免费智能真题库 > 历年试卷 > 网络工程师 > 2019年下半年 网络工程师 上午试卷 综合知识
  第17题      
  知识点:   CSMA/CD协议   传输速率   访问控制   局域网   数据传输速率   信号
  关键词:   冲突   访问控制   局域网   数据传输   协议   信号   传输   数据        章/节:   局域网       

 
局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制,数据传输速率为10Mbps,主机甲和主机乙之间的距离为2km,信号传播速度是200m/μs。若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突,从开始发送数据起,到两台主机均检测到冲突时刻为止,最短需经过的时间是( )μs。
 
 
  A.  10
 
  B.  20
 
  C.  30
 
  D.  40
 
 
 

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无线局域网的新标准IEEE802.11n提供的最高数据速率可达到(67)Mb/s。
   知识点讲解    
   · CSMA/CD协议    · 传输速率    · 访问控制    · 局域网    · 数据传输速率    · 信号
 
       CSMA/CD协议
        CSMA/CD是一种适用于总线结构的分布式介质访问控制方法,是IEEE 802.3的核心协议。CSMA的基本原理是,当一个站在发送数据之前,先监听信道上是否有其他站发送的载波信号,若有,则说明信道正忙;否则信道是空闲的。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。
               监听算法
               监听算法并不能完全避免发送冲突,但若对以上两种控制策略进行精心设计,则可以把冲突概率减到最小。据此,有以下3种监听算法。
               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,等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后,重复①。
               由于等待了一个由概率分布决定的随机重发延迟,从而减少了冲突的概率;然而,可能出现的问题是因为延迟而使信道闲置一段时间,这使信道的利用率降低,而且增加了发送时延。
               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。
               这种算法的优缺点与前一种正好相反:有利于抢占信道,减少信道空闲时间;但是多个站同时都在监听信道时必然发生冲突。
               3)P-坚持型监听算法
               P-坚持型监听算法吸取了以上两种算法的优点,但较为复杂。
               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期τ。
               ②若信道忙,继续监听,直到信道空闲,转①。
               ③若发送延迟一个时间单位τ,则重复①。
               冲突检测(CD)原理
               载波监听只能减小冲突的概率,而不能完全避免冲突。当两个帧发生冲突后,若继续发送,将会浪费网络带宽。如果帧比较长,对带宽的浪费就很可观。为了进一步改进带宽的利用率,发送站应采取边发边听的冲突检测方法。具体如下。
               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。
               二进制指数后退算法
               按照二进制指数后退算法,后退时延的取值范围与重发次数n形成二进制指数关系。随着重发次数n的增加,后退时延tζ的取值范围按2的指数增大。即第一次试发时n的值 为0,每冲突一次,n的值加1,并按式(4-5)计算后退时延,即
               
               为了避免无限制的重发,要对重发次数n进行限制。通常当n增加到某一个最大值时停止发送,并向上层协议报告发送错误,等待处理。
               CSMA/CD的实现
               对于基带总线和宽带总线,CSMA/CD的实现基本上是相同的,但也有一些差别。
               差别一是载波监听的实现。对于基带系统,是检测电压脉冲序列。对于宽带系统,监听站接收RF载波以判断信道是否空闲。
               差别二是冲突检测的实现。对于基带系统,是把直流电压加到信号上来检测冲突。对于宽带系统,有几种检测冲突的方法。方法之一是把接收的数据与发送的数据逐位比较;另一种方法用于分裂配置,由端头检查是否有破坏了的数据,这种数据的频率与正常数据的频率不同。
 
       传输速率
        传输速率是指数据在信道中传输的速度。可以用码元传输速率和信息传输速率两种方式来描述。
        码元是在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元,而这个间隔被称为码元长度。码元传输速率又称为码元速率或传码率。码元速率又称为波特率,每秒中传送的码元数。若数字传输系统所传输的数字序列恰为二进制序列,则等于每秒钟传送码元的数目,而在多电平中则不等同。单位为“波特/秒”,常用符号Baud/s表示。
        信息传输速率即位率,位/秒(b/s),表示每秒中传送的信息量。
        设定码元传输速率为RB,信息速率Rb,则两者的关系如下:
        Rb=RB×log2M
        其中,M为采用的进制。例如,对于采用十六进制进行传输信号,则其信息速率就是码元速率的4倍;如果数字信号采用四级电平即四进制,则一个四进制码元对应两个二进制码元(4=22)。
 
       访问控制
        网络设备的访问可以分为带外(out-of-band)访问和带内(in-band)访问。带外(out-of-band)访问不依赖其他网络,而带内(in-band)访问则要求提供网络支持。网络设备的访问方法主要有控制端口(Console Port)、辅助端口(AUX Port)、VTY、HTTP、TFTP、SNMP。Console、AUX和VTY称为line。每种访问方法都有不同的特征。Console Port属于默认设置访问,要求物理上访问网络设备。AUX Port提供带外访问,可通过终端服务器或调制解调器Modem连接到网络设备,管理员可远程访问。VTY提供终端模式通过网络访问网络设备,通常协议是Telnet或SSH2。VTY的数量一般设置为5个,编号是从0到4。网络设备也支持使用HTTP协议进行Web访问。网络设备使用TFTP(Trivial File Transfer Protocol)上传配置文件。SNMP提供读或读写访问几乎所有的网络设备。
               CON端口访问
               为了进一步严格控制CON端口的访问,限制特定的主机才能访问路由器,可做如下配置,其指定X.Y.Z.1可以访问路由器:
               
               VTY访问控制
               为保护VTY的访问安全,网络设备配置可以指定固定的IP地址才能访问,并且增加时间约束。例如,X.Y.Z.12、X.Y.Z.5可以通过VTY访问路由器,则可以配置如下:
               
               超时限制配置如下:
               
               HTTP访问控制
               限制指定IP地址可以访问网络设备。例如,只允许X.Y.Z.15路由器,则可配置如下:
               
               除此之外,强化HTTP认证配置信息如下:
               
               其中,type可以设为enable、local、tacacs或aaa。
               SNMP访问控制
               为避免攻击者利用Read-only SNMP或Read/Write SNMP对网络设备进行危害操作,网络设备提供了SNMP访问安全控制措施,具体如下:
               一是SNMP访问认证。当通过SNMP访问网络设备时,网络设备要求访问者提供社区字符串(community strings)认证,类似口令密码。如下所示,路由器设置SNMP访问社区字符串。
               (1)设置只读SNMP访问模式的社区字符串。
               
               (2)设置读/写SNMP访问模式的社区字符串。
               
               二是限制SNMP访问的IP地址。如下所示,只有X.Y.Z.8和X.Y.Z.7的IP地址对路由器进行SNMP只读访问。
               
               三是关闭SNMP访问。如下所示,网络设备配置no snmp-server community命令关闭SNMP访问。
               
               设置管理专网
               远程访问路由器一般是通过路由器自身提供的网络服务来实现的,例如Telnet、SNMP、Web服务或拨号服务。虽然远程访问路由器有利于网络管理,但是在远程访问的过程中,远程通信时的信息是明文,因而,攻击者能够监听到远程访问路由器的信息,如路由器的口令。为增强远程访问的安全性,应建立一个专用的网络用于管理设备,如下图所示。
               
               建立专用的网络用于管理路由器示意图
               同时,网络设备配置支持SSH访问,并且指定管理机器的IP地址才可以访问网络设备,从而降低网络设备的管理风险,具体方法如下:
               (1)将管理主机和路由器之间的全部通信进行加密,使用SSH替换Telnet。
               (2)在路由器设置包过滤规则,只允许管理主机远程访问路由器。例如以下路由器配置可以做到:只允许IP地址是X.Y.Z.6的主机有权访问路由器的Telnet服务。
               
               特权分级
               针对交换机、路由器潜在的操作安全风险,交换机、路由器提供权限分级机制,每种权限级别对应不同的操作能力。在Cisco网络设备中,将权限分为0~15共16个等级,0为最低等级,15为最高等级。等级越高,操作权限就越多,具体配置如下:
               
 
       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。
 
       数据传输速率
        数据传输速率主要涉及比特率、信道带宽、波特率、奈奎斯特定理、香农定理、误码率等。
        1)比特率
        比特率指单位时间内所传送的二进制码元(码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称,也常称作"位"或比特(bit))的有效位数,以每秒多少比特数计,即b/s(或bps)。计算公式为
        S=(log2N/T
        式中:T为一个数字脉冲信号的宽度或重复周期,单位为秒(s);N为一个码元所取的离散值个数。
        通常N=2K,K为二进制信息的位数,K=log2NN=2时,S=1/T,表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
        2)信道带宽
        信道带宽W=f2-f1,其中f1是信道能通过的最低频率,f2是信道能通过的最高频率,两者都是由信道的物理特性决定的。为了使信号传输中的失真小些,信道要有足够的带宽。
        3)波特率
        波特率是指单位时间内传输的码元位数,以波特为单位,即Baud,通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。这里码元可以是二进制的,也可以是多进制的。计算公式为
        B=1/T
        式中:T为信号码元的宽度,单位为秒(s)。
        比特率和波特率的关系用下面公式所示,即
        S=Blog2NB=S/log2N
        4)奈奎斯特定理
        1924年,哈里.奈奎斯特(Harry Nyquist)就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率,称为奈奎斯特(Nyquist)定理。若信道带宽为W,则最大码元速率为
        B=2W(Baud)
        奈奎斯特定理指定的信道容量也叫作奈奎斯特极限,这是由信道的物理特性决定的。超过奈奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的,所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。
        码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。一个码元携带的信息量n(比特)与码元的种类数N有以下关系,即
        n=log2N
        即若码元取两个离散值,则一个码元携带1比特信息;若码元取4种离散值,则一个码元携带2比特信息。
        在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。如果把2比特编码为一个码元,则数据速率可成倍提高,即
        R=Blog2N=2Wlog2N
        式中:R为数据速率,b/s。
        5)香农定理
        奈奎斯特定理是在无噪声的理想情况下的极限值。实际信道会受到各种噪声的干扰,因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传送速率。香农的研究表明,有噪声信道的极限数据速率为
        C=Wlog2(1+S/N
        式中:W为信道带宽;S为信号的平均功率;N为噪声平均功率;S/N叫作信噪比。这个公式叫作香农(Shannon)定理。由于在实际使用中SN的比值太大,故常取其分贝数(dB)。分贝与信噪比的关系为
        dB=10 lg(S/N)
        例如,当S/N=1000时,信噪比为30dB。这个公式与信号取的离散值个数无关,也就是说,无论用什么方式调制,只要给定了信噪比,则单位时间内最大的信息传输量就确定了。例如,信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则最大数据速率为
        C=3000log2(1+1000)≈3000×9.97≈30 000b/s
        这是极限值,只有理论上的意义。实际上,在3000Hz带宽的电话线上数据速率能达到9600b/s就很不错了。
        6)误码率
        误码率指信息传输的错误率,即已接收信息中错误比特数占总传输比特数的比例。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中,一般要求误码率低于10-6。若误码率达不到这个指标,可通过差错控制方法检错和纠错。
        误码率公式为
        Pe=Ne/N
        式中:Ne为其中出错的位数;N为传输的数据总数。
 
       信号
        任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间,可以通过相互发送信号的方式,来协调它们之间的运行步调。
        所谓的信号,指的是系统给任务的一个指示,表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部(如其他的任务、硬件或定时器),也可能来自于内部(如执行指令出错)。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR(Asynchronous Signal Routine),与中断服务程序不同的是,ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候,如果它收到了一个信号,将暂停执行当前的指令,转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换,因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。
        信号机制与中断处理机制非常相似,但又各有不同。它们的相同点是:
        .都具有中断性:在处理中断和异步信号时,都要暂时地中断当前任务的运行;
        .都有相应的服务程序;
        .都可以屏蔽响应:外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽,任务也能够选择不对异步信号进行响应。
        信号机制与中断机制的不同点是:
        .中断是由硬件或特定的指令产生,而信号是由系统调用产生;
        .中断触发后,硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行;而信号则通过发送信号的系统调用来触发,但系统不一定马上对它进行处理;
        .中断处理程序是在系统内核的上下文中运行,是全局的;而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行,是任务的一个组成部分。
        实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞,可能出现优先级反转的现象,即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时,高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞,问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务,导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。
        
        一个优先级反转的示例
        如上图所示,系统存在任务1、任务2、任务3(优先级从高到低排列)和资源R。某时,任务1和任务2都被阻塞,任务3运行且占用资源R。一段时间后,任务1和任务2相继就绪,任务1抢占任务3运行,由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3,任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R,因此任务1一直被阻塞。极端情况下,任务1永远无法运行,处于饿死状态。
        解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。
               优先级继承协议
               L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议(Priority Inheritance Protocol,PIP)。
               PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用,而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是:当低优先级任务正在使用资源,高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时,低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别,保证低优先级任务继续使用当前资源,以尽快完成访问,尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行,从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中,继承了高优先级任务的优先级,所以该协议被称作优先级继承协议。
               由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时,优先级继承才会发生,在此之前,高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行,所以优先级继承协议不能防止死锁,而且阻塞是可以传递的,会形成链式阻塞。另外,优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下,一个需要μ个资源,并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min(μ,v)次。
               优先级冲顶协议
               J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议(Priority Ceiling Protocol,PCP)。
               PCP协议扩展了PIP协议,能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的,每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值,等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻,当前系统冲顶值(current priority ceiling)等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问,则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时,只有其优先级高于当前系统冲顶值,或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源,否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。
               已经证明,PCP协议的执行规则能防止死锁,但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞(Priority ceiling blocking)。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞,而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞(avoidance blocking),意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此,在PCP协议下,每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后,能静态分析和确定任务之间的资源竞争,计算出任务可能经历的最大阻塞时间,从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下,高优先级任务被阻塞时会放弃处理器,因此,访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。
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