计算机网络复习笔记

概述

1.因特网的发展大致分为哪几个阶段？请指出这几个阶段最主要的特点。

  • 从单个网络APPANET向互联网发展
    TCP/IP协议的初步成型
    建成三级结构的Internet
    分为主干网、地区网和校园网
    形成多层次ISP结构的Internet
    ISP首次出现。

2.习题：

试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x（bit）。从源点到终点共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为b(b/s)。在电路交换时电路的建立时间为s(s)。在分组交换时分组长度为p(bit)，且各结点的排队等待时间可忽略不计。
问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？

  • 电路交换时延：kd+x/b+s
    分组交换时延：kd+(x/p)(p/b)+ (k-1)(p/b)
    其中(k-1)(p/b)表示K段传输中，有(k-1)次的储存转发延迟，当s>(k-1)(p/b)时，电路交换的时延比分组交换的时延大。

3.习题：

在上题的分组交换网中，设报文长度和分组长度分别为x和(p+h)(bit),其中p为分组的数据部分的长度，而h为每个分组所带的控制信息固定长度，与p的大小无关。通信的两端共经过k段链路。链路的数据率为b(b/s)，但传播时延和结点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的时延为最小，问分组的数据部分长度p应取为多大？（提示：参考图1-12的分组交换部分，观察总的时延是由哪几部分组成。）

  • 总时延D表达式，分组交换时延为：D= kd+(x/p)((p+h)/b)+ (k-1)(p+h)/b
    D对p求导后，令其值等于0，求得p=[(xh)/(k-1)]^0.5

4.习题：

收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2×10^8/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：
（1） 数据长度为10^7bit,数据发送速率为100kb/s。
（2） 数据长度为10^3bit,数据发送速率为1Gb/s。
从上面的计算中可以得到什么样的结论？

  • 发送时延：100s，传播时延：0.005s；
    发送时延：1us，传播时延：0.005s；
    若数据长度大而发送率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延。
    若数据长度小而发送率高，则在总的时延中，传播时延往往大于发送时延。

5.习题：

网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？

  • 网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。由以下三个要素组成：
    （1）语法：即数据与控制信息的结构或格式。
    （2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
    （3）同步：即事件实现顺序的详细说明。

物理层

1.物理层要解决什么问题？

  • 物理层要尽可能屏蔽掉物理设备，传输媒体，通信手段的不同，使上面的数据链路层感觉不到这些差异的存在，而专注于完成本层的协议与服务。
  • 给数据链路层在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流的能力。物理层应该解决物理连接的建立，维持和释放问题。
  • 在两个相邻的系统之间唯一地标识数据电路。

2.物理层的主要特点是什么？

  • 在OSI之前，已经有很多物理协议或规程制定出来并且已经投入使用，而且物理协议涉及的范围广泛，至今没有按照OSI的抽象模型制定一套核心物理层协议，而是沿用已经存在的物理规程。
  • 物理层的连接方式很多，传输媒体种类也很多i，所以物理协议十分复杂。

3.物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？

  • 机械特性：指明接口所用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：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

4.为什么要采用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

  • 信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。在一条传输介质上传输多个信号。提高线路的利用率，降低网络的成本。
  • 常用的信道复用技术有频分复用，时分复用。

5. 习题：

共有4 个站进行码分多址CDMA 通信。4 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）
现收到这样的码片序列：（-1 +1 –3 +1 -1 –3 +1 +1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1 还是0？

  • 解答：
    S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1， A 发送1
    S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B 发送0
    S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0， C 无发送
    S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1， D 发送1

数据链路层

1.网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？

  • 网络适配器来实现数据链路层和物理层这两层的协议的软件和硬件
  • 网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链里层和物理层）

2.PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？

PPP协议（Point-to-Point Protocol）是现在用的最广泛的数据链路层协议。

  • 简单；提供不可靠的数据报服务； 检错；但不能纠错;不使用序号和确认机制。
  • 首部中的地址字段A规定为0xFF，控制字段C规定为）0x03，
    最初考虑以后对这两个字段的值进行其他定义，但是至今没有给出，所以帧的编号实际上不起作用。
  • PPP是面向字节的,
    当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成零比特填充，
    当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
  • PPP适用于线路质量不太差的情况下，PPP没有编码和确认机制。

3.习题

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变成怎样的比特串？若接收端收到的PPP帧的数据部分是 0001110111110111110110，问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串？

  • 011011111011111000
  • 000111011111 11111 110

4.习题

假定在使用CSMA/CD协议的10Mb/s以太网中某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数r=100。试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是100Mb/s的以太网呢？

  • 对于10mb/s的以太网，以太网把争用期定为51.2微秒，要退后100个争用期，等待时间是51.2（微秒）*100=5.12ms
  • 对于100mb/s的以太网，以太网把争用期定为5.12微秒，要退后100个争用期，等待时间是5.12（微秒）*100=512微秒

5.习题

网桥中的转发表是用自学习算法建立的。如果有的站点总是不发送数据而仅仅接受数据，那么在转发表中是否就没有与这样的站点相对应的项目？如果要向这个站点发送数据帧，那么网桥能够把数据帧正确转发到目的地址吗？

  • 没有与这样的站点相对应的项目;
    网桥能够利用广播把数据帧正确转发到目的地址

网络层

1.作为中间设备，转发器，网桥，路由器，网关有何区别？

  • 中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。
  • 物理层中继系统：转发器(repeater)。
  • 数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。
  • 网络层中继系统：路由器(router)。
  • 网络层以上的中继系统：网关(gateway)。

2.试简单说明下列协议的作用：IP、ARP、RARP和ICMP。

  • IP协议：实现网络互连。使参与互连的性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，与IP协议配套使用的还有四个协议。
  • ARP协议：是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
  • RARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题。
  • ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会。
  • 因特网组管理协议IGMP：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。

3.试辨认以下IP地址的网络类别。

(1）128.36.199.3
（2）21.12.240.17
（3）183.194.76.253
（4）192.12.69.248
（5）89.3.0.1
（6）200.3.6.2

  • 分析：A类地址的网络号字段占一个字节，但是只有7位可以使用（第一位固定为0）所以可指派的网络号为126个（2^7-2）。所以（2）和（5）的网络号可以看出是属于A类网络的。对于B类网络，网络号字段占两个字节，但第一个字节前两位固定为10，那么B类网络的网络号第一个字段是10000000-10111111，所以是128-191。可得（1）和（3）是B类网络，剩下的是C类网络。
  • (2)和(5)是A类,(1)和(3)是B类,(4)和(6)是C类.

4.习题：

设某路由器建立了如下路由表：
目的网络 / 子网掩码 / 下一跳
128.96.39.0 / 255.255.255.128 / 接口m0
128.96.39.128 / 255.255.255.128/ 接口m1
128.96.40.0 / 255.255.255.128/ R2
192.4.153.0 / 255.255.255.192 / R3
*（默认） / —— / R4

现共收到5个分组，其目的地址分别为：
（1）128.96.39.10
（2）128.96.40.12
（3）128.96.40.151
（4）192.153.17
（5）192.4.153.90

试分别计算下一条。

（1）分组的目的站IP地址为：128.96.39.10。先与子网掩码255.255.255.128相与，得128.96.39.0，可见该分组经接口0转发。
（2）分组的目的IP地址为：128.96.40.12。 ① 与子网掩码255.255.255.128相与得128.96.40.0，不等于128.96.39.0。 ② 与子网掩码255.255.255.128相与得128.96.40.0，经查路由表可知，该项分组经R2转发。
（3）分组的目的IP地址为：128.96.40.151，与子网掩码255.255.255.128相与后得128.96.40.128，与子网掩码255.255.255.192相与后得128.96.40.128，经查路由表知，该分组转发选择默认路由，经R4转发。
（4）分组的目的IP地址为：192.4.153.17。与子网掩码255.255.255.128相与后得192.4.153.0。与子网掩码255.255.255.192相与后得192.4.153.0，经查路由表知，该分组经R3转发。
(5）分组的目的IP地址为：192.4.153.90，与子网掩码255.255.255.128相与后得192.4.153.0。与子网掩码255.255.255.192相与后得192.4.153.64，经查路由表知，该分组转发选择默认路由，经R4转发。

5.习题

有如下的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

运输层

1.试说明运输层在协议栈中的地位和作用，运输层的通信和网络层的通信有什么重要区别？为什么运输层是必不可少的？

  • 运输层处于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层，向它上面的应用层提供服务。
  • 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信，但网络层是为主机之间提供逻辑通信（面向主机，承担路由功能，即主机寻址及有效的分组交换）。
  • 各种应用进程之间通信需要“可靠或尽力而为”的两类服务质量，必须由运输层以复用和分用的形式加载到网络层。

2.试举例说明有些应用程序愿意采用不可靠的UDP，而不用采用可靠的TCP。

  • VOIP：由于语音信息具有一定的冗余度，人耳对VOIP数据报损失由一定的承受度，但对传输时延的变化较敏感。
    有差错的UDP数据报在接收端被直接抛弃，TCP数据报出错则会引起重传，可能带来较大的时延扰动。
    因此VOIP宁可采用不可靠的UDP，而不愿意采用可靠的TCP。

3.为什么说UDP是面向报文的，而TCP是面向字节流的？

  • 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。
    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地交付上层的应用进程，一次交付一个完整的报文。
    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（无边界约束，课分拆/合并），但维持各字节。

4.什么是Karn算法？在TCP的重传机制中，若不采用Karn算法，而是在收到确认时都认为是对重传报文段的确认，那么由此得出的往返时间样本和重传时间都会偏小。试问：重传时间最后会缩小到什么程度？

  • 答：Karn算法：在计算平均往返时延RTT时，只要报文段重传了，就不采用其往返时延样本。
  • 设新往返时延样本Ti
    RTT（1）=aRTT（i-1）+（1-a）T（i）；
    RTT^（i）=a* RTT（i-1）+（1-a）T（i）/2；
    RTT（1）=a    0+(1-a)T(1)= (1-a)T(1);
    RTT^（1）=a0+(1-a)T(1)/2= RTT（1）/2
    RTT（2）= aRTT（1）+（1-a）T（2);
    RTT^（2）= aRTT（1）+（1-a）T（2)/2;
    = aRTT（1）/2+（1-a）T（2)/2= RTT（2）/2
    RTO=beta*RTT,
    在统计意义上，重传时间最后会减小到使用karn算法的1/2.

5.假定TCP在开始连接时，发送方设定的超时重传时间RTO=6s

（1）当发送发收到对方的连接确认报文时，测量出RTT样本值为1.5s。试计算现在的RTO值。
（2）当发送方发送数据报文段并收到确认时，测量出的RTT样本值为2.5s。试计算现在的RTO值。

  • 据RFC2988建议，RTO=RTTs+4RTTd。
    其中RTTd是RTTs的偏差加权均值。
    初次测量时，RTTd（1）= RTT（1）/2；
    后续测量中，RTTd（i）=（1-Beta）     RTTd（i-1）+Beta{ RTTs- RTT（i）}；
    Beta=1/4
    依题意，RTT（1）样本值为1.5秒，
    则 RTTs（1）=RTT（1）=1.5s RTTd(1)=RTT(1)/2=0.75s RTO(1)=RTTs(1)+4RTTd(1)=1.5+4    0.75=4.5(s)
  • RTT（2）=2.5s
    RTTs（1）=1.5s
    RTTd（1）=0.75s
    RTTd（2）=（1-Beta）* RTTd（1）+Beta{ RTTs（1）- RT （2）}=0.753/4+{1.5-2.5}/4=13/16
    RTO(2)=RTTs（1）+4RTTd（2）=1.5+4*13/16=4.75s
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