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【网络工程师软考版】局域网与城域网

article 2025/2/9 5:08:58

将此博客当作学习笔记，持续更新，欢迎指正。参考书目《网络工程师教程（第五版）》

拓扑结构

总线型拓扑

1、基带系统/基带同轴电缆（传播数字信号）

数字信号 —> 电压脉冲。

脉冲信号沿电缆传播时会发生衰减和畸变，还会受到噪音和其他不利因素的影响。

传播距离越长，影响越大。（数据速率越小，传输的距离越远？

数据速率与宽度成反比。

数据速率越小，脉冲的宽度就比较宽；—> 影响更容易恢复，抗噪声特性更好。

数据速率越高，脉冲的宽度就比较窄。

2、宽带系统/宽带同轴电缆（传播模拟信号） —> 传输距离更远

采用频分多路技术传播模拟信号。

*模拟信号比数字脉冲受噪声和衰减的影响更小，可以传播更远的距离。

由于宽带系统中需要模拟放大器，但模拟放大器只能单向工作 —> 加在宽带电缆上的信号只能单方向传播 —> 在同一条电缆上，只能由上游站发送，下游站接收。

相反方向的通信需采用特殊的技术（1、双缆配置 or 2、分裂配置）

双缆配置：用两根电缆分别提供两个方向不同的通路。（可提供双倍的带宽）

分裂配置：把单根电缆的频带分裂为两个频率不同的子通道，分别传输两个方向相反的信号。（相比于双缆配置，可以节约15%的费用）

环型拓扑

整个环路是单向传输的。

由于环网是一系列点对点链路串联起来的 —> 可以使用任何传输介质。

双绞线：价格较低

同轴电缆：可得到较高的带宽

光纤：能提供更大的数据速率

星型拓扑与树型拓扑

集线器Hub有两种形式：

1、有源Hub：配置了信号再生逻辑。能够接收输入链路上的信号，经再生后再向所有输出链路发送。如果多个输出链路同时有信号输入，则向所有输出链路发送冲突信号。

2、无源Hub：只是把输入链路上的信号分配到所有的输出链路上。

*为了达到较高的数据速率，必须限制工作站到中心节点（集线器Hub）的距离和连接的站点数。

一般来说，无源Hub用于光纤或同轴电缆网络；有源Hub则用于无屏蔽双绞线网络。

LLC层与MAC层

802标准将局域网中的数据链路层划分成两个子层

1、介质访问控制子层（Medium Access Control，MAC）

2、逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC）

*提供标准的OSI数据链路层服务，使得任何高层协议（TCP/IP、SNA等）都可运行与局域网标准之上。

逻辑链路控制子层

逻辑链路控制子层规范包含在IEEE 802.2标准中，与HDLC兼容，但帧格式有所不同。例如，

1、由于HDLC的标志和位填充技术不适合局域网，因此被排除；

2、帧校验序列由MAC子层实现，因而也不包含在LLC帧结构中。

3、同时提供目标地址和源地址。

LLC地址

LLC地址是LLC层服务访问点

IEEE 802局域网中的地址分两级表示，MAC地址+LLC地址？

MAC地址是主机地址；LLC地址是主机中上层协议实体的地址

*一个主机可以同时拥有多个上层协议进程 —> 有多个服务访问点

LLC服务（3种）

1、无确认无连接的服务（不安全）

简单而不涉及任何流控和差错控制功能 —> 不保证可靠地提交

—> 使用这种服务的设备必须在高层软件中处理可靠性问题

主要应用于：

1、高层软件具有流控和差错控制机制，例如TCP或ISO的TP4传输协议；

2、连接的建立和维护机制会引起不必要的开销，因而必须简化控制，例如，周期性的数据采集或网络管理等应用场合，偶然的数据丢失是允许的，随后来到的数据可以弥补前面的损失，所以不必保证每一个数据都能可靠地提交。

2、连接方式的服务

类似于HDLC提供的服务

在有数据交换的用户之间要建立连接

同时也通过连接提供流控和差错控制功能

主要应用于简单设备中，例如终端控制器，只有很简单的上层协议软件，因而由数据链路层硬件实现流控和差错控制功能。

3、有确认无连接的服务

提供有确认的数据报，但不建立连接。

高效而可靠

主要应用于传送少量的重要数据。例如，在过程控制和工厂自动化环境中，中心站需要向大量的处理机和可编程控制器发送控制指令。（由于控制指令的重要性，所以需要确认。但如果采用连接方式的服务，则中心站必然要建立大量的连接，数据链路层软件也要为建立连接、跟踪连接的状态而设置和维护大量的表格。

LLC协议

LLC协议与HDLC协议兼容，但差别如下：

1、LLC用无编号信息帧支持无连接的服务 —> LLC 1型操作

2、LLC用HDLC的异步平衡方式支持LLC的连接方式服务 —> LLC 2型操作

3、LLC用两种新的无编号帧支持有确认无连接的服务 —> LLC 3型操作

4、通过LLC服务访问点支持多路复用，即一对LLC实体间可建立多个连接

LLC 1型操作支持无确认无连接的服务

无编号信息帧(UI)用于传送用户数据。（这里没有流控和差错控制，差错控制由MAC子层完成）

XID帧用于交换两类信息：LLC实体支持的操作和窗口大小

TEST帧用于进行两个LLC实体间的通路测试。当一个LLC实体收到TEST命令帧后，应尽快发回TEST响应帧。

LLC 2型操作支持连接方式的服务

当LLC实体得到用户的要求后可发出置扩展的异步平衡方式帧SABME，另一个站的LLC实体请求建立连接。如果目标LLC实体同意建立连接，则以无编号应答帧UA回答；否则以断开连接应答帧DM回答。

建立连接后，使用I帧传送数据。I帧包含发送/接收顺序号，用于流控和捎带应答。数据发送完成后，任何一端的LLC实体都可发出断连帧DISC来终止连接。

LLC 3型操作支持有确认无连接的服务

采用无连接应答帧AC（Acknowledged Connectionless）。信息通过AC命令帧发送，接收方以AC响应帧回答。为了防止帧的丢失，使用了1位序列号。发送者交替在AC命令帧中使用0和1，接收者以相反序号的AC帧回答。

CSMA/CD协议

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，带有冲突检测的载波侦听多路存取

是一种介质访问控制协议

属于资源的竞争使用

实现冲突检测，将冲突的产生控制在传播时间内，减少了冲突的概率。

*CSMA = 载波监听多路访问

站在发送数据之前，先监听信道上是否有别的站发送的载波信号。若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，任何根据预定的策略决定。

1、若信道空闲，是否立即发送

2、若信道忙，是否继续监听

—> 仍可能发送冲突

例1，远端的站刚开始发送，载波信号尚未达到监听站，这是监听站若立即发送，就会和远端的站发生冲突。

例2，虽然暂时没有站发送，但碰巧两个站同时开始监听，如果它们都立即发送，也会发生冲突。

例3，若信道忙时，如果坚持监听，发送的站一旦停止就可立即抢占信道。但是，有可能几个站同时都在监听，同时都抢占信道，从而发生冲突。

监听算法

监听算法不能完全避免发生冲突 —> 优化监听算法，将冲突概率减到最低。

1、非坚持型监听算法

当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。

①若信道空闲，立即发送，否则转②。

②若信道忙，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。然而，可能出现的问题是因为后退而使信道闲置一段时间，使信道的利用率降低，增加了发送时延。

2、1-坚持型监听算法

当一个站准备好帧，发送之前先监听信道。

①若信道空闲，立即发送，否则转②。

②若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送。

*有利于抢占信道，减少信道空闲时间。但，如果多个站都在监听信道，必然会发生冲突。

3、P-坚持型监听算法

①若信道空闲，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。

②若信道忙，继续监听直到信道空闲，转①。

③如果发送延迟一个时间单位，则重复①。

难点在于决定概率P的值。

冲突监测原理

载波监听只能减小冲突的概率，不能完全避免冲突。—>要采用边发边听的冲突监测方法。

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、若比较结果一致，说明没有冲突，重复①

③、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。

④发送Jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。

冲突窗口 —> 基带系统中监测冲突的最长时间是网络传播延迟的两倍

为了避免帧长度太短，导致在整个发送期间监测不到冲突，对最小帧长度进行限制：

最小帧长 $L_{min} = 2Rd/v$

其中，R是网络数据速率，d为最大段长，v是信号传播速度。

发送站必须对较短的帧增加填充位，使其等于最小帧长。

接收站对收到的帧要检查长度，小于最小帧长的帧被认为是冲突碎片而丢弃。

***

标准以太网中的最小帧长为64字节。当除去首部和校验和，剩下的是数据与填充字段，当数据为空时，填充字段最长，为46字字节，即46*8=368bit。

以太网的默认MTU=1500Byte

例，若主机采用以太网接入Internet，TCP段格式中，数据字段最大长度为1460字节。

TCP数据部分需要减去TCP首部和IP首部，1500-20-20=1460Byte。

例，在CSMA/CD以太网中，数据速率为100Mb/s，网段长5km，则此网络的最小帧长是多少字节？

最小帧长 = 2 * 100Mb/s * 5km / 信号传播速度(200m/us) = 625Byte

传输时延= 2* 传播时延

传播时延 = 5km / 200m/us = 25us

传输时延 = 2 * 25us = 50us

长度 = 速度 * 时间 = 100Mb/s * 50 us = 5000bit ? -> 625 Byte ?

1us = 10^-6 s

50us = 5*10^-5s

100Mbit/s = 100*10^6bit/s = 10^8 bit/s

因此，100Mbit/s * 50 us = 10^8 bit/s * 5* 10^-5s = 10^3 bit = 5000bit

= 5000bit/8 = 625Byte

例，设某单总线LAN，总线长度为1000米，数据率为10Mbps，数字信号在总线上的传输速度为2C/3(C为光速)，则每个信号占据的介质长度为多少米？当采用CSMA/CD访问方式时，如只考虑数据帧而忽略其他一切因素，则最小时间片的长度为多少微秒？最小帧长度为多少位？

速度200m/us是哪来的？要记住的数据!

最小时间片的长度实际对应最小帧长的发送时间，即大于等于2*端对端传输时间 T= 2*1000m*200m/us = 10us

对应的最小帧长度为 = 10Mbps*10us = 100bit

最小帧长度 = 2 * 10Mbps * 1000m / 200m/us =

= 2 * 10^7 bps * 1000m / 200m/us

= 2 * 10^7 bps * 5us

= 2 * 10^7 bps * 5 * 10^ -6 s

= 100 bit

最小时间片长度 = 传输时延 = 2 * 传播时延 = 2 * 1000m / 200/us 10 us

1bit的信号在总线上的长度

长度 = 速度 * 时间 = 200m/us * 1/10Mbps = 200m/us * 0.1us = 20m