1、1網絡化測控網絡化測控機電工程與自動化學院機電工程與自動化學院儀器科學與技術系儀器科學與技術系董志董志2上次課內容：計算機網絡概述上次課內容：計算機網絡概述1、計算機網絡的基本概念、計算機網絡的基本概念2、計算機網絡的分類、計算機網絡的分類3、計算機網絡的、計算機網絡的拓撲結構拓撲結構4、計算機網絡的體系結構、計算機網絡的體系結構5、計算機網絡的、計算機網絡的性能指標性能指標3本節課內容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CSMA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議4本節課內

2、容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CSMA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議51. CSMA/CD協議協議CSMA/CD：Carrier sense multiple access with collision detection帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 背景背景n ALOHA協議 重發n 改進ALOHA協議 時間片思想思想n 發送前監聽n 邊發邊聽6碰撞B檢測到碰撞A檢測到碰撞ABABABABABT=0，A發送數據，B檢測到空閑。T=t1時，B檢測到信道空閑，發送

3、數據。T=t2時，發生碰撞T=t3時，B檢測到發生碰撞，停止發送數據。T=t4時，A檢測到發生碰撞，停止發送數據。數據。1. CSMA/CD協議協議71. CSMA/CD協議協議 流程流程n 當某結點需要發送數據時，偵聽網絡，判斷是否有信號正在傳輸；n 若網絡中有信號正在傳輸，繼續偵聽；n 若網絡中無信號傳輸，發送數據，同時繼續偵聽；n 若發出數據與監聽數據一致，則沒有發生沖突，完成發送任務；n 若發出數據與監聽數據不一致，則認為發生沖突，立即中止發送過程；計算發送失敗的次數；n 若發送失敗次數小于閾值，根據相關規避算法，生成等待時間，等待時間后準備重新發送；n 若失敗次數大于閾值，停止發送嘗

4、試，通知實體可能出現網絡故障。8最佳發送概率最佳發送概率每個用戶獨立隨機發送數據，發送概率為每個用戶獨立隨機發送數據，發送概率為1N iiiNP iCPP個用戶嘗試11NPNPPP只有1個嘗試成功P11211110NNNdP NPPNPNNPPdp為使為使P（成功）的概率最大（成功）的概率最大1PN最佳1. CSMA/CD協議協議91. CSMA/CD協議協議n將將2N1PN最佳代入代入P（成功）（成功）11111NNPNPPN最佳最佳成功n當當N 111limlim 10.368NSNNPPNe成功n當當5 . 0)(成功P5Nn當當4096. 0)2 . 01 ()(4成功P101. CS

5、MA/CD協議協議 系統設計原則系統設計原則min2TPDVminT傳輸一個最小幀所需的時間傳輸一個最小幀所需的時間PDV路徑延遲值路徑延遲值n 這個條件的滿足取決于：最小幀長度、帶寬、路這個條件的滿足取決于：最小幀長度、帶寬、路徑的長度、傳播速率。徑的長度、傳播速率。11幀長幀長64字節，以太網速率字節，以太網速率10Mb/s，信號在電纜中的傳輸速率信號在電纜中的傳輸速率812 10/c 米 秒n傳送一個最小幀長傳送一個最小幀長7min512 1051.2TusnPDV必須小于必須小于25.6usn因此電纜長度必須小于因此電纜長度必須小于 5120m1. CSMA/CD協議協議 系統設計舉例

6、系統設計舉例100M/s、1000M/s以太網：電纜最大長度分別為以太網：電纜最大長度分別為512m和和51.2m。解決方法：解決方法：增大最小幀長增大最小幀長 64字節字節512字節字節12本節課內容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CSMA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議132. 令牌環令牌環n目的：目的：提高數據發送時延的確定性；提高數據發送時延的確定性；n實現方法：實現方法：所有節點物理上連接成一個環，沿環有一個所有節點物理上連接成一個環，沿環有一個特殊的控制幀

7、（特殊的控制幀（令牌令牌）在單向循環流動，相當于輪詢；）在單向循環流動，相當于輪詢；n特色之處：特色之處：令牌有令牌有“忙忙”或或“空閑空閑”兩種模式。兩種模式。 令牌環令牌環是一種適用于環形網絡的分布式介質訪問控制方是一種適用于環形網絡的分布式介質訪問控制方式，已由式，已由IEEE802委員會建議成為局域網控制協議標準之一，委員會建議成為局域網控制協議標準之一，即即IEEE802.5標準標準。142. 令牌環令牌環 工作原理工作原理n環初始化（建立一邏輯環），然后產生一空令牌，在環上流動；環初始化（建立一邏輯環），然后產生一空令牌，在環上流動；n希望發送數據的站等待，直到它檢測到下一個空令牌

8、的到來；希望發送數據的站等待，直到它檢測到下一個空令牌的到來；n發送站拿到空令牌后，將其置為忙狀態，同時在忙令牌后面發送數據；發送站拿到空令牌后，將其置為忙狀態，同時在忙令牌后面發送數據；n當令牌當令牌“忙忙”時，由于網上無空令牌，想發送數據的站必須等待；時，由于網上無空令牌，想發送數據的站必須等待；n數據經環傳遞時，各站將其目的地址和本站地址比較，相符則接收同時數據經環傳遞時，各站將其目的地址和本站地址比較，相符則接收同時轉發；否則只轉發；轉發；否則只轉發；n發送數據沿環循環一周再回到發送站，由發送站將該幀從環上移去，同發送數據沿環循環一周再回到發送站，由發送站將該幀從環上移去，同時釋放令牌

9、（將其狀態改為時釋放令牌（將其狀態改為“閑閑”）發往下一站。）發往下一站。15令牌ABCDABCDABCDABCD節點A截獲令牌,并準備發送數據節點A將數據發送到節點C數據循環一周后,節點A將其收回產生新的令牌,發送到環路中2. 令牌環令牌環16 優點優點：（1）各站點有公平訪問權，）各站點有公平訪問權，延遲時間固定延遲時間固定，適用于實時過，適用于實時過程控制；程控制；（2）無沖突；無沖突；（3）可以傳遞）可以傳遞很短的幀很短的幀，傳遞速率快；，傳遞速率快； 缺點缺點：環鏈路環鏈路利用率低利用率低。2. 令牌環令牌環17本節課內容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CS

10、MA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議183. TCP連接管理連接管理TCP報文格式報文格式源端口（16）目的端口（16）序號確認號首部長度（4） 保留未用（6）碼元比特（6）窗口校驗和（16）緊急指針（16）選項（24）填充（8）數據.193. TCP連接管理連接管理TCP連接的建立連接的建立20TCP連接的釋放連接的釋放3. TCP連接管理連接管理21本節課內容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CSMA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁

11、塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議22 擁塞（擁塞（Congestion）是指到達通信子網中某一部分的分組數量是指到達通信子網中某一部分的分組數量過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分乃至整個網絡過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分乃至整個網絡性能下降的現象，嚴重時甚至會導致網絡通信業務陷入停頓，即出性能下降的現象，嚴重時甚至會導致網絡通信業務陷入停頓，即出現死鎖（現死鎖（Deadlock）現象，最終導致網絡）現象，最終導致網絡有效吞吐量有效吞吐量接近為零。接近為零。4. 擁塞控制擁塞控制 擁塞控制：擁塞控制： 高效。高效。擁塞控制解決方案能

12、夠帶來高的網絡利用率。擁塞控制解決方案能夠帶來高的網絡利用率。 所有相互競爭的數據流都有高的、端到端應用吞吐量和低的端到端延遲。所有相互競爭的數據流都有高的、端到端應用吞吐量和低的端到端延遲。 公平公平。資源在相互競爭的數據流間公平地被分配。資源在相互競爭的數據流間公平地被分配。23n輕負載輕負載n隊列形成隊列形成n擁塞崩潰擁塞崩潰4. 擁塞控制擁塞控制244.1 TCP慢啟動慢啟動n+1(倍倍)nn+1nnrestart254.2 尾部丟棄尾部丟棄 路由器的緩存管理方案用以決定何時丟棄報文以及丟棄路由器的緩存管理方案用以決定何時丟棄報文以及丟棄哪些報文。最簡單的方案是哪些報文。最簡單的方案是

13、尾部丟棄尾部丟棄（drop-taildrop-tail）。）。 在隊列滿之前報文都會被接收，隊列滿后所有報文都被在隊列滿之前報文都會被接收，隊列滿后所有報文都被丟棄，當隊列空間重新可用才開始停止丟棄報文。丟棄，當隊列空間重新可用才開始停止丟棄報文。 缺點缺點n 不會盡早地通知擁塞（沒有預警機制）不會盡早地通知擁塞（沒有預警機制）n 會造成突發的報文丟失會造成突發的報文丟失n 可能會造成流量的突發增減可能會造成流量的突發增減264.3 隨機早期檢測（隨機早期檢測（RED）基本思想：基本思想： 監測并保持平均隊列長度監測并保持平均隊列長度盡量小盡量小：足夠小以保證延遲足夠小；：足夠小以保證延遲足夠

14、小； 但同時又要但同時又要足夠大足夠大，這樣當突發流量的負載產生一個臨時的瓶，這樣當突發流量的負載產生一個臨時的瓶頸時，才能保證瓶頸帶寬的使用。頸時，才能保證瓶頸帶寬的使用。機制描述：機制描述： 如果平均隊列長度如果平均隊列長度qa max，則報文（總是）被丟棄。，則報文（總是）被丟棄。27本節課內容：計算機網絡的關鍵技術本節課內容：計算機網絡的關鍵技術1、CSMA/CD 協議協議2、令牌環、令牌環3、TCP連接管理連接管理4、擁塞控制、擁塞控制5、交換方式、交換方式6、停止等待協議、停止等待協議28 電路交換電路交換(Circuit Switching)是指數據傳輸期間，在源站是指數據傳輸期

15、間，在源站點與目的站之間建立專用電路鏈接，數據傳輸結束之前，電點與目的站之間建立專用電路鏈接，數據傳輸結束之前，電路一直被占用，而不能被其他節點所使用。路一直被占用，而不能被其他節點所使用。5.1 電路交換電路交換295.1 電路交換電路交換交換過程交換過程n電路的建立電路的建立n數據的傳輸數據的傳輸n電路的拆除電路的拆除30 優點：優點：1. 實時性好，實時性好，一旦線路建立，通信雙方的所有資源（包括線路一旦線路建立，通信雙方的所有資源（包括線路資源）均用于本次通信，除了少量的傳輸延遲之外，不再資源）均用于本次通信，除了少量的傳輸延遲之外，不再有其他延遲，具有較好的實時性。有其他延遲，具有較

16、好的實時性。2. 線路交換設備簡單，不提供線路交換設備簡單，不提供任何緩存任何緩存裝置。裝置。3. 數據傳輸數據傳輸可靠可靠，數據不會丟失且，數據不會丟失且保持原來的序列保持原來的序列。4. 用戶數據透明傳輸，要求收發雙方用戶數據透明傳輸，要求收發雙方自動進行速率匹配自動進行速率匹配。5.1 電路交換電路交換31 缺點：缺點： 1. 交換前必須先交換前必須先建立連接建立連接，電路的建立、拆除時間長。，電路的建立、拆除時間長。 特別是特別是在數據傳輸階段的持續時間短暫時，電路建立和拆除所用的時間在數據傳輸階段的持續時間短暫時，電路建立和拆除所用的時間得不償失。得不償失。 2. 獨占性獨占性：建立

17、線路之后、釋放線路之前，即使其他站點之間：建立線路之后、釋放線路之前，即使其他站點之間無任何數據可以傳輸，整個線路仍不允許通過其他站點進行傳輸，無任何數據可以傳輸，整個線路仍不允許通過其他站點進行傳輸，造成信道容量的浪費，線路的利用率低。造成信道容量的浪費，線路的利用率低。 3. 當用戶終端或網絡節點負荷過重時，可能出現當用戶終端或網絡節點負荷過重時，可能出現呼叫不通呼叫不通的情況，的情況，即不能建立電路連接。即不能建立電路連接。5.1 電路交換電路交換325.2 報文交換報文交換報文報文是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限并且可變。報是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限并且可變。報文交換

18、方式不需在兩個站點之間建立一條專用電路。文交換方式不需在兩個站點之間建立一條專用電路。33交換特點交換特點1. 無呼叫建立和，消除了呼叫等待時間，無呼叫建立和，消除了呼叫等待時間， 鏈路利用率較高。鏈路利用率較高。2. 在同一時間內，報文的傳輸只占用兩個節點之間的一段線路。在同一時間內，報文的傳輸只占用兩個節點之間的一段線路。3. 存儲存儲-轉發式的發送技術引入了傳播時延；引入了排隊等待時延。轉發式的發送技術引入了傳播時延；引入了排隊等待時延。5.2 報文交換報文交換交換過程交換過程1. 當一個站要發送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，途經的網當一個站要發送報文時，它將一個目的地址附加到報

19、文上，途經的網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的節點。個節點地轉送到目的節點。2. 每個節點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用每個節點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節點的地址，再把整個報文傳送給下一個節點。路由信息找出下一個節點的地址，再把整個報文傳送給下一個節點。34 優點：優點：1. 電路利用率高；電路利用率高；2. 在電路交換網絡上，當通信很大時，不能接受新的呼叫。而在報在電路交換網絡上，當通信很大時，不能接受新的呼叫。而在

20、報文交換網絡上，仍然可以接收報文；文交換網絡上，仍然可以接收報文；3. 報文交換系統可以把一個報文發送到多個目的地，而電路交換網報文交換系統可以把一個報文發送到多個目的地，而電路交換網絡很難做到這一點。絡很難做到這一點。 缺點：缺點：1. 不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經過網絡的延遲時間長不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經過網絡的延遲時間長而且不定。而且不定。2. 有時節點收到過多的數據而無空間存儲或不能及時轉發時，就不有時節點收到過多的數據而無空間存儲或不能及時轉發時，就不得不丟棄報文。得不丟棄報文。5.2 報文交換報文交換355.3 分組交換分組交換 分組交換分組交換，又稱，又稱

21、包交換包交換。它是報文交換的一種改進，。它是報文交換的一種改進，它將報文它將報文分成若干個分組分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限。，每個分組的長度有一個上限。36 優點優點1. 把數據傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內，這樣每個節把數據傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內，這樣每個節點所需要的點所需要的存儲量低存儲量低了。了。2. 分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組才會被重發，因此大分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組才會被重發，因此大大大降低了重發的比例和開銷降低了重發的比例和開銷，提高了交換速度。，提高了交換速度。3. 源節點發出一個報文的第一個分組后，可以源節點發出一個報文的第

22、一個分組后，可以連續連續發第二個、第發第二個、第三個分組，這些分組在各個節點中被同時接收、處理和發送，三個分組，這些分組在各個節點中被同時接收、處理和發送，而且可走不同的路徑。這種并行性而且可走不同的路徑。這種并行性縮短了整體傳輸時間縮短了整體傳輸時間，并隨，并隨時利用網絡中流量分布的變化而確定盡可能快的路徑。時利用網絡中流量分布的變化而確定盡可能快的路徑。5.3 分組交換分組交換37傳輸效率對比傳輸效率對比線路誤碼率：線路誤碼率：610p報文長度：報文長度：610L 1. 報文交換能夠被正確傳輸的概率：報文交換能夠被正確傳輸的概率：6106111 100.368LLpcPpee2. 分組交換，報文被分成分組交換，報文被分成10個分組個分組510611011 100.9LLpcPpee結論結論：整個報文平均要被傳送將近：整個報文平均要被傳送將近3次。次。結論結論：每個分組平均被傳送將