计算机网络习题解答(教材 计算机网络 谢希仁编著)2

计算机网络习题解答(教材 计算机网络   谢希仁编著)2 

第四章局域网

4-03 、一个7层楼，每层有一排共15间办公室。每个办公室的楼上设有一个插座，所有的插座在一个垂直面上构成一个正方形栅格组成的网的结点。设任意两个插座之间都允许连上电缆（垂直、水平、斜线……均可）。现要用电缆将它们连成（1）集线器在中央的星形网；（2）总线式以太网。试计算每种情况下所需的电缆长度。

答：（1）假定从下往上把7层楼编号为1-7层。按楼层高4米计算。在星形网中，集线器放在4层中间位置（第8间房）。电缆总程度等于：

7   15

4 Σ   Σ √（i-4）2+（j-8）2=1832（m）

i=1   j=1

（2）对于总线式以太网（如10BASE2），每层需4×14=56（m）水平电缆，垂直电缆需4×6=24（m），所以总长度等于

                   7 ×56+24=416（m）

4-04 数据率为10Mbit/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少波特？

答：以太网使用曼彻斯特编码，这就意味着发送的每一位都有两个信号周期。标准以太网的数据速率是10Mb/s，因此波特率是数据率的两倍，即20M波特。

4-06 试说明10BASE5，10BASE2，10BASE-T，1BASE-5，10BROAD36和FOMAU所代表的意思。

答：10BASE5，10BASE2，10BASE-T分别表示以太网的三种不同的物理层。10表示数据率是10Mb/s，BASE表示电缆上的信号是基带信号，采用曼彻斯特编码。5表示粗缆，每一段电缆的最大长度是500米。2代表细缆，每一段电缆的最大长度是185米。T表示双绞线。

10BROAD36 ：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BROAD”表示电缆上的信号是宽带信号，“36”表示网络的最大跨度是3600m。

FOMAU : (Fiber Optic Medium Attachment Unit)   光纤媒介附属单元。

4-07 10Mbit/s 以太网升级到100Mbit/s和1Gbit/s甚至10Gbit/s时，需要解决哪些技术问题？在帧的长度方面需要有什么改变？为什么？传输媒体应当有什么改变？

答：以太网升级时，由于数据传输率提高了，帧的发送时间会按比例缩短，这样会影响冲突的检测。所以需要减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，使参数a保持为较小的值，才能有效地检测冲突。在帧的长度方面，几种以太网都采用802.3标准规定的以太网最小最大帧长，使不同速率的以太网之间可方便地通信。100bit/s的以太网采用保持最短帧长（64byte）不变的方法，而将一个网段的最大电缆长度减小到100m，同时将帧间间隔时间由原来的9.6μs，改为0.96μs。1Gbit/s以太网采用保持网段的最大长度为100m的方法，用“载波延伸”和“分组突法”的办法使最短帧仍为64字节，同时将争用字节增大为512字节。传输媒体方面，10Mbit/s以太网支持同轴电缆、双绞线和光纤，而100Mbit/s和1Gbit/s以太网支持双绞线和光纤，10Gbit/s以太网只支持光纤。

4-08 有10个站连接在以太网上。试计算以下三种情况下每一个站所能得到的带宽。

（1） 10 个站都连接到一个10Mb/s以太网集线器。

（2） 10 个站都连接到一个100Mb/s以太网集线器。

（3） 10 个站都连接到一个10Mb/s以太网交换机。

答：（1）10个站共享10Mb/s。

（1） 10 个站共享100Mb/s。（3）每个站独占10Mb/s。

4-09 100 个站分布在4km长的总线上。协议采用CSMA/CD。总线速率为5Mb/s，帧的平均长度为1000bit。试估算每个站每秒钟发送的平均帧数的最大值。传播时延为5µs/km。

解：发送一个帧所需的平均时间为：

T_av=2 τN_R+T₀+τ，其中N_R=(1-A)/A，A是某个站发送成功的概率，

，N＝100时，A_max=0.369

 ,

总线上每秒发送成功的最大帧数：，则得每个站每秒发送的平均帧数为3400/100=34.7

4-10 在以下条件下，分别重新计算上题，并解释所得结果。

（1）总线长度减小到1km。（2）总线速度加倍。（3）帧长变为10000bit。

答：设a与上题意义相同

（1） a1=a/4=0.025 ，Smax1=0.9000

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=45

总线长度减小，端到端时延就减小，以时间为单位的信道长度与帧长的比也减小,信道给比特填充得更满,信道利用率更高，所以每站每秒发送的帧更多。

（2） a2=2a=0.2 ，Smax2=0.5296

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=53

  总线速度加倍，以时间为单位的信道长度与帧长的比也加倍，信道利用率

减小（但仍比原来的1/2大），所以最终每站每秒发送的帧比原来多。

  （3）a3=a/10=0.01，Smax3=0.9574

每个站每秒种发送的平均帧数的最大值=4.8

  帧长加长10倍，信道利用率增加，每秒在信道上传输的比特增加（但没有10倍），所以最终每站每秒发送的帧比原来少。

4-11 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/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。

答：对于1km电缆，单程端到端传播时延为：τ=1÷200000=5×10-6s=5μs，

端到端往返时延为：    2τ=10μs

为了能按照CSMA/CD工作，最小帧的发送时延不能小于10μs，以1Gb/s速率工作，10μs可发送的比特数等于：10×10-6×1×109=10000bit=1250字节。

4-12 有一个使用集线器的以太网，每个站到集线器的距离为d，数据发送速率为C，帧长为12500字节，信号在线路上的传播速率为，距离d为25m或2500m，发送速率为10Mb/s或10Gb/s。这样就有四种不同的组合。试利用公式（4-9）分别计算这4种不同情况下参数的数值，并作简单讨论。

解：公式（4-9）为：

               

其中为传播时延，为数据帧的发送时间。

计算结果：

距离	d=25m		d=2500m
发送速率	C=10Mb/s	C=10Gb/s	C=10Mb/s	C=10Gb/s

 

讨论：越大，信道利用率就越小。

4-15 假定一个以太网上的通信量中的80%是在本局域网上进行的，而其余的20%的通信量是在本局域网和因特网之间进行的。另一个以太网的情况则反过来。这两个以太网一个使用以太网集线器，另一个使用以太网交换机。你认为以太网交换机应当用在哪一个网络上？

答：以太网交换机用在这样的网络，其20%通信量在本局域网而80%的通信量到因特网。

4-16 以太网使用的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？

答：CSMA/CD是一种动态的媒体随机接入共享信道方式，而传统的时分复用TDM是一种静态的划分信道，所以对信道的利用，CSMA/CD是用户共享信道，更灵活，可提高信道的利用率，不像TDM，为用户按时隙固定分配信道，即使当用户没有数据要传送时，信道在用户时隙也是浪费的；也因为CSMA/CD是用户共享信道，所以当同时有用户需要使用信道时会发生碰撞，就降低信道的利用率，而TDM中用户在分配的时隙中不会与别的用户发生冲突。对局域网来说，连入信道的是相距较近的用户，因此通常信道带宽较宽，如果使用TDM方式，用户在自己的时隙内没有数据发送的情况会更多，不利于信道的充分利用。

对计算机通信来说，突发式的数据更不利于使用TDM方式。

4-17 使用CSMA/CD协议时，若线路长度为100m，信号在线路上传播速率为2×108m/s。数据的发送速率为1Gbit/s。试计算帧长度为512字节、1500字节和64000字节时的参数a的数值，并进行简单讨论。

答：a=τ/T0=τC/L=100÷（2×108）×1×109/L=500/L，

信道最大利用率Smax =1/（1+4.44a），最大吞吐量Tmax=Smax×1Gbit/s

帧长512字节时，a=500/（512×8）=0.122， Smax =0.6486，Tmax=648.6 Mbit/s

帧长1500字节时，a=500/（1500×8）=0.0417，Smax =0.8438 ，Tmax=843.8 Mbit/s

帧长64000字节时,a=500/（64000×8）=0.000977,Smax =0.9957，Tmax=995.7 Mbit/s

可见，在端到端传播时延和数据发送率一定的情况下，帧长度越大，信道利用率越大，信道的最大吞吐量就越大。

4-18 以太网交换机有何特点？它与集线器有何区别？

答：以太网交换机实质上是一个多端口网桥。工作在数据链路层。以太网交换机的每个端口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连，并且一般工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体一样，进行无碰撞地传输数据。通信完成后就断开连接。

   区别：以太网交换机工作数据链路层，集线器工作在物理层。集线器只对端口上进来的比特流进行复制转发，不能支持多端口的并发连接。

4-19 网桥的工作原理和特点是什么？网桥与转发器以及以太网交换机有何异同？

答：网桥的每个端口与一个网段相连，网桥从端口接收网段上传送的各种帧。每当收到一个帧时，就先暂存在其缓冲中。若此帧未出现差错，且欲发往的目的站MAC地址属于另一网段，则通过查找站表，将收到的帧送往对应的端口转发出去。若该帧出现差错，则丢弃此帧。网桥过滤了通信量，扩大了物理范围，提高了可靠性，可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网。但同时也增加了时延，对用户太多和通信量太大的局域网不适合。

    网桥与转发器不同，（1）网桥工作在数据链路层，而转发器工作在物理层；（2）网桥不像转发器转发所有的帧，而是只转发未出现差错，且目的站属于另一网络的帧或广播帧；（3）转发器转发一帧时不用检测传输媒体，而网桥在转发一帧前必须执行CSMA/CD算法；（4）网桥和转发器都有扩展局域网的作用，但网桥还能提高局域网的效率并连接不同MAC子层和不同速率局域网的作用。

以太网交换机通常有十几个端口，而网桥一般只有2-4个端口；它们都工作在数据链路层；网桥的端口一般连接到局域网，而以太网的每个接口都直接与主机相连，交换机允许多对计算机间能同时通信，而网桥允许每个网段上的计算机同时通信。所以实质上以太网交换机是一个多端口的网桥，连到交换机上的每台计算机就像连到网桥的一个局域网段上。网桥采用存储转发方式进行转发，而以太网交换机还可采用直通方式转发。以太网交换机采用了专用的交换机构芯片，转发速度比网桥快。

4-23 现有五个站分别连接在三个局域网上，并且用两个透明网桥连接起来，如下图所示。每一个网桥的两个端口号都标明在图上。在一开始，两个网桥中的转发表都是空的。以后有以下各站向其他的站发送了数据帧，即H1发送给H5，H3发送给H2，H4发送给H3，H2发送给H1。试将有关数据填写在下表中

解：

发送的帧	网桥1的转发表		网桥2的转发表		网桥1的处理 （转发？丢弃？登记？）	网桥2的处理 （转发？丢弃？登记？）
	站地址	端口	站地址	端口
H1 à H5	MAC1	1	MAC1	1	转发，写入转发表	转发，写入转发表
H3 à H2	MAC3	2	MAC3	1	转发，写入转发表	转发，写入转发表
H4 à H3	MAC4	2	MAC4	2	写入转发表，丢弃不转发	转发，写入转发表
H2 à H1	MAC2	1			写入转发表，丢弃不转发	接收不到这个帧

 

 

 

 

 

 

 

第五章 广域网

5-01 试从多个方面比较虚电路和数据报这两种服务的优缺点。

答：虚电路服务和数据报服务的区别可由下表归纳：

　　　　　　

对比的方面	虚电路	数据报
连接的建立	必须有	不要
目的站地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有目的站的全地址
路由选择	在虚电路连接建立时进行，所有分组均按同一路由	每个分组独立选择路由
当路由器出故障	所有通过了出故障的路由器的虚电路均不能工作	出故障的路由器可能会丢失分组，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目的站	到达目的站时可能不按发送顺序
端到端的差错处理	由通信子网负责	由主机负责
端到端的流量控制	由通信子网负责	由主机负责

 

从占用通信子网资源方面看：虚电路服务将占用结点交换机的存储空间，而数据报服务对每个其完整的目标地址独立选径，如果传送大量短的分组，数据头部分远大于数据部分，则会浪费带宽。

从时间开销方面看：虚电路服务有创建连接的时间开销，对传送小量的短分组，显得很浪费；而数据报服务决定分组的去向过程很复杂，对每个分组都有分析时间的开销。

从拥塞避免方面看：虚电路服务因连接起来的资源可以预留下来，一旦分组到达，所需的带宽和结点交换机的容量便已具有，因此有一些避免拥塞的优势。而数据报服务则很困难。

从健壮性方面看：通信线路的故障对虚电路服务是致命的因素，但对数据报服务则容易通过调整路由得到补偿。因此虚电路服务更脆弱。

5-03 设有一分组交换网。若使用虚电路，则每一分组必须有3字节的分组首部，

而每个网络结点必须为虚电路保留8字节的存储空间来识别虚电路。但若使用数据报，则每个分组需有15字节的分组首部，而结点就不需要保留转发表的存储空间。设每段链路每传1MB需0.01元。购买结点存储器的代价为每字节0.01元，而存储器的寿命为2年工作时间（每周工作40小时）。假定一条虚电路的每次平均时间为1000s，而在此时间内发送200分组，每个分组平均要经过4段链路。试问采用哪种方案（虚电路或数据报）更为经济？相差多少？

答：每个分组经过4段链路意味链路上包括5个分组交换机。

虚电路实现方案：需在1000秒内固定分配5×8=40bytes存储空间，

存储器使用的时间是2年，即2×52×40×3600=1.5×10⁷sec

每字节每秒的费用=0.01/（1.5×10⁷）=6.7×10^-10元

总费用，即1000秒40字节的费用=1000×40×6.7×10^-10=2.7×10^-5元

数据报实现方案：比上述虚电路实现方案需多传(15-3)×4×200=9600bytes，

                每字节每链路的费用=0.01/10⁶=10^-8元

       总费用，即9600字节每链路的费用=9600×10^-8=9.6×10^-5元

9.6-2.7=6.9 毫分

可见，本题中采用虚电路实现方案更为经济，在1000秒的时间内便宜6.9毫分。

5-03 假定分组交换网中所有结点的处理机和主机均正常工作，所有的软件也正常无误。试问一个分组是否可能被投送到错误的目的结点（不管这个概率有多小？）

如果一个网络中所有链路的数据链路层协议都能正确工作，试问从源结点到目的结点之间的端到端通信是否一定也是可靠的（见5-11）？

答：有可能。大的突发噪声可能破坏分组。使用k位的效验和，差错仍然有2^-k的概率被漏检。如果分组的目的地址字段或虚电路的标识号被改变，分组会被投递到错误的目的地，并可能被接收为正确的分组。换句话说，偶然的突发噪声可能把送往一个目的地的完全合法的分组改变成送往另一个目的地的也是完全合法的分组。

  即使所有的数据链路层协议都工作正常，端到端的通信不一定可靠。（见5-11）

5-04 广域网中的主机为什么采用层次结构方式进行编址？

答：层次结构方式进行编址就是把一个用二进制数表示的主机地址分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号，而后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号。采用两个层次的编址方案可使转发分组时只根据分组和第一部分的地址（交换机号），即在进行分组转发时，只根据收到的分组的主机地址中的交换机号。只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时，交换机才检查第二部分地址（主机号），并通过合适的低速端口将分组交给目的主机。采用这种方案可以减小转发表的长度，从而减少了查找转发表的时间。

5-05 一个数据报分组交换网允许各结点在必要时将收到的分组丢弃。设结点丢弃一个分组的概率为p。现有一个主机经过两个网络结点与另一个主机以数据报方式通信，因此两个主机之间要经过3段链路。当传送数据报时，只要任何一个结点丢弃分组，则源点主机最终将重传此分组。试问：

（1）每一个分组在一次传输过程中平均经过几段链路？

（2）每一个分组平均要传送几次？

（3）目的主机每收到一个分组，连同该分组在传输时被丢弃的传输，平均需要经过几段链路？

答：（1）从源主机发送的每个分组可能走1段链路（主机-结点）、2段链路（主机-结点-结点）或3段链路（主机-结点-结点-主机）。

走1段链路的概率是p，

走2段链路的概率是p（1-p），

走3段链路的概率是（1-p）²

则，一个分组平均通路长度的期望值是这3个概率的加权和，即等于

L=1 ×p＋2×p（1-p）＋3×（1-p）²= p²-3 p+3

注意，当p=0时，平均经过3段链路，当p=1时，平均经过1段链路，当0<p<1时，可能需要多次发送。

（2）一次传送成功的概率=（1-p）²，令α=（1-p）²，

     两次传送成功的概率=（1-α）α，

     三次传送成功的概率=（1-α）²α，

     ……

因此每个分组平均传送次数T=α＋2α（1-α）＋3α（1-α）²＋

                      = ［α/（1-α）］［（1-α）＋2（1-α）²＋3（1-α）³＋……］

因为    ∞            

∑ kq^k = q/（1-q）²

　　　 k=1       

所以   T=［α/（1-α）］×（1-α）/［1-（1-α）］² =1/α=1/（1-p）²

（3）每个接收到的分组平均经过的链路数H

H=L ×T=（p²-3 p+3）/（1-p）²

5-06 一个分组交换网其内部采用虚电路服务，沿虚电路共有n个结点交换机，在交换机中每一个方向设有一个缓存，可存放一个分组。在交换机之间采用停止等待协议，并采用以下措施进行拥塞控制。结点交换机在收到分组后要发回确认，但条件是：①接收端已成功收到了该分组；②有空闲的缓存。设发送一个分组需T秒（数据或确认），传输的差错可忽略不计，主机和结点交换机之间的数据传输时延也可忽略不计。试问：交付给目的主机的速率最快为多少？

答：对时间以T秒为单位分槽。在时槽1，源结点交换机发送第1个分组。在时槽2的开始，第2个结点交换机收到了分组，但不能应答。在时槽3的开始，第3个结点交换机收到了分组，但也不能应答。这样，此后所有的路由器都不会应答。仅当目的主机从目的地结点交换机取得分组时，才会发送第1个应答。现在确认应答开始往回传播。在源结点交换机可以发送第2个分组之前，需两次穿行该子网，需要花费的时间等于2（n-1）T。所以，源结点交换机往目的主机投递分组的速度是每2（n-1）T秒1个分组。显然这种协议的效率是很低的。

5-11 有AB和BC两条链路。A经过B向C发送数据。若B收到A发来的数据时，可以先向C转发再向A发确认，也可以把这顺序反过来。也就是说，B要做的三件事的顺序是：按收数据-转发-发确认，或：接收数据-发确认-转发。现假定B在做完第二件事后处理机出现故障，存储器中所存信息全部丢失，但很快又恢复了工作。试证明：只有采用端到端发确认信息的方法（即从C向A发确认信息），才能保证在任何情况下数据都能从A经B正确无误地交付到C。

答：情形1：如B采用按收数据-转发-发确认顺序工作，在把A的数据转发给C后（随后C接收到该数据），处理机出现故障，存储器中所存信息全部丢失，无法发确认给A；A在重发计时器到时后仍未收到确认，就会重发，这时B已恢复工作，再转发给C，则C收到两个重复的数据。

    情形2：如B采用接收数据-发确认-转发顺序工作，在向A发送完确认后（随后A收到确认，认为该数据已成功交付），处理机出现故障，存储器中所存信息全部丢失，无法转发给C，而A认为该数据已成功交付，导致数据丢失。

因此就算所有的数据链路层协议都工作正常，端到端的通信不一定可靠。

如果采用端到端发确认信息的方法，情形1中C在收到数据后，会给A发送确认，A收到后不会重发数据。在情形2中，C未收到数据，没有给A发送确认，A在重发计时器到时后未收到确认，就重发数据，不会造成数据的丢失。所以只有采用端到端发确认信息的方法，才能保证在任何情况下数据都能从A经B正确无误地交付到C。