小 35 应当注意 仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受 accept 无差错接受 是指 凡是接受的帧 即不包括丢弃的帧 我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错 也就是说 凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错 有差错的帧就丢弃而不接受 要做到 可靠传输 即发送什么就收到什么 就必须再加上确认和重传机制 36 在代数编码理论中 将一个码组表示为一个多项式 码组中各码元当作多项式的系数 例如1100101表示为1 x6 1 x5 0 x4 0 x3 1 x2 0 x 1 即x6 x5 x2 1 所以循环冗余校验也可表示为多项式运算形式 37 3 3使用广播信道的数据链路层3 3 1局域网的数据链路层 局域网最主要的特点是 网络为一个单位所拥有 且地理范围和站点数目均有限 局域网具有如下的一些主要优点 具有广播功能 从一个站点可很方便地访问全网 局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源 便于系统的扩展和逐渐地演变 各设备的位置可灵活调整和改变 提高了系统的可靠性 可用性和残存性 38 3 3 2局域网的体系结构 IEEE802参考模型 自1980年以来 许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作 其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准 由于局域网只是一个短距离内的计算机通信网 它并不存在路由选择问题 因而它不涉及网络层 只需考虑最低的两层 为了使局域网的数据链路层不致于过分复杂 有必要将数据链路层分成两个子层 介质访问控制子层MAC MediumAccessControl 和逻辑链路控制子层LLC LogicalLinkControl 39 介质访问控制 MAC 层 具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程 逻辑链路控制 LLC 层 提供一个或多个服务访问点 以复用的形式建立多点 多点之间的数据通信连接 并包括寻址 差错控制 顺序控制和流量控制等功能 40 IEEE802标准系列之间的关系 41 3 3 3局域网的拓朴结构 最常见的局域网拓朴结构有星型 环型 总线型和树型 如图4 2所示 集线器 a 星型网 b 环型网 c 总线网 d 树型网 局域网的拓朴结构 注 图 a 在物理上是一个星型网 但在逻辑上仍是一个总线网 干线耦合器 匹配电阻 42 1 星型拓朴 每一个站点通过点 点链路连至中心节点 所有的通信都由中心节点控制 一般采用线路交换 中心节点也可以有数据处理能力并提供共享资源 近年来由于集线器 hub 的出现和双绞线大量用于局域网中 星形网以及多级结构的星形网获得了非常广泛的应用 基本特性 优点 建网容易 配置方便 每个连接的故障容易排除 不影响全网 控制协议相对简单 缺点 在同样覆盖面积内 所用电缆量较大 扩展不方便 需要预留或增设电缆 对中心节点要求非常高 一旦中心节点产生故障 全网将不能工作 集线器 或交换机 43 2 环型拓朴 由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环 入网设备连到中继器上 中继器是较简单的设备 无存储转发功能 它从一条链路上接收数据 以相同速率在另一条链路上输出 数据在环上是单向传输的 由于所有站点共享一个环 因此要对站点对环的访问进行控制 控制采用分布的办法 即每个站都有控制发送和接收的访问逻辑 基本特性 优点 电线长度较短 与总线拓扑类似 适于采用光缆连接 从而提高数据速率 缺点 某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作 站点离网 入网都较困难 44 3 总线拓朴 将所有站点通过硬件接口连接到单根传输介质 共享总线上 在IEEE802标准中IEEE802 3 即以太网 和IEEE802 4 令牌总线 都是总线拓扑 基本特性 优点 与星型拓扑相比 所需电缆长度较短 结构简单 可靠性高 扩充 如增加站点 延长电缆等 较容易 缺点 故障检测不很容易 如总线有故障需分段查找 如站点有故障需一个一个查 站点需要提供访问控制功能 45 4 1 4常用的局域网传输媒体 双绞线 价格便宜 安装方便 在局域网中使用最多 但抗干扰能力较差 传输距离较短 适用于建筑物内部的布线系统 同轴电缆 分为粗缆和细缆 价格中等 安装较方便 有较高的数据传输率 在早期的局域网中使用较多 抗干扰能力较好 传输距离较远 光缆 损耗低 抗干扰能力强 传输率高 传输距离远 是环型网或主干网的主要传输媒体 但价格贵 技术复杂 无线传输 采用无线电波 红外线 微波等作为媒体 传输距离远 不受空间限制 但设备价格昂贵 技术复杂 46 4 1 5局域网的媒体共享技术 可分为两大类 静态划分信道和动态媒体接入控制 1 静态划分信道 如频分复用 时分复用 波分复用 码分复用等 用户只要得到了信道就不会和别的用户发生冲突 但这种划分信道的方法代价较高 不适合于局域网 2 动态媒体接入控制 又称为多点接入 multipleaccess 其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户 又分为两类 随机接入 其特点是所有的用户可随机地发送信息 但如果有两个或更多的用户在同一时刻发送信息 那么就会在共享媒体上产生碰撞 发生了冲突 使得这些用户的发送都失败 因此必须有解决碰撞的网络协议 受控接入 其特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制 最常用的局域网 以太网的媒体接入控制方法是 CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection载波监听多点接入 冲突检测 47 4 2传统以太网 特指最早进入市场的10Mbps速率的以太网 现在以太网已经发展到100Mbps 1Gbps 10Gbps的速率 4 2 1以太网的工作原理 以太网的两个标准 以太网诞生于1975年 美国Xerox公司 2 94Mbps 无源电缆 1980年9月DEC公司 Intel公司 Xerox公司联合推出10Mbps以太网规约的第一版DIXV1 1982年修改推出第二版DIXEthernetV2 成为世界上局域网产品的第一个规约 1983年IEEE802委员会制订局域网标准 IEEE802 3 两个标准差别很小 48 数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准 802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层 逻辑链路控制LLC LogicalLinkControl 子层媒体接入控制MAC MediumAccessControl 子层 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层 而LLC子层则与传输媒体无关 不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的 49 局域网对LLC子层是透明的 局域网 网络层 物理层 站点1 网络层 物理层 数据链路层 站点2 LLC子层看不见下面的局域网 50 2 网卡的作用 计算机与局域网的连接和通信是通过网络接口卡来实现的 网络接口卡又称为通信适配器 简称为网卡 网卡和局域网之间的通信是以串行方式进行的 如图4 3所示 计算机 CPU 高速缓存 存储器 网络接口卡 网卡 至局域网串行通信 并行通信 I O总线 当网卡收到一个有差错的帧时 就将该帧丢弃 当收到一个正确的帧时就用中断来通知计算机并交付给协议栈中的网络层 当计算机要发送一个IP数据报时 就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网 51 3 CSMA CD协议 CSMA CD Carrysensemultipleaccess collisiondetection 是一种总线争用协议 争用协议一般用于总线网 每个站都能独立地决定帧的发送 由ALOHA协议和CSMA协议发展而来 为说明CSMA CD的机理 先介绍ALOHA和CSMA 52 美国夏威夷大学的纯ALOHA是最早采用争用方式的计算机网络 它最初工作于无线信道 其工作原理很简单 每个站都可发送数据 若发送帧的时间长度内无其他站发送 则发送成功 否则 可能因为每个站同时占用信道产生冲突而使数据帧受损 冲突的结果使冲突双方都检测到数据出错 因而都必须重发 但发生冲突的站不能马上重发 因为这样会继续冲突 而是让各站等待 延缓 一段随机时间再重发 若有冲突 再延缓一段随机时间 直到重发成功为止 由于纯ALOHA的随意性 各站冲突机会很大 导致效率低下 其吞吐量不足18 1 ALOHA 53 1 ALOHA 54 时隙ALOHA 也称分槽ALOHA 在这种网络中 信道被划分为等长时间片 时隙 每个站所发送的数据帧到达目的地的最大时延就等于时间片长度 所有站在时间上同步起来 同时规定 不论帧何时产生 它只能在每个时隙的开始点才可以发送 这样改进后 如果2个站发送的信息产生在不同的时隙 不会冲突 若冲突 它们必是同一时刻开始整帧碰撞 避免了2个帧部分碰撞 这样减少了冲突机会 其信道吞吐量提高到37 1 ALOHA 55 CSMA CarriorSenseMultipteAccess 协议是 种带有监听的多路访问系统 是对ALOHA协议的改进 CSMA被通俗地称为 先听后讲 其工作原理是 每个站在发送数据前先要监听信道上是否有载波 即是否有别的站在传输数据 如果介质空闲 就可发送 如果介质忙 就暂不发送而回避一段时间 这样大大减少了冲突 2 载波监听多路访问CSMA 56 坚持型CSMA又称1 坚持CSMA 当某站要送数据时 先监听信道 若信道忙 就坚持监听 直到信道空闲为止 当空闲时立即发送一帧 若两个站同时监听到信道空闲 立即发送 必定冲突 即冲突概率为1 故称之为1 坚持型 非坚持型CSMA当某站监听到信道忙状态时 不再坚持监听 而是随机后延一段时间再来监听 其缺点是很可能在再次监听之前信道已空闲了 从而产生浪费 P坚持型CSMA这种方式适合于时隙信道 当某站准备发送信息时 它首先监听信道 若空闲 便以概率P传送信息 而以概率 1 P 推迟发送 如果该站监听到信道为忙 就等到下一个时隙再重复上述过程 2 载波监听多路访问CSMA 57 CSMA在发送数据之前进行载波监听 所以减少了冲突机会 但由于传播时延的存在 仍然可能冲突 考虑2个站点的模型 其中一个先发送信息 由于传送时延使另 个站点也发现倍道是空闲的 于是也发送信息 结果2个站点的信息在途中冲突 但2个站均不知道 一直要将数据帧余下部分发完 等到有错再重发送 这样明显造成了信道的浪费 加大了通信开销 通俗地讲 CSMA CD就是 先听后讲 边讲边听 这种边发边监听的功能称为冲突检测 3 带冲突检测的CSMA CSMA CD 58 为什么会发生碰撞 每个站点都是在监听到信道 空闲 时才发送数据的 为什么还会发生碰撞 根本原因是因为电磁波在媒体上的传播速度总是有限的 假设局域网两端的站A和站B相距1km 电磁波在1km电缆上的传播时延约为5 s 单程传播时延记为 A B A A A B B B A t 0A发送数据 B t 2 A检测到发生碰撞 t B检测到信道空闲发送数据 t 2发生碰撞 t B检测到碰撞停止发送 A和B发送数据均失败 它们都要推迟一段时间后再重新发送 59 重要特性 使用CSMA CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信 半双工通信 每个站在发送数据之后的一小段时间内 存在着遭