《计算机网络技术基础 》（王崇刚）教案 （理论部分） 局域网技术（二）局域网的介质访问控制方式

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课题局域网技术（二）——局域网的介质访问控制方式课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）理解并掌握CSMA/CD介质访问控制（2）理解并掌握单令牌环介质访问控制（3）理解并掌握令牌总线介质访问控制思政育人目标：在以立德树人作为教育工作为根本任务的前提下，通过教学不断地提高学生的关键能力，如学习能力、创造能力等，培养学生的创新思维，帮助学生认识到科学技术进步对于人类的积极意义。教学重难点教学重点：局域网的介质访问控制方式教学难点：CSMA/CD介质访问控制教学方法问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、文旌课堂APP教学设计第1节课：传授新知（28min）第2节课：传授新知（30min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】提出以下问题：新闻发言人(PressSpokesman)新闻发言人是国家、政党、社会团体任命或指定的专职(比较小的部门为兼职)新闻发布人员，其职责是在一定时间内就某一重大事件或时事，约见记者或举办新闻发布会、记者招待会，针对有关问题阐述本部门的观点立场，并代表有关部门回答记者的提问。在局域网在同样也存在这样的“发言人”来避免由于多方发言造成的“冲突”或者瘫痪。那么请同学们思考在局域网中“发言人”是如何解决问题的？带着这个问题，来学习本节课的内容。【学生】聆听、思考【教师】通过学生的回答引入要讲的知识引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（25min）【教师】要求学生通过文旌课堂APP扫描二维码播放“CSMA/CD工作原理”视频，并讲解新知CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测协议），早期主要是以太网络中数据传输方式，广泛应用于以太网中。1．CSMA/CD协议的工作原理。CSMA/CD协议是一种允许冲突的介质随机发送的多路访问控制协议，它的工作原理可以类比多人开会。在会议中，当某个人想发言时，需要先听是否有其他人在发言：如果有，则继续听，等等再说；如果没有，就可以发言。在没有人发言的情况下，可能出现同时有两人或多人发言的情况，这种情况称为冲突。一旦发生冲突，立刻停止发言，继续监听，等过一段时间再发言。如果冲突发生多次仍无法发言，那么暂时放弃发言。（1）多路访问（MA）。网络中的任意站点都可以发送数据。（2）载波侦听（CS）。在发送数据前，需要检测信道上是否有其他站点在发送数据。若信道忙（即有站点在发送数据），则继续监听信道，一直等到信道空闲再发送数据。注意：总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。（3）冲突检测（CD）若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，这样哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突，又称为碰撞。✈【教师】提出问题，课堂互动思考：检测到冲突后应当如何解决呢？如果检测到冲突信号，则立即停止发送，并发送阻塞信号，然后按二进制指数退避算法策略计算等待时间。在等待一个时隙后，再重新监听信道的忙闲和检测冲突信号。✈【学生】聆听、思考、回答问题（4）如果载波侦听和冲突检测过程进行了多次，都没有成功发送数据，则暂时放弃数据发送。根据以上工作过程，CSMA/CD协议的工作原理可以概括为4点：先听先发，边听边发，冲突停止，后退重传。2．CSMA/CD协议的优点原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。3．重要特性①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）。②每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。③这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。4．采用标准CSMA/CD的标准为IEEE802．3或者ISO8802/3。5．二进制指数退避算法（1）争用期①最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受碰撞。②以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口。③经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。（2）二进制指数退避算法CSMA/CD中，在检测到冲突，并发完阻塞信号后，为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再用CSMA的算法发送。为了决定这个随机时间，采用了一个通用的退避算法，称为二进制指数退避算法。①具体过程对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量为L=2。退避间隔取1到L个时间片中的一个随机数。1个时间片等于2α。当帧重复发生一次冲突时，将参量L加倍。设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错，一般重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。举例：如果第二次发生碰撞：n=2k=MIN(2,10)=2R={0,1,2,3)延迟时间={0,51.2us,102.4us,153.6us}中任取一值②特点：这个算法是按后进先出的次序控制的，即未发生冲突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率，而发生过多次冲突的帧，其发送成功的概率越来越小。③IEEE802.3就是采用CSMA/CD算法，并用二进制指数退避算法。由于在介质上传播的信号衰减，为了正确地检测出冲突信号，传统的802.3网络限制电缆最大长度为500m。④核心思想站点冲突次数越多，平均等待时间也越长。【学生】聆听、思考、记忆通过教师的讲解和演示，帮助学生掌握CSMA/CD介质访问控制课堂互动（13min）【教师】提出问题，课堂互动思考：假设在采用广播链路的10Mbps以太网中，回答下列问题：（1）某结点连续第5次冲突后，按二进制指数退避算法，选择K=4的概率是多少？相应地延迟多久再次重新尝试发送帧？（2）如果连续第12次冲突，该结点最多延迟多久再次重新尝试发送帧？解析：（1）连续第5次冲突后，结点网卡从{0,1,2,…,31}中选择K，因此，选择到K=4的概率为1/32，相应地延迟时间为4X512/(10X10^6)=0.2048ms=204.8μs。（2）当连续12次冲突后，网卡将从{0,1,2,…,1022，1023}中选择K，（1分）因此最多延迟时间是选择到K=1023，相应地延迟时间为1023X512/(10X10^6)=52.3776ms。【学生】聆听、思考、回答问题通过练习题巩固所学知识，加深对知识点的理解第二节课问题导入（5min）【教师】你听说过令牌环网吗？你了解它的控制方式吗？【学生】聆听、思考、回答问题引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（30min）【教师】结合教材讲解令牌环介质访问控制一、令牌环介质访问控制令牌环网是IBM公司于70年代发展的，现在这种网络比较少见。TokenRing是一种令牌环网协议，定义在IEEE802.5中。老式的令牌环网中，数据传输速度为4Mbps或16Mbps；新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。1．令牌环的结构令牌环在物理上是一个由一系列环接口和这些接口间的点—点链路构成的闭合环路，各站点通过环接口连到网上。为了解决竞争，可以使用一个称为令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿着环路循环。规定只有获得令牌的站点才有权发送数据帧，完成数据发送后立即释放令牌以供其他站点使用。2．令牌环访问控制方法（详见教材）✈【教师】要求学生使用文旌课堂APP扫描二维码播放“令牌环介质访问控制方法”视频，并提出问题：简单概述令牌环访问控制方法。✈【学生】聆听、思考、回答问题以站点A向站点C发送数据为例，令牌环操作过程如图所示：（1）网络空闲时空令牌绕行网络空闲时空令牌绕行（2）发送站点A把空令牌改成忙令牌，并附加要发送的数据发送站点A把空令牌改成忙令牌，并附加要发送的数据（3）接收站点C读取发送给它的数据接收站点C读取发送给它的数据（3）根据收到来自接收站点C的物理发送头，发送站点A产生空令牌根据收到来自接收站点C的物理发送头，发送站点A产生空令牌【学生】聆听、思考、记忆【教师】结合教材令牌总线介质访问控制二、令牌总线介质访问控制令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，从物理上看，这是一种总线结构的局域网，和总线网一样，站点共享的传输介质为总线；从逻辑上看，这是一种环型结构的局域网，接在总线上的站点组成一个逻辑环，每个站点被赋于一个顺序的逻辑位置。1．结构将总线上各站点组成逻辑环，在物理上是总线型，在逻辑上是环型。根据各节点地址的大小排列成为一个环状(逻辑环)，沿逻辑环传递令牌，传递次序与物力位置无关。将总线上各站点组成逻辑环，在物理上是总线型，在逻辑上是环型。根据各节点地址的大小排列成为一个环状(逻辑环)，沿逻辑环传递令牌，传递次序与物力位置无关。2．令牌总线介质访问方法的基本操作分为两个状态:两个状态：数据传送状态、令牌传送状态通过限定每个站发送帧的最大长度，使站点等待取得令牌的时间是确定的。等待令牌的时间：如果所有的站都有报文要发送，则最坏情况下等待取得令牌和发送报文的时间就应该等于全部令牌传送时间和报文发送时间的总和；另一方面，如果只有一个站点有报文要发送，则最坏情况下等待时间只是全部令牌传递时间的总和。【学生】聆听、思考、记忆通过教师的讲解和演示，帮助学生掌握令牌环介质访问控制、令牌总线介质访问控制方式课堂互动（5min）【教师】提出问题，要求学生讨论并回答问题简述IEEE802.3采用的介质访问控制协议及其基本思想。【学生】思考、讨论、回答问题通过练习题巩固所学知识，加深对知识点的理解课堂小结

（3min）【教师】简要总结本节课的要点CSMA/CD即载波侦听多路访问/冲突检测，是广播型信道中采用一种随机访问技术的竞争型访问方法，具有多目标地址的特点。它处于一种总线型局域网结构，其物理拓扑结构正逐步向星型发展。CSMA/CD采用分布式控制方法，所有结点之间不存在控制与被控制的关系。由点—点链路构成的环路上运行的数据帧能被所有的站点接收到，而且任何时刻仅允许一个站点发送数据，因此同样存在发送权竞争问题。为了解决竞争，可以使用一个称为令牌（Token）的特殊比特模式，使其沿着环路循环。将总线上各站点组成逻辑环，在物理上是总线型，在逻辑上是环型。根据各节点地址的大小排列成为一个环状(逻辑环)，沿逻辑环传递令牌，传递次序与物力位置无关。【学生】总