2TCPIP原理第2章教案.docx

2TCPIP原理第2章教案.docx

《2TCPIP原理第2章教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2TCPIP原理第2章教案.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2TCPIP原理第2章教案

授课题目

第2章网络接口

授课类型

理论课、实验

教学方法

课堂讲授

教学手段

多媒体教学

授课时间

2009.3.9,3.11,3.16,3.18

学时分配

8

教学目的

熟练掌握

以太网和IEEE802．xLAN

掌握

SLIP和PPP、异步传输方式ATM

了解

FDDI、无线局域网

教学重点

以太网、PPP

教学难点

异步传输方式ATM

其它

教学基本内容

备注

一、新课导入

如何构建局域网？

如何实现家庭上网？

无线局域网是怎样构成的？

二、授课内容提要

第2章网络接口

2．1以太网和IEEE802．xLAN

一、以太网的四大应用

1.企业中的吉位以太网

复杂的应用程序以及更强大的PC持续推动网络流量达到新高，并造成关键连接带宽不足。

为了提高性能，服务器已配备吉位以太网。

在桌面领域，不断下降的价格也在加快吉位以太网的采用，特别是在工作环境趋向于互相协定，通常需要共享大量文件以及有集中应用和多任务的地方更是如此。

目前的趋势是：

10／100／1000Mbit／s以太网正不断取代10／100Mbit／s以太网（当10／100Mbit／s自适应以太网连接成本接近常规以太网时，更加剧了这种趋势）。

CahnersIn-Sta曾预计，到2002年中期，全世界50％以上的网卡销售额将来自吉位以太网产品。

2.无线网络

无线以太网连接是以太网的逻辑扩展，有助于实现大范围的“虚拟”企业。

以前，无线局域网只受到IT产业本身的关注。

但在最近几年，无线网络的效益得到了广泛认可，在更大范围内被公认为移动用户的理想解决方案，成为广大企业用户的“即时基础设施”。

分析家认为，随着市场的快速发展，它将进入“全盛时期”。

促使无线网络从垂直市场向主流应用市场发展的原因有这样几个：

（1）标准和改善的性能气IEEE802.11标准自1999年发布以来已成为无线局域网的主要标准。

802.11b高速标准目前已被绝大多数无线设备厂商采用，其数据速率达11Mbit／s。

早期部署的无线局域网大多选择这一技术，随着无线技术的发展，出现了IEEE802.11a标准，它能提供更快的数据速率、更远的覆盖距离以及更高的安全性。

（2）移动设备扩展。

多种新型无线设备能够接入企业网和广域网，包括配置无线网卡的便携式电脑和台式机，带有内置无线设备的PDA和掌上电脑，互联网接入应用和VoIP电话等也扩大了无线以太网解决方案的应用范围。

3.网络存储

快速增长的电子邮件和电子商务导致IP网络数据传输量剧增，这促使数据存储脱离传统的DAS（直接连接存储）模式，演变为网络的一种基础设施，即所谓的SAN（存储区域网络）和NAS（网络连接存储）。

根据IDC预计，SAN和NAS在今后几年有望出现快速增长，并占领全球存储系统市场26%的份额。

一种基于以太网并称为isCSI，即互联网SCSI（小型电脑系统接口）或SCSIoverIP的新兴技术将为网站、服务提供商、企业和其他组织提供高速、低成本、远程存储的解决方案。

iSCSI标准使得构建基于IP的SAN成为可能，传统的SCSI命令和数据传输在TCP／IP层之上的一层执行，而iSCSI数据块流量可以通过以太网协议传输。

吉位iSCSI由于结合了SCS1。

以太网和TCP/IP等所有目前被广泛采用的技术，所以可最大程度地减少了互操作性问题。

4.城域网中的以太网

吉位以太网向桌面的移植助长了服务器和企业干线对10吉位以太网的需求。

10吉位以太网拥有多种高速网络需求的关键特征，如更低的成本、灵活性以及与现有以太网的互操作性，所以成为了城域网的最佳选择。

在城域网中实施以太网，可以将以太网的速度和成本优势与光网络的传输距离和可靠性完美结合起来，凭借成本优势、互操作性和向更高性能水平轻松移植的能力，10吉位以太网融入城域网是很自然而然的。

二、以大网技术发展趋势

作为历史最悠久的网络技术之一，以大网技术将继续向前发展。

出色的性价比、灵活性和互操作性是其优势，但与大多数技术解决方案一样，成本将是决定其发展速度的重要因素。

目前像英特尔公司等这样的在以太网组件处于领先地位的供应商已经在致力于推出卓越性价比特性和优势的新产品和构建模块。

这些实力强劲的IT业界巨头的介入，一方面有助于促进以太网技术的快速发展，另一方面，可以凭借其经济实力和规模效应有效地降低产品成本，从而使最终用户受益。

三、以太网帧格式

　　历史上以太网帧格式有五种:

　　1.EthernetV1：

这是最原始的一种格式，是由XeroxPARC提出的3MbpsCSMA/CD以太网标准的封装格式，后来在1980年由DEC，Intel和Xerox标准化形成EthernetV1标准.

　　2.EthernetV2（ARPA）：

由DEC，Intel和Xerox在1982年公布其标准，主要更改了EthernetV1的电气特性和物理接口，在帧格式上并无变化；EthernetV2出现后迅速取代EthernetV1成为以太网事实标准；EthernetV2帧头结构为6bytes的源地址+6bytes的目标地址+2Bytes的协议类型字段+数据。

　　3.RAW802.3：

这是1983年Novell发布其划时代的Netware/86网络套件时采用的私有以太网帧格式，该格式以当时尚未正式发布的802.3标准为基础；但是当两年以后IEEE正式发布802.3标准时情况发生了变化—IEEE在802.3帧头中又加入了802.2LLC（LogicalLinkControl）头，这使得Novell的RAW802.3格式跟正式的IEEE802.3标准互不兼容.

　　4.802.3/802.2LLC：

这是IEEE正式的802.3标准，它由EthernetV2发展而来。

它将EthernetV2帧头的协议类型字段替换为帧长度字段（取值为0000-05dc;十进制的1500）；并加入802.2LLC头用以标志上层协议，LLC头中包含DSAP，SSAP以及Crontrol字段.

　　5.802.3/802.2SNAP：

这是IEEE为保证在802.2LLC上支持更多的上层协议同时更好的支持IP协议而发布的标准，与802.3/802.2LLC一样802.3/802.2SNAP也带有LLC头，但是扩展了LLC属性，新添加了一个2Bytes的协议类型域（同时将SAP的值置为AA），从而使其可以标识更多的上层协议类型；另外添加了一个3Bytes的OUI字段用于代表不同的组织，RFC1042定义了IP报文在802.2网络中的封装方法和ARP协议在802.2SANP中的实现.

　　802.3以太网帧格式备注：

　　前导码（7字节）、帧起始定界符（1字节）、目的MAC地址（6字节）、源MAC地址（6字节）、类型/长度（2字节）、数据（46~1500字节）、帧校验序列（4字节）[MAC地址可以用2－6字节来表示，原则上是这样，实际都是6字节]

2．2SLIP和PPP

一、SLIP协议

　　英文原义：

SerialLineInternetProtocol

　　中文释义：

串行线路网际协议

　　注解：

该协议是Windows远程访问的一种旧工业标准，主要在Unix远程访问服务器中使用，现今仍然用于连接某些ISP。

因为SLIP协议是面向低速串行线路的，可以用于专用线路，也可以用于拨号线路，Modem的传输速率在1200bps到19200bps。

　　应用：

在Windows中要设置SLIP协议，比如在Windows98中，假设已经创建了“拨号连接”，右键单击该连接，选择“属性”。

接着，在打开的属性窗口中，选择“服务器类型”选项卡，在“拨号网络服务器类型”中选择“SLIP：

Unix连接”。

最后，单击“确定”按钮即可。

　　SLIP：

串行线路IP

　　SLIP的全称是SerialLineIP。

它是一种在串行线路上对IP数据报进行封装的简单形式，在

　　RFC1055[Romkey1988]中有详细描述。

SLIP适用于家庭中每台计算机几乎都有的RS-232串

　　行端口和高速调制解调器接入Internet。

　　下面的规则描述了SLIP协议定义的帧格式：

　　1）IP数据报以一个称作END（0xc0）的特殊字符结束。

同时，为了防止数据报到来之前

　　的线路噪声被当成数据报内容，大多数实现在数据报的开始处也传一个END字符（如果有线

　　路噪声，那么END字符将结束这份错误的报文。

这样当前的报文得以正确地传输，而前一个

　　错误报文交给上层后，会发现其内容毫无意义而被丢弃）。

　　2）如果IP报文中某个字符为END，那么就要连续传输两个字节0xdb和0xdc来取代它。

　　0xdb这个特殊字符被称作SLIP的ESC字符，但是它的值与ASCII码的ESC字符（0x1b）不同。

　　3）如果IP报文中某个字符为SLIP的ESC字符，那么就要连续传输两个字节0xdb和0xdd来

　　取代它。

　　图2-2中的例子就是含有一个END字符和一个ESC字符的IP报文。

在这个例子中，在串行

　　线路上传输的总字节数是原IP报文长度再加4个字节。

　　图2-2SLIP报文的封装

　　SLIP是一种简单的帧封装方法，还有一些值得一提的缺陷：

　　1）每一端必须知道对方的IP地址。

没有办法把本端的IP地址通知给另一端。

　　2）数据帧中没有类型字段（类似于以太网中的类型字段）。

如果一条串行线路用于SLIP，

　　那么它不能同时使用其他协议。

　　第2章链路层使用17

　　下载

　　IP数据报

　　3）SLIP没有在数据帧中加上检验和（类似于以太网中的CRC字段）。

如果SLIP传输的报

　　文被线路噪声影响而发生错误，只能通过上层协议来发现（另一种方法是，新型的调制解调

　　器可以检测并纠正错误报文）。

这样，上层协议提供某种形式的CRC就显得很重要。

在第3章

　　和第17章中，我们将看到IP首部和TCP首部及其数据始终都有检验和。

在第11章中，将看到

　　UDP首部及其数据的检验和却是可选的。

　　尽管存在这些缺点，SLIP仍然是一种广泛使用的协议。

　　SLIP的历史要追溯到1984年，RickAdams第一次在4.2BSD系统中实现。

尽管它本

　　身的描述是一种非标准的协议，但是随着调制解调器的速率和可靠性的提高，SLIP越

　　来越流行。

现在，它的许多产品可以公开获得，而且很多厂家都支持这种协议。

　　2.5压缩的SLIP

　　由于串行线路的速率通常较低（19200b/s或更低），而且通信经常是交互式的（如Telnet

　　和Rlogin，二者都使用TCP），因此在SLIP线路上有许多小的TCP分组进行交换。

为了传送1个

　　字节的数据需要20个字节的IP首部和20个字节的TCP首部，总数超过40个字节（19.2节描述了

　　Rlogin会话过程中，当敲入一个简单命令时这些小报文传输的详细情况）。

　　既然承认这些性能上的缺陷，于是人们提出一个被称作CSLIP（即压缩SLIP）的新协议，

　　它在RFC1144[Jacobson1990a]中被详细描述。

CSLIP一般能把上面的40个字节压缩到3或5个

　　字节。

它能在CSLIP的每一端维持多达16个TCP连接，并且知道其中每个连接的首部中的某些

　　字段一般不会发生变化。

对于那些发生变化的字段，大多数只是一些小的数字和的改变。

这

　　些被压缩的首部大大地缩短了交互响应时间。

　　现在大多数的SLIP产品都支持CSLIP。

作者所在的子网（参见封面内页）中有两条

　　SLIP链路，它们均是CSLIP链路。

二、PPP协议

点对点协议（PPP）为在点对点连接上传输多协议数据包提供了一个标准方法。

PPP最初设计是为两个对等节点之间的IP流量传输提供一种封装协议。

在TCP-IP协议集中它是一种用来同步调制连接的数据链路层协议（OSI模式中的第二层），替代了原来非标准的第二层协议，即SLIP。

除了IP以外PPP还可以携带其它协议，包括DECnet和Novell的Internet网包交换（IPX）。

PPP主要由以下几部分组成：

封装：

一种封装多协议数据报的方法。

PPP封装提供了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。

PPP封装精心设计，能保持对大多数常用硬件的兼容性。

链路控制协议：

PPP提供的LCP功能全面，适用于大多数环境。

LCP用于就封装格式选项自动达成一致，处理数据包大小限制，探测环路链路和其他普通的配置错误，以及终止链路。

LCP提供的其他可选功能有：

认证链路中对等单元的身份，决定链路功能正常或链路失败情况。

网络控制协议：

一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路连接。

配置：

使用链路控制协议的简单和自制机制。

该机制也应用于其它控制协议，例如：

网络控制协议（NCP）。

为了建立点对点链路通信，PPP链路的每一端，必须首先发送LCP包以便设定和测试数据链路。

在链路建立，LCP所需的可选功能被选定之后，PPP必须发送NCP包以便选择和设定一个或更多的网络层协议。

一旦每个被选择的网络层协议都被设定好了，来自每个网络层协议的数据报就能在链路上发送了。

链路将保持通信设定不变，直到有LCP和NCP数据包关闭链路，或者是发生一些外部事件的时候（如，休止状态的定时器期满或者网络管理员干涉）。

协议结构

8

16

24

40bits

Variable…

16-32bits

Flag

Address

Control

Protocol

Information

FCS

Flag―表示帧的起始或结束，由二进制序列01111110构成。

Address―包括二进制序列11111111，标准广播地址（注意：

PPP不分配个人站地址）

Control―二进制序列00000011，要求用户数据传输采用无序帧。

Protocol―识别帧的Information字段封装的协议。

Information―0或更多八位字节，包含Protocol字段中指定的协议数据报。

FCS―帧校验序列（FCS）字段，通常为16位。

PPP的执行可以通过预先协议采用32位FCS来提高差错检测效果。

2．3FDDI

1.FDDI简介：

光纤分布数据接口（FDDI）是目前成熟的LAN技术中传输速率最高的一种。

这种传输

速率高达100Mb/s的网络技术所依据的标准是ANSIX3T9.5。

该网络具有定时令牌协议的特

性，支持多种拓扑结构，传输媒体为光纤。

使用光纤作为传输媒体具有多种优点：

１、较长的传输距离，相邻站间的最大长度可达2KM，最大站间距离为200KM。

２、具有较大的带宽，FDDI的设计带宽为100Mb/s。

３、具有对电磁和射频干扰抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响,也不影

　　响其设备。

４、光纤可防止传输过程中被分接偷听，也杜绝了辐射波的窃听,因而是最安全的传输媒

　　体。

　　由光纤构成的FDDI，其基本结构为逆向双环，如图1所示。

一个环为主环，另一个环

为备用环。

当主环上的设备失效或光缆发生故障时,通过从主环向备用环的切换可继续维

持FDDI的正常工作。

这种故障容错能力是其它网络所没有的。

本期将就FDDI的基本构件，

拓扑结构以及操作原理等进行介绍。

图1

2.FDDI的构件

从图1可初步看到，构成FDDI的构件至少应具有下述部分：

　　１、光纤电缆。

　　２、FDDI适配器。

　　３、FDDI适配器与光纤相连的连接器。

　　然而，为了使该网络具有很强的适应性，并能将作为骨干网的FDDI与部门较低速的

20Mb/sEthernet相连，还需多种互连设备。

?

属于这种类型的构件有下述几种：

　　１、FDDI-Ethernet网桥。

　　２、FDDI集中器。

　　３、光旁路器。

　　１、光纤电缆（第一期的解释）

　　我们知道，按照光在光纤中的传播方式划分，光纤可分为多模光纤和单模光纤；单模

光纤比多模光纤具有更高的传输速率和更长的传输距离。

单模光纤的纤芯直径为8到10μｍ，

包层直径为125μｍ；多模光纤纤芯直径为62.5μｍ，包层直径为125μｍ，并通常写为

62.5/125μｍ。

包层对光具有不同的折射率（R1），其值通常小于纤芯的1%。

如果光线以

小于临界角的入射角射到纤芯和包层界面，光线将会通过包层进入外套而被吸收。

　　使用光纤作为传输媒体必须具备光电变换设备，即光发送器和光接收器。

光发送器将

要发送的编码数据转换为一串光信号，用来携带数据。

FDDI标准X3T9.5规定，光发送器使用

光二极管（LED）或激光二极管（LD）。

LED用于多模光纤，LD用于单模光纤。

接收器通常为

光检测器，用于将外来的光信号转换为电信号。

光检测器的一个重要性质是接收灵敏度，它

是外入光信号使接收器工作必须具有的最小功率。

应该指出，接收器灵敏度是针对一定范围

的光波长而言的。

　　光波长是指在光纤上用来携带数据的光射线的近似波长.光源以一定的一组波长发射光

线。

波长度量单位为nm。

在FDDI技术中，光发送器发出的光，其波长约为1300nm,如图2所示。

光发送器发射的光功率散射在一定范围内，其中心波长则为标称光波长。

从图2可看出,光散

射的范围在LD作光源时较窄，而在LED作光源时较宽。

图2

　　光在沿光纤传输时与电在导体中传输一样，其强度会逐渐减弱，这就是衰减。

光纤链

路的衰减由单位衰减量和链路长度决定。

单位衰减量是经过规定的单位长度时的衰减，单位

为dB。

根据FDDI标准，在波长为1300nm时，1km的最大衰减量为1.5dB。

　　衡量光纤衰减的另一种参数是功率预算，其功率预算值由最小发送功率和接收器灵敏

度决定。

FDDI标准规定功率预算为11dB。

　　应该强调指出，光功率的衰减除在沿光纤传输时有损耗外，光经过连接器和接头同样

也会产生损耗。

在连接器和和接头处引入的损耗称为功率恶化（powerpenalty）。

在上述各

环节引入的最大损耗量下仍能维持系统工作的总损耗称为链路损耗预算，它是最小发送器功

率与接收器灵敏度减去任何功率恶化之差。

　　２、光纤媒体连接器

　　FDDI网络节点与光纤相连需要连接器，连接器有两种：

　　１、MIC媒体接口连接器。

　　２、ST型连接器。

　　MIC连接器如图3（a）所示。

MIC的结构可确保光纤与节点中的发送／接收光学器件对

准。

该连接器由带锁的插头和带销的插座组成。

锁的作用是保证插头安装不会出错，因为安

装不正确将使FDDI构成的环失效。

　　ST型连接器也可用于连接光纤和FDDI节点，但这种连接器的插座未提供带锁机构，如

不小心，有可能反接。

显而易见，这种连接器具有较低的费用。

ST型连接器如图3（b）所示。

图3（a）

图3（b）

　　３、FDDI端口类型

　　FDDI标准对如何与光纤的连接规定了一些规则,旨在防止构成错误的拓扑结构。

在FDDI

标准中，规定了四种端口类型：

　　１、端口类型A。

　　２、端口类型B。

　　３、端口类型M。

　　４、端口类型S。

　　同时具备这四种端口类型的FDDI设备是集中器，如图4所示。

端口用于连接FDDI的主环

入和备环出；端口B用于连接FDDI双环中和环出和备环入；端口Ｍ用于连接单连接站（SAS）,

双连接站（DAS）或另外的集中器；端口S用于连接到集中器上。

图4

　　FDDI标准规定了两类站，即上述的单连接站（SAS）和双连接站（DAS）。

所谓DAS是具

有两个FDDI端口，因而能直接与双环相连的工作站；单连接站（SAS）只有一个FDDI端口,要

与FDDI环相连必须经过集中器。

两类站在FDDI双环结构中的连接如图5所示。

图中数据站1、

数据站2和集中器都具有双环连接的能力，所以是双环连接站（DAS），通过集中器只与主环

相连的数据站A、B和C都属于单连接站（SAS）。

图5

3.FDDI适配器

FDDI适配器虽然按所用机器总线不同各有差异，但与光纤接口部分原理是相同的。

为了解这种适配器的结构，先要了解FDDI技术所遵循的标准。

　　１、FDDI网络体系结构

　　FDDI是在OSI参考模型出现后发展起来的一种高速网络技术。

它所遵循的标准完全处

于OSI框架下，如图6所示。

由图可以看出，FDDI将OSI模型的物理层和数据链路层分别分

成了两个子层。

物理层分割成的两个子层是：

图6

　　１、物理层协议层（PHY）。

　　２、物理媒体相关层（PMD）。

　　PHY子层规定了传输编码和译码、时钟要求及符号集合；PMD规定了光纤媒体应具备的

条件以及连接器等。

　　数据链路层分割成的两个子层为媒体访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）。

这两

个子层的功能与ISO8802.3（Ethernet）,IEEE802.5（TokenRing）相似。

MAC子层规定

了FDDI定时令牌协议所需要的帧格式、寻址和令牌处理。

LLC子层为LLC用户提供了交换数

据的手段。

　　FDDI的站管理（SMT）标准定义如何对物理媒体相关层、物理层协议层和媒体访问控

制部分进行控制和管理。

　　按照FDDI网络体系结构层次构成的连接模型,如图7所示.由图7可以更清楚地看到,每

个子层所处的地位和应承担的功能。

图7

2．4异步传输方式ATM

5.1.4ATM原理

　1.ATM的定义与功能

　　CCITT在I系列建议中给ATM下了这样的定义：

ATM是一种转换模式（即前面所说的传输方式），在这一模式中信息被组织成信元（Cell），包含一段信息的信元并不需要周期性地出现在信道上，从这个意义上说，这种传输是异步的。

　　ATM的特点是进一步简化了网络功能。

ATM网络不参与任何数据链路层功能，将差错控制与流量控制工作都交给终端去做。

　　图5.3是分组交换、帧中计和ATM交换三种方式的功能比较。

可以看出，分组交换网的交换折点参与了OSI第1层到第3层的全部功能；帧中继节点只参与第2层功能的核心部分（2a），也即数据链路层中的帧定界、0比特插入和CRC检验功能，第2层的其它功能，即差错控制和流量控制，以及第3层功能则由终端处理；ATM网络则更简单，除了第1层的功能之外，交换节点不参与任何工作。

从功能分布的情况来看，ATM网和电路交换网有点相似，可以说ATM网是综合了分组交换和电路交换的优点而形成的一种网络。

　　TAM克服了其它传送方式的缺点，能够适应任何类型的业务，不论其速度高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。

　2.ATM的信元

　　新元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫作单元。

ATM的信元具有固定的长度，即总是53个字节。

其中5个字节是信头（Header