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第6题

知识点： CSMA/CD访问控制方式介质访问存取控制技术以太网 WLAN 局域网

关键词： WLAN 服务器局域网网络以太网章/节：局域网

局域网A为采用CSMA/CD工作方式的10Mbps以太网，局域网B为采用CSMA/CA工作方式的，11MbpsWLAN。假定A、B上的计算机、服务器等设备配置相同，网络负载大致相同，现在分别在A、B上传送相同大小的文件，所需时间分别为Ta和Tb，以下叙述正确的是(6)。

A. Ta大于Tb

B. Ta小于Tb

C. Ta和Tb相同

D. 无法判断Ta和Tb的大小关系

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知识点讲解
· CSMA/CD访问控制方式 · 介质访问存取控制技术 · 以太网 · WLAN · 局域网

CSMA/CD访问控制方式

在CSMA中，如果在总线上的两个站点都没有监听到载波信号而几乎同时都发送数据帧，但由于信道传播时延的存在，这时仍有可能会发生冲突，如下图所示。在传播延迟期间，如站点2有数据帧需要发送，就会和站点1发送的数据帧相冲突。由于CSMA算法没有冲突检测的功能，即使冲突已发生，仍然将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。

CSMA发生冲突的情景

一种CSMA的改进方案是使发送站点传输过程中仍然继续监听媒体介质，以检测是否存在冲突。如果发生冲突，信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，由此判断出冲突的存在。于是只要一旦检测到冲突存在，就立刻停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，用以通知总线上其他各有关站点。这样通道信道就不至于因白白传送已受损的数据帧而浪费，总体上可以提高总线的利用率。这种方案也就是CSMA/CD，这种协议已广泛应用于局域网中。

冲突检测时间的计算

CSMA/CD的代价是用于检测冲突所花费的时间。对于基带总线而言，最坏情况下用于检测一个冲突的时间等于任意两个站点之间传播时延的两倍。从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。

信号传播时延(μs)=两站点的距离(m)／信号传播速度(200m/μs)

在上述公式中，信号传播速度一般为光速的2/3左右，即约每秒20万公里。相当于200m/μs。所以，公式中最后计算出的信号传播时延是以μs为单位的。

数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间称为数据传输时延。同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。

数据传输时延(s)=数据帧长度(b)／数据传输速率(b/s)

同样需要注意的是，在上述公式中，数据传输速率与上面刚刚讲到的信号传播速度并不是同一个概念，数据传输速率是网络的一个性能指标，如十兆以太网的数据传输速率为10Mb/s，即10×10⁶b/s。但是在数据传输时延与信号传播时延两者之间还是存在一些关联的，下面会进一步分析。

如下图所示，假定A、B两个站点位于总线两端，两站点之间的最大传播时延为tp。当A站点发送数据后，经过接近于最大传播时延tp时，B站点此时正好也发送数据，这样冲突便发生了。发生冲突后，B站点立即可检测到该冲突，而A站点需再经过一段最大传播时延tp后，才能检测出冲突。也即最坏情况下，对于基带CSMA/CD来说，检测出一个冲突的时间等于任意两个站之间最大传播时延的两倍（2tp）。

时间计算

由上述分析可知，为了确保发送数据站点能够在数据传输的过程中可以检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延至少要两倍于信号传播时延，公式如下。

数据传输时延(μs)≥信号传播时延(μs)×2

换句话说，必须要求分组的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前数据传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。这就是为什么以太网协议中的数据帧必须要求一个最短长度的真正原因。把公式1和公式2代入到公式3中后，并作一些简单变换，由此进一步推导出了CSMA/CD总线网络中最短数据帧长度的计算关系式，如下：

最短数据帧长(b)=任意两站点间的最大距离(m)／信号传播速度(200m/μs)×数据传输速率(Mb/s)×2

由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。

二进制指数退避和算法

在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后使用CSMA方法试图再次传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避的算法，其规则如下：

（1）对每个数据帧，当第一次发生冲突时，设置一个参量L=2。

（2）退避间隔取1～L个时间片中的一个随机数，1个时间片等于两站之间的最大传播时延的两倍。

（3）当数据帧再次发生冲突，将参量L加倍。

（4）设置一个最大重传次数，超过该次数，则不再重传，并报告出错。

注意：在以太网中规定，最多重传16次，否则向上层程序报错。参量L的最大值不超过1024。

二进制指数退避算法是按后进先出（Last In and First Out，LIFO）的次序控制的，即未发生冲突或很少发生冲突的数据帧，具有优先发送的概率；而发生过多次冲突的数据帧，发送成功的概率就更小。

以太网就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时（如媒体空闲），要发送数据帧的站点能立即发送；在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。它是基带系统，使用曼彻斯特（Manchester）编码，通过检测通道上的信号存在与否来实现载波监听。发送站的收发器检测冲突，如果冲突发生，收发器的电缆上的信号超过收发器本身发的信号幅度。由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能正确地检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500m。

介质访问存取控制技术

IEEE 802.11工作组考虑了两种MAC算法：一种是分布式访问控制协议，像CSMA/CD一样，利用载波监听机制；另一种是中央访问控制协议，由中央决策者进行访问的协调。分布式访问控制协议适用于由地位等同的工作站组成的网络及具有突发性通信的无线局域网的基站所组成的网络。中央访问控制协议对于那些具有时间敏感数据或者高优先权数据的网络特别有用。

IEEE 802.11最终形成的一个MAC算法称为DFWMAC（分布式基础无线MAC），它提供分布式访问控制机制，处于其上的是一个任选的中央访问控制协议，如下图所示。在MAC层中靠下面的是分布协调功能子层（Distributed Coordination Function，DCF），DCF利用争用算法为所有的通信提供访问控制。一般异步通信用DCF。在MAC层中靠上面的是点协调功能（Point Coordination Function，PCF），PCF用中央MAC算法，提供无争用服务。PCF位于DCF的上面，并利用DCF的特性来保证用户的介质访问。

IEEE 802.11协议结构

DCF子层介质存取方式采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）算法。与以太网所采用的CSMA/CD很相似，只不过DCF没有冲突检测功能，因为在无线网上进行冲突检测是不太现实的。介质上信号的动态范围非常大，因而发送站不能有效地辨别出输入的微弱信号是噪声还是站点自己发送的结果。所以取而代之的方案是采用一种碰撞避免的算法。具体地说为了保证上述CSMA算法的顺利和公平，DCF采用了一系列的延迟，称为帧间空隙（Inter Frame Spacing，IFS），相当于一种优先权机制。利用IFS延迟的CSMA/CA访问控制的操作过程如下：

（1）发送站监听，如介质空闲，站点再继续监听一段时间（一个IFS的延迟），如果在这段时间内介质仍然是空闲的，则站点可立即发送。

（2）如果介质忙，站点继续监听介质，直到完成当前的传输。

（3）一旦当前的传输已完成，站点要继续监听一段时间（一个IFS的延迟）。如在此期间介质仍然空闲，然后站点按照二进制指数退避一段时间后监听介质，如果介质仍然空闲，站点就可以发送下一个数据帧。

IFS有3种不同的优先权值来提供介质访问控制：

（1）短帧间空隙（SIFS）。最短的IFS，用于所有的立即相应活动。

（2）点协调功能的帧间空隙（PIFS）。中等长度的IFS，在PCF机制中的中央控制器发出查询时用。

（3）分布协调功能的帧间空隙（DIFS）。最长的IFS，作为异步帧争用访问控制中最小的延时。

SIFS具有最高的优先权，因为相对于那些需要等待PIFS或DIFS的站点来说，这些站点总是能优先获取到介质的访问权。PIFS由中央控制器用于发送查询帧，使它领先于一般的争用通信。DIFS用于所有普通的异步通信。

以太网

以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。

以太网传输介质

以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种，以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成：

（1）10：表示速率，单位是Mb/s。

（2）Base：表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。

（3）T：传输介质，T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。

传输介质的具体命名方案如下表所示，了解这些知识是十分必要的。

以太网传输介质表

以太网时隙

时间被分为离散的区间称为时隙（Slot Time）。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0，1或多个帧，分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。

设置时隙理由

在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。

在最坏情况下，检测到冲突所需的时间

若A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。

按照标准，10Mb/s以太网采用中继器时，连接最大长度为2500m，最多经过4个中继器，因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节，因此以太网帧的最小长度为64字节。

冲突发生的时段

（1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时的时段。

（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。

（3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后也就不会再发生冲突了。

提高传统以太网带宽的途径

以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展，网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。

交换以太网

以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议，因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错，但如果网络负载很大时，冲突会很常见，因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题，“交换式以太网”应运而生，这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是，其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口，那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍（这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽）。

交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是：

.减少了每个网段中的站点的数量；

.同时支持多个并发的通信连接。

网络交换机有三种交换机制：直通（Cut through）、存储转发（Store and forward）和碎片直通（Fragment free Cut through）。

交换式以太网具有几个优点：第一，它保留现有以太网的基础设施，保护了用户的投资；第二，提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽；第三，减少了冲突，提高了网络传输效率。

全双工以太网

全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽，即每个方向都支持10Mb/s，这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。

全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线，可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统，不同的是它使用一对双绞线进行发送，而使用另一对进行接收。这个方法是可行的，因为一般10Base-T布线是有冗余的（共4对双绞线）。

高速服务器连接

众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈，通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机（如24个10Mb/s端口，1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口），然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。

以太网的帧格式

以太网帧的格式如下图所示，包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据，以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

以太网的帧结构

注：字段的长度以字节为单位

前导码（P）字段占用8字节。

目的地址（DA）字段和源地址（SA）字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址，当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制数可表示为01：00：00：00：00：00，假如全部48位（每字节8位，6字节即48位）都是1时，该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。

类型（Type）字段占用两字节，表示数据的类型，如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包，而0x0806表示ARP数据包，0x8035表示RARP数据包。

数据（Data）字段占用46～1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据，如果数据不够长度，必须在不足的空间插入填充字节来补充。

帧校验序列（FCS）字段是32位（即4字节）的循环冗余码。

WLAN

WLAN（Wireless Local Area Network）是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网的功能。WLAN的覆盖范围一般在100m以内，通过桥接可以达到更大的覆盖范围。传输介质为红外线IR或射频RF波段，以后者使用居多。

由于WLAN是基于计算机网络与无线通信技术的，在计算机网络结构中，逻辑链路控制（Logic Link Contros，LLC）层及其之上的应用层对不同物理层的要求可以是相同的，也可以是不同的，因此，WLAN标准主要是针对物理层和媒质访问控制层（Media Access Control，MAC），涉及到所使用的无线频率范围、空中接口通信协议等技术规范与技术标准。

（1）IEEE 802.11。1990年IEEE 802标准化委员会成立IEEE 802.11WLAN标准工作组。IEEE 802.11（又称Wi-Fi，Wireless Fidelity，无线保真）是在1997年6月由大量的局域网及计算机专家审定通过的标准，该标准定义了物理层和媒体访问控制（MAC）规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法，RF传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2.4000～2.4835GHz频段。

（2）IEEE 802.11b。1999年9月IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定WLAN工作频段在2.4～2.4835GHz，数据传输速率达到11Mb/s，传输距离控制在50～150英寸。该标准是对IEEE 802.11的一个补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和基本模式两种运行模式。在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s的不同速率间自动切换，它改变了WLAN设计状况，扩大了WLAN的应用领域。

（3）IEEE 802.11a。1999年，IEEE 802.11a标准制定完成，该标准规定WLAN工作频段在5.15～8.825GHz，数据传输速率达到54Mb/s或72Mb/s（Turbo），传输距离控制在10～100m。该标准也是IEEE 802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Modulation，OFDM）的独特扩频技术，可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构接口，支持多种业务，如话音、数据和图像等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

（4）IEEE 802.11g。目前，IEEE推出了最新版本IEEE 802.11g认证标准，该标准提出拥有IEEE 802.11a的传输速率，安全性较IEEE 802.11b好，采用两种调制方式，含IEEE 802.11a中采用的OFDM与IEEE 802.11b中采用的CCK，做到与IEEE 802.11a和IEEE 802.11b兼容。

局域网

局域网（Local Area Network, LAN），是在传输距离较短的前提下，所发展的相关技术的集合，用于将小区域内的各种计算机设备和通信设备互联在一起，组成资源共享的通信网络。在局域网中常见的传输媒介有双绞线、细／粗同轴电缆、微波、射频信号和红外线等。其主要特点如下。

（1）距离短：0.1km～25km，可以是一个建筑物内、一个校园内或办公室内。

（2）速度快：4Mbps～1Gbps，从早期的4Mbps、10Mbps及100Mbps发展到现在的1000Mbps（1Gbps），而且还在不断向前发展。

（3）高可靠性：由于距离很近，传输相当可靠，有极低的误码率。

（4）成本较低：由于覆盖的地域较小，因此传输媒介、网络设备的价格都相对较便宜，管理也比较简单。

根据技术的不同，局域网有以太网（Ethernet）、令牌环网络（Token Ring）、Apple Talk网络和ArcNet网络等几种类型。现在，几乎所有的局域网都是基于以太网实现的。当然，随着应用需求的不断提高，也对局域网技术提出了新的挑战，出现了一批像FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纤分布式数据接口）一样的技术。

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