計算機網絡——第三章 數據鏈路層——課後習題答案

3-1數據鏈路(即邏輯鏈路)與鏈路(即物理鏈路)有何區別? 「電路接通了」與」數據鏈路接通了」的區別何在?
答：數據鏈路與鏈路的區別在於數據鏈路出鏈路外，還必須有一些必要的規程來控制數據的傳輸，因此，數據鏈路比鏈路多了實現通信規程所需要的硬件和軟件。
「電路接通了」表示鏈路兩端的結點交換機已經開機，物理連接已經能夠傳送比特流了，但是，數據傳輸並不可靠，在物理連接基礎上，再建立數據鏈路連接，纔是「數據鏈路接通了」，此後，由於數據鏈路連接具有檢測、確認和重傳功能，才使不太可靠的物理鏈路變成可靠的數據鏈路，進行可靠的數據傳輸當數據鏈路斷開連接時，物理電路連接不一定跟着斷開連接。
3-2 數據鏈路層中的鏈路控制包括哪些功能?試討論數據鏈路層做成可靠的鏈路層有哪些優點和缺點.
答：1.鏈路管理
2.幀定界
3.流量控制
4.差錯控制
5.將數據和控制信息區分開
6.透明傳輸
7.尋址
可靠的鏈路層的優點和缺點取決於所應用的環境：對於干擾嚴重的信道，可靠的鏈路層可以將重傳範圍約束在局部鏈路，防止全網絡的傳輸效率受損；對於優質信道，採用可靠的鏈路層會增大資源開銷，影響傳輸效率。
3-3 網絡適配器的作用是什麼?網絡適配器工作在哪一層?
答：適配器（即網卡）來實現數據鏈路層和物理層這兩層的協議的硬件和軟件
網絡適配器工作在TCP/IP協議中的網絡接口層（OSI中的數據鏈路層和物理層）
3-4 數據鏈路層的三個基本問題(幀定界、透明傳輸和差錯檢測)爲什麼都必須加以解決？
答：幀定界是分組交換的必然要求；
透明傳輸避免消息符號與幀定界符號相混淆；
差錯檢測防止合差錯的無效數據幀浪費後續路由上的傳輸和處理資源。
3-5 如果在數據鏈路層不進行幀定界，會發生什麼問題？
答：1.無法區分分組與分組；
2.無法確定分組的控制域和數據域；
3.無法將差錯更正的範圍限定在確切的局部。
3-6 PPP協議的主要特點是什麼？爲什麼PPP不使用幀的編號？PPP適用於什麼情況？爲什麼PPP協議不能使數據鏈路層實現可靠傳輸？
答：簡單，提供不可靠的數據報服務，檢錯，無糾錯
不使用序號和確認機制
地址字段A 只置爲 0xFF。地址字段實際上並不起作用。
控制字段 C 通常置爲 0x03。
PPP 是面向字節的
當 PPP 用在同步傳輸鏈路時，協議規定採用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣），當 PPP 用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法
PPP適用於線路質量不太差的情況下、PPP沒有編碼和確認機制
3-7 要發送的數據爲1101011011。採用CRC的生成多項式是P（X）=X4+X+1。試求應添加在數據後面的餘數。數據在傳輸過程中最後一個1變成了0，問接收端能否發現？若數據在傳輸過程中最後兩個1都變成了0，問接收端能否發現？採用CRC檢驗後，數據鏈路層的傳輸是否就變成了可靠的傳輸？

3-8 要發送的數據爲101110。採用CRCD 生成多項式是P（X）=X3+1。試求應添加在數據後面的餘數。

3-9 一個PPP幀的數據部分（用十六進制寫出）是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E。試問真正的數據是什麼（用十六進制寫出）？

3-10 PPP協議使用同步傳輸技術傳送比特串0110111111111100。試問經過零比特填充後變成怎樣的比特串？若接收端收到的PPP幀的數據部分是0001110111110111110110，問刪除發送端加入的零比特後變成怎樣的比特串？
答：零比特填充是：只要發現有5個連續1，則立即填入一個0.反之，還原成原來的信息比特流是：當發現5個連續1，就把這5個連續1後的一個0刪除。
0110 11111 11111 00
0110 111110 111110 00

0001110 111110 111110 110
0001110 11111 11111 110
3-11 試分別討論一下各種情況在什麼條件下是透明傳輸，在什麼條件下不是透明傳輸。（提示：請弄清什麼是「透明傳輸」，然後考慮能否滿足其條件。）
（1）普通的電話通信。
（2）電信局提供的公用電報通信。
（3）因特網提供的電子郵件服務。
3-12 PPP協議的工作狀態有哪幾種？當用戶要使用PPP協議和ISP建立連接進行通信需要建立哪幾種連接？每一種連接解決什麼問題？
狀態：鏈路靜止與鏈路建立，鏈路終止，鑑別，網絡層協議。
連接： 物理連接，網絡層連接，數據鏈路層連接
3-13 局域網的主要特點是什麼？爲什麼局域網採用廣播通信方式而廣域網不採用呢？
答：局域網LAN是指在較小的地理範圍內，將有限的通信設備互聯起來的計算機通信網絡
從功能的角度來看，局域網具有以下幾個特點：
（1）共享傳輸信道，在局域網中，多個系統連接到一個共享的通信媒體上。
（2）地理範圍有限，用戶個數有限。通常局域網僅爲一個單位服務，只在一個相對獨立的局部範圍內連網，如一座樓或集中的建築羣內，一般來說，局域網的覆蓋範圍越位10m~10km內或更大一些。

從網絡的體系結構和傳輸檢測提醒來看，局域網也有自己的特點：
（1）低層協議簡單
（2）不單獨設立網絡層，局域網的體系結構僅相當於相當與OSI/RM的最低兩層
（3）採用兩種媒體訪問控制技術，由於採用共享廣播信道，而信道又可用不同的傳輸媒體，所以局域網面對的問題是多源，多目的的連連管理，由此引發出多種媒體訪問控制技術
在局域網中各站通常共享通信媒體，採用廣播通信方式是天然合適的，廣域網通常採站點間直接構成格狀網。
3-14 常用的局域網的網絡拓撲有哪些種類？現在最流行的是哪種結構？爲什麼早期的以太網選擇總線拓撲結構而不是星形拓撲結構，但現在卻改爲使用星形拓撲結構？
答：星形網，總線網，環形網，樹形網
當時很可靠的星形拓撲結構較貴，人們都認爲無源的總線結構更加可靠，但實踐證明，連接有大量站點的總線式以太網很容易出現故障，而現在專用的ASIC芯片的使用可以講星形結構的集線器做的非常可靠，因此現在的以太網一般都使用星形結構的拓撲。
3-15 什麼叫做傳統以太網？以太網有哪兩個主要標準？
答：DIX Ethernet V2 標準的局域網
DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準
3-16 數據率爲10Mb/s的以太網在物理媒體上的碼元傳輸速率是多少碼元/秒？
答：碼元傳輸速率即爲波特率，以太網使用曼徹斯特編碼，這就意味着發送的每一位都有兩個信號週期。標準以太網的數據速率是10MB/s，因此波特率是數據率的兩倍，即20M波特
3-17 爲什麼LLC子層的標準已制定出來了但現在卻很少使用？
答：由於 TCP/IP 體系經常使用的局域網是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標準中的幾種局域網，因此現在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經不大了。
3-18 試說明10BASE-T中的「10」、「BASE」和「T」所代表的意思。
答：10BASE-T中的「10」表示信號在電纜上的傳輸速率爲10MB/s，「BASE」表示電纜上的信號是基帶信號，「T」代表雙絞線星形網，但10BASE-T的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。
3-19 以太網使用的CSMA/CD協議是以爭用方式接入到共享信道。這與傳統的時分複用TDM相比優缺點如何？
答：傳統的時分複用TDM是靜態時隙分配，均勻高負荷時信道利用率高，低負荷或符合不均勻時資源浪費較大，CSMA/CD課動態使用空閒新到資源，低負荷時信道利用率高，但控制複雜，高負荷時信道衝突大。
3-20 假定1km長的CSMA/CD網絡的數據率爲1Gb/s。設信號在網絡上的傳播速率爲200000km/s。求能夠使用此協議的最短幀長。

3-21 什麼叫做比特時間？使用這種時間單位有什麼好處？100比特時間是多少微秒？
答：比特時間是發送一比特多需的時間，它是傳信率的倒數，便於建立信息長度與發送延遲的關係
「比特時間」換算成「微秒」必須先知道數據率是多少，如數據率是10Mb/s，則100比特時間等於10微秒。
3-22 假定在使用CSMA/CD協議的10Mb/s以太網中某個站在發送數據時檢測到碰撞，執行退避算法時選擇了隨機數r=100。試問這個站需要等待多長時間後才能再次發送數據？如果是100Mb/s的以太網呢？
答：對於10mb/s的以太網，以太網把爭用期定爲51.2微秒，要退後100個爭用期，等待時間是51.2（微秒）*100=5.12ms
對於100mb/s的以太網，以太網把爭用期定爲5.12微秒，要退後100個爭用期，等待時間是5.12（微秒）100=512微秒
3-23 公式（3-3）表示，以太網的極限信道利用率與連接在以太網上的站點數無關。能否由此推論出：以太網的利用率也與連接在以太網的站點數無關？請說明你的理由。
答：實際的以太網各給發送數據的時刻是隨即的，而以太網的極限信道利用率的得出是假定以太網使用了特殊的調度方法（已經不再是CSMA/CD了），使各結點的發送不發生碰撞。
3-24 假定站點A和B在同一個10Mb/s以太網網段上。這兩個站點之間的傳播時延爲225比特時間。現假定A開始發送一幀，並且在A發送結束之前B也發送一幀。如果A發送的是以太網所容許的最短的幀，那麼A在檢測到和B發生碰撞之前能否把自己的數據發送完畢？換言之，如果A在發送完畢之前並沒有檢測到碰撞，那麼能否肯定A所發送的幀不會和B發送的幀發生碰撞？（提示：在計算時應當考慮到每一個以太網幀在發送到信道上時，在MAC幀前面還要增加若干字節的前同步碼和幀定界符）
答:設在一0時A開始發送，在一(64+8) *8=576比特時間，A應當發送完畢。t-225比特時間，B就檢測出A的信號。只要B在1=224比特時間之前發送數據，A在發送完畢之前就
一定檢測到碰撞，就能夠肯定以後也不會再發送碰撞瞭如果A在發送完畢之前並沒有檢測到碰撞，那麼就能夠肯定A所發送的幀不會和B發送的幀發生碰撞(當然也不會和其他站點發生碰撞)。
3-25 在上題中的站點A和B在t=0時同時發送了數據幀。當t=255比特時間，A和B同時檢測到發生了碰撞，並且在t=255+48=273比特時間完成了干擾信號的傳輸。A和B在CSMA/CD算法中選擇不同的r值退避。假定A和B選擇的隨機數分別是rA=0和rB=1。試問A和B各在什麼時間開始重傳其數據幀？A重傳的數據幀在什麼時間到達B？A重傳的數據會不會和B重傳的數據再次發生碰撞？B會不會在預定的重傳時間停止發送數據？
答: t=0時，A和B開始發送數據T1=225比特時間,A和B都檢測到碰撞(tau) T2-273比特時間,A和B結束干擾信號的傳輸(T1+48) T3- 594比特時間,A開始發送(T2+Tau+rATau+96) T4=785比特時間，B再次檢測信道。(T4+T2+Tau+RbTau) 如空閒，則B在TS- 881比特時間發送數據、否則再退避。(T5=T4+96) A重傳的數據在819比特時間到達B，B先檢測到信道忙，因此B在預定的881比特時間停止發送。
3-26 以太網上只有兩個站，它們同時發送數據，產生了碰撞。於是按截斷二進制指數退避算法進行重傳。重傳次數記爲i，i=1，2，3,……。試計算第1次重傳失敗的概率、第2次重傳的概率、第3次重傳失敗的概率，以及一個站成功發送數據之前的平均重傳次數I。
答:將第i次重傳成功的概率記爲pi.顯然第-一次重傳失敗的概率爲0.5,第二次重傳失敗的概率爲0.25，第三次重傳失敗的概率爲0.125.平均重傳次數1-1.637
3-27 有10個站連接到以太網上。試計算一下三種情況下每一個站所能得到的帶寬。
（1）10個站都連接到一個10Mb/s以太網集線器；
（2）10個站都連接到一個100Mb/s以太網集線器；
（3）10個站都連接到一個10Mb/s以太網交換機。
答:（1）10個站都連接到一個10Mb/s以太網集線器：10mbs
（2）10個站都連接到一個100mb/s以太網集線器：100mbs
（3）10個站都連接到一個10mb/s以太網交換機：10mbs

若是求總的帶寬，結果爲10mbs,100mbs,100mbs.
3-28 10Mb/s以太網升級到100Mb/s、1Gb/S和10Gb/s時，都需要解決哪些技術問題？爲什麼以太網能夠在發展的過程中淘汰掉自己的競爭對手，並使自己的應用範圍從局域網一直擴展到城域網和廣域網？
答：技術問題：使參數a保持爲較小的數值，可通過減小最大電纜長度或增大幀的最小長度
在100mb/s的以太網中採用的方法是保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜的度減小到100m，幀間時間間隔從原來9.6微秒改爲現在的0.96微秒
吉比特以太網仍保持一個網段的最大長度爲100m，但採用了「載波延伸」的方法，使最短幀長仍爲64字節（這樣可以保持兼容性）、同時將爭用時間增大爲512字節。並使用「分組突發」減小開銷
10吉比特以太網的幀格式與10mb/s，100mb/s和1Gb/s以太網的幀格式完全相同
吉比特以太網還保留標準規定的以太網最小和最大幀長，這就使用戶在將其已有的以太網進行升級時，仍能和較低速率的以太網很方便地通信。
由於數據率很高，吉比特以太網不再使用銅線而只使用光纖作爲傳輸媒體，它使用長距離（超過km）的光收發器與單模光纖接口，以便能夠工作在廣
3-29 以太網交換機有何特點？用它怎樣組成虛擬局域網？
答：以太網交換機則爲鏈路層設備，可實現透明交換
虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。
這些網段具有某些共同的需求。
虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個 4 字節的標識符，稱爲 VLAN 標記(tag)，用來指明發送該幀的工作站屬於哪一個虛擬局域網。
3-30 某學院的以太網交換機有三個接口分別和學院三個系的以太網相連。另外三個接口分別和電子郵件服務器、萬維網服務器，以及一個連接互聯網的路由器相連。圖中的A,B和C… 求解答最好有過程。某學院的以太網交換機有三個接口分別和學院三個系的以太網相連。另外三個接口分別和電子郵件服務器、萬維網服務器，以及一個連接互聯網的路由器相連。圖中的A,B和C都是100Mbit/s以太網交換機。假定所有的鏈路的速率都是100Mbit/s,並且圖中的9臺主機中的任何一個都可以和任何一個服務器或主機通信。試計算這9臺主機和兩個服務器產生的總的吞吐量的最大值，爲什麼？
答：因爲通過交換機連接的局域網內主機可以並行發送數據，所以9臺主機的吞吐量爲900M，兩個服務器吞吐量爲200M，所以總吞吐量爲1100M。

3-31 假定在圖3-30中的所有鏈路的速率仍然爲100 Mbit/s，但三個系的以太網交換機都換成爲100Mbit/s的集線器。試計算這9臺主機和兩個服務器產生的總的吞吐量的最大值。爲什麼?
答：如果把三臺交換機換成集線器，由於集線器是總線型，同一集線器下同一時刻只能一臺設備發送數據，所以圖中9臺主機其實只有三臺在發送，吞吐量是300M，兩個服務器吞吐量是200M，所以吞吐總量是500M。
3-32 假定在圖3-30中的所有鏈路的速率仍然爲100 Mbit/s，但所有的以太網交換機都換成爲100Mbit/s的集線器。試計算這9臺主機和兩個服務器產生的總的吞吐量的最大值。爲什麼?
答：一個網絡中無論其中有多少臺主機或者服務器,如果全部接在一個集線器上,那麼該網絡的最大總的吞吐量就是這個集線器的最大值，即100M

3-33
答
動作 ------------------交換表的狀態---------向哪些接口轉發幀 -----------------說明
A發送幀給D -----寫入(A, 1)—所有接口--------------發送之前爲空表，發送之後存入A接口在1

D發送幀給A ----寫入(D, 4)-------A接口----------------之前有A的信息，發送之後存入D接口在4

E發送幀給A ----寫入(E, 5)------A接口-----------------之前有A的信息，發送之後存入E接口在5

A發送幀給E ----不變--------------E接口-----------------之前有E的信息和A的信息
3-34 有兩臺主機A和B接在800 m長的電纜線的兩端，並在t= 0時各自向對方發送-一個幀，長度爲1500 bit ( 包括首部和前同步碼)。假定在A和B之間有4個轉發器，在轉發幀時會產生20比特的時延。設傳輸速率爲100 Mbit/s， 而CSMA/CD的退避時間是隨機數r倍的爭用期，爭用期爲512 bit,在發生第一次碰撞後，在退避時A選 擇r=0而B選擇r=1。忽略發生碰撞後的人爲干擾信號和幀間最小間隔。 (1) 設信號的傳播速率是2 x 108 m/s。 試計算從A到B (包括4個轉發器)的傳播時 延。 (2)在什麼時間(以秒爲單位) B完全收到了A發送的幀? (3)現在假定只有A發送幀，幀長仍爲1500bit,但4個轉發器都用交換機來代替。 交換機在進行存儲轉發時還要產生額外的20 bit的處理時延。在什麼時間(以秒爲單 位) B完全收到了A發送的幀? 答：第一問：傳播時延爲電纜總長度除以傳播速率得4us，加上四個轉發器的80比特時延（即80bit/100Mbit/s=0.8us）總共4.8us。 第二問：當2.4us時在電纜中間發生碰撞，4.8us時AB各收到碰撞信息。A立即停止發送數據並等待一個端到端的傳播時間（即等信道清空）。然後因A退避零個爭用期故直接發送數據當A最後一個數據到達B時總共花費4.8us＋4.8us＋15us+4.8us=29.4us 第三問：數據到達交換機要進行存儲轉發，即每個交換機發送一次數據，所以一共發送了五次數據，即發送時延爲5*15us。而在鏈路上傳播時延爲4us＋交換機額外產生的80bit時延。共79.6us