计算机网络课后作业2023秋

第一章作业

三、计算与问答

3.7

7. 长度为 8B与536B 的应用层数据通过传输层时加上了 20B的 TCP 报头，通过网络层时加上60B的IP分组头通过数据链路层时加上了18B的 Ethernet 头和尾。分别计算两种情况下的数据传输效率。

8B:$\frac{8}{8+20+60+18}=\frac{4}{53}\approx 0.0755$
536B:$\frac{536}{536+20+60+18}=\frac{536}{634}\approx 0.845$

3.8

8. 计算发送延时与传播延时条件:
   主机之间传输介质长度 D=1000km。电磁波传播速度为$2\times 10^8$m/s。
   (1) 数据长度为$1\times 10^3$bit,数据发送速率为100Kbps。
   (2) 数据长度为$1\times 10^8$bit,数据发送速率为10Gbps。

（1）
数据长度:N=$1\times 10^3$bit
数据发送速率:S=100Kbps
发送延时$\mathrm{T}=\frac{N}{S}=\frac{10^3}{100\times 10^3}=\frac{1}{100}\mathrm{s}$
传播距离：D=1000km
传播速度：V=$2\times 10^8$m/s
传播时间:$T=\frac{D}{V}=\frac{1000\times 10^3}{2\times 10^8}=\frac{1}{200}$s
(2)
发送延时$\mathrm{T}=\frac{N}{S}=\frac{10^8}{10\times 10^9}=\frac{1}{100}\mathrm{s}$
传播时间:$T=\frac{D}{V}=\frac{1000\times 10^3}{2\times 10^8}=\frac{1}{200}$s

第二章作业

三、计算与问答

3.2

2. 计算机网络采用层次结构的模型有什么好处?

3.5

5. 请描述在 OSI 参考模型中数据传输的基本过程。

3.6

6. TCP/IP的主要特点是什么？

第三章作业

三、计算与问答

3.1

1. 已知:电话线路带宽B=3000Hz,根据奎斯特准则求无噪声信道的最大数据传输速率为多少?

参考教材 P85
根据奈奎斯特定理，二进制数据信号的最大传输速率$R_{max}$与理想信道带宽$B$(单位$\mathrm{Hz}$)的关系可以写为$R_{max}=2B(bps)$.
$\mathrm{B}=3000Hz$
$R_{max}=2B=2\times 3000=6000bps$

3.5

参考教材 P80
比特率S（单位为bps）与调制速率B（单位为baud）之间的关系可以表示为：$S=B\cdot {\log }_{2}k$。$k$为多相调制的相数，${\log }_{2}k$值表示一次调制转态的变化传输的二进制比特数。

调制速率:B（baud）	多相调制的相数:${\log }_{2}k$	数据传输速率:S（bps）
3600	QPSK-8 $({\log }_{2}8=3)$	$3600\times 3=10800$
3600	QPSK-16 $({\log }_{2}16=4)$	$3600\times 4=14400$
3600	QPSK-64 $({\log }_{2}64=6)$	$3600\times 6=21600$
3600	QPSK-256 $({\log }_{2}256=8)$	$3600\times 8=28800$

3.7

7. 已知:A=01011011。请画出A的差分曼彻斯特编码的波形

参考教材 P81

Online python: Python compiler: link
如果自己机器上没有Python环境，可以用在线Python解析器来运行下面的代码

# 绘制差分曼彻斯特编码code
# 定义一个函数，接受一个二进制字符串作为参数，返回一个差分曼彻斯特编码的波形图
# 导入matplotlib库，用来绘制波形图
import matplotlib.pyplot as plt

def diff_manchester(binary_string, level=-1):
    # 初始化一个空列表，用来存储编码后的电平值
    levels = []
    # 初始化一个变量，用来记录当前的电频，默认初始电平为-1，表示低电频
    level = level
    # 遍历二进制字符串中的每个比特
    for bit in binary_string:
        # 如果比特为0，那么在比特周期的开始处电平跳变，中间保持不变
        if bit == "0":
            level = -level # 电平跳变
            levels.append(level) # 添加到列表中
            levels.append(level) # 添加到列表中
        # 如果比特为1，那么在比特周期的开始处电平保持不变，中间跳变
        else:
            levels.append(level) # 添加到列表中
            level = -level # 电平跳变
            levels.append(level) # 添加到列表中
    # 设置x轴的刻度，每个比特占两个单位
    xticks = [i for i in range(0, len(binary_string) * 2 + 1, 2)]
    # 设置x轴的标签，显示原始的二进制字符串
    xlabels = list(binary_string)
    # 在xlabels列表的末尾添加一个空字符串，使其长度与xticks相同
    xlabels.append("")
    # 创建一个新的图形
    plt.figure()
    # 绘制折线图，使用阶梯状的线条，颜色为蓝色，线宽为2
    plt.plot(levels, drawstyle="steps-pre", color="blue", linewidth=2)
    # 设置x轴的范围，从-0.5到最后一个比特的中间
    plt.xlim(-0.5, len(binary_string) * 2 - 0.5)
    # 设置y轴的范围，从-1.5到1.5
    plt.ylim(-1.5, 1.5)
    # 设置x轴的刻度和标签
    plt.xticks(xticks, xlabels)
    # 设置y轴的刻度和标签，只显示-1和1
    plt.yticks([-1, 1], [-1, 1])
    # 设置标题，显示差分曼彻斯特编码
    plt.title("Differential Manchester Encoding")
    # 遍历每个比特周期的开始处
    for i in range(0, len(binary_string) * 2, 2):
        # 绘制一条从-1.5到1.5的竖着的虚线，颜色为灰色，线宽为1
        plt.vlines(i, -1.5, 1.5, linestyles="dashed", color="gray", linewidth=1)
    # 显示图形
    plt.show()
# test
diff_manchester('01011011')

3.8

8. 如果主机的数据发送速率达到 100Mbps,采用曼彻斯特编码,那么相应的时钟频率应该为多少?

答：200MHz
参考教材 P82

第四章作业

三、计算与问答

3.1

1. 如果数据字段为11100011,生成多项式$G(X)=X^5+X^4+X+1$。请写出发送的比特序列，并画出曼彻斯特编码序号波形图。

参考教材：P108
参考视频链接
模二运算除法在线工具
$G(X)$展开式：$G(X)=1\times X^5+1\times X^4+0\times X^3+0\times X^2+1\times X^1+1\times X^0$
$G(X)$展开式的系数，既多项式比特序列：$110011$
$f(x)$数据字段:$11100011$
多项式的系数序列的长度:$N=6$
余数的长度$k$为多项式的系数序列的长度$N-1$:$k=N-1;e.g.,6-1=5$
余数的长度:$k=5$
在数据字段后面增加k个0，用来保证够除以多项式比特序列，得到被除数：$1110001100000$
用多项式比特序列：$110011$作为除数，$1110001100000$作为被除数，求余数，然后把余数加到被除数即可得到增加了CRC冗余码的传输比特流。
答案：$111000110000011010$
计算过程：
(1) 求余数

求得余数为：$11010$
(2) 求传输比特流
发送比特序列=被除数+余数
发送比特序列 = $1110001100000+11010=1110001111010$

曼彻斯特编码波形：
参考教材 P81
低到高为0，高到低为1

Online python: Python compiler: link
如果自己机器上没有Python环境，可以用在线Python解析器来运行下面的代码

# 绘制曼彻斯特编码波形code
# 导入matplotlib库
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义一个函数，输入任意二进制比特流，绘制出曼彻斯特编码图
def manchester_encoding(bitstream):
    # 初始化曼彻斯特编码的列表
    manchester = []
    # 遍历输入的比特流
    for bit in bitstream:
        # 如果当前比特是0，曼彻斯特编码为01
        if bit == '0':
            manchester.extend([0, 1])
        # 如果当前比特是1，曼彻斯特编码为10
        elif bit == '1':
            manchester.extend([1, 0])
    # 反转曼彻斯特编码的列表，让0用低电平表示，1用高电平表示
    manchester = [1 - x for x in manchester]
    # 绘制曼彻斯特编码的图
    plt.figure(figsize=(5, 3))
    plt.step(range(len(manchester)), manchester, where='post')
    plt.title('Manchester encoding of ' + bitstream)
    plt.xlabel('Time')
    plt.ylabel('Level')
    plt.yticks([0, 1])
    plt.tight_layout()
    plt.show()
    
# 测试函数
manchester_encoding('1110001111010')

3.2

2. 某个数据通信系统采用 CRC校验方式,并且生成多项式 $G(x)$的二进制比特序列为11001,目的主机接收到的二进制比特序列为 110111001(含 CRC 校验码)。请判断传输过程中是否出现了差错?为什么?

答案：出错，因为除不尽呀
参考教材 P108
CRC的校验原理为：
发送方
被除数=二进制比特序列
除数=原始数据+二进制比特序列长度-1个0
余数=除数$÷$被除数
发送数据=除数+余数
接收方
用接收到的数据$÷$被除数，如果余数为0则认为没有错误，否则有错
需要说明的是：被除数是提前约定好的，两方都是在协议里提前说好的
计算过程：

接收到的数据$÷$除数$\ne 0$,所以数据在传输过程中发生错误。

第五章作业

三、计算与问答

3.1

1. 采用CSMA/CD介质访问控制方式的局域网，总线长度为 1000m,数据传输速率为10Mbps,电磁波在总线传输介质中的传播速度为 $2\times 10^8$m/s。计算:最小帧长度应该为多少?
   参考教材p146
   最短帧长度：$L_{min}$
   主机发送速率：$S$
   主机发送的数据帧最短帧长=争用期时长×数据传输速率:$L_{min}=2\tau \times V$。
   传输延迟=总线长度/传播速度,既:$\tau =D/V$
   其中争用期为端到端传输时延的两倍 :$T_c=2\tau$
   如果发生主机发送信号后出现冲突则在$2\tau$时间内必能检测到并停止发送，如果发送信息的时间短于争用期，则在检测到冲突之前信息就已经发送完毕，所以发送数据帧的时间应长于争用期。
   既要满足关系：$\frac{L_{min}}{S}\ge T_c$

D=1000
V = $2\times 10^8$
S = 10Mbps
$\tau =\frac{D}{V}=\frac{1000}{2\times 10^8}=0.5\times 10^{-5}$
$T_c=2\tau =2\times 0.5\times 10^{-5}=10^{-5}$
$L_{min}=T_c\times S=10^5\times 10\mathrm{Mbps}=10^{-5}\times 10\times 10^6\mathrm{bps}=100$bit

3.3

3.主机A 连接在总线长度为 1000m 的局域网总线的一端,局域网介质访控制方式为CSMA/CD,发送速率为100Mbps。电磁波在总线传输介质中的传播速度为 $2\times 10^8$m/s。如果主机 A 最先发送帧,并且在检测出冲突发生的时候还有数据要发送。请回答:
(1)主机A 检测到冲突需要多长时间?
(2)当检测到冲突的时候，主机 A 已经发送多少位的数据?

(1)
D=1000
V=$2\times 10^8$
$\tau =\frac{D}{V}=\frac{1000}{2\times 10^8}=0.5\times 10^{-5}$s
$T_c=2\tau =2\times 0.5\times 10^{-5}=10^{-5}$s=10$\mu$s


(2)
S=100Mbps=$100\times 10^6$bps
$L_{min}=S\times T_c=100\times 10^6\times 10^{-5}=1000$bit

3.4

4. 采用 CSMA/CD介质访问控制方式的局域网，总线长度为 2000m,数据传输速率为10Mbps,电磁波在总线传输介质中的传播速度为$2\times 10^8$m/s。
   假设:局域网中主机A 与主机 B连接在总线的两端并且只有主机 A、B发送数据。请回答:
   (1)如果发送数据后发生冲突,那么从开始发送数据到检测到冲突,最短需要多少时间?最长需要多少时间?
   (2)如果局域网中不存在冲突,主机A发送一个最长 Ethernet 帧(1518B)之后,主机B就用一个最短 Ethernet帧 (64B)确认。主机 A在得到确认之后就立即发送下一帧。忽略帧间间隔，那么主机 A的有效传输速率是多少?

（1）
最短时间（$T_1$）：既主机A和主机B同时开始发送数据的情况下，那么他们会在传输过程中检测到冲突的时间。
最长时间（$T_2$）：就是一个先发，数据刚要到另一个机器的时候，另一个机器开始发，比如主机A在检测到总线空闲后开始发送数据，而主机B在主机A的数据到达之前的一瞬间也开始发送数据，那么他们会在主机B的数据到达主机A处时检测到冲突。
显然最长时间是最短时间的两倍既：$T_2=2T_1$
D=2000
V=$2\times 10^8$
S=10Mbps=$10\times 10^6$bps
$T_1=\frac{D}{V}=\frac{2000}{2\times 10^8}=1\times 10^{-5}\mathrm{s}=10\mu$s
$T_2=2T_1=20\mu$s

(2)
有效传输速率：如果局域网中不存在冲突，那么主机A发送一个最长 Ethernet 帧(1518B)的时间为$T_3$
$T_3=\frac{1518\mathrm{B}\times 8\mathrm{bit}}{10\mathrm{Mbps}}=1.2144\times 10^{-3}\mathrm{s}=1.2144\mathrm{ms}$
主机B收到主机A的帧后，立即发送一个最短 Ethernet 帧 (64B)作为确认，其发送时间为$T_4$
$T_4=\frac{64\mathrm{B}\times 8\mathrm{bit}}{10\mathrm{Mbps}}=0.0512\times 10^{-3}\mathrm{s}=0.0512\mathrm{ms}$
主机A收到主机B的确认后，立即发送下一帧，那么主机A发送两个最长 Ethernet 帧的时间间隔，既发送一个帧到在发送下一个帧的时间为$T_5$
$T_5=T_3+2\times T_1+T_4=1.2865\times 10^{-3}\mathrm{s}=1.2865ms$
其中，$T_1$​为主机A、B之间帧的传输时间,2倍$T_1$表示A传给B，B的确认信息又传给A。
在计算主机A发送一个完整的最长 Ethernet 帧的有效传输速率时，只考虑帧中的有效数据，既去除帧头的18B
$r=\frac{(1518-18)B\times 8bit}{T_5}\approx 9.33\mathrm{Mbps}$

VLAN

交换机模式

Switch>　 用户模式，可以查看信息，不能修改配置，默认入口
Switch# 　（enable）特权模式，可以查看信息，可以执行管理命令，如重启，备份，重置等
Switch(config)#　 (conf t)全局配置模式，可以修改交换机的全局配置，比如主机名，密码，IP
Switch(config-if)# 　(interface FastEthernet0/1)接口配置模式，可以修改各个接口的配置，VLAN编号，名称等

模式切换

从用户模式进入特权模式：输入enable命令，然后输入密码。
从特权模式进入全局配置模式：输入configure terminal命令。
从全局配置模式进入接口配置模式：输入interface命令，然后输入接口编号。
从全局配置模式进入VLAN配置模式：输入vlan database命令。
从任何模式返回上一级模式：输入exit命令。
从任何模式返回用户模式：输入end命令。
在全局配置模式下执行特权模式的命令：在命令前加do关键字。

重置交换机

enable: 进入特权模式
erase startup-config:重置配置文件
reload：重启交换机

VLAＮ配置命令

Switch>enable 　 # 进入特权模式
Switch#show vlan 　# 查看vlan
Switch#conf t 　 # 进入全局配置模式
Switch(config)#vlan 10 　 # 全局模式下创建VLAN编号
Switch(config-vlan)#name VLAN10 　 # VLAN 配置模式
Switch(config-vlan)#exit 　# 退出VLAN配置模式到全局配置模式
Switch(config)#do show vlan 　# 全局配置模式下查看VLAN信息
Switch(config)#no vlan 10　＃　全局模式下清除VLAN
Switch(config)#interface FastEthernet0/1　＃进入交换机端口１
Switch(config)#interface FastEthernet0/1　＃配置端口１的模式为access，access表示该端口只允许一个VLAN数据通过
Switch(config-if)#switchport access vlan 10　＃配置端口２属于vlan 10
Switch(config-if)#exit　退出端口１
Switch(config-if)#switchport mode trunk　　＃配置端口类型为trunk模式，trunk模式运行多个VLAN的数据通过该端口

其它命令

ping ip 　#测试网络是否畅通
arp -a　#查看可到达的ip-mac 地址表
ipconfig -all 　# 查看网络配置信息
netsh interface ip set address name=“本地连接” source=static addr=192.168.0.3 mask=255.255.255.0 gateway=192.168.0.1 gwmetric=auto（gateway和gwmetric默认不设置也可以）