【25软考网工笔记】第三章 局域网（1）CSMA/CD、二进制指数退避算法、最小帧长计算

一、CSMA/CD

1. 局域网架构概述

标准代号：局域网的标准代号是IEEE 802，由电子电气工程师协会（IEEE）制定。 基本架构：局域网的基本架构可以分为两层，分别是MAC子层和逻辑链路控制（LLC）子层。

• MAC子层主要负责物理介质的访问控制
• LLC子层主要向上对接网络层。

常用协议：局域网协议众多，但大部分已被淘汰。现在广泛使用的有线协议是以太网（IEEE 802.3），无线协议是WIFI（IEEE 802.11）。

2. 局域网的拓扑结构

局域网的主要特征由网络的拓扑结构、所采用的协议类型,以及介质访问控制方法决定。 定义: 局域网的拓扑结构是指连接网络设备的传输介质的铺设形式。 主要类型:

• 星型网络
• 总线型网络
• 环型网络
• 树型网络
• 全网状型网络
• 部分网状网络
• 混合型网络

特点说明:

• 早期的总线型以太网使用同轴电缆互联，后来通过集线器或交换机互联，可以构成星型或树形网络。
• 混合型网络在实际项目应用中常见，具有冗余性，可以看作树形结构，有树根和多个叶子节点。

3. CSMA

CSMA (Carrier Sense Multiple Access,载波监听多路访问） 基本原理:发送数据之前,先监听信道上是否有人在发送。若有,说明信道正忙,否则说明信道是空闲的,然后根据预定的策略决定:

• 若信道空闲,是否立即发送。
• 若信道忙,是否继续监听。

1）CSMA的三种监听算法

1、1-坚持型监听算法（继续监听，不等待）

• 原理: 只要信道变闲，就可立即发送数据。如果发生冲突，后退再试。
• 特点: 冲突概率和利用率都比较高（双高），有利于抢占信道，减少信道空闲时间。
• 以太网默认使用该监听算法

2、非坚持型监听算法（后退随机事件）

• 原理: 如果信道空闲，则发送数据；如果信道忙，则后退随机时间再监听。
• 特点: 由于随机时延后退，减少了冲突的概率，但信道利用率降低，增加了发送时延。

3、P-坚持型监听算法

• 原理：若信道空闲，以概率P发送，以概率（1-P）延迟一个时间单位，P大小可调整

2）例题1

审题过程: 题目描述了以太网介质访问控制策略中的一种监听算法，并询问该算法的名称和主要特点。

解题思路: 根据题目描述，“一旦介质空闲就发送数据，假如介质忙，继续监听，直到介质空闲后立即发送数据”，这与1-坚持型监听算法的原理相符。

选项分析:

• A. 1-坚持型：符合题目描述，是正确答案。
• B. 非坚持型：不符合题目描述，因为非坚持型在信道忙时会后退随机时间，而不是继续监听。
• C. P-坚持型：不符合题目描述，因为P-坚持型在信道空闲时会以概率P发送，而不是立即发送。
• D. 0-坚持型：不存在这种监听算法。

答案: A, B（介质利用率和冲突概率都比较高）

易错点: 容易误选非坚持型或P-坚持型，需要准确理解各种监听算法的原理和特点。

2. 冲突检测原理CD

1）冲突检测概述

载波监听限制: 载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。 带宽浪费问题: 若帧比较长或两个帧发生冲突还继续发送，会浪费网络带宽。 边发边听方法: 发送站应采取边发边听的冲突检测方法，以减少带宽浪费。

• 发送接收比较: 发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较。
• 无冲突继续: 若比较结果一致，说明没有冲突，继续发送。
• 冲突处理: 若比较结果不一致，说明发生了冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号(Jamming)，使所有站都停止发送。
• 发送Jamming后等待：发送Jamming之后等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

2）CSMA/CD协议适用拓扑

适用拓扑: 对总线型、星型和树型拓扑，访问控制协议是CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测)。

算法优势: 带冲突检测的监听算法把浪费带宽的时间减少到检测冲突的时间。

3）例题2

选项A: 每个节点按照逻辑顺序占用一个时间片轮流发送。这是TDMA的特点，不是CSMA/CD，故A错误。

选项B: 每个节点检查介质是否空闲，如果空闲立即发送。这是CSMA/CD的基本行为，故B正确。

选项C: 每个节点想发就发，如果没有冲突则继续发送。CSMA/CD在发送前会检测信道是否空闲，故C错误。

选项D: 得到令牌的节点发送，没有得到令牌的节点等待。这是令牌环或令牌总线的特点，不是CSMA/CD，故D错误。

答案: B

4）例题3

选项A: 再次收到目标站的发送请求后。这不是CSMA/CD协议规定的重新发送条件，故A错误。

选项B: 在JAM信号停止并等待一段固定时间后。CSMA/CD协议规定等待的是随机时间，不是固定时间，故B错误。

选项C: 在JAM信号停止并等待一段随机时间后。这是CSMA/CD协议规定的重新发送条件，故C正确。

选项D: 当JAM信号指示冲突已经被清除后。JAM信号本身不指示冲突是否清除，只是通知所有站停止发送，故D错误。

答案: C

5）例题4

6）例题5

选项A: 用于检测网络中的冲突和碰撞。这是CSMA/CD的核心功能，故A正确。

选项B: 用于检查网络连接的状态。这不是CSMA/CD的功能，故B错误。

选项C: 用于监测网络带宽的利用率。虽然CSMA/CD有助于提升带宽利用率，但这不是其直接功能，故C错误。

选项D: 用于检查数据包的完整性。这不是CSMA/CD的功能，故D错误。

答案: A

7）CSMA/CD与信道利用率

传播时延与传输时延: CSMA/CD充分利用传播时延小于传输时延的特性，当检测到碰撞时，能够快速中止传输，减少信道时间的浪费。 信道利用率提升: 通过冲突检测机制，CSMA/CD能够在冲突发生时及时检测并处理，从而减少因碰撞带来的影响，提升信道利用率。

知识小结

二、二进制指数退避算法

1. 工作原理

二进制指数退避算法工作原理如下: (1)检测到冲突后,马上停止发送数据,并等待随机时间再发送数据。 (2)等待的随机时间=t*Random[0,1, .. 2^k-1]

• 等待随机时间: 等待的随机时间由公式t×Random[0,1,...,2k−1]决定，其中t是基本退避时间（固定值），Random表示随机函数，k=min⁡[重传次数,10]。
• 重传次数与k的关系: 如果重传12次，则k=min⁡[12,10]=10，可能等待的时间是t×Random[0,1023]，共有1024种可能。
• 退避时间的随机性: 每次站点等待的时间都是随机数，后一次退避时间不一定比前一次长。
• 冲突概率的降低: 重传次数越多，退避窗口（即Random取值范围）越大，从而降低冲突概率。但只能降低冲突概率，不能杜绝冲突。
• 网络繁忙或故障的判断: 如果连续发生16次碰撞，认为网络繁忙或故障，不再尝试发送。

1）例题1

题目: 采用CSMA/CD进行介质访问，两个站点连续冲突3次后再次冲突的概率是多少？

• 解法一: 常规解法，计算每次冲突后的k值及随机区间。冲突3次后，k=3，随机区间为[0,7],两个站点再次冲突的概率是两者随机到相同时间的概率，即1/8。
• 解法二: 简化公式，冲突概率为1/2^n（n表示已经发生冲突的次数，n≤10）。冲突3次后，概率为1/2^3=1/8.

答案：C

2）例题 2

题目: 以太网采用CSMA/CD协议，当冲突发生时，关于二进制指数退避算法的错误论述是哪一个？

• 选项A分析: 冲突次数越多，后退的时间越短。这是错误的，因为冲突次数越多，k值越大，后退的总体时间应该越长。:
• B选项（平均后退次数与负载大小有关）是正确的。
• C选项（后退时延的平均值与负载大小有关）也是正确的。
• D选项（重发次数达到一定极限后放弃发送）同样是正确的。

答案：A

3）例题 3

题目: 以下关于二进制指数退避算法的描述中，正确的是哪一个？

• 选项A分析: 每次站点等待的时间是固定的，这是错误的，因为等待时间是随机的。
• 选项B分析: 后一次退避时间一定比前一次长，这也是错误的，因为每次等待时间都是随机数。
• 选项C分析: 发生冲突不一定是站点发生了资源抢占，这是正确的，冲突也可能由线路故障等原因引起。
• 选项D分析: 通过扩大退避窗口杜绝了再次冲突，这是错误的，因为扩大退避窗口只能降低冲突概率，不能杜绝冲突。

4）例题4

题目: 在CSMA/CD中，同一个冲突域中的主机连续经过3次冲突后，每个站点在接下来信道空闲的时候立即传输的概率是多少？

解析: 立即传输即等待时间为0，发生3次冲突后，随机区间为[0,7]，立即传输（等待时间为0）的概率是1/8，即0.125。

答案：D

5）例题5

题目: 在100Base-T以太网中，若争用时间片为25.6us，某站点在发送帧时已经连续3次冲突，则基于二进制指数回退算法，该站点需等待的最短和最长时间分别是多少？

解析: 连续3次冲突后，k=3，随机区间为[0,7]。最短时间为随机到0，即0us；最长时间为7乘以争用时间片25.6us，即179.2us。

答案：A

2. 总结

二进制指数退避算法的核心: 通过随机等待时间来降低冲突概率，重传次数越多，等待时间可能越长。 重要参数: 基本退避时间τ，重传次数与k的关系，随机函数Random。 极限情况: 连续16次碰撞后认为网络繁忙或故障，不再尝试发送。

知识小结

三、最小帧长计算

1. 能检测到冲突条件

检测原理: 能检测到冲突的条件是发送时间≥传送时间+确认时间，即L/R≥2×d/v，则推出最小帧长公式。其中确认帧传输时间t3通常忽略不计，因为以太网中确认帧（如64字节）很小。 时间关系: 传送时间（t2）和确认时间（t4）相等，都是信号在介质中的传播时间，因此简化为2倍传播时延。 也就是说满足t1>= 2t2才能检测到冲突，经过转换得到L/R>=2d/v。

2. 最小帧长公式 （重点)

最小帧长公式:Lmin=2R×d/v 参数说明:

• R: 网络数据速率（如10Mbps）
• d: 最大传输距离（单位：米）
• v: 信号传播速度（电缆中约为2×108m/s）

记忆要点: 公式需考前重点记忆，同时明确各参数物理意义。

3. 应用案例

1）例题1:CSMA/CD协议计算

审题: 已知段长1000m，速率10Mbps，传播速度200m/μs（即2×10^8m/s）

• 计算: 代入公式Lmin=2×10^7×1000/(2×10^8)=100bit
• 技巧: 单位换算时注意1Mbps=10^6bps，1μs=10^-6s
• 答案: B.100

2）例题2:网络最小帧长计算

• 参数对应: R=100Mbps(10^8bps)，d=2000m，v=2×10^8m/s
• 简化计算: 公式约简后得Lmin=d，直接得2000 bit
• 易错点: 距离单位必须统一为米，速率单位统一为bps
• 答案: B.2000

3）例题3:检测碰撞时间

关键概念: 冲突窗口=2倍传播时延（往返时延）

极端情况: 最晚检测到碰撞发生在信号到达终点时，此时需等待碰撞信号返回

• 计算: 已知往返时延100μs即最长检测时间
• 答案: D.100微秒

4）例题4:距离计算

公式特性: 本题特殊条件下公式简化为Lmin=d

• 逻辑推导: 帧长减少80位则距离同步减少80米
• 验证: 代入R=10^8bps，v=2×10^8m/ss,验证简化关系
• 答案: B.减少80米

5)复习要点

冲突检测的物理意义（发送时间≥2×传播时延） 公式Lmin=2R×d/v的三种考法：计算帧长、计算距离、判断检测时间 单位换算的准确性（特别是Mbps与m/μs的转换）

知识小结