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谢希仁《计算机网络》(第7版)笔记和课后习题(含考研真题)详解

谢希仁《计算机网络》(第7版)笔记和课后习题(含考研真题)详解试读:

第1章 概 述

1.1 复习笔记

一、计算机网络在信息时代中的作用

计算机网络的两个重要功能:

1.连通性

指互联网上的用户之间是相互连通的。

2.共享(资源共享)

资源共享可以是信息共享、软件共享,也可以是硬件共享。此外,计算机网络还有分布式处理、提高可靠性、负载均衡等重要功能。

二、互联网概述

1网络的网络(1)计算机网络的组成

计算机网络(简称网络)由若干结点和连接这些结点的链路组成。(2)相关概念

①互联网(网络的网络):网络和网络通过路由器互连起来而构成的更大范围的网络;

②因特网(Internet):世界上最大的互连网络;

③万维网(WWW):环球信息网,是互联网所能提供的服务其中之一,是靠着互联网运行的一项服务;

④主机:与网络相连的计算机。

2因特网发展的三个阶段(1)从单个网络ARPANET向互联网发展;(2)建成三级结构(主干网、地区网、校园或企业网)的互联网;(3)逐渐形成多层次ISP(互联网服务提供商)结构的互联网。

3因特网的标准化工作

所有的因特网标准都是以RFC的形式在互联网上发表。制订互联网的正式标准要经过以下三个阶段:(1)互联网草案——有效期6个月,还不算是RFC文档;(2)建议标准——从这个阶段开始成为RFC文档;(3)互联网标准——达到正式标准并分配编号。

三、互联网的组成

1互联网的组成

如图1-1所示,将互联网分为如下两个部分:(1)边缘部分:用户直接用来进行通信和资源共享的部分(主机);(2)核心部分:为边缘部分提供服务的大量网络和连接这些网络的路由器。

图1-1 因特网的边缘部分与核心部分

2端系统之间的通信方式

主机又称端系统,而计算机之间的通信是指“主机A中的某进程和主机B中的某进程进行通信”,主要有以下两种方式:(1)客户/服务器(C/S)方式

如图1-2所示,客户(Client)和服务器(Server)是通信中所涉及的两个应用进程,客户(如A)是服务请求方,根据服务器程序地址发起请求,服务器(如B)是服务提供方,处理客户发来的请求。

图1-2 客户服务器工作方式(2)对等连接(P2P)方式

如图1-3所示,通信双方是平等的,不区分哪一个是服务请求方,哪一个是服务提供方,进行的是对等通信。

图1-3 对等连接工作方式

3三种数据交换方式

如图1-4所示,交换是按照某种方式动态分配传输线路的资源,数据交换主要分为三种交换方式:(1)电路交换

电路交换是建立连接(占用通信资源)→通话(一直占用通信资源)→释放连接(归还通信资源)的过程;像一个管道一样,使得整个报文的比特流连续地从源点到终点。(2)报文交换

采用存储转发技术,将整个报文先传送到相邻结点,存储下来后再查找转发表,转发到下一个结点的交换方式,是分组交换的前身。(3)分组交换

采用存储转发技术,将一个报文划分成几个分组后再进行传输,即对单个分组即可进行存储与转发。

图1-4 三种交换的比较,P~P表示4个分组14

四、计算机网络在我国的发展(略)

五、计算机网络的类别

1计算机网络的定义

简单来讲,计算机网络是一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。

2计算机网络的分类(1)按网络的作用范围可分为:

①广域网WAN;

②城域网MAN;

③局域网LAN;

④个人区域网PAN。(2)按网络的使用者可分为:

①公用网;

②专用网。(3)按拓扑结构可分为:

①星形网络;

②总线形网络;

③环形网络;

④网状形网络。(4)用来把用户接入到互联网的网络可分为:

①本地接入网;

②居民接入网。

六、计算机网络的性能

1计算机网络的性能指标(1)速率(又称数据率或比特率)

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,单位是bit/s(比特每秒)。(2)带宽

计算机网络中,带宽表示单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”,显然单位和速率单位相同。(3)吞吐量

表示单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。(4)时延

数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。主要有以下几种:

①发送时延(传输时延):主机或路由器发送数据帧所需要的时间(从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕的时间);发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)。

②传播时延:电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间;传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)。

③处理时延:主机或路由器在收到分组时用于处理所花费的时间,例如差错检验或查找路由表等。

④排队时延:分组在进入路由器输入队列中排队等待的时间,往往取决于网络当时的通信量。

综上可知:总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。(5)时延带宽积

时延带宽积=传播时延×带宽。(6)往返时间RTT

往返时间RTT表示从发送方发送数据开始,到发送方收到来自接收方的确认(接收方收到数据后便立即发送确认)总共经历的时间。(7)利用率

①信道利用率:信道被有效利用(有数据通过)的百分比;

②网络利用率:全网络的信道利用率的加权平均值。【注意】信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。

2计算机网络的非性能特征(1)费用(2)质量(3)标准化(4)可靠性(5)可扩展性和可升级性(6)易于管理和维护

七、计算机网络体系结构

1实体、协议、服务、服务访问点

如图1-5表示计算机网络中相邻两层之间的关系。

图1-5 相邻两层之间的关系(1)实体

任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。(2)网络协议(简称协议)

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合,它的三个要素为:

①语法:数据与控制信息的结构或格式;

②语义: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:事件实现顺序的详细说明。(3)服务

在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务,本层协议的实现需要下一层提供的服务。(4)服务访问点

同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方即服务访问点SAP。【注意】协议与服务的区别:

①协议的实现保证了能够向上一层提供服务;下面的协议对上面的服务用户是透明的;

②协议是“水平的”,即协议是控制两个对等实体进行通信的规则;服务是“垂直的”,即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。上层使用所提供的服务必须与下层交换一些命令,这些命令在OSI中称为服务原语。

2ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

计算机网络的各层及协议的集合就是网络的体系结构,通常包括两种常见模型:(1)ISO提出的开放系统互联参考模型OSI/RM(简称OSI参考模型);(2)TCP/IP参考模型。【注意】OSI与TCP/IP参考模型的对比(重点):

相似之处:

①二者均采用分层的体系结构,且分层的功能也大体相似;

②二者均基于独立的协议栈的概念;

③二者均能实现异构网络的互联。

不同之处:

①OSI精确定义了服务、协议、接口的概念,而TCP/IP在这三个概念上没有明确区分;

②OSI未偏向某种特定的协议,通用性良好,而TCP/IP则是对已有协议的描述;

③OSI在网络层支持无连接和面向连接的服务,而TCP/IP却认为可靠性是端到端的问题,选择在传输层支持无连接和面向连接的服务。

3具有五层协议的体系结构

如图1-6所示为计算机网络的体系结构图,本书后面章节将按照五层协议的体系结构进行讲解。

图1-6 计算机网络体系结构图(1)应用层

应用层是体系结构中的最高层,直接为用户的应用进程提供服务。(2)运输层

负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。主要两种协议:

①传输控制协议TCP:一种面向连接的、可靠的数据传输服务,其数据传输的单位是报文段;

②用户数据报协议UDP:一种无连接的、尽最大努力传输的服务,其数据传输的单位是用户数据报。(3)网络层

负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。(4)数据链路层

将网络层交下来的IP数据报组装成帧(Frame)进行传输,还能进行差错控制、流量控制和传输管理。(5)物理层

在物理媒体上为数据端设备透明地传送比特流,传输数据的单位是比特。

如图1-7所示说明了应用进程的数据在各层之间的传递过程中所经历的变化。

图1-7 数据在各层之间的传递过程【注意】需要记住OSI参考模型另外两层的作用:

①会话层:负责管理主机间的会话进程,包括建立、管理及终止进程的会话;

②表示层:处理两个通信系统间交换信息的方式,此外还具有数据压缩、加密和解密等功能。

4TCP/IP的体系结构

事实上,TCP/IP的层次结构已经成为应用广泛的国际标准,它分为应用层、运输层、网际层和网络接口层共四层,如图1-8所示为该结构的应用举例,需要注意的是,用路由器转发分组时,使用的最高层为网际层,并没有应用到上面两层。

图1-8 TCP/IP四层协议的应用举例

1.2 课后习题详解

1计算机网络向用户可以提供哪些服务?

答:计算机网络向用户提供的最主要服务有:数据通信、资源共享,此外还有分布式处理、提高可靠性、负载均衡等功能。

2试简述分组交换的要点。

答:分组交换是报文交换的一种改进,采用存储转发技术;它将较长的报文段划分成比较短的分组,经过路由器的存储转发,再到接收端合并接收;有高效、迅速、可靠等优点。

3试从多个方面比较电路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。

答:(1)电路交换

电路交换是建立连接(占用通信资源)→通话(一直占用通信资源)→释放连接(归还通信资源)的过程;像一个管道一样,使得整个报文的比特流连续地从源点到终点;

优点:数据不会丢失,且数据保持原来的序列,简单可靠;

缺点:建立连接后一直占用信道,使其利用率降低,且对通信终端物理上有要求,难以差错控制。(2)报文交换

采用存储转发技术,将整个报文先传送到相邻结点,存储下来后再查找转发表,转发到下一个结点的交换方式,是分组交换的前身;

优点:采用存储转发技术,不存在建立连接的时延,用户随时可以发送报文;

缺点:报文交换时的排队时延长,且报文本身长度大,对用作转发的路由器暂存空间要求大。(3)分组交换

采用存储转发技术,将一个报文划分成几个分组后再进行传输,即对单个分组即可进行存储与转发;

优点:动态分配带宽,逐段占用网络,路由结点交换灵活,网络时延降低,差错减少,可靠性提高;

缺点:存储转发时也存在排队时延。

4为什么说互联网是自印刷术以来人类在存储和交换信息领域中的最大变革?

答:21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化,它是一个以网络为核心的信息时代。我们的日常生活、学习、工作都离不开互联网,可以说互联网是人类自印刷术发明以来在通信方面最大的变革。

5互联网基础结构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。

答:因特网的发展大致分为3个阶段:(1)从单个网络ARPANET向互联网发展,TCP/IP协议初步形成;(2)建成三级结构(主干网、地区网、校园或企业网)的互联网;(3)逐渐形成多层次ISP(互联网服务提供商)结构的互联网。

6简述互联网标准制定的几个阶段。

答:所有的因特网标准都是以RFC的形式在互联网上发表。制订互联网的正式标准要经过以下三个阶段:(1)互联网草案——有效期6个月,还不算是RFC文档;(2)建议标准——从这个阶段开始成为RFC文档;(3)互联网标准——达到正式标准并分配编号。

7小写和大写开头的英文名字internet和Internet在意思上有何重要区别?

答:(1)internet(互联网或互连网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的;(2)Internet(因特网)则是一个专用名词,它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络,它采用TCP/IP协议族作为通信的规则,且其前身是美国的ARPANET;(3)区别:后者实际上是前者的双向应用。

8计算机网络都有哪些类别?各种类别的网络都有哪些特点?

答:(1)从网络的作用范围进行分类

①局域网LAN:一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连,覆盖范围小(通常是几十到几千千米);

②城域网MAN:大多采用以太网技术,覆盖范围一般是一个城市,约为5~50km;

③广域网WAN:提供长距离通信,覆盖范围一般为几十到几千公里,也称为远程网;

④个人区域网PAN:个人区域网就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络,其范围大约在10m左右。(2)从网络的使用者进行分类

①公用网:电信公司出资建造的大型网络;

②专用网:某个部门为本单位的特殊业务的需要而建造的网络。(3)用来把用户接入到因特网的网络

这种网络称为接入网AN,又称本地接入网或居民接入网。他既不属于因特网的核心部分,也不属于因特网的边缘部分。(4)按拓扑结构分类:

①星形网络:每个终端或计算机均单独与中央设备相连的网络;

②总线形网络:用传输线将网络中的计算机连接起来;

③环形网络:网络中所有计算机连接形成一个环;

④网状形网络:网络中的每个结点至少有两条线路与其他结点相连。

9计算机网络中的主干网和本地接入网的主要区别是什么?

答:计算机网络中的主干网和本地接入网的主要区别是:(1)主干网:分布式,提供高速传输、路由器最优化通信及远程覆盖等功能;它的设施共享,使用率高;(2)本地接入网:集中式,所有的信息流必须经过中央处理设备,是用于把用户接入因特网的网络,分散独立,接入业务种类多,线路施工难度大,设备运行环境恶劣。

10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(bit/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?(提示:画一下草图观察k段链路共有几个结点。)

答:由题可知:

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,分组交换的时延比电路交换的要小。

11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(bit/s),但传播时延和结点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的时延最小,问分组的数据部分长度p应取为多大?(提示:参考图1-9的分组交换部分,观察总的时延由哪几部分组成。)

图1-9 11题图(分组交换示意图)

答:忽略排队时间和传播时延,分组交换总时延=发送时延,共有x/p个分组,每个分组长度为p+h,故分组交换时延D=(x/p)×((p+h)/b)+((k-1)×(p+h))/b,再求D对p的导数D′(p)2=(-xh)/bp+(k-1)/b,令D′(p)=0,解得p的取值应该为:

12因特网的两大组成部分(边缘部分与核心部分)的特点是什么?它们的工作方式各有什么特点?

答:(1)边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成,用户直接进行数据通信和资源共享,工作方式一般有客户/服务器(C/S)方式和对等连接(P2P)方式;(2)核心部分是由大量网络和连接这些网络的路由器组成,为边缘部分提供高速远程分组交换等服务,其工作方式主要有电路交换、分组交换和报文交换。

13客户/服务器方式与P2P对等通信方式的主要区别是什么?有没有相同的地方?

答:(1)客户/服务器方式与对等通信方式的主要区别如表1-1所示。表1-1 客户/服务器方式与对等通信方式的区别(2)相同点:对等通信方式(P2P)本质是客户/服务器方式,实际上是客户/服务器方式双向应用。

14计算机网络有哪些常用的性能指标?

答:计算机网络常用的性能指标包括:(1)速率(又称数据率或比特率)

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,单位是bit/s(比特每秒)。(2)带宽

计算机网络中,带宽表示单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”,显然单位和速率单位相同。(3)吞吐量

表示单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。(4)时延

数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。主要有以下几种:

①发送时延(传输时延):主机或路由器发送数据帧所需要的时间(从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕的时间);发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)。

②传播时延:电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间;传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)。

③处理时延:主机或路由器在收到分组时用于处理所花费的时间,例如差错检验或查找路由表等。

④排队时延:分组在进入路由器输入队列中排队等待的时间,往往取决于网络当时的通信量。

综上可知:总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。(5)时延带宽积

时延带宽积=传播时延×带宽。(6)往返时间RTT

往返时间RTT表示从发送方发送数据开始,到发送方收到来自接收方的确认(接收方收到数据后便立即发送确认)总共经历的时间。(7)利用率

①信道利用率:信道被有效利用(有数据通过)的百分比;

②网络利用率:全网络的信道利用率的加权平均值。

15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?

答:设网络利用率为U,网络时延为D,网络时延最小值为D,0且U=90%,则D=D/(1-U),解得D/D=10;所以,现在的网络00时延是它的最小值的10倍。

16计算机通信网有哪些非性能特征?非性能特征与性能指标有什么区别?

答:(1)计算机通信网的非性能特征包括:费用、质量、标准化、可靠性、可扩展和可升级性、易于管理和维护等方面;(2)非性能特征与性能指标的区别:性能指标和非性能特征分别从定量和定性两个不同的角度来描述计算机通信网络的特征,对于计算机通信网来说两者都很重要。

17收发两端之间的传输距离为1000km,信号在媒体上的传播速8率为2×10m/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延:7(1)数据长度为10bit,数据发送速率为100kbit/s。3(2)数据长度为10bit,数据发送速率为1Gbit/s。

从以上计算结果可得出什么结论?

答:发送时延和传播时延的计算公式:

发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s);

传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s);

根据题设条件,可知:73(1)发送时延=10bit/(100×10bit/s)=100s;38

传播时延=1000×10m/(2×10m/s)=5ms;39(2)发送时延=10bit/(1×10bit/s)=1μs;38

传播时延=1000×10m/(2×10m/s)=5ms;

结论:若数据长度大且发送速率低,则在总时延中,发送时延往往大于传播时延;若数据长度短且发送速率高,则传播时延有可能是总时延中的主要成分。8

18假设信号在媒体上的传播速率为2×10m/s。媒体长度l分别为:(1)10cm(网络接口卡)(2)100m(局域网)(3)100km(城域网)(4)5000km(广域网)

试计算当数据率为1Mbit/s和10Gbit/s时在以上媒体中正在传播的比特数。

答:媒体中正在传播的比特数即为传播时延带宽积,时延带宽积=传播时延×数据率;其中,传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s);8-10(1)传播时延=0.1/(2×10)=5×10;-6-410

数据率为1Mbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;-9-110

数据率为10Gbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;8-7(2)传播时延=100/(2×10)=5×10;-6-17

数据率为1Mbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;-927

数据率为10Gbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;58-4(3)传播时延=10/(2×10)=5×10;-624

数据率为1Mbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;-954

数据率为10Gbit/s时:比特数=5×10×1×10=5×10;68-2(4)传播时延=(5×10)/(2×10)=2.5×10;-642

数据率为1Mbit/s时:比特数=2.5×10×1×10=2.5×10;-972

数据率为10Gbit/s时:比特数=2.5×10×1×10=2.5×10。

19长度为100字节的应用层数据交给运输层传送,需加20字节的TCP首部。再交给网络层传送,需加上20字节的IP首部。最后交给数据链路层的以太网传送,再加上首部和尾部共18字节。试求数据的传输效率。数据的传输效率是指发送的应用层数据除以所发送的总数据(即应用数据加上各种首部和尾部的额外开销)。

若应用层数据长度为1000字节,数据的传输效率是多少?

答:数据长度为100字节的数据传输效率:100/(100+20+20+18)=63.3%;

数据长度为1000字节的数据传输效率:1000/(1000+20+20+18)=94.5%。

20网络体系结构为什么要采用分层次的结构?试举出一些与分层体系结构思想相似的日常生活。

答:(1)分层次的结构可以带来很多好处:

①各层之间独立地实现某种功能,能降低系统复杂度;

②层间影响小,灵活性好;

③结构上可分隔开,各层都可以采用最合适的技术来实现;

④上层单向使用下层提供的服务,易于调试和维护;

⑤能促进标准化工作。(2)举例:日常工作中物流系统和邮政系统均能体现这种分层思想。

21协议与服务有何区别?有何关系?

答:(1)协议与服务的区别:

①协议是“水平”的,控制对等实体之间通信的规则,服务是“垂直”的,是由下层向上层通过层间接口提供的;

②只有那些能够被高一层实体看得见的功能才能称之为服务;

③协议的实现保证了能够向上一层提供服务,下面的协议对上面的服务用户是透明的。(2)协议与服务的联系

①在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务;

②要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务;

③只要不改变提供给用户的服务,实体可以任意地改变它们的协议。

22网络协议的三个要素是什么,各有什么含义?

答:协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合,它的三个要素为:(1)语法:数据与控制信息的结构或格式;(2)语义: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:事件实现顺序的详细说明。

23为什么一个网络协议必须把各种不利的情况都考虑到?

答:因为网络中的情况是多变的,当发生特殊情况时,若没有考虑到该情况则会使得网络一直处于一种“理想”状态,不能正确地进行处理,例如:两个朋友约好下午3时在某公园门口“不见不散”,这就是一个很不科学的协议,因为如果其中任何一方临时有急事来不了而又无法通知对方时,则另一方按照协议就必须永远等待下去。因此,设计网络协议时,必须考虑到各种不利情况。

24试述具有五层协议的网络体系结构的要点,包括各层的主要功能。

答:(1)应用层:体系结构中的最高层,直接为用户的应用进程提供服务。(2)运输层:负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。主要两种协议:

①传输控制协议TCP:一种面向连接的、可靠的数据传输服务,其数据传输的单位是报文段;

②用户数据报协议UDP:一种无连接的、尽最大努力传输的服务,其数据传输的单位是用户数据报。(3)网络层:负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。(4)数据链路层:将网络层交下来的IP数据报组装成帧(Frame)进行传输,还能进行差错控制、流量控制和传输管理。(5)物理层:在物理媒体上为数据端设备透明地传送比特流,传输数据的单位是比特。

25试举出日常生活中有关“透明”这个名词的例子。

答:透明表示某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。比如电脑上的应用程序,用户只知道程序的功能,而不知道程序的具体实现,此时,程序实现对用户来讲是“透明”的。

26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。

答:(1)协议栈:计算机网络中为了完成通信而使用的多种协议按层次顺序组合在一起构成协议栈;(2)实体:任何可发送或接收信息的硬件或软件进程;(3)对等层:在网络体系结构中,通信双方实现同样功能的层;(4)协议数据单元:OSI参考模型中在对等层次之间传送的数据单位;(5)服务访问点(SAP):在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方;(6)客户:通信中的服务请求方;(7)服务器:通信中的服务提供方;(8)客户/服务器方式:一种通信方式,客户发起请求,服务器响应请求,并为客户提供相应服务。

27试解释everything over IP和IP over everything的含义。

答:(1)everything over IP:TCP/IP体系结构下,各种网络应用均建立在IP基础上;(2)IP over everything:TCP/IP体系结构下,IP通过网络接口层可以应用在不同物理网络上。

28假设要在网络上传送1.5MB的文件。设分组长度为1KB,往返时间RTT=80ms。传送数据之前还需要有建立TCP连接的时间,这时间是2×RTT=160ms。试计算在以下几种情况下接收方收完该文件的最后一个比特所需的时间。(1)数据发送速率为10Mbit/s,数据分组可以连续发送。(2)数据发送速率为10Mbit/s,但每发送完一个分组要等待一个RTT时间才能再发送下一个分组。(3)数据发送速率极快,可以不考虑发送数据所需的时间。但规定在每一个RTT往返时间内只能发送20个分组。(4)数据发送速率极快,可以不考虑发送数据所需的时间。但在第一个RTT往返时间内只能发送一个分组,在第二个RTT内可以发送32-1两个分组,在第三个RTT内可以发送四个分组(即2=2=4个分组)。(这种发送方式见教材第五章TCP的拥塞控制部分。)206

答:(1)这些文件的发送时间=1.5×2×8bit/(10×10bit/s)=1.258s;

文件发送的同时也在信道中传播,而最后一个分组的传播时间需要0.5×RTT=40ms;

则总共需要的时间=2×RTT+1.258+0.5×RTT=0.16+1.258+0.04=1.458s。(2)文件需要划分的个数=1.5MB/1KB=1536;

从第一个分组到达直到最后一个分组到达要经历1535×RTT=1535×0.08=122.8s;

则总共需要的时间=1.458+122.8=124.258s。(3)在每一个RTT往返时间内只能发送20个分组,文件一共分为了1536个分组,需要76个RTT,76个RTT可以发送76×20=1520个分组,最后剩下16个分组一次发送完;而最后一次发送的分组到达接收方也需要0.5×RTT;

因此,总共需要的时间=76.5×RTT+2×RTT=6.12+0.16=6.28s。(4)在两个RTT后就开始传送数据,经过n个RTT后就发送了1+2n+4+…+2个分组,若n=10,便能发送完所有分组;这样,考虑到建立TCP连接的时间和最后的分组传送到终点需要的时间,现在总共需要的时间=(2+10+0.5)×RTT=12.5×0.08=1s。

29有一点对点链路,长度为50km。若数据在此链路上的传播速8度为2×10m/s,试问链路的带宽应为多少才能使传播时延和发送100字节的分组的发送时延一样大?如果发送的是512字节长的分组,结果又应如何?38-4

答:该链路的传播时延=(50×10)/(2×10)=2.5×10s;

当发送100Byte时,发送时时延要与传播时延一样,则带宽为-4100×8/(2.5×10)=3.2Mbit/s;

当发送512Byte时,发送时时延要与传播时延一样,则带宽为-4512×8/(2.5×10)=16.384Mbit/s。

30有一点对点链路,长度为20000km。数据的发送速率是1kbit/s,8要发送的数据有100bit。数据在此链路上的传播速度为2×10m/s。假定我们可以看见在线路上传播的比特,试画出我们看到的线路上的比特(画两个图,一个在100bit刚刚发送时,另一个是再经过0.05s后)。78

答:由题可知,数据的传播时延为:2×10/(2×10)=0.1s,3发送时延为:100/(1×10)=0.1s,则发送时延=传播时延,故数据在线路上传播时,其比特传输示意图如图1-10所示。

图1-10 数据传输图

31条件同上题。但数据的发送速率该为1Mbit/s。和上题的结果相比较,你可以得出什么结论?6

答:当发送速率改为1Mbit/s时,发送时延=100/(1×10)=1×-410s,则发送时延<<传播时延,此时在开始发送到发送完毕经历的时间短,宏观上看相当于数据一旦发送,整个数据就一起在链路上传播,接收端一点点接收相应的比特数据,直到接收完所有数据。

32以1Gbit/s的速率发送数据。试问在以距离或时间为横坐标时,一个比特的宽度分别是多少?

答:(1)以距离为横坐标时,一个比特的宽度=(1bit×2×8910m/s)/(1×10bit/s)=0.2m;(2)以时间为横坐标,1Gbit/s速率发送数据时,每一个比特的持-9续时间为10s。

33我们在互联网上传送数据经常是从某个源点传送到某个终点,而并非传送过去又再传送回来。那么为什么往返时间RTT是个很重要的性能指标呢?

答:互联网中的数据不总是单向传输的,很多时候需双向交互,这时需要知道往返时间RTT,它包括了中间结点的处理时延、排队时延等,是不可忽略的,因此,RTT也是一项重要的性能指标。

1.3 考研真题与典型题详解

一、选择题

1在TCP/IP体系结构中,直接为ICMP提供服务的协议是(  )。[2012年统考]

A.PPP

B.IP

C.UDP

D.TCP【答案】B【解析】A项:PPP在TCP/IP体系结构中属于网络接口层协议(在ISO/OSI体系结构中属于数据链路层协议),所以PPP为网络层提供服务。

B项:ICMP属于网络层协议,ICMP报文直接作为IP数据报的数据,然后再加上IP数据报的首部进行传送,所以IP直接为ICMP提供服务。可能很多考生会有疑问,既然ICMP协议在网络层,那应该由数据链路层的协议来提供服务才合理。其实不然,如图1-11所示。ICMP属于网络层的上半层,所以由下层的IP提供服务是合理的。而像网络层的下半层协议,如ARP,就应该是数据链路层的某个协议提供服务,则B正确。

图1-11 网际协议IP及其配套协议

CD两项:UDP和TCP都属于传输层协议,在层次上应该在ICMP上面,为应用层提供服务。

2TCP/IP参考模型的网络层提供的是(  )。[2011年统考]

A.无连接不可靠的数据报服务

B.无连接可靠的数据报服务

C.有连接不可靠的虚电路服务

D.有连接可靠的虚电路服务【答案】A【解析】首先,需要知道TCP/IP参考模型的网络层采用的是IP。这样就可以根据IP数据报的首部来判断网络层提供的是什么服务。(1)无连接与有连接区分:该协议是否使用连接,只需看其首部有没有建立连接的字段。显然,IP数据报并没有像TCP报文一样(首部含有如SYN、FIN等建立连接的字段)。故IP提供的是无连接的服务。(2)不可靠与可靠区分:如果是可靠的,在分组首部中必须含有序号以及校验数据部分的校验和字段,而IP分组中都没有(IP数据报首部中的校验和字段仅仅校验首部,并不校验数据)。故IP提供的是不可靠的服务。(3)数据报与虚电路区分:IP分组中头部含有源IP地址和目的IP地址,并不是一个虚电路号,所以网络层采用的是数据报服务。

此外需要记住OSI在网络层支持无连接和面向连接的服务,而TCP/IP却认为可靠性是端到端的问题,它选择在传输层支持无连接和面向连接的服务。

3在如图1-12所示表示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中,所有链路的数据传输速度为100Mbit/s,分组大小为1000B,其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件,则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下,从H1发送开始到H2接收完为止,需要的时间至少是(  )。[2010年统考]

图1-12 某分组交换网络

A.80ms

B.80.08ms

C.80.16ms

D.80.24ms【答案】C【解析】“存储-转发”的概念:当路由器收到一个分组,先暂时存储下来,再检查其首部,查找转发表,按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去。因为分组的大小为1000B,其中分组头大小为20B,故每个分组的数据部分为980B,所以大小为980000B的文件应该拆分为1000个分组进行传送,每一个分组1000B(加上了头部20B),所以一共需要传送1000000B的信息,而链路的数据传输速度为100Mbit/s,即12.5MB/s,所以主机H1传送完所有数据需要的时间是:1000000B/(12.5MB/s)=80ms。

80ms时恰好最后一个分组从主机H1发出去,此时还没有被主机H2接收。由于题干已经说明所有链路的数据传输速度相同,所以应该走一条最短的路径,才能使得时间最少,从图中可以看出,直线走最短。此时最后一个分组需要经过再次存储-转发(不考虑传播时延),才能到达主机H2,每次存储转发的时间为1000B/(12.5MB/s)=0.08ms,故两次存储转发需要0.16ms。

综上所述,总时间为:80ms+0.16ms=80.16ms。

4下列选项中,不属于网络体系结构所描述的内容是(  )。[2010年统考]

A.网络的层次

B.每一层使用的协议

C.协议的内部实现细节

D.每一层必须完成的功能【答案】C【解析】A项:网络的层次包括如ISO/OSI模型的七层结构,TCP/IP模型的四层结构;

B项:每一层使用的协议,如网络层的IP,传输层的TCP和UDP等;

D项:每一层必须完成的功能,如网络层提供路由选择、网络互联等功能,传输层提供不同主机不同进程之间的通信内容等功能;

以上3个概念在教材中都有详细说明,只有C项中协议的内部实现细节没有提及,因为内部实现细节由工作人员完成,对于用户和程序员来说是透明的,我们并不需要知道。

5在OSI参考模型中,自下而上第一个提供端到端服务的层次是(  )。[2009年统考]

A.数据链路层

B.传输层

C.会话层

D.应用层【答案】B【解析】概念区分:(1)点到点:这里的“点”是指通信子网中的节点,可以是主机,也可以是路由器、交换机等设备。因为从源主机到目标主机中间可能经过多个路由器和交换机,所以每时每刻都是微观的,即只需关注当前节点到下个节点,而不是宏观的源节点到终节点。在OSI参考模型的七层结构中,下面三层包括物理层、数据链路层、网络层都属于点对点的服务。(2)端到端:这里的“端”是指端口号,任何一个应用进程都会对应一个端口号,所以端到端的服务又被称为进程到进程的服务(有些教材也称为应用到应用的服务)。从宏观的角度看,端到端是由一段一段的点到点通信构成的。在OSI参考模型中的七层结构中,上面四层包括传输层、会话层、表示层、应用层都属于端到端的服务。综上,自下而上第一个提供端到端服务的层次是传输层,故B正确。

6计算机网络中可以没有的是(  )。

A.客户机

B.服务器

C.操作系统

D.数据库管理系统【答案】D【解析】计算机网络由计算机硬件、软件和协议组成。客户机是用户与计算机交互的接口,服务器为客户机提供各种服务,而操作系统是最基本的软件。数据库用于数据管理并不是计算机网络必备的。

7下列说法正确的是(  )。

A.在较小范围内布置的一定是局域网,而在较大范围内布置的一定是广域网

B.城域网是连接广域网而覆盖园区的网络

C.城域网是为淘汰局域网和广域网而提出的一种网络技术

D.局域网是基于广播技术发展起来的网络,广域网是基于交换技术发展起来的网络【答案】D【解析】局域网和广域网并不是完全通过覆盖范围大小来区分的,而是看它们传播信息时使用的协议。最初的局域网采用广播技术,这种技术一直被沿用,而广域网最初使用的是交换技术,也一直被沿用,而城域网的出现也并不能淘汰局域网和广域网。本题答案为D项。

8下述说法中正确的是(  )。

A.网络层的协议是网络层内部处理数据的规定

B.接口实现的是人与计算机之间的交互

C.在应用层与网络层之间的接口上交换的是包

D.上一层的协议数据单元就是下一层的服务数据单元【答案】D【解析】根据数据传送单位的变化规则,上一层交给下层的数据,加上协议控制信息后变成协议数据单元,然后交给下一层,变成下一层的服务数据单元,也就是为它紧相连的上一层提供服务。

9在OSI参考模型中,第n层与它之上的第n+1层的关系是(  )。

A.第n层为第n+1层提供服务

B.第n+1层为从第n层接收的报文添加一个报头

C.第n层使用第n+1层提供的服务

D.第n层和第n+1层相互没有影响【答案】A【解析】在OSI参考模型中,只能是相邻的下层为上层提供服务(即第n层为第n+1层提供服务,A正确);上一层的协议数据单元就是下一层的服务数据单元。

10计算机网络中可以共享的资源包括(  )。

A.硬件、软件、数据、通信信道

B.主机、外设、软件、通信信道

C.硬件、程序、数据、通信信道

D.主机、程序、数据、通信信道【答案】A【解析】计算机网络中,硬件、软件、数据和通信信道这些资源是可以共享的,如共享打印机属于硬件共享;Internet上也提供多种多样的软件共享资源;共享数据库属于数据共享;而通信信道是为每个主机传输信息的通道,也是主机所共享的。

11下列关于不同类型网络说法错误的是(  )。

A.主干网络一般是分布式的,具有分布式网络的特点

B.本地接入网一般是集中式的,具有集中式网络的特点

C.广播式网络工作在网络层

D.分组交换网由通信子网和资源子网组成,以通信子网为中心【答案】C【解析】广播式网络是属于共享广播信道,不存在路由选择问题,所以不需网络层。

二、综合题

1计算机网络可从哪几个方面进行分类?

答:可以从以下几个方面来分类:(1)按交换技术:有电路交换、报文交换、分组交换、信元交换、广播等;(2)按范围大小:局域网、城域网、广域网和个人区域网;(3)按拓扑结构:有总线形、星形、树形、环形和网络形;(4)按使用范围:有公共网和专用网。

2有人认为,既然某种网络技术提供的是不可靠的服务,那就说明在网络上所做的操作及其结果都是不可靠、不可信的,因此网络应取消不可靠的服务模式。请加以评述。

答:其观点是不正确的,网络的环境是非常复杂的,在传输过程中难免会出现差错。而不可靠的传输是以一种尽可能正确的信息传输方式,并不保证信息的正确。但是如果使用一定的协议保证信息的正确性,就要花费额外的开销。所以在传输过程中不必每一层都实现可靠传输而造成太大的开销。可以在信息交付给应用程序前的某一层完成数据的正确性检查以保证数据的可靠性,而不需要在传输的每一层都保证可靠传输,所以不可靠传输还是有其存在的价值。

3协议与服务有何区别?有何关系?

答:(1)协议与服务的区别

①协议是“水平”的,控制对等实体之间通信的规则,服务是“垂直”的,是由下层向上层通过层间接口提供的;

②只有那些能够被高一层实体看得见的功能才能称之为服务;

③协议的实现保证了能够向上一层提供服务,下面的协议对上面的服务用户是透明的。(2)协议与服务的联系

①在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务;

②要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务;

③只要不改变提供给用户的服务,实体可以任意地改变它们的协议。

4计算机网络可分为哪两大子网?它们各实现什么功能?

答:从逻辑功能上网络可划分通信子网和资源子网。

通信子网由路由器和通信链路组成,完成网络通信任务;通信链路提供物理信道;路由器是一种专用计算机,具有存储转发、路由选择、差错控制、流量控制等功能。

资源子网由连接到通信子网的局域网和主机系统组成,为网络用户提供各种软硬件共享资源和处理能力。

5试将TCP/IP和OSI的体系结构进行比较,讨论其异同之处。

答:OSI与TCP/IP参考模型的对比:(1)相似之处:

①二者均采用分层的体系结构,且分层的功能也大体相似;

②二者均基于独立的协议栈的概念;

③二者均能实现异构网络的互联。(2)不同之处:

①OSI精确定义了服务、协议、接口的概念,而TCP/IP在这三个概念上没有明确区分;

②OSI未偏向某种特定的协议,通用性良好,而TCP/IP则是对已有协议的描述;

③OSI在网络层支持无连接和面向连接的服务,而TCP/IP却认为可靠性是端到端的问题,选择在传输层支持无连接和面向连接的服务。

第2章 物理层

2.1 复习笔记

一、物理层的基本概念

物理层并非指具体的传输媒体,而是指屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异来传输比特流。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性,即:

1.机械特性;

2.电气特性;

3.功能特性;

4.过程特性。

二、数据通信的基础知识

1数据通信系统的模型

如图2-1所示,数据通信系统主要由源系统、传输系统和目的系统组成。

图2-1 数据通信系统的模型

2有关通信的几个基本概念(1)数据和信号

①数据:传送信息的实体;

②信号:数据的电气或电磁表现,分为连续变化的模拟信号(模拟数据)和离散变化的数字信号(数字数据)。(2)信道相关的概念

①信源:产生和发送数据的源头;

②信宿:接收数据的终点;

③信道:信号的传输媒介;

④三种基本通信方式

a.单向(单工)通信:只能有一个方向的通信而没有反方向的交互;

b.双向交替(半双工)通信:通信的双方都可以发送和接收信息,但不能同时发送和接收;

c.双向同时(全双工)通信:通信的双方可以同时发送和接收信息。(3)速率和带宽的概念

①速率:单位时间内传输的数据量,可用码元(用一个固定时长的波形信号表示一个k进制数称作码元)传输速率或信息传输速率表示:

a.码元传输速率:单位时间内数字通信系统传输的码元个数,单位是波特(Baud);

b.信息传输速率:单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数,单位是bit/s。【注意】若一个码元携带nbit的信息量,则mBaud的码元传输速率对应m×nbit/s的信息传输速率。

②带宽:见第1章定义。

3编码与调制(1)基带信号、编码和调制的基本概念

①基带信号(基本频带信号):来自信源的信号;

②编码:将数据变为数字信号的过程;

③调制:将数据变为模拟信号的过程。(2)常用编码方式

如图2-2为数字信号常用编码方式,主要有以下四种:

图2-2 数字信号常用编码方式

①不归零制(NRZ):用正电平代表1,负电平代表0来表示二进制数字,但电平不归零;

②归零制:用正电平代表1,负电平代表0来表示二进制数字,但电平会归零;

③曼彻斯特编码:将一个码元分成两部分,码元周期中心向上跳变表示0,向下跳变表示1,也可相反定义;

④差分曼彻斯特编码:码元中心均有跳变,码元开始边界有跳变表示0,没有调变表示1。(3)常用调制方式

如图2-3所示为最基本的三种调制方法,说明如下:

图2-3 三种最基本的调制方法

①调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化;例如,0或1分别对应于无载波或有载波输出;

②调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化;例如,0或1分别对应于频率f或f;12

③调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化;例如,0或1分别对应于相位0度或180度。

4与信道传输速率相关的两大定理(1)奈奎斯特定理

在理想低通(无噪声、带宽有限)的信道中,设信道的带宽为W(Hz),则为防止码间串扰,其信道的极限码元传输率为2WBaud;设每个码元离散电平的数目为V,则信道的极限数据率为2WlogV(bit/s)。2(2)香农定理

在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中,设W为信道的带宽,S为信道所传输信号的平均功率,N为信道内部的高斯白噪声功率,则S/N为信噪比(当信噪比以分贝为单位时,信噪比=10log(S/N)10(dB)),这种情况下信道的极限数据传输速率=Wlog(1+S/N),2单位时bit/s。

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体即传输介质或传输媒介,是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

1导引型传输媒体(1)双绞线

由采用一定规则并排绞合且相互绝缘的铜导线组成,绞合减少了相邻导线的电磁干扰;在局域网和传统电话网中普遍使用,价格便宜。(2)同轴电缆

由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的屏蔽层和塑料外壳组成;广泛用于传输较高速率要求的数据。(3)光缆

利用光导纤维传递光脉冲来进行通信;通信容量大、传输损耗小、中继距离长、抗雷电和电磁干扰性能好、无串音干扰、保密性好、体积小,重量轻,但价格昂贵,设备要求高。

2非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信,进行无线传播的常见非导向传输媒体有:(1)短波通信(高频通信)

依靠电离层的反射,一般应用短波无线电台时是低速传输。(2)无线电微波通信

微波通信主要有两种方式:

①地面微波接力通信

地面微波接力通信的通信信道容量大、微波传输质量高、可传输电话、电报、图像、数据等信息,但它容易受恶劣天气影响,且通信的隐蔽性和保密性差,维护困难。

②卫星通信

卫星通信的通信距离远,克服了地面微波接力通信距离的限制,覆盖面积广,但它的传播时延大。

此外,还有红外通信、激光通信等非导向传输媒体,不一一赘述。

四、信道复用技术

数据在传输过程中,可以在发送端进行复用,使其传输过程共享一个信道,再在接收端进行分用。

1频分复用(FDM)

如图2-4(a)所示,用户在分配到一定的频带后,通信过程中自始至终都占用这个频带的一种技术。

图2-4 频分复用和时分复用

2时分复用(TDM)

如图2-4(b)所示,将时间划分为一段段等长的时分复用帧,每个用户占用固定的时分复用帧的一种技术。

3统计时分复用(STDM)

如图2-5所示,STDM是一种改进的时分复用,当终端有数据传输才分配到时间片,能明显提高信道利用率。

图2-5 统计时分复用的工作原理

4波分复用(WDM)

波分复用是一种光的频分复用,在发送端用合波器使光中传输多种不同的波长(频率),在接收端用分波器分解不同的光波,如图2-6所示。

图2-6 波分复用的工作原理

5码分复用(CDM)

码分多址(CDMA)是码分复用的一种方式,下面举例说明CDMA的工作原理:

设A站点的芯片序列为00011011,则A发送1即发送序列00011011,发送0即发送序列11100100,可以用一种特殊方式表示这种序列(即把0写作-1,1写作+1来表示站点的码片向量),例如00011011的码片向量S=(-1-1-1+1+1-1+1+1);现有B站点,其码片向量设为T=(-1-1+1-1+1+1+1-1);此时,两个不同站点的码片向量是正交的,即S·T=0;

现A站点向C站点发送1,B站点向C站点发送0,它们到了公共信道后将进行叠加(线性相加),则此时公共信道上的码片向量为S+(-T)=S-T,到达C站点后需进行数据分离,若要得到来自A站点的数据,则计算得S·(S-T)=1(即A发送的数据为1),计算来自B站点的数据同理。

五、数字传输系统

1早期数字传输系统的缺点(1)速率标准不统一;(2)不是同步传输。

2同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

SONET是一种数字传输标准,整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟,它还为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构;

SDH一般认为是SONET的同义词,但它的基本速率与SONET不同。

六、宽带接入技术

宽带接入技术是为了提高用户的上网速率。

1ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能承载宽带数字业务。基于ADSL的接入网由以下三个部分组成:(1)数字用户线接入复用器DSLAM(包括了许多ADSL调制解调器);(2)用户线;(3)用户家中的一些设施。

2光纤同轴混合网(HFC网)

HFC网是基于有线电视网的一种居民宽带接入网,它除了传送电视节目外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务;它将原来有线电视网主干中的同轴电缆换成了光纤,且每个家庭要接收数字电视信号时需要安装一个机顶盒。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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