计算机网络基础 第二部分 包传输

主要内容 包、帧和错误检测 局域网技术和网络拓扑 硬件编址 局域网布线 扩展局域网 广域网技术和路由 网络所有权

1. 包、帧和错误检测 计算机网络通常将数据分割成较小的数据块进行传输，这些数据块称为packet，通常译成分组或包。 使用包的两个原因： 提高出错重传的效率，只需要重传出错的包即可。 保证公平访问，防止某个应用程序长时间地占用共享信道。

包和硬件帧 每种硬件技术各自定义了在其硬件上传送包的细节，包括包的大小和格式。术语帧（frame）指代特定硬件格式的包。 帧格式定义包括： 帧的开始与结束标记 区分数据信息和控制信息的办法 检测传输错误的办法

帧格式及字节填充 帧定界 字节填充

检测传输错误 检测传输错误的一般方法： 传输错误的检测： 在发送的数据中附加一小段数据，发送方通过对这段数据的计算和检验来确定数据是否被正确传输。 传输错误的检测： 奇偶校验位：不能检测出偶数个错误。 校验和：计算简单，但检错能力较弱。 循环冗余校验CRC：检错能力极强，且有简单的硬件支持。

计算校验和的例子 （1）由12位ASCII码生成16位校验和的例子 （2）包含CRC的帧

2. 局域网技术及网络拓扑 早期的计算机通信系统采用直接的点对点通信，开销大，可扩展性很差。 20世纪70年代初开发出称为局域网的计算机通信方式，代替昂贵的专用点对点连接。 局域网技术依赖于共享网络，每个局域网由一条许多计算机连接在其上的单一共享介质组成，计算机轮流使用介质发送包。 局域网技术开销小，扩展性好，已成为计算机网络中最普遍的形式。 共享网络用于本地通信，点对点连接常用于远距离网络。

点对点连接 5台计算机需要10条连接

局域网的拓扑结构 星形拓扑 环形拓扑 总线拓扑 所有计算机连接到一个中枢节点上，中枢节点常称为网络集线器。 所有计算机通过计算机间的点到点链路连接成一个封闭的环。 总线拓扑 所有计算机连接到一根长电缆上。

局域网拓扑示例

总线网实例--以太网（Ethernet） 以太网最早由Xerox公司发明，随后DEC、Intel和Xerox合作制定了一个生产标准，称为DIX以太网。 最早的以太网由一根称为以太（ether）、连接着多台计算机的同轴电缆组成，速率10Mbps。

CSMA/CD 以太网采用CSMA/CD协议协调节点的传输： 发送方通过检测电缆上电的活动性来判断电缆是否正在被使用，如果电缆空闲就可以发送。 发送的过程中检测冲突，一旦检测到冲突，立即停止发送。 随机等待一段时间再重试。

环形网实例--IBM令牌环 大多数使用环形拓扑的局域网使用令牌传递机制进行访问控制，因而称令牌环。 数据在环上沿一个方向传播，每个节点收到数据比特后立即将其传给下一个节点，直至到达发送节点，发送节点将数据从环上取消。 发送许可通过令牌传递。令牌是一个特殊的帧，一直在环上巡游，只有获得令牌的节点允许发送一个帧，然后将令牌传递给下一个节点。 环上任何时候最多只有一个令牌，因而不会发生冲突。 令牌绕环巡游，每个节点都有机会使用网络。

令牌环示例

环形网实例--FDDI FDDI使用光纤而不是电缆，可以达到100Mbps的速率。 在节点失效或环路中断时，主环和次环被连接起来以绕过故障点。

FDDI的双环结构

星形网实例--ATM网络 ATM网络的核心是ATM交换机，互连的一台或多台交换机形成一个中枢集线器，所有计算机均连接在上面。 ATM被设计用于提供高吞吐量，因而计算机和交换机之间使用一对光纤，每条光纤在一个方向上承载数据，数据速率为155Mbps及以上。

ATM网络拓扑

3. 硬件编址 从物理上说，通过共享网络传输的信号会到达所有节点，两台计算机如何通过这样的介质通信呢？ 大多数局域网使用编址模式提供直接的通信。每个节点被分配一个唯一的硬件地址（物理地址，MAC地址），每个帧包含发送者及期望接收者的硬件地址。 网卡分析帧的地址字段，只有目的地址与节点地址相匹配的帧才会被交给操作系统去进一步处理，其余的帧被丢弃。 网卡还负责检查帧的长度是否在允许的范围内，以及检查CRC以确保收到的帧是正确的。

DIX以太帧结构

MAC地址 MAC地址属于网卡而不是主机，通常被固化在ROM中。 MAC地址的长度为6个字节，通常用由冒号分隔的6个十六进制数表示。比如，MAC 地址：00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010表示为 8:0:2b:e4:b1:2。 MAC地址有局部地址和全局地址之分： 全局地址由IEEE分配，没有两个网卡具有相同的全局地址 局部地址由网络管理员分配，只在本网内有效

MAC地址类型 MAC地址有三种类型： 单播地址：指示某一个节点接收数据 广播地址：指示网上所有的节点接收数据 多播地址：指示网上的一组节点接收数据 网卡分析帧的地址字段，如果帧的目的地址与节点地址相匹配、或者是广播地址、或者在要监听的多播地址集合中，将帧交给操作系统做进一步处理。

帧头和帧格式 大多数局域网技术都规定帧由帧头和载荷（payload）两部分组成： 帧头包含发送者地址和接收者地址等信息，每个字段都有固定的长度和位置。 载荷包含要发送的信息，长度一般是可变的。 帧格式的一个例子

计算机使用网络接口卡（NIC）处理分组收发的全部细节。 网络接口卡插在计算机总线上，用一条电缆连接到网络介质上。 4. 局域网布线 计算机使用网络接口卡（NIC）处理分组收发的全部细节。 网络接口卡插在计算机总线上，用一条电缆连接到网络介质上。

网卡的安装

双绞线以太网（10BaseT） 集线器：作为网络中枢的电子设备，其内部的电子部件仿真一条物理电缆。 网络接口卡 带RJ-45连接器的双绞线：连接网络接口卡与集线器。

办公室中的双绞线以太网布线

物理拓扑与逻辑拓扑 10BaseT是总线拓扑还是星形拓扑？ 所以，网络技术决定了逻辑拓扑结构，布线方案决定了物理拓扑结构，物理拓扑与逻辑拓扑可以不同。

网络接口卡和布线方案 许多网络接口卡支持多种布线方案，即一个网络接口卡上有几种连接器，可以根据具体的布线方案选用。 但是一个给定的接口每次只能使用一种布线方案，即计算机软件只能激活一个连接器，其它的不能使用。

5. 扩展局域网 距离限制是局域网设计的基本部分： 局域网技术通常使用共享通信介质（为节省费用），共享介质的访问控制机制是限制局域网长度的主要原因之一。 局域网硬件依照设定的最大电缆长度进行设计，硬件在超过限制的线路上不能正确工作（如远端节点收不到足够强的信号）。

中继器 中继器用于连接两个电缆段，它将从一个电缆段上收到的所有电信号放大后发送到另一个电缆段上，起到延长电缆段的作用。 中继器并不识别帧格式，也没有物理地址，只是放大和转发物理信号，会将冲突信号、噪声等也发送到另一个电缆段上。

用中继器连接网段

网桥 网桥是连接两个局域网段的电子设备。 网桥接收每一个网段上的帧，验证帧的完整性，必要时将帧转发到其它网段上。网桥不会转发干扰或者出错的帧。 网桥对于用户来说是透明的。 典型的网桥由一台带有CPU、存储器和两个网络接口的传统计算机组成，CPU执行ROM中的代码，不运行应用软件。

交换机 交换机在物理上与集线器类似，但工作方式不同： 交换机允许多对端口之间同时通信，吞吐量高；另外采用专用集合电路芯片实现，转发速率快。 集线器模拟一个共享介质 交换机模拟每段带有一台计算机的桥接局域网。 交换机允许多对端口之间同时通信，吞吐量高；另外采用专用集合电路芯片实现，转发速率快。

使用多种交换机组网

6. 广域网技术和路由 按照网络规模，计算机网络分为： 区分广域网技术与局域网技术的关键是规模： 局域网：跨越一个建筑物或校园 城域网：跨越一个城市 广域网：跨越多个城市、国家甚至洲。 区分广域网技术与局域网技术的关键是规模： 广域网必须能够根据需要增长并连接分布在很大物理距离内的计算机，同时必须为通信提供足够的能力。（节点可以任意多，地理范围可以任意大，可提供足够的通信能力）

分组交换机 为使广域网具有成长能力，广域网由连接了许多计算机的交换机组成，交换机之间采用点对点线路连接。 分组交换机是广域网的基本部件，它将完整的分组（包）从一个端口转发到另一个端口。 几乎每种形式的点对点通信都已被用来构造广域网。

构建广域网 广域网通过互连一组分组交换机并连接计算机而形成。 增大广域网容量时可以添加另外的交换机或互连。 广域网不需要是对称的，交换机之间的互连和每条连接的容量是为了接收预期的通信并在故障情况下提供冗余而选定的。

存储转发 广域分组交换系统的基本机制是存储转发： 分组到达后首先在存储器中缓存； 处理器分析每个分组的目的地址，选择最佳的输出端口，将分组从选定的端口发送出去。

广域网内的物理编址 从计算机的角度来看，广域网的工作方式类似于局域网： 每项广域网技术都定义了具体的帧格式 每台计算机都被分配了一个物理地址 每个分组必须携带一个目的地址 为提高转发效率，广域网一般采用分层编址模式。比如，将一个地址分成两部分，分别标识分组交换机和连接在分组交换机上的计算机。

下一跳转发 分组交换机根据分组的目的地址为分组选择外出路径。 分组交换机不保留关于如何到达目的地的完整信息，只是确定为到达目的地而需要被转发到的下一个地点（称下一跳）的信息。 下一跳信息被组织在一个表中，交换机利用分组的目的地址查找匹配的表项，然后将分组发给该表项指定的下一跳。

下一跳转发图示 Switch 2 的转发表

分层地址与路由 存储下一跳信息的表称为路由表，把分组转发到下一跳的过程称为路由。 分层编址对路由的影响： 除最后一个分组交换机以外，其它分组交换机只使用目的地址的第一部分转发分组。 路由表中对每个目的分组交换机只包含一个表项，从而大大减小了路由表的规模，缩短了查表时间。

基于分层编址的路由

广域网内的路由 为了让广域网正常运转，交换机中的路由表必须满足下列要求： 必须包含到每个可能目的地的下一跳路由 下一跳路由必须是最佳的 每个路由表中允许有一个默认项，它的优先级比其它表项都低。当转发机制不能发现到指定目的地的显式表项时，使用默认项。

广域网内路由示例

默认路由示例

路由表计算 计算路由表的一般方法： 静态路由： 动态路由： 将路由器抽象为顶点，路由器之间的点到点链路抽象为边，数据包在链路上的传输代价抽象为权，计算每一对顶点之间的最小代价通路。 静态路由： 路由表在交换机启动时安装，此后不再改变。 计算简单，网络开销小，缺点是不灵活。 动态路由： 根据网络的变化动态更新路由表。 灵活性强，但计算复杂，网络开销大。

广域网技术实例 ARPANET：世界上第一个分组交换广域网。 X.25：早期的技术，速度很低。 帧中继（Frame Relay）：可提供远程局域网间的高速数据传输，4Mbps~100Mbps。 交换式多兆位数据服务（SMDS）：速度高于帧中继。 异步传输模式（ATM）：希望集成语音、视频、数据等业务，并提供服务质量保证，155Mbps以上。

7. 网络所有权 专用网络： 公用网络： 网络的使用限制在公司或个人。 专用局域网能被完全拥有，专用广域网只能完全拥有基本的分组交换硬件，专用网络中的数字电路从公共通信公司租用。 公用网络： 由服务提供商拥有并运营，任何用户可以使用。 公用网络几乎都是广域网。

优点和缺点 专用网络： 公用网络： 优点：所有者完全控制技术选择和策略，安全性好（专用网与外部网络隔离）。 缺点：网络的安装与维护费用高，需要培训专门的技术人员。 公用网络： 优点：灵活性好（用户可在任何时间和地点接入网络），公司内部不需要专门的技术人员。 缺点：安全性差。

虚拟专用网（VPN） 虚拟专用网结合了专用网和公用网的优点： VPN的构建： 允许拥有多个站点的公司使用公用网络承载站点间的通信，安装和维护的费用少。 数据通信被限制在公司的各个站点之间，而且分组在通过公用网络传输时被加密，安全性好。 VPN的构建： 在专用网和公用网之间安装专门的设备（硬件和软件）。 每个VPN系统配置好其它站点上VPN系统的地址，使得数据包只能在这些地址之间传递。 配置好每个站点的路由，使得站点内的通信不通过VPN系统，而站点间的通信必须通过VPN系统。

专用网与虚拟专用网

练习题 局域网中常见的拓扑结构有哪些？对于每一种拓扑结构，请举出一个使用该结构的网络例子。 说一说你所了解的MAC地址的知识（如长度、类型等）。 说一说你所知道的以太网的布线方法。 有哪些方法可以扩展局域网的规模？这些方法有什么不同？ 请说一说广域网的组成、分组交换机制、编址方式。