网线制作和 局部计算机网络

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局部计算机网络局部计算机网络陈庆章陈庆章

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RJ45RJ45 网线实验网线实验RJ45RJ45 网线实验网线实验

RJ45 水晶头

RJ45 网线

讲课之前的实验

•任务：制作一根网线（ 568B ）

1   2   3   4   5   6   7   8橙白  橙  绿白  蓝  蓝白  绿  棕白  棕

问题

• 双绞线接线标准为什么要有两种（ 568A 和568B ）？

• 双绞线还有两种用法：①交叉线，就是一头是568A ，另一头是 568B ；②翻转线：最简单的制作方法就是两头的线序都一样但在做另一头的时候把水晶头反过来夹住就可以了。这两种又有什么意义？

上次课程复习

• 网络协议、协议三要素• 协议分层• 协议标准 OSI /RM• TCP/IP 、 Ethernet 、 Token Ring•地址：MAC 、 IP 、 URL•相关命令： Ipconfig 、 Ping 、 Arp 、

Tracert 等

系统 A 系统 B实体 对等层

对等实体

接口

服务

物理网络

PDU

SDU

OSI/RM的体系结构分为 7层

应用层 Application

表示层 Presentation

会话层 Session

传输层 Transport

物理层 Physical

数据链路层Data Link

网络层Network

7

6

5

4

3

2

1

为网络应用提供服务数据表示在用户间建立会话关系不同主机进程间的通信在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧位流的透明传输

在各层中实现的主要功能

• 差错控制– 使对等层的通信更加可靠

• 流量控制– 控制发送端的速率，使接收端能来得及接收

• 分段和重装– 发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新

组合• 建立连接和释放连接• 信息包识别

人相互交流的协议和通信协议之间的对比人相互交流的协议和通信协议之间的对比

Hi

HiWhat’s the

time?

2:00

请求连接

传送文件：xxxxx.xxx

< 文件 >

time

连接确认

通信协议的三要素• 语义

– 对协议中各协议元素的含义的解释，例如：• 在 HDLC协议中，标志 Flag(7EH)表示报文的开始和结束• 在 BSC协议中， SOH(01H)表示报文的开始， STX(02H)表示报文正文的开始， ETX(03H)表示报文正文的结束

• 语法– 协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：

• 时序– 通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则

Flag Address Ctrl Data FCSS Flag

SOH HEAD STX TEXT ETX BCCBSC

HDLC

数据多层封装

数据

段头 数据

段头 数据分组头

帧头 段头 数据分组头 帧尾

封装

段

分组

帧

拆封

局部计算机网络局部计算机网络局部计算机网络局部计算机网络

要点

  局域网的特点及关键技术  局域网的体系结构  共享信道的介质访问控制方法  以太网（ Ethernet）  令牌环网（ Token Ring）

局域网（ LAN）特点hubhub

hubhub

hubhub

SwitchSwitch

ServerServerfarmfarm

stationstation

stationsstations

stationsstations• 覆盖范围小：房间、建筑物、园

区范围、距离≤ 25km• 高传输速率： 10Mb/s ～

1000Mb/s• 低误码率： 10-8 ～ 10-11

• 拓扑：总线、星形、环形• 介质： UTP 、 Fiber 、 COAX• 私有性：自建、自管、自用

•拓扑结构（逻辑、物理）：总线型、星形、环形、树形

•介质访问方法： CSMA/CD 、 Token-Ring

•信号传输形式：基带、宽带

–以上三种技术决定了局域网的特征

局域网关键技术

LAN典型拓扑结构

•总线型 : 所有结点都直接连接到共享信道•星型 : 所有结点都连接到中央结点•环型 : 节点通过点到点链路与相邻节点连接

BusStar

Ring

A B C

A

D

C

B

A B C

A

T

局域网体系结构• 局域网的标准： IEEE802，它是一个系列标准• 其体系结构只包含了两个层次：数据链路层和物理层

– 数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层

网络层

数据链路层

物理层

逻辑链路控制  LLC

介质访问控制 MAC

高层

OSI IEEE 802

物理层 PHY

由 TCP/IP 和 NOS实现IEEE802 描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务

和接口

IEEE802系列主要标准• IEEE802.1A-----局域网体系结构 • IEEE802.1B-----寻址、网络互连与网络管理 • IEEE802.2------逻辑链路控制 (LLC) • IEEE802.3------CSMA/CD访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3i-----10Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3u-----100Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3ab----1000Base-T访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.3z----1000Base-SX 和 1000Base-LX访问控制方法与物理层规范 

• IEEE802.4------Token-Bus访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.5------Token-Ring访问控制方法 

IEEE802系列主要标准（续）• IEEE802.6-------城域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.7-------宽带局域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.8-------FDDI访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.9-------综合数据话音网络 • IEEE802.10------网络安全与保密 • IEEE802.11------无线局域网访问控制方法与物理层规范 • IEEE802.12------100VG-AnyLAN访问控制方法与物理层规范

• 请课后查询，看看 IEEE802.11标准有哪些？

IEEE802体系结构示意图

• 数据链路层在不同的子标准中定义– 分别对应于 LLC 子层和 MAC 子层

… …802.3

CSMA/CD

802.4Token

Bus

802.5Token Ring

802.6DQDB

802.8FDDI

802.2 LLC

数据链路层

  物理层

LLC

MAC

802.1D Bridge8 0 2

体系结构

PHY

网际互联

局域网的网络层和高层

• IEEE 802标准没有定义网络层和更高层：– 没有路由选择功能

•局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接– 流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成

•网络层和更高层通常由协议软件（如 TCP/IP协议）和网络操作系统来实现。

网卡与 MAC 协议

•网络接口板又称为通信适配器 (adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 

•网卡的重要功能：– 进行串行 / 并行转换。对数据进行缓存。数据校验。– 地址识别。组帧和拆帧。访问控制等。

•其中程序按照MAC协议规范进行数据帧的封装与拆封。

网卡的作用

CPUCPU

高速缓存

高速缓存

存储器存储器

I/O 总线

计算机

至局域网网络接口卡（网卡）

网络接口卡（网卡） 串行通信

并行通信

介质访问控制方法• 局域网使用广播信道（多点访问，随机访问），多个站点共享同一信道。问题：– 各站点如何访问共享信道？– 如何解决同时访问造成的冲突（信道争用）？

• 解决以上问题的方法称为介质访问控制方法。• 动态分配介质（随机接入、受控接入）

•CSMA/CD 、 Token-Passing• CSMA/CD 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可

以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

介质访问控制方法

• 以 CSMA/CD为例

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

CSMA/CD （ IEEE802.3）概念

• CSMA/CD：载波监听多点接入 / 碰撞检测• 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接

在一根总线上。• 载波监听：是指每一个站在发送数据之前先要检测

一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 

• 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。

CSMA/CD 的碰撞检测• “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。

• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。

• 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

• 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。

• 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

问题？

• 以太网的一般通信速率是 10M，为什么我们常常得不到 10M的速度？

• 两个站点同时发送，肯定产生冲突，此时如何处理？

CSMA/CD工作原理• 发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；• 如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；• 在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（ Jam）；

•发送 Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。

• 等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。• 归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。

CSMA/CD操作的流程图

媒体忙？

发送帧

碰撞？发送完？

发送 Jam

N≥16?

Yes

NoNo

Yes

发送成功

Yes

发送失败

No

延迟随机时间

No

Yes

发送

碰撞次数N+1

接收流程是怎样？

CSMA/CD 的争用期

• 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了碰撞。

• 以太网的端到端往返时延  2  称为争用期，或碰撞窗口。

• 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。

CSMA/CD 的争用期

•以太网取  51.2 ms 为争用期的长度。•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

二进制指数类型退避算法• 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。– 确定基本退避时间（基数） ，一般是取争用期 2 。– 定义重传次数 k ， k 10 ，即 k = Min[ 重传次数 , 10]– 从整数集合 [0,1,…, (2k 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。

– T＝ R×2τ – 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

如：第一次重传 K ＝ 1 ， R ＝ 0 ， 1 ； T ＝ 0 ， 2τ。 T 在二者中随机选择。 那么第二次重传呢？ K ＝ 2 ， R ＝ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ； T ＝0 ， 2τ， 4τ， 6τ。 如此可见，重传数次越多，则退避的时间就越长，称为动态退避。

CSMA/CD / Ethernet 帧格式

PR：      前导码  - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：    帧首定界符 – 10101011，表示一帧的开始DA/SA：目的 / 源 MAC地址LEN：    数据长度（数据部分的字节数），取值范围： 0-1500

Type：   类型，高层协议标识LLC-PDU （ Data）：数据，最少 46字节 , 最多 1500字节，不够时以 Pad填充 Pad：     填充字段（可选），其作用是保证帧长不小于 64字节FCS：    帧校验序列（ CRC-32）

6 6 2 46-1500 4 字节 

FCSSA TypeDA Data Pad Ethernet

IEEE 802.3

2/6 2/6 2 46-1500 4 字节FCSSA LENDA LLC-PDU Pad

校验区间64-1518 字节

PR SFD

7 1

PR SFD

7 1

用途：保证帧长≥ 64 字节

问题

• 以太网最短帧长是多少？最长帧长是多少？• 如果你发送的信息超过最长的帧长，那怎么办

呢？

CSMA/CD的优缺点• 控制简单，易于实现；• 网络负载轻时，有较好的性能：

– 30％－ 40％以内– 延迟时间短、速度快

• 网络负载重时，性能急遽下降：– 70％－ 80％以上– 冲突数量的增长使网络速度大幅度下降

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

• 这样，以太网就有四种不同的物理层。

10BASE5粗缆

10BASE5粗缆

10BASE2细缆

10BASE2细缆

10BASE-T双绞线

10BASE-T双绞线

10BASE-F光缆

10BASE-F光缆

以太网媒体接入控制 MAC以太网媒体接入控制 MAC

铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱主机箱主机箱

双绞线

集线器BNC T 型接头

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

BNC 连接器插口

RJ-45插头

10Base5 10Base2 10BaseT

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

中继器

网段 2

网段 3

中继器

中继器 中继器

粗缆以太网 10BASE5  分插头：插入电缆 收发器：发送 /接收 , 冲突检测 , 电气隔离，超长控制 AUI：连接件单元接口 中继器的作用：扩充信号传输距离。将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的 失真和衰减。 粗缆

vampire tap

BNC端子

收发器

AUI 电缆

NIC

最大段长度  500米每段最多站点数  100

两站点间最小距离  2.5米网络最大跨度  2.8公里

细缆以太网 10BASE2

• 用更便宜的直径为  5 mm 的细同轴电缆( 特性阻抗仍为  50 W)，可代替粗同轴电缆。 

• 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 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。 

细缆以太网 10BASE2

BNC T型接头   无需插入电缆  用于办公室 LAN

细缆

BNC 接头

NIC

段最大长度  185m每段最多站点数  30

两站点间最短距离   0.5 m

网络最大跨度   925 m

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。 

10BASET

NIC

Hub（集线器）相当于多端口转发器  用于办公室 LAN

  拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形 

hub

段最大长度  100m

以太网小结

• 10BASE-T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。

• 重点： CSMA/CD、以太（ Ethernet）帧格式 

作业• 企业局域网，也称 Intranet 或企业内部网。

它是支撑企业生产经营的重要平台，请自学Intranet 基本知识，从如何确保 Intranet 的安全角度撰写一篇论文，题目自拟。例如：确保 Intranet安全的若干方法探讨、不可忽视的 Intranet安全风险及其防范、 如何将Intranet与 Internet安全隔离，等等

• 本周六下午五点前将作业传给我。