计算机网络期末复习

谨以此文,纪念博文破百,以及建站满一年.

概述

简答题

1.试述分组交换的要点

分组交换的要点包括：分组转发、分段重复、独立选路。分组交换最主要的特点就是采用了存储转发技术。将完整的报文分割成为较小的数据段，在每个数据段前面加上必要的控制信息组成首部，就构成了分组。分组是在互联网中传送的数据单元。

2.互联网的两大组成部分的特点是什么？他们的工作方式各有什么特点？

边缘部分：由所有连接在互联网上的主机构成。这部分是用户直接使用的没用来通信和共享资源。
核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的。
在边缘部分的端系统通信可划分为两个大类：C/S与P2P模式。核心部分工作方式有两种：一种是路由器转发分组，另一种是路由器之间不断交换路由信息。

3.协议和服务有什么区别？有何关系？

协议是控制对等实体之间的通信规则，是水平的。服务是下层通过接口向上层提供的功能，是垂直的。
协议的实现保证了能够向上一层提供服务。要实现本层协议还需要使用下层提供的服务。

4.网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？

语法：数据与控制信息的结构或格式
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种相应
同步：事件实现顺序的详细说明

5.在OSI/RM模型中，各层都有差错控制，指出以下每种差错发生在OSI/RM的哪些层中？

噪声使传输链路上的一个0变成1

一个分组被传输到错误的目的站

收到一个序号错误的帧

一台打印机正在打印，突然收到一个错误指令，要打印回本行的开始位置

物理层
网络层
数据链路层
应用层

名词解释

试解释以下名词：协议栈、实体、对等层、协议数据单元、服务访问点、客户、服务器、客户-服务器方式。

协议栈：由于计算机网络体系结构采用了分层结构，这一层层的协议画起来很像堆栈
实体：表示任何可以发送和接收信息的硬件或软件进程
对等层：在网络体系结构中，通信双方实现同样功能的层
协议数据单元：通常记为PDU，对等层实体进行信息交互的数据单元
服务访问点：通常记为SAP，在同一系统中相邻两层的实体进行信息交换的地方，是一个抽象概念。
客户：在计算机网络中进行通信的应用进程中的服务请求方
服务器：在计算机网络中进行通信的应用进程中的服务提供方
客户-服务器方式：这种方式所描述的是进程之间服务的请求方和服务的提供方的关系

计算题

假定网络的利用率达到了90%，试估算一下现在的网络时延是它的最小值的多少倍？

如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D，D0和利用率U之间的关系。
$$
D = D0/(1-U)
$$
故网络时延是最小的十倍.

物理层

简答题

1.物理层要解决哪些问题?物理层主要的特点是什么?

物理层要解决的问题是:

如何能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异,使物理层上的数据链路层感受不到这些差异

物理层主要特点包括:

机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

2.物理层的接口有哪几方面的特性?包含哪些内容?

物理接口协议中的物理接口有四个特性,分别是机械特性,电气特性,功能特性与过程特性.

机械特性:指接口所有的接线器的形状和尺寸,引线数目和排列,固定和锁定装置等等
电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意
过程特性:对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

3.数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制?信噪比能否任意提高?香农公式在数据通信中的意义是什么?bit/秒和码元/秒有什么区别?

码元传输速率受奈式准则的限制,信息传输速率受香农公式的限制
信噪比不能任意提高
香农公式在数据通信中的意义是:只要信息传输速率低于信道极限的传信率,就可实现无差传输.
bit/s是信息传输速率的单位.码元传输速率也成为调制速率,一个码元不一定对应于一个bit

4.为什么要使用信道复用技术?常用的信道复用技术有哪些?

为了通过共享信道,最大限度提高信道利用率
频分多路复用\时分多路复用\码分多路复用\波分多路复用

5.试写出以下英文缩写的全文,并给出解释:FDM,TDM.,STDM,WDM,CDMA

FDM:频分复用,给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法.
TDM:时分复用,把多个信号复用到单个硬件传输信道,它允许每个信号在很短的时间内使用信道.接着再让写一个信号使用.
WDM:波分复用就是光的频分复用
CDMA:码分多址,即码分复用,每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信
STDM:统计时分复用,是一种改进的时分复用,动态划分时间间隔.

共有四个站进行码分多址CDMA通信.四个站的码片序列为:

A:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)

C:(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D:(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

现在收到这样的码片序列:S:(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1),问哪个站发送了数据?发送的是0还是1?

S·A:(+1 -1 +3 +1 -1 +3 +1 +1)/8=1
S·B:(+1 -1 -3 -1 -1 -3 +1 -1) /8=-1
S·C:(+1 +1 +3 +1 -1 -3 -1 -1)/8=0
S·D:(+1 +1 +3 -1 +1 +3 +1 -1)/8=1

A发送1,B发送0,C无法送,D发送1.

计算题

1.假定某信道受奈式准则限制的最高码元速率为20000码元/秒.如果采用振幅调制,把码元的振幅划分为16个不同的等级来传输,那么可以获得多高的数据率?(bit/s)

$$
16 = 2^4
$$

根据奈式准则:
$$
C = Wlog_2(M)
$$
可知:
$$
C=20000log_2(16)=20000*4=80000
$$
故最高速率可达到80000bits/s

2.假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kbit/s的数据(无差错传输),试问这个信道具有多高的信噪比(分别用比值和分贝来表示)?这个结果说明什么?

根据香农公式:
$$
C = Wlog_2(1+\frac{S}{N} )
$$
由于W=3kHz,C为64kbits/s,即:
$$
3log_2(1+\frac{S}{N})=64kbit/s
$$
于是S/N得2^(64/3)-1=2642199,再由信噪比转换公式可得:
$$
10*log_{10}(\frac{S}{N})
$$
信噪比为64.2dB,这个结果说明此信道得信噪比很高.

3.用香农公式计算一下,假定信道带宽为3100Hz,最大信息传输速率为35kbits/s,那么若想使得最大信息传输速率增加60%,问信噪比S/N应增大到多少倍?如果在刚才的计算基础上将信噪比S/N再增大10倍,问最大信息传输率能否再增加20%?

根据香农公式,可知:
$$
C = W*log_{2}(1+\frac{S}{N})
$$
当最大信息传速率增大60%,即C2=1.6C1.
$$
\frac{S}{N} = 2^{\frac{C}{W}}-1
$$
经计算可知,信噪比应增大到100倍.如果在此基础上再增加信噪比,最大信息率只能在增加18.5%左右

数据链路层

简答题

1.数据链路层中的链路控制包括哪些功能?试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点?

链路控制主要功能:链路管理,封装成帧,透明传输,流量控制,差错检测,寻址等
优点是:可以使网络中的某个节点及早发现传输中出了差错,因而可以通过数据链路层重传来纠正这个差错.对于严重干扰的信道,可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路,防止全网络的传输效率受损,
缺点是:有时高层协议使用的是不可靠的传输协议UDP.UDP并不要求重传有差错的数据,在这种情况下,如果做成可靠的数据链路层,反而会增大开销,影响传输效率.

2.网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?

网络适配器(即网卡)用来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件,能进行数据的串并转换,有存储芯片,能实现以太网协议
网络适配器工作在OSI/RM体系结构中的数据链路层和物理层,TCP/IP体系结构的网络接口层.

3.如果数据链路层不进行封装成帧,会发生什么问题?

如果在数据链路层不进行封装成帧,那么数据链路层在接收到一些数据时,就无法知道对方传送的数据中哪些是信息,哪些是数据,甚至数据中有没有差错也不知道.数据链路层也不知道数据传输结束了没有,因此不知道应当什么时候把收到的数据交给上一层.

4.PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100,试问经过零比特填充后会变成怎么样的比特串?若接受端收到的PPP帧的数据部分是0001110111110111110110,问删除发送端加入的零比特后会变成怎样的比特串?

011011111011111000(其中黑体为填充的0)
000111011111[0]11111[0]110(其中[]起来的是删除的0)

5.数据链路层的三个基本问题,封装成帧,差错检测,透明传输,为什么都必须加以解决?

封装成帧是分组交换的必然要求
透明传输是避免二进制比特流中出现与帧定界符相同的模式,使得节点错误识别帧
差错检测是为了避免收到错误的信息和防止信道中出现的无效数据帧浪费后续路由上传输和处理资源

6.一个PPP帧的数据部分(用十六进制写出)是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E,请问真正的数据是什么?用十六进制写出.

ppp帧定界符为01111110(十六进制为7E),转换原则:

当信息中出现每一个7E字节转变为2字节序列(7D,5E);
当信息中出现每一个7D字节转变为2字节序列(7D,5D);

所以本题中的真正数据为去掉转义字符后的数据,题目中转义字符有(7D 5E) FE 27 (7D 5D) (7D 5D) 65 (7D 5E).

故真正的数据是:7E FE 27 7D 7D 65 7E

7.局域网的主要特点是什么?为什么局域网采用广播通信方式而广域网不采用呢?

局域网的特点有:局域网共享传输信道,通常网络为一个单位所有,且地理范围和站点数目均有限
在局域网中各站点通常进行一对多访问,随机使用信道,共享通信媒体,采用广播方式是最合适的.且局域网中站点较少,带宽相对较大,也适宜广播通信.而广域网中用户数量较多,若采用广播通信,会造成广播风暴,降低网络性能,甚至整个网络无法使用.

8.数据率为10Mbits/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少码元/秒

码元传输速率就是波特率,以太网使用曼彻斯特编码,这意味着发送的每一位都有两个信号周期 .所以数据率

为10Mb/s的以太网在物理媒体上的码元传速率是20M码元每秒.

9.以太网使用CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道.这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何?

传统的时分复用TDM是静态时隙分配,均匀高负荷时信道利用率高,低负荷或不均匀时资源浪费较大.CSMA/CD协议采用”先听后说,边听边说”机制.在网络负荷较轻时,协议灵活,利用率高,在网络负荷较重时,冲突较大,效率下降.

11.10Mbit/s以太网升级到100Mbit/s,1Gbit/s和10Gbit/s时,都需要解决哪些技术问题?为什么以太网能够在发展过程中淘汰掉自己的竞争对手,并使自己的应用范围从局域网一直扩展到城域网和广域网?

升级要解决的技术问题有:使参数α保持较小的数值,可以通过减小最大电缆长度或增大帧的最小长度来实现.
大道至简

计算题

1.假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s.设信号在网络上的传播速率为200000km/s.求能够使用此协议的最短帧长.

1km长的CSMA/CD网络的端到端传播时延τ=1/200000=5μs,2τ=10μs.在此时间要发送(1Gbit/s)*10μs=10000bit.

2.要发送的数据为101110.采用CRC的生成多项式P(X)=X^3+1.试求应该添加在数据后面的余数.

根据生成多项式最高阶补0,最高阶是几就补上几个0.补完后有101110000.

作二进制除法(异或运算)101110000除以1001,相当于异或运算,得到余数011(因为最高项次数为3)

3.有10个站连接到以太网上.试计算以下三种情况每一个站所能得到的带宽

①10个站都连接到一个10Mbit/s以太网集线器

②10个站都连接到一个100Mbit/s以太网集线器

③每个站独占10Mbit/s

1.10个站共享,10/10=1Mbit/s

2.10个站共享100Mbit/s,每个站得到100/10=10Mbit/s

3.每个站独占10Mbit/s

网络层

简答题

1.网络层向上提供的服务有哪两种?试对比其优缺点

数据报服务和虚电路服务

对比的方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当由网络来保证	可靠通信应由用户主机来保证
连接的建立	必须有	不需要
终点地址	仅在连接建立阶段使用,每个分组使用短的虚电号	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路进行转发	每个分组独立选择路由进行转发
当节点出故障时	所有通过出故障的节点的虚电路均不能工作	出故障的节点可能会丢失分组,一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点是不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制	可以由网络负责,也可以由用户主机负责	由用户组主机负责

2.网络互连有何实际意义?进行网络互连时,有哪些共同的问题需要解决?

单一的网络无法满足各种用户的多种需求,因此,将许多类型不同的物理网络连接到一起,可以实现更大范围的通信.实际中,使用TCP/IP协议,定义了一种抽象的网络,隐藏了互连的各种不同物理网络细节,使得互联后的网络像一个单一的大网络
需要解决的问题:不同的寻址方案,不同的最大分组长度,不同的网连入机制,不同的超时控制,不同的差错控制方法,不同的路由选择技术等等.

3.试说明IP地址与硬件地址的区别,为什么要使用这两种不同的地址?

从层次的角度来看,物理地址是数据链路层和物理层使用的地址,而IP地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址.
IP地址是不能直接用来通信的,在实际网络的链路传输数据帧时最终还是必须使用硬件地址,但全世界存在着各种各样的网络,它们使用不同的硬件地址,要使这些异构的网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作.IP地址承担起了统一的责任.

4.①子网掩码为255.255.255.0代表什么意思?

②一网络的子网掩码为255.255.255.248,问该网络能连接多少个主机?

③一A类网络和一B类网络的子网号subnet-id分别为16个1和8个1,问这两个子网掩码有何不同?

④一个B类地址的子网掩码是255.255.240.0,试问在其中每一个子网上的主机数最多是多少?

⑤一A类网络的子网掩码为255.255.0.255;它是否为一个有效子网掩码?

⑥某个IP地址的十六进制表示C2.2F.14.81,试将其转化为点分十进制形式,这个地址是哪一类IP地址?

⑦C类网络使用子网掩码有无实际意义?为什么?

有三重含义,其一是一个A类网的子网掩码,对于A类网络的IP地址,前8位表示网络号,后24位表示主机号,使用子网掩码255.255.255.0表示前8位为网络号,中间16位用于子网的划分,最后8位为主机号.第二种情况为一个B类网络,对于B类网络的IP地址,前16位表示网络号.后16位表示主机号,使用子网掩码255.255.255.0表示前16位为网络号,中间8位用于子网划分,最后8位为主机号.第三种情况为一个C类网,这个子网掩码为C类网的默认子网掩码.
255.255.255.248即11111111.11111111.11111111.11111000.掩码位数为29,每一个子网上的主机为2^3=8台,理论上该网络能够连接8个主机但是扣除全1和全0的情况后,该网络实际能够连接6个主机.
A类网络:11111111.11111111.11111111.00000000,则子网掩码为255.255.255.0.B类网络:11111111.11111111.11111111.00000000,则子网掩码为255.255.255.0.可见这两个网络的子网掩码一样,但是他们的子网数量不同.
IP地址的第三个字节是(240)10=(128+64+32+16)10=(11110000)2.子网掩码为:255.255.240.0,主机位共有12位,最大主机数位2^12=4094个(扣除了全为1和全为0)
他是一个有效的子网掩码,但是不推荐这么用,因为子网中的1是不连续的
C2=16×12+2,2F=2×16+15,14=1×16+4,81=8×16+1,转换位IP2进制地址是:11000010.00101111.00010100.10000001.前面是110,这是一个C类网络.
有实际意义.C类子网IP地址的32位中,前24位用于确定网络号,后8位用于确定主机号,如果划分子网.可以选择后8位中的高位,这样做可以进一步划分网络,并且不增加路由表的内容,但是代价是主机数量减少.

5.一个数据报长度为4000字节(固定首部长度).现在经过一个网关传送,但此网络能够传送的最大数据长度为1500字节.试问应当划分几个短些的数据报片?各数据报片的数据字段长度,偏移字段和MF标志应为何数值?

4000字节的IP数据报,减去20字节的固定首部,所含数据长度是3980字节.而网络能够传送的最长数据长度为1500字节,即数据链路层的数据帧中包含的数据最大是1500字节,该数据长度是数据帧中封装IP数据报的最大长度(包括首部和数据,即总长度),于是每个分片数据字段的长度只能为1500-20=1480bit.所以分为三个数据报片.每片数据字段长度为1480,1480和1020字节.偏移字段的值分别为0,185和370.MF字段分别为1,1,0

数据字段	MF	片偏移
片1 1480	1	0
片2 1480	1	185
片3 1020	0	370

MF为1代表后继有人,为0代表无人.片偏移计算为:起始长度/8;三片分别为:0/8与1480/8与2960/8;

6.分两种情况(使用子网掩码和使用CIDR)写出互联网的IP层查找路由算法

第一种情况:使用子网掩码
- 从收到的数据报首部提取目的IP地址D
- 先判断是否直接交付.对路由器直接相连的网络逐个进行检查;用各网络的子网掩码和D逐位相与,看结果是否和相应的网络地址匹配.若匹配,则把分组直接交付,转发任务结束,否则就是间接交付,执行下一步
- 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由,否则执行下一步
- 对路由表中的每一行(目的网络地址,子网掩码,下一跳地址),用其中的子网掩码和D逐位相与,其结果为N.若N与某行的网络地址匹配,则把数据报传送给某行指明的下一跳路由器,否则执行下一步
- 路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由,否则执行下一步
- 报告转发分组出错
第二种:使用CIDR
- 使用CIDR时互联网的IP层查找算法和上面的算法并没有什么不同.当应注意的是,在使用CIDR时,我们使用地址掩码.它的前一部分是一连串的1,对应CIDR中的网络前缀.而掩码中的后一部分是一连串的0,对应于CIDR中的网络后缀.路由表中由”网络前缀”和”下一跳地址”组成.但是在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果,这时应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由.如果在路由表中的各项是按网络前缀的长度排序的,把最长的网络前缀放在最前面,那么当查找路由表找到匹配时,就是找到了正确的路由,因而结束了查找.
7.如下的4个/24地址块,试进行最大可能性的聚合

212.56.132.0/24

212.56.133.0/24

212.56.134.0/24

212.56.135.0/24

这几个地址前面2个字节都一样,因此只需要比较第三个字节

212=(11010100)2,56=(00111000)2

132=(10000100)2,133=(10000101)2,134=(10000110)2,135=(10000111)2

所以共同前缀有22位,即11010100.00111000.100001,聚合的CIDR地址块是:212.56.132.0/22

8.已知地址块中的一个地址是190.87.140.202/29.试求这个地址块中的最小地址和最大地址.地址掩码是什么?地址块中共有多少个地址?相当于多少C类地址?

给定地址的前缀是29位,因此我们只需要观察第四个字节,只把第四个字节写成二进制即可

190.87.140.(1100 1010)/29,取前29位，后面全是0，即得出最小地址。取前29位，后面全是1，即得出最大地址。地址数是8个，相当于1/32个C类地址

论述题

1.某单位分配到一个起始地址为14.24.74.0/24的地址块。该单位需要用到三个子网，它们的三个子地址块的具体要求是：子网N1需要120个地址，N2需要60个地址，N3需要10个地址。请给出地址块的分配方案

这个地址的网络前缀是24位，因此主机号有8位，即一共有256个地址。可以拿总地址的一半128个分配给子网N1。这个地址块的网络前缀是25位。再将剩下的一半64个分配给子网N2，这个地址块的网络前缀是26位。还剩下64个地址，可以拿出1/4分配给子网N3，这个地址块的网络前缀是28位。最后剩下的48位留下以后用。

这样，分配给子网N1的首地址是14.24.74.0/25，末地址是14.24.74.127/25

分配给子网N2的首地址是14.24.74.128/26，末地址是14.24.74.191/26

分配给子网N3的首地址是14.24.74.192/28，末地址是14.24.74.207/28

解释一下：当第四个字节，从左到右为0 000 0000时，说明已经把0后的所有地址都给了出去，余下的地址有1 000 0000到 1 111 1110.而再给64个，那就从10后面的 00 0000开始给，然后剩下只有11 后面的00 0000可以用。再给16个，那就是 1100后面的 0000可以用。其实1101 开头，1110开头，1111开头都可以。

2.

先把收到路由中的距离+1

地址	距离
N1	3
N2	2
N3	4
N4	8

路由器A更新后的路由表如下：

地址	距离	路由	改变信息
N1	3	C	不同的下一跳，距离更短，改变
N2	2	C	不同的下一跳，距离一样，不变
N3	1	F	不同的下一跳，距离更大，不改变
N4	5	G	不同的下一跳，距离更大，不改变

3.

此题同上题差不多，咱们直接就开干！

收到的路由：

地址	距离
N2	5
N3	9
N6	5
N8	4
N9	6

路由器B更新后的路由表如下：

地址	距离	路由	改变信息
N1	7	A	无新信息，不改变
N2	5	C	相同的下一跳，更新
N3	9	C	新的项目，添加进来
N6	5	C	不同的下一跳，距离更短，更新
N8	4	E	不同的下一跳，距离相同，不变
N9	4	F	不同的下一跳。距离更大，不改变

传输层

简答题

1.为什么说UDP是面向报文的，而TCP是面向字节流的呢？

发送方UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层，UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界，即一次发送一个报文。接收方UDP对IP层交上来的UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动的交付上层的应用进程，即一次交付一个完整报文。
发送方TCP对应用程序交下来的报文数据块，视为无结构的字节流，但维持各字节。

2.某个应用进程使用运输层的用户数据报UDP，然而继续向下交给IP层后，又封装成IP数据报。既然都是数据报，可否跳过UDP而直接交给IP层？哪些功能UDP提供了但IP没有提供？

不可跳过UDP直接交给IP层，因为以下几点：

IP数据报只能找到目的主机而无法找到目的进程。如果应用进程直接把数据交给下面的IP层，那么在传送到对方IP层后，就只能交付目的主机，但不知道交付哪一个应用进程
UDP提供对应用进程的复用和分用功能，以及提供对数据差分的差错检测。这些功能IP层没有提供。

3.一个应用程序用UDP，到了IP层把数据报再划分为4个数据片并发送出去。结果前两个数据报丢失，后两个到达目的站。过了一段时间应用程序重传UDP，而IP层仍然划分为4个数据报来传送。结果这次前两个到达目的站而后两个丢失，试问：在目的站能否将这两次传输的4个数据片段组装成为完整的数据报？假定目的站第一次收到的后两个数据报片仍然保存在目的站缓存中。

不行，因为重传IP数据报的标识字段有另外一个标识符。标识符相同的IP数据报段才能组装成一个IP数据报。前两个IP数据报片的标识符不同，所以不能组成一个IP数据报。