计算机网络讲义5网络拓结构

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 网络拓扑结构与访问控制,主要内容,:,ALOHA访问控制方式,环网访问控制方式,星型结构访问控制方式,讲授安排,:,学时:3学时,重点:,1,5.2几种常见的局域网拓扑结构,点到点直接连接方式,特点:,任意两台计算机之间都有一条专用的通道连接。,不需要复杂的访问控制技术;,计算机只要能处理接收和发送中断，以及识别编码同步信号和处理编码传输错误就行了。,N台计算机之间的连接数:,y = (n2-n)/2,2,5.2几种常见的局域网拓扑结构,总线结构,特点:,逻辑上由一根共享电缆以及与其连接的计算机构成;,由于用,基带信号,传送，因此，传输距离较近。但用户可用信号增幅装置-中继器（Repeater)拓展传输距离;,总线结构（型）局网的代表是以太网（Ethernet）。最早在70年代初由美国Xerox公司首先研制成功,传输速率10Mbps,目前速率1000 Mbps(Gihabit Ethernet，GE）、万兆以太网。,物理形态:利用HUB或交换机组网或拓展网络覆盖范围,3,5.2几种常见的局域网拓扑结构,中继器,4,5.2几种常见的局域网拓扑结构,环型结构:,特点:,用电缆或光纤把一台台的计算机串接起来形成一个圆环；,环型结构局域网例子有：,令牌环,（Token Ring）网,FDDI,（Fiber Distributed Data Interconnect）网。,5,5.2几种常见的局域网拓扑结构,星型结构：,特点：,存在着一个中央控制点，和星型结构网络连接的计算机必须要通过这个中央控制点才能在互相之间形成可以通信的信道；,是一种较新的网络拓扑结构，具有分组转发速度快的优点。,星型结构网络例子有ATM交换机组成的网络和交换式以太网 。,6,5.3 ALOHA访问控制方式,ALOHA (,Additive Link On-line Hawaii system,)特点:,夏威夷方言“你好”的意思，70年代初期在夏威夷大学开发成功的；,所有计算机站点以,同等权限,共享,一条无线电信道（,频段,），每台接入的计算机随机地向该信道发送信息分组；,问题：只能工作在负载不是很大的场合，当负载稍大些时冲突将很频繁，因而其吞吐量不大。,7,5.3 ALOHA访问控制方式,时隙ALOHA的工作原理：,时间分为若干个时隙，每个时隙至少可以发送一帧数据，无论帧在时隙的什么时间到达，都只能在下一个时隙开始时才帧发送出去。,时隙ALOHA系统在负载不是很大时，性能时很好的，几乎不需任何而外开销就能将帧发送成功，但当负载变大时，冲突仍很频繁,。,8,5.3 ALOHA访问控制方式,以TDMA为基础的预约ALOHA访问控制方式：,以N个时隙为周期，前N-1个时隙一次分配给共享该信道的站点，剩下的一个时隙则由所有站点竞争使用。如果某站点在分配给它的时隙内无数据可传，则该时隙空转。其它站点则可再下一个周期时按纯ALOHA方式随机发送数据抢占该时隙。站点对固定分配的时隙拥有最高的使用优先权。,性能在轻载时不如时隙ALOHA的性能好。但在负载较大时，由于竞争发生不多，将会使得网络工作比较稳定以及吞吐率较高,。,9,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根无源总线上,B向,D,发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受,B 发送的数据,5.4 总线型局域网访问控制方式,10,总线上的每台计算机都能检测到 B 发送的数据信号。,由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。,其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。,具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,以太网的广播方式发送,5.4 总线型局域网访问控制方式,11,总线式以太网的基本通信特征,采用,无连接,的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据；,数据发送本质上,具广播特征,；,数据帧,不编号,，也不要求对方发回确认；,采用,CSMA/CD,(Carrier Sense Multiple Access,with Collision Detection)协议来协调如何使用总线。,5.4 总线型局域网访问控制方式,12,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,（1）协议的基本内容,多点接入,：许多计算机同时连接在一根总线上。,载波监听,：在发送数据前，需检查总线上是否有其他计算机在发送数据，有则暂时不发送数据，以免发生碰撞。,碰撞检测,：边发送数据边检测信道上的信号电压大小，以检查是否发生“碰撞”或“冲突”，有则立即停止发送，等待一段,随机时间,后再发送。,碰撞检测的基本原理,5.4 总线型局域网访问控制方式,13,（2）协议实现需考虑的几个主要问题,当信道不空闲时”，发送站点干什么？,什么情况下会发生“碰撞”,或“冲突”？,发生“碰撞”,或“冲突”后如何处理？,A,B,C,D,E,5.4 总线型局域网访问控制方式,14,（3）“信道不空闲时”时的几种处理技术,a.非坚持技术：（Non persistent）又称为,0-坚持,。,思想,：,希望发送数据的站点一旦监听到信道忙(即发现有其它站在发送数据)，就不再坚持听下去，而是根据协议制定的相关策略,延迟一个随机的时间后再重新监听,。,非坚持方法无法把信道从,“,不空变空,”,的那一时刻找,出来，从而一定程度上降低了信道的利用率。,A,B,C,D,E,分析,：,5.4 总线型局域网访问控制方式,15,b.恒坚持技术：,恒坚持(persistent)又称为,1-坚持,。,思想,：希望发送数据的站点监听到信道忙时，仍继续,监听下去，一旦发现信道空闲则,立即抢占,。,分析,：,若有两个或更多的站点同时在监听信道，一旦信道空,闲，两个或更多的站点同时抢占信道的结果是必然导,致,碰撞发生,，反而不利于信道吞吐率的提高。,CSMA/CD采用的就是这种技术。,5.4 总线型局域网访问控制方式,16,（4）,什么情况,下会发生“碰撞”或“冲突”？,至少存在两种情况会导致冲突产生,：,当两个以上的站点同时监听到信道空闲，且同时抢占信道时，“碰撞”,或“冲突”即会发生。,由于信号在信道传输上存在传输延迟，从而为“碰撞”,或“冲突”发生,带来可能。(此种情况是由于监听到信道为空是发生的),5.4 总线型局域网访问控制方式,17,1 km,A,B,t,碰撞,t,=, ,B 检测到,信道空闲,发送数据,t,=, / 2,发生碰撞,t,= 2, ,A 检测到发生碰撞,t,=, ,B 发送数据,B 检测到发生碰撞,t,=,A,B,A,B,A,B,t,= 0,A 检测到,信道空闲,发送数据,A,B,t,= 0,t,=,B 检测到发生碰撞,停止发送,STOP,t,= 2, ,A 检测到,发生碰撞,STOP,A,B,单程端到端,传播时延记为,18,4. 争用期,a.争用期的定义,对CSMA/CD协议而言，由于参与信道争用的任一站点在发送数据帧后,至多,经过2,时间就可知道是否发生碰撞。因而将该时间称为,争用期,。,争用期的两种描述,：,以太网上任一结点均能检测出冲突发生所需的时间。,以太网端到端的最大往返时延,。,5.4 总线型局域网访问控制方式,19,二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type,),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机,时间才能再发送数据。这样做可以减少再次冲突的概率。,确定基本退避时间，一般是取为争用期 2,定义参数 k ，k,10，即 k = Min重传次数, 10,从整数集合0,1, (2,k,1,)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。,重传的次数越多，说明要传输数据的站点越多，冲突后应该从更长的等待时间集合中选择等待时间，降低再次冲突的可能,。,当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,5.4 总线型局域网访问控制方式,20,争用期的长度,以太网取 51.2,s 为争用期的长度。,需要指出，以太网的端到端的时延并不等于争用期的一半。争用期被规定为51.2us,不仅是考虑了端到端的时延，而且还考虑了其他的许多因素，如转发时延，以及强化碰撞的干扰信号的持续时间等。,对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。,以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,5.4 总线型局域网访问控制方式,21,最短有效帧长,如果发生冲突，一定是发送的前 64 字节之内。,由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。,以太网的最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的,无效帧,。,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的,人为干扰信号,(jamming signal),，,以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞,。,5.4 总线型局域网访问控制方式,22,数据帧,干扰信号,T,J,人为干扰信号,A,B,T,B,t,B 发送数据,A 检测,到冲突,开始冲突,信,道,占,用,时,间,A 发送数据,B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。,23,5、传统以太网的连接方法,传统以太网可使用的传输媒体有四种：,铜缆（粗缆或细缆）,铜线（双绞线）,光缆,10BASE5,粗缆,10BASE2,细缆,10BASE-T,双绞线,10BASE-F,光缆,以太网媒体接入控制 MAC,得到以太网的四种不同的物理层。,5.4 总线型局域网访问控制方式,24,铜缆或铜线连接到以太网的示意图,主机箱,收发器电缆,网卡,插入式,分接头,MAU,MDI,保护外层,外导体屏蔽层,内导体,收发器,DB-15,连接器,主机箱,BNC T 型接头,BNC 连接器,插口,主机箱,双绞线,集线器,RJ-45,插头,5.4 总线型局域网访问控制方式,25,以太网的最大作用距离,250 m,750 m,500,m,500 m,500 m,50 m,50 m,50 m,网段 1,转发器,网段 2,网段 3,转发器,转发器,转发器,任意两个站之间可有三个同轴段,接到转发器的链路总长度不操过1000m,单网段长度不操超过500m (粗缆)或185m(细),一个网上的站点总数不超过1024，每个网段上的站点不超过100,5.4 总线型局域网访问控制方式,26,以太网的常用标记方法,5.4 总线型局域网访问控制方式,27,细缆以太网 10BASE2,直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50,),将MAU 和MDI都安装在网卡上，取消了外部的 AUI电缆。,细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。,主机箱,BNC T 型接头,BNC 连接器,插口,5.4 总线型局域网访问控制方式,28,星形网 10BASE-T,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。,在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做,集线器,(hub)。,集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,当使用HUB时，物理上是星型，逻辑上是总线,5.4 总线型局域网访问控制方式,29,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过,100 m,。,这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。,10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,5.4 总线型局域网访问控制方式,30,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。,使用集线器的以太网在,逻辑上仍是一个总线网,，各工作站使用的还是 CSMA/CD,协议，并共享逻辑上的总线。即,物理上的星型,逻辑上的总线,集线器很像一个多端口的转发器，,工作在物理层。,5.4 总线型局域网访问控制方式,31,具有三个端口的集线器,集,线,器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,5.4 总线型局域网访问控制方式,32,5.5,环网访问控制方式,令牌环（Token Ring）访问控制方式：,原理：,环上循环传递着一个特殊的数据帧，称为令牌。站点只有获得令牌，才能发送数据帧。站点获得令牌的条件是令牌可用和站点有足够的优先级,C,2,C,1,C,n,C,i,C,m,C,l,复制接收数据帧,发送数据帧,卸去数据帧,33,5.5,环网访问控制方式,FDDI,（,Fiber Distributed Data Interconnect,）,访问控制方式,原理：FDDI使用双环技术解决网络中站点故障后信道中断问题。在FDDI网络中，每个站点都接入以光纤为传输介质的双环。采用令牌环技术利用外环传输数据帧，而内环则处于空闲状态。故障发生时，外环将和内环自动连接，从而构成新环。,34,5.6 星型结构访问控制方式,星型结构网(ATM或交换式以太网)访问控制方式:,控制方式,：,中央控制的交换技术,而,非共享访问控制方式,交换机的基本构成,:,缓冲区:存放由各站点发送来的还未被交换的数据帧;,地址表:记录与该交换机所连接的各站点地址;,地址匹配算法:建立数据帧收发站点之间的连接;,控制系统:收发控制、冲突处理、维护和缓冲区管理。,交换结构与直连结构的异同：,若站点数为N，交换机可能的连接（双向）数是N,2,-N；,其连接都是,逻辑连接,，即只有两个站点之间要传输数据帧时才发生连接，而不是像直接连接那样采用了多条物理连接线路。,35,5.6 星型结构访问控制方式,交换控制方式的工作原理：,将要发送数据帧中的目的地地址与交换机中的地址表中的,地址相比较,，找出相应的目的地址并获取它所对应的站点端口，由逻辑开关,建立连接，,使数据帧经高速总线及相应端口转发到目的站点。,36,5.6 星型结构访问控制方式,交换机与集线器的区别：,HUB是物理层连接设备，交换机是链路层连接设备,HUB实际上是多个端口共享外部带宽的，采取的是广播式数据转发方式，是半双工方式；交换机是采用交换方式可以使每个端口带宽可以与外部带宽相同的，采取寻址数据转发方式，可以半双工/全双工方式；,交换机还具有网段划分、数据帧过滤及避免网络风暴等功能。,37,