计算机网络 第六章 课后题答案

英文版教材第六章 8、10、11、18、19、21、22、25、26、27、28、补充题

1. 比较传输层与数据链路层的区别（此处数据链路层不包含MAC子层）
   

2. 比较网络层的端到端和传输层的端到端的区别。
   
   传输层协议用于端口与端口之间，作用范围比IP协议大
   
   用户在传输层可控制端到端服务质量（socket编程）

3. 传输层协议在通信过程中，为什么要实用端口号而不是直接实用进程的 ID 号来标识端到端的连接？
   答：①进程ID属于操作系统范畴，若使用进程ID标识则传输层不独立于操作系统，产生依赖性
   ②进程可能占用多个信道，单个ID号无法区分
   ③进程在广为人知的端口上监听是可能的，但在广为人知的进程ID上监听是不可能的

4. 主机 1 上的一个进程被分配来端口 p，主机 2 上的一个进程被分配来端口 q，试问这两个端口之间有可能同时存在两个或者多个 TCP 连接吗？
   考点：端口地址的概念
   答：不可能。端口是局部地址，IP是全局地址，在传输层的TCP通信中每个应用进程都通过socket（包括了端口地址和IP地址）唯一地标识

5. 分析 UDP 存在的必要性？
   考点：UDP的作用
   答：如果传输层只是靠IP地址寻址是不够的，IP地址只能区分网络中的主机，只有加入了UDP才能进一步区分端口地址。

6. 在图 6-36 中我们看到除了 32bit 的确认号域（子段）外，在第四个字还有一个 ACK 标志位。试问，这个标志位有额外的含义吗？为什么有？或者为什么没有？

   考点：TCP首部域的意义

   答：ACK 用于告诉发送端确认序号是否有效。有了这个域，发送端不用每次都要查看 ACK 序号，可利用累积确认技术减少查看次数，提高效率。

7. 一台主机在一条线路上发送1500字节的TCP净荷，其中最大分组生存期为120s，要想不让序号回绕，该线路的最快速度为多少？将TCP、IP和以太网的开销都考虑进去，假设以太网帧可以被连续发送。（该以太网头尾总和为26字节）
   考点：字节流序号回绕；链路、网络、传输层控制开销；分片问题
   答：TCP序号位为32bit，基于字节流，则120s内能发出的最大字节数 $2^{32}$，在1s内最多发送字节数$=\frac{2^{32}}{120}=35791394字节$；已知TCP净荷部分为1500字节，需进行分片，被分为 $\frac{35791394}{1500}=23861$ 个报文，而每个报文长度（计算开销）$=1500+20+20+26=1566$字节，因此最快速度$=1566\times 8\times 23861=299Mbps$

8. 在一个网络中，最大的TPDU长度为128字节，最大的TPDU生存期为30s，序号为8位，请问每个连接的最大数据率是多少？
   考点：报文流序号回绕
   答：网络层协议，给每个TPDU进行编号。30s内最多出现$2^8$个TPDU，则在1s内最多出现$\frac{2^8}{30}$个TPDU；每个TPDU=128字节，所以最大速率$=128\times 8\times \frac{2^8}{30}=8.704kbps$

9. 一台 TCP 机器在 1Gbps 的通道上使用 65535 字节的发送窗口，单程延迟时间等于 10ms。请问可以得到的最大吞吐率是多少？线路效率是多少？

   考点：计算吞吐率和信道利用率

   答：发送端发送 1 个窗口大小的数据需要收到 ACK 才能继续发送数据，从发送数据到收到确认需要 RTT$=10\times 2=20ms$，则每 20ms 可以发送数据 65535 字。因此最大吞吐量$=\frac{65535\times 8}{20ms}=26.214Mbps$，信道利用率$=\frac{26.214Mbps}{1Gbps}=2.6\%$

10. 考虑在一条具有 10 毫秒来回路程时间的线路上采用慢启动拥塞控制而不发生网络拥塞情况下的效应。此时，接收窗口为 24KB，且最大数据段长为 2KB。请问，需要多长时间才能发送第一个完全窗口。
    考点：传输层拥塞控制；按照时序分析
    答：拥塞窗口初始值=1个TCP报文$=2KB<24KB$，发送窗口=min{拥塞窗口，接收窗口}，采用慢启动算法：
    T=0，第1次发送，发送窗口=拥塞窗口=2KB；
    t=10ms，得到确认，拥塞窗口=4KB
    T=10ms，第2次发送，发送窗口=4KB；
    t=20ms，得到确认，拥塞窗口=8KB
    T=20ms，第3次发送，发送窗口=8KB；
    t=30ms，得到确认，拥塞窗口=16KB
    T=30ms，第4次发送，发送窗口=16KB；
    t=40ms，得到确认，拥塞窗口=32KB
    T=40ms，第5次发送，发送窗口=min{拥塞窗口，接收窗口}=24KB；
    因此，需要40ms才能发送第一个完全窗口。

11. 假设 TCP 的拥塞窗口被设置为 18KB，并且发生了一个超时。如果接下来的 4 次传输全部成功的话，则窗口将是多大？假设最大数据段长度为 1KB。
    考点：TCP拥塞控制算法；按时序分析
    答：发送超时，则阈值=超时时拥塞窗口/2$=18KB/2=9KB$；拥塞窗口起始=1个TCP报文=1KB，采用慢启动算法（未知接收窗口，默认无穷大）：
    发送窗口＝1KB，得到确认后拥塞窗口＝2KB；
    发送窗口＝2KB，得到确认后拥塞窗口＝4KB；
    发送窗口＝4KB，得到确认后拥塞窗口＝8KB；
    发送窗口＝8KB，得到确认后拥塞窗口＝16KB＞9KB，因此拥塞窗口调整为9KB；
    则4次发送后，（发送）窗口=8KB
    注：第5次发送时才为9KB

12. 在图 6-20 中，假设加入了一个新的 flow 流 E，它的路径是从 R1 到 R2，R2 再到 R6.请问对于 5 个流的最大-最小带宽分配有什么变化？
    
    考点：最大最小公平算法
    
    答：在链路R1-R2上，A分配1/2，在R2-R3上继续分配1/2;
    在链路R1-R2上，E分配1/2, 在R2-R6上继续分配1/2;
    其他流的分配不变。

13. 拥塞控制的公平性方面有一些其他的策略，它们是加法递增加法递减（AIAD, Additive Increase Additive Decrease ）、乘法递增加法递减（MIAD, Multiplicative Increase Additive Decrease ）、 乘法递增乘法递减 （ MIMD, Multilicative Increase Multiplicative Decrease)，请从收敛性和稳定性两个方面来讨论这三项方法？

    考点：AIAD、MIAD、MIMD、AIMD

    答：在 AIAD 和 MIMD, 用户将沿着效率链路震荡，但不会收敛；MIAD与 AIMD会收敛。4种策略都是不稳定的： 在AIAD和MIAD中缩减策略并不强势，并且在 MIAD 和 MIMD中的增加策略也不平缓。

    协议分析题

14. 使用ping命令测试与远端主机的连通性，由于测试数据较大，IP进行了数据分片。命令执行期间捕获以太网网卡发出的所有通信流量，得到3个IP数据报文，下表列出了这些IP数据报文的前20个字节。
    （1）用点分十进制格式写出本机和远端主机的 IP 地址。
    （2）IP 数据报在被分片之前长度为多少字节？
    
    
    考点：协议分析题

    答：（1）直接根据IP首部结构读出本机与远端主机的IP地址，并转换为点分十进制格式：
    
    本机：192.168.0.101；远端：202.108.33.93
    （2）根据IP首部结构读出标志域的 DF 和 MF，发现1、3号数据报的DF=0，允许分片，且标识域相同，说明是同一个报文分片得到的。1的MF=1，3 的 MF=0，说明 3 号是最后一片。因此未分片前的总长度$=0x0490+0x0311-20B-20B+20B=1925+20B$
    

15. 主机C查询某网站S，TCP三次握手结束后，C发出查询请求而产生的IP数据报前40个字节如下：
    
    
    （1）C发出的TCP数据长度为多少个字节？
    （2）S收到该IP数据报并且应用层回送256字节查询结果，那么S发出IP数据报中TCP的SEQ号和ACK号分别是多少？（以16进制表示）。

    考点：协议分析题

    答：（1）40个字节包括了IP头部和TCP头部，分析报文可知，IP总长度（头部+数据）=009E(字节为单位，158B)，TCP头部=8(4B为单位，32B)，IP头部=5(4B为单位，20B)
    因此IP数据长度=158-32-20=106字节

    （2）根据报文结构可知，C发出确认号为 72 f5 08 39，则 S 发出的序号 = C 的 ACK 号。S 的 ACK = Seq + 接收数据长度 $=0x7ae0edb2+106B=0x7ae0ee1c$
    

16. 试问最小 TCP MTU 的总长度是多少？包括 TCP 和 IP 的开销，但是不包括数据链路层的开销。

    考点：MSS；TCP和IP头部长度

    答：MSS 默认$=536$字节，TCP 和 IP 层分别加入 20字节的头部，则总长度$=536+20+20=576$字节

17. 数据报的分段和重组机制由 IP 来处理，对于 TCP 不可见。试问，这是否意味着 TCP 不用担心数据错序到达的问题？

    考点：网络层和传输层的关系

    答：IP数据报的分段和重组是用于确保数据报完整到达主机，但多个数据报完整到达主机仍可能出现错序，数据报的错序到达和数据报的分段重组是两个不相关的问题，因此TCP必须自己检查是否乱序。

18. 如果 TCP 的往返时间 RTT 的当前值是 30 毫秒，紧接着分别在 26、32、24 毫秒确认到达，那么若使用 Jacobson 算法，试问新的 RTT 估计值是多少？其中α = 0.9.

    考点：平均RTT的计算

    答：前2帧的平均RTT$=0.9\times 30+0.1\times 26=29.6ms$，前3帧平均RTT$=0.9\times 29.6+0.1\times 32=29.84ms$，前4帧的平均RTT$=0.9\times 29.84+0.1\times 24=29.256ms$

    补充题：
    主机甲和乙已建立了 TCP 连接，甲始终以 MSS=1KB 大小的段发送数据，并一直有数据发送；乙每收到一个数据段都会发出一个接收窗口为 10KB 的确认段。若甲在t时刻发生超时时拥塞窗口为 8KB，则从 t 时刻起，不再发生超时的情况下，请计算经过 10 个 RTT 后，甲的发送窗口是多少？

    考点：TCP 慢启动与拥塞避免算法流程

    答：t 时刻拥塞窗口为 8KB，则此时阈值 = $\frac{8}{2}=4KB$，发送窗口 = min{拥塞窗口，接收窗口}，采用慢启动算法：
    $T=t$，第 1 次发送，发送窗口 $=1KB$；
    $t=t+RTT$，得到确认，拥塞窗口$=2KB$；
    $T=t+RTT$，第 2 次发送，发送窗口 $=2KB$；
    $t=t+2RTT$，得到确认，拥塞窗口 $=4KB$，此时进入拥塞避免，且不再发生超时
    $T=t+2RTT$，第 3 次发送，发送窗口 $=4KB$；
    $t=t+3RTT$，得到确认，拥塞窗口 $=5KB$；
    ……
    $t=t+9RTT$，得到确认，拥塞窗口 $=11KB$；
    $T=t+9RTT$，第 10 次发送，发送窗口 $=10KB$；
    $t=t+10RTT$，得到确认，拥塞窗口 $=12KB$；
    $T=t+10RTT$，第 11 次发送，发送窗口 $=10KB$
    因此 10 个 RTT 后发送窗口大小为 10KB。