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【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

news 来源：原创 2025/4/22 8:08:51

一、CSMA/CD

1. 局域网架构概述

2. 局域网的拓扑结构

3. CSMA

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）

2、非坚持型监听算法（后退随机事件）

3、P-坚持型监听算法

2）例题1

2. 冲突检测原理CD

1）冲突检测概述

2）CSMA/CD协议适用拓扑

3）例题2

4）例题3

5）例题4

6）例题5

7）CSMA/CD与信道利用率

知识小结

二、二进制指数退避算法

1. 工作原理

1）例题1

2）例题 2

3）例题 3

4）例题4

5）例题5

2. 总结

知识小结

三、最小帧长计算

1. 能检测到冲突条件

2. 最小帧长公式（重点)

3. 应用案例

1）例题1:CSMA/CD协议计算

2）例题2:网络最小帧长计算

3）例题3:检测碰撞时间

4）例题4:距离计算

5)复习要点

知识小结

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

知识点	核心内容	考试重点/易混淆点	难度系数
局域网架构	局域网标准代号、制定机构、基本架构分层	局域网的基本架构、制定机构名称	中
以太网和WIFI	以太网（802.3）、WIFI（802.11）是现用广泛的局域网协议	以太网和WIFI的标准代号	低
局域网拓扑结构	总线型、环形、树形、全网状、部分网状、混合型	各种拓扑结构的特征和应用场景	中
CSMA技术	载波侦听多路访问，发送前监听信道是否空闲	CSMA的基本原理和监听策略	中
监听算法	一杠坚持型、非坚持型、p杠坚持型	三种监听算法的特点和区别	高
一杠坚持型	信道空闲立即发送，冲突后退再监听	立即发送策略和高冲突概率	中
非坚持型	信道忙则后退随机时间再监听	后退策略和信道利用率降低	中
p杠坚持型	结合前两者，以p概率决定后退或发送	p值调整和信道使用控制	中
冲突检测原理	边发边听，比较发送和接收数据是否一致	冲突检测的核心原理和作用	高
冲突检测作用	减少冲突后信道浪费，提高带宽利用率	冲突检测对带宽利用率的影响	中
冲突后处理	发送干扰信号，等待随机时间后重新监听发送	冲突后的处理流程和再次发送策略	中

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

知识点	核心内容	考试重点/易混淆点	难度系数
二进制指数退币算法工作原理	检测到冲突后停止发送数据，等待随机时间后再发送	工作原理两步：停止发送、等待随机时间	🌟
随机时间计算公式	等待时间=套×随机函数，套为基本退币时间，random为随机函数	套的值可能因教材不同而异，但为固定值	🌟
随机函数中的变量k	k=重传次数和10的最小值	k值影响随机区间范围	🌟🌟
随机区间范围	从0到2的k次方-1	如k=10，则区间为0到1023	🌟
后退时间特性	每次站点等待时间为随机数，后一次退避时间不一定比前一次长	随机性导致后退时间不确定	🌟
冲突与重传次数关系	重传次数越多，退避窗口值越大，降低冲突概率	不能杜绝冲突，只能降低概率	🌟🌟
极限重传次数	连续发生16次碰撞后认为网络繁忙或出现故障，不再尝试发送	16次是极限值，考试易出题	🌟
CSMA/CD协议中冲突后算法应用	以太网采用CSMA/CD协议，冲突时通过二进制指数后退算法计算后退时延	算法应用场景	🌟
错误论述识别	“冲突次数越多，后退时间越短”为错误论述	冲突次数多，k值大，后退时间应更长（平均而言）	🌟
后退时间与负载关系	平均后退次数与负载大小有关，负载高则冲突次数多	负载与冲突次数的关系	🌟
重发次数极限后的处理	重发次数达16次后放弃发送	极限处理机制	🌟
二进制指数退币算法描述判断	正确描述：发生冲突不一定是站点资源抢占，也可能是故障	错误描述：等待时间固定、后一次退避一定比前一次长、能杜绝冲突	🌟
立即传送概率计算	连续三次冲突后，立即传送（随机到0）的概率为1/8	理解“立即传送”即随机到0	🌟
具体计算题示例	给定征用时间和连续冲突次数，计算等待的最短和最长时间	套用公式计算，注意单位换算	🌟🌟

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

知识点	核心内容	考试重点/易混淆点	难度系数
最小增长公式	L = 2r × d / v<br>（r: 网络速率，d: 距离，v: 传播速度）	公式推导与字母含义对应	⭐⭐⭐
冲突检测条件	数据帧发送时间 ≥ 传播时间 + 确认时间<br>（t1 ≥ t2 + t4，通常简化为 t1 ≥ 2t2）	忽略确认帧时间（t3）的原因	⭐⭐
单位换算	1M = 10⁶，光速/电缆速度 = 2×10⁸ m/s	微秒与秒、千米与米的转换	⭐⭐⭐
典型考题解析	2017年网工题：10M速率，1km距离 → 最小帧长=100比特<br>2023年题：往返时延=100μs → 最长碰撞检测时间=100μs	极端情况分析（碰撞点位置）	⭐⭐⭐⭐
公式变形应用	最小帧长减少80位 → 距离同步减少80米（L=d时）	变量间的直接比例关系	⭐⭐⭐