計算機網(wǎng)絡原理及應用 課件 模塊四：主題3幀格式與操作

構筑網(wǎng)絡共享平臺-局域網(wǎng)技術計算機網(wǎng)絡原理及應用課前回顧課前評估你知道網(wǎng)卡工作的層次嗎？課前評估網(wǎng)卡的結構是怎樣的？A.緩沖存儲器的作用是并串轉換B.控制器進行邏輯實現(xiàn)以及介質訪問控制C.EPROM存的是網(wǎng)卡的硬件地址D.收發(fā)器是收發(fā)信號，并進行轉換課前評估1．在Windows的DOS界面中，使用ipconfig/all命令查看到你自己筆記本網(wǎng)卡的PhysicalAddress（物理地址）并記錄下來，并對其組成情況進行簡單描述。你在哪里見過我的硬件地址？課前評估2．IP地址是__________層上使用的地址，物理地址是__________層使用的地址，這兩類地址都具有唯一性。根據(jù)下圖說明可否用IP地址或MAC地址來標識網(wǎng)絡中的一臺主機？地址都具有唯一性課前評估3．IP地址如同郵政通信地址（可以改變），物理地址如同人的姓名（一般不可改變）。設想一下，如果只通過人的姓名，你能知道他住在哪里嗎?__________；如果郵遞員只有郵政通信地址，能將信件正確投遞到特定的人嗎?_________。作為類比，在Internet中能否只使用IP地址或物理地址來進行通信？網(wǎng)絡中通信應該使用哪類地址？主題3：以太網(wǎng)幀的格式與操作學習目標知識目標本節(jié)目標掌握以太網(wǎng)幀結構。掌握數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制的常見方法。了解數(shù)據(jù)鏈路層流量控制的基本方法。掌握數(shù)據(jù)幀可靠傳輸機制。通過分析數(shù)據(jù)幀的結構，讓學生進一步理解協(xié)議的內涵，引導學生逐步樹立規(guī)則規(guī)矩意識。素質目標技能目標能夠使用網(wǎng)絡協(xié)議工具捕獲并分析以太網(wǎng)幀。以太幀結構10

你是如何理解業(yè)精于勤荒于嬉笑，行成于思毀于隨？幀：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），封裝?絡層的數(shù)據(jù)包。封裝成幀

(Framing)就是在?段數(shù)據(jù)的前后分別添加?部和尾部，然后就構成了?個幀。?部和尾部的?個重要作?就是進?幀定界，確定幀的界限?？梢院唵蔚卦O想為是沿著兩個數(shù)據(jù)鏈路層之間的?平?向把幀直接發(fā)送到對?。以太幀結構11

用于節(jié)點或設備的物理尋址。MAC地址，12個字節(jié)指明高層可以使用的協(xié)議。類型字段，2個字節(jié)包含多少數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字段，46~1500字節(jié)檢查數(shù)據(jù)是否出錯。FCS字段，采用CRC-32方法，4個字節(jié)以太幀結構12

請指出以太網(wǎng)幀包含的語法、語義、同步等內容請說出以太網(wǎng)幀使用何種同步技術為什么以太?MAC幀沒有幀結束定界符？廬山“幀”面目13

幀結構分析全局單播MAC地址以太網(wǎng)Ⅱ幀設置上限原因接收端的緩存空間是有限的，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)不能太長發(fā)送數(shù)據(jù)太長的話，一旦發(fā)送失敗，損失很大每個終端不能一次占用時間太長類型字段為IP幀的長度范圍：幀頭（6+6+2）+數(shù)據(jù)（46~1500）+FCS（4），即64~1518字節(jié)以太網(wǎng)幀結構14

考研考點：全國統(tǒng)考有涉及，院校自主命題未涉及。差錯控制

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差錯的概念：若傳輸過程中，出現(xiàn)1變?yōu)?或0變?yōu)?的情況，稱比特差錯。通信過程中出現(xiàn)的差錯可大致分為兩類①信道固有的、持續(xù)存在的隨機熱噪聲，所造成的錯誤稱為隨機錯誤，是孤立的單比特錯誤，影響全局；②由外界特定的短暫原因（如電磁干擾）產(chǎn)生的沖擊噪聲，而導致的突發(fā)錯誤，影響局部。誤碼率：在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率。在計算機網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)時，除提高信噪比外，須采用各種差錯控制措施。差錯控制方法

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差錯控制：是指在數(shù)據(jù)通信過程中發(fā)現(xiàn)或糾正差錯，并把差錯限制在允許范圍內（誤碼率）的技術和方法。差錯編碼：是指數(shù)據(jù)信息位在向信道發(fā)送之前，先按照某種關系附加上一定的冗余位，構成一個碼字后再發(fā)送。自動請求重發(fā)（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）前向糾錯（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）混合糾錯（HybridErrorCorrection，HEC）。差錯校驗：是指接收端收到該碼字后，通過檢查信息位和附加冗余位之間的關系判定傳輸過程中是否有差錯發(fā)生。檢錯碼：奇偶校驗碼、循環(huán)冗余校驗碼以及校驗和等。糾錯碼，如海明碼等。海明碼

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特點：能且只能糾正一位錯誤思想：在k個信息位的基礎上加上r個冗余位，構成n=k+r位的碼字;

r與k滿足關系式：2r≥k+r+1，其中某個冗余位與某幾個信息位構成偶校驗的關系;接收端對這r個偶關系進行校驗，即將每個冗余位和與它相關聯(lián)的信息位進行異或運算，相異或的結果稱為校正因子；如果沒有錯的話，這r個校正因子都為0；如果有一個錯則校正因子不會全為0，根據(jù)校正因子的不同取值，可以知道錯誤發(fā)生在碼字的哪一個位置上。海明碼

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舉例：數(shù)據(jù)“1010”的海明碼的編碼及校驗確定海明碼的位數(shù)：根據(jù)2r≥k+r+1，k=4，則r=3，海明碼位數(shù)n=k+r=7構造海明碼：在7位（H7H6H5H4H3H2H1

）海明碼中，4個信息位（D4

D3D2D1）和3個冗余位（r2r1r0）的對應關系如下確定校驗位的分布：規(guī)定校驗位Pi

在海明位號為2i-1的位置上，其余各位為信息位信息位冗余位r2r1r0海明碼位H7H6H5H4H3H2H1

碼字中的位置7654321校驗碼P31P2P1海明碼位H7H6H5H4H3H2H1

碼字中的位置7654321海明碼

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分組形成校驗關系：被檢驗數(shù)據(jù)位的海明位號等于校驗該數(shù)據(jù)位的各校驗位海明位號之和校驗碼D4D3D2

P3D1P2P1海明碼位H7H6H5H4H3H2H1

碼字中的位置7654321海明碼

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確定校驗位的取值：校驗位Pi

（校驗因子）的值為第i組的所有位求異或形成的海明碼：1010對應的海明碼為10100

1

0（下劃線為校驗位）運算規(guī)則：同為0，異為1海明碼

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海明碼的校驗：每個檢驗組分別利用校驗位和參與形成該校驗位的信息位的奇偶校驗檢查，構成k個檢驗方程。若S1S2S3

的值為“000”，則說明無差錯；否則說明出錯，且這個數(shù)即是錯誤位的位號。如S1

S2S3

的取值為“001”，說明第1位出錯，即H1

出錯，將該位取反即可達到了糾錯的目的。海明碼

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海明碼的糾錯能力：當海明距離d較大時，糾錯所用的差錯控制開銷遠遠大于檢錯的開銷。課堂練習：海明碼中信息位為7位，接收端收到的碼字為11110111011，請問此碼字是否出錯，并求發(fā)送端發(fā)送的信息。奇偶校驗碼

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原理：在7位ASCII代碼后增加一位，使得碼字中“1”的個數(shù)恒為奇數(shù)或偶數(shù)。奇偶校驗碼

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垂直冗余校驗：能檢測出每列中所有奇數(shù)位錯，但檢測不出偶數(shù)位錯。水平奇偶校驗：能發(fā)現(xiàn)長度小于字符位數(shù)的突發(fā)性錯誤。奇偶校驗碼

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水平垂直奇偶校驗：不但能發(fā)現(xiàn)所有1位、2位或3位的錯誤，而且能發(fā)現(xiàn)某一行或某一列上的所有奇數(shù)個錯誤。循環(huán)冗余碼

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循環(huán)冗余碼

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發(fā)送方在發(fā)送的數(shù)據(jù)后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼一起發(fā)送。。CRC采用二進制模2（異或）運算。接收方對收到收到的每一幀進行CRC，判斷數(shù)據(jù)幀是否產(chǎn)生了誤碼。...???????R=0?R≠0??????循環(huán)冗余碼

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CRC計算舉例。

11010010001構造“被除數(shù)”待發(fā)送數(shù)據(jù)后面添加生成多項式最高次數(shù)個02構造“除數(shù)”生成多項式各項系數(shù)構成的比特串作為除數(shù)11013做“二進制模2除法”相當于對應位進行邏輯異或運算11101⊕111011101⊕111001110111⊕00101101⊕4檢查“余數(shù)”余數(shù)的位數(shù)應與生成多項式最高次數(shù)相同，如果位數(shù)不夠，則在余數(shù)前補0來湊足位數(shù)。00001101001發(fā)送循環(huán)冗余碼

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CRC校驗。

1構造“被除數(shù)”接收到的信息作為被除數(shù)2構造“除數(shù)”生成多項式各項系數(shù)構成的比特串作為除數(shù)3做“二進制模2除法”相當于對應位進行邏輯異或運算4檢查“余數(shù)”余數(shù)為0，可認為傳輸過程無誤碼；余數(shù)不為0，可認為傳輸過程產(chǎn)生了誤碼。10110100111011100101101⊕11001101⊕111101⊕1100余數(shù)不為0可認為傳輸過程產(chǎn)生了誤碼！循環(huán)冗余碼

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CRC的檢錯能力。檢測出大多數(shù)常見的錯誤類型，如單比特錯誤、雙比特錯誤、奇數(shù)位錯誤以及小于等于校驗位長度的突發(fā)錯誤等校驗的冗余碼的位數(shù)越多，檢錯能力就越強，但額外的傳輸開銷和計算開銷也相應地變得更大。廣泛使用的生成多項式有3種

差錯控制

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考研考點：全國統(tǒng)考未涉及，院校自主命題有涉及。1.數(shù)據(jù)鏈路層采用CRC進行校驗，生成多項式為G(X)=x3+1，待發(fā)送比特流為10101010，則校驗信息為（

）?！?017北京郵電大學】A．101 B．110 C．100

D．0102.采用海明碼糾正1個比特差錯，若信息位為6位，則冗余循環(huán)位至少應為（

）位。【2012中國科技大學】A．1 B．2 C．4 D．8流量控制

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目標在于控制發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送能力，使之不能超過接收端的數(shù)據(jù)接收能力。簡單的停等協(xié)議。復雜的滑動窗口協(xié)議。流量控制

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簡單的停等協(xié)議基于固定速率的流量控制。復雜的滑動窗口協(xié)議。思想：發(fā)送數(shù)據(jù)前預定好固定的數(shù)據(jù)幀傳輸速率。優(yōu)點：流量控制方法很容易實現(xiàn)。缺點：可能導致低效的傳輸效率和帶寬資源的浪費。代價：發(fā)送方在發(fā)送每個數(shù)據(jù)幀之后等待接收方的確認思考：簡單停等協(xié)議的信道利用率是多少？流量控制

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滑動窗口流量控制發(fā)送窗口（WT）：發(fā)送端維持一組連續(xù)的允許發(fā)送幀的序號。流量控制

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滑動窗口流量控制接收窗口（WR）：接收方維持一組連續(xù)的允許接收幀的序號。只有接收窗口向前滑動(同時接收方發(fā)送了確認)時，發(fā)送窗口才可能(只有發(fā)送端收到確認后)向前滑動可靠傳輸控制

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概念：數(shù)據(jù)在傳輸過程中不出錯、不丟失、不亂序、不重復。機制：確認（累積確認-返回ACK，捎帶確認-ACK搭載在反向數(shù)據(jù)中）和重傳（超時定時器）機制來實現(xiàn)可靠傳輸控制

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差錯控制停-等協(xié)議情況（d）可能出現(xiàn)重復幀：讓一個數(shù)據(jù)幀攜帶上不同的發(fā)送序號（一個比特的編號就可以了）WT=WR=1可靠傳輸控制

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差錯控制停-等協(xié)議信道利用率分析確認幀ACK的長度遠小于數(shù)據(jù)幀的長度，因此TA<<TD例：一條數(shù)據(jù)傳輸率為2Mbit/s的衛(wèi)星鏈路，從發(fā)送方的地面站發(fā)送一幀8000比特到接收方的地面站，然后接收方返回ACK到發(fā)送方的往返時間RTT為500ms。

TA=8000÷（2╳106）=4（ms），RTT=500（ms）U≈4÷（4+500）≈0.8%（信道利用率非常低）可靠傳輸控制

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連續(xù)ARQ協(xié)議在停-等協(xié)議的基礎上，利用發(fā)送窗口來限制發(fā)送方連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的個數(shù)。發(fā)送方發(fā)送窗口：允許發(fā)送方已發(fā)送但還沒有收到確認的數(shù)據(jù)幀序號的范圍，窗口的大小就是發(fā)送方已發(fā)送但還沒有收到確認的最大數(shù)據(jù)幀個數(shù)。主要改進之處：發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，不必每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀就停下來等待接收方的確認?？煽總鬏斂刂?/p>

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連續(xù)ARQ協(xié)議工作原理。發(fā)送方連續(xù)發(fā)送0~67幀后停發(fā)，設置超時計算器；接收方只能按序接收數(shù)據(jù)幀，成功接收0~1幀，發(fā)送確認幀ACK1(累積確認），接收窗口向前移動；檢測到2幀出錯后，重發(fā)ACK1，防止ACK1丟失；發(fā)送方2幀超時計時器到后，重發(fā)2~6幀。雖然發(fā)送方已經(jīng)發(fā)完了6號數(shù)據(jù)幀，但仍必須回退，將2號數(shù)據(jù)幀及后續(xù)的3、4、5、6號數(shù)據(jù)幀全部重傳。正因為如此，連續(xù)ARQ協(xié)議又稱為Go-Back-N（GBN）ARQ協(xié)議，即回退N幀ARQ協(xié)議?？煽總鬏斂刂?/p>

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連續(xù)ARQ協(xié)議連續(xù)ARQ的發(fā)送窗口與接收窗口。序號字段的長度為k比特，則幀的序號空間為[0,2k-1]。發(fā)送方一次連續(xù)發(fā)送的幀數(shù)量小于等于2k-1，則能保證后退N幀協(xié)議在任何情況下都不會出現(xiàn)差錯。接收方只需要維持一個接收窗口，即WR=1。。這個圖中序號空間為0~7（8個），但發(fā)送數(shù)據(jù)幀的數(shù)量只能小于等于7個。可靠傳輸控制

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連續(xù)ARQ協(xié)議連續(xù)ARQ的信道利用率。流水線傳輸，能獲得很高的信道利用率。設連續(xù)ARQ協(xié)議的發(fā)送窗口為n，當nTD<TD+RTT+TA，即在一個發(fā)送周期內可以發(fā)送完n個數(shù)據(jù)幀，信道利用率為：當nTD≥TD+RTT+TA：即在一個發(fā)送周期內發(fā)不完（或剛好發(fā)完）n個數(shù)據(jù)幀，只要不發(fā)生差錯，發(fā)送方就可不間斷地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，信道利用率為1?？煽總鬏斂刂?/p>

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選擇重傳協(xié)議后退N幀協(xié)議必須重傳出錯數(shù)據(jù)幀以后的所有幀，從而造成信道帶寬的浪費。選擇重傳（SelectiveRepeat，SR）ARQ協(xié)議只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)幀。需要對每個正確接收的數(shù)據(jù)幀逐一確認。可靠傳輸控制

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選擇重傳協(xié)議工作原理：每個發(fā)送緩沖區(qū)對應一個計時器，當計時器超時后，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)幀就重傳。另外，SR還采用了更有效的差錯處理策略，即一旦接收方檢測到某個數(shù)據(jù)幀出錯，就向發(fā)送方立即發(fā)送一個否定幀NAK，要求發(fā)送方立即重傳（不需要等待超時，加快重傳速度，提高信道利用率）NAK指定的數(shù)據(jù)幀?？煽總鬏斂刂?/p>

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選擇重傳協(xié)議SR發(fā)送窗口與接收窗口的選擇：條件①，采用n比特對數(shù)據(jù)幀編號，WR+WT≤2n；條件②，WR≤WT（否則，若接收窗口大于發(fā)送窗口，接收窗口永遠無法填滿，接收窗口多出的空間就意義）；WR≤2n-1。一般情況下，WR

和WT

的大小相同。可靠傳輸控制

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關于累積確認和逐一確認數(shù)據(jù)鏈路層使用后退N幀（GBN）協(xié)議，發(fā)送方已經(jīng)發(fā)送了編號0~7的幀