【软考中级】网络工程师：4.局域网与城域网

4.1 局域网基础

传统局域网(Local Area Networks,LAN)是分组广播式网络，与使用分组交换式的广域网不同。介于广域网和局域网之间的是城域网(Metro Area Networks,MAN)，其采用的技术与局域网类似。

局域网和城域网体系架构IEEE

LAN/MAN的IEEE 802标准规定了计算机网络的主要架构。IEEE 802委员会下设20多个分委员会，其研究的方向各有不同。

其中，802.1规定了局域网体系结构和网络互联等内容，起着提纲擎领的作用。

802.2规定了逻辑链路控制子层（LLC）的定义。

802.3规定了以太网介质访问控制协议CSMA/CD及物理层技术规范。

802.4规定令牌总线网（Token-Bus）的介质访问控制协议及物理层技术规范。

802.5规定了令牌环网（Token-Ring）的介质访问控制协议及物理层技术规范。

802.6规定了城域网介质访问控制协议DQDB的介质访问控制协议及物理层技术规范。

802.11规定了无线局域网（WLAN）的介质访问控制协议及物理层技术规范。

其中，802.3和802.11最为重要，它们也是软考的高频考点。

局域网拓扑结构

局域网的主要特征由三方面决定：

1. 网络的拓扑结构
2. 采用的协议类型
3. 介质访问控制方法

局域网的拓扑结构主要有星型、总线型、环型和混合型。

比较常用的是树形结构和混合型。

4.2 CSMA/CD

CSMA/CD是对总线型、星型和树形的访问控制协议，全名载波侦听多路访问/冲突检测。

CSMA

CSMA基本原理：发送数据之前，先监听信道上是否繁忙，若空闲则决定：

（1）空闲，是否立刻发送？

（2）繁忙，是否继续监听？

信道碰撞超过16次时，即认为网络繁忙/故障，不再尝试发送。

CSMA/CD三种监听算法

非坚持性监听算法

这种算法的原理是后退随机时间。

一个站准备帧后监听信道。选择如下决策：

1. 若信道空闲，立即发送，否则转2。
2. 若繁忙，则后退一个随机时间，重复1。

由于随机时延后退，从而减少了冲突的概率。问题在于，因为后退而使信道闲置一段时间，使得信道利用率降低了。并且发送时延增加。

1-坚持型监听算法

这种算法的原理是不等待，持续监听。

决策：

1. 空闲，立即发送，否则转2。
2. 繁忙，持续监听，直到空闲发送。

这种算法的优缺点与非坚持型相反。它有利于抢占信道，减少信道的空闲时间。但是多个站同时监听，必然冲突。

P-坚持型监听算法

这种算法引入了发送的概率，不再是立即发送，汲取了以上两种算法的优点。

决策：

1. 空闲，以概率P发送，以概率(1-P)延迟一个时间单位，一个时间单位等于网络传输时延$\tau$。
2. 繁忙，持续监听，直到空闲转1。
3. 如果发送延迟一个时间单位$\tau$，转1。

在这种算法中，决定P的概率是一个困难的问题。P的取值需要在重负载下能使网络有效工作。设发送站数需求为n，则nP必须小于1，这意味着P值需要变小。然而，在轻负载的情况下，P值太小又会增大发送时延。

冲突检测原理

载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。

当两个帧发生冲突后，继续发送会浪费网络带宽，特别是帧长较大的情况。为了改进，发送站应采取边发边听的冲突检测方法，即：

1. 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。
2. 比较结果一致，说明无冲突。重复1。
3. 比较结果不一致，说明有冲突，立即停发，并发送一个简短的干扰信号（Jamming），停止所有站的发送。
4. 发送Jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再尝试发送。

最小帧长计算

规定最小帧长：$L_{min}=2R\times$