《计算机网络 自顶向下方法》第六章 复习题&习题

R1

考虑在6.1.1节中的运输类比。如果将乘客类比为数据报，那么将什么类比于链路层帧?

交通工具；因为乘客乘坐在交通工具中，就好像IP数据报封装在链路层帧中

R2

如果在因特网中的所有链路都提供可靠的交付服务, TCP可靠传输服务是多余的吗? 为什么?

不是多余的。
链路层的可靠交付：只能保证IP数据报在另一端无差错地接收，但不能保证IP数据报以正确顺序到达（链路层不提供按序到达服务）
使用IP时，同一TCP连接中的数据报可以在网络中采用不同路径，因此可能无法按顺序到达，TCP仍然需要以正确的顺序向应用程序提供数据。
此外，IP可能因为路由环路或设备故障而丢失数据包。

Key：链路层只保证无差错、采用不同路径无法顺序到达

R3

链路层协议能够向网络层提供哪些可能的服务?

链路层：成帧、链路接入、可靠交付、流量控制、差错检测和纠正、全双工

R4

假设两个节点同时经一个速率为R的广播信道开始传输一个长度为L的分组。用d_prop​表示这两个节点之间的传播时延。如果dprop < L /R，会出现碰撞吗?为什么?

会发生碰撞，因为一个节点在接受数据包而另一个节点正在发送。

R5

在6.3节中, 我们列出了广播信道的4种希望的特性. 这些特性中哪些是时隙ALOHA所具有的? 令牌传递具有这些特性中的哪些?

4种希望的特性：
1）当仅有一个节点发送数据时，该节点具有R bps的吞吐量
2）当有M个结点发送数据时，每个结点具有R/M bps吞吐量（时间间隔内的平均传输速率）
3）协议是分散的，不会因某个节点的故障而导致崩溃
4）协议是简单的，实现不昂贵

时隙ALOHA：1）2）4），时隙ALOHA仅部分分散，因为它要求所有结点时钟同步
令牌传递：1）2）3）4）

R6

在CSMA/CD中, 在第5次碰撞后, 节点选择K=4的概率有多大? 结果K=4在10Mbps以太网上对应于多少秒的时延?

在第五次碰撞后，适配器从{1，2…31}中选择，一共有32种可能，选中K=4的概率为 1/32
在10Mbps以太网上, 512比特时间为51.2μs, 则时延为51.2 μs × 4 = 204.8 μs

PS：10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒

R7

使用人类鸡尾酒会交互的类比来描述轮询和令牌传递协议.

轮询：有一个讨论领导者（主节点），讨论领导每次只允许一个参与者发言，每个参与者轮流发言。
令牌传递：没有讨论领导者，参与者轮流持有酒杯（令牌），只有持有酒杯的参与者才允许发言。

R8

如果局域网有很大的周长时，为什么令牌环协议将是低效的?

当节点发送帧时，这个节点必须等待帧在整个环中传播，然后节点才能释放令牌。
因此，如果 L/R 比T_prop​相比很小, 则令牌环协议会很低效。

PS： T_prop= LAN中，2个结点间的最大传播延迟；
L/R=传输时延，R=链路带宽(链路宽度)，L=分组长度(一个分组的大小)

R9

MAC地址空间有多大?IPv4的地址空间呢?IPv6的地址空间呢?

MAC地址占48位, 有2^48个MAC地址（24位组织唯一标识符+24位网络接口标识符）
IPv4地址占32位, 有2^32 个 IPv4 地址（255.255.255.255）
IPv6地址占128位, 有2^128 个 IPv6 地址（四倍）

R10

假设节点A、B和C(通过它们的适配器）都连接到同一个广播局域网上。如果A向B发送数千个IP数据报，每个封装帧都有B的MAC地址，C的适配器会处理这些帧吗? 如果会,C的适配器将会把这些帧中的IP数据报传递给C的网络层吗?如果A用MAC广播地址来发送这些帧，你的回答将有怎样的变化呢?

1）C的适配器会处理这些帧，（检查这些帧的目的MAC是否与接收到该帧的适配器的MAC地址一致，如果一致才会上交给网络层, 否则会丢弃），
2）因为这些帧的目的MAC是B, 所以C的适配器会丢掉这些帧，不会传递给C的网络层
3）因为是广播地址，C的适配器仍然会处理这些帧, 并且递交给上层协议栈处理

R11

ARP查询为什么要在广播帧中发送呢?ARP响应为什么要在一个具有特定目的MAC地址的帧中发送呢?

ARP查询：在广播帧中发送，是因为查询主机不知道目的IP地址对应的适配器地址/目的MAC地址。
ARP响应：发送节点会根据该广播帧的源MAC地址, 得知要发送的响应帧的目的MAC地址, 因此无需发送广播帧。
（所有结点都可以接受ARP查询，但只有被请求的主机A会响应。主机A通过比较自己的IP地址和ARP请求中的IP地址，若相同，将发送节点的IP地址和MAC地址存入ARP表）

Key：ARP查询不知道目的MAC地址/适配器地址，ARP响应通过接收到的广播帧已知目的MAC地址。

R12

对于图6-19中的网络, 路由器有两个ARP模块, 每个都有自己的ARP表. 同样的MAC地址可能在两张表中出现吗?

不可能，每个LAN都有其自己的独特的适配器，MAC地址是全球唯一的（供应商代码+序列号）

PS：LAN是局域网的IP，路由器分配/自己设定；WAN是广域网的IP，运营商设定，动态

R13

比较10BASE-T, 100BASE-T和吉比特以太网的帧结构, 它们有什么不同吗?

没有什么不同, 因此新的以太网和已安装的以太网设备基础保持完全兼容。

PS：10BASE-T表示10Mbps 基带以太网 双绞铜线

R14

考虑图6-15. 在4.3节的寻址意义下, 有多少个子网呢?

2个子网（内部子网和外部互联网）, 即路由器的2个端口划分出的2个子网。
它们的网络号肯定是不同的, 其次它们采用的以太网技术也可能不同。

PS：方形—路由器；圆形—交换机

R15

在一个支持802.1Q协议交换机上能够配置的VLAN的最大数量是多少?为什么?

802.1Q 有一个 12 位 VLAN 标识符。 因此可以支持 2¹² = 4,096 个 VLAN。

R16

假设支持K个VLAN组的N台交换机经过一个干线协议连接起来。连接这些交换机需要多少端口?评价你的答案。

可以将N个交换机串起来，中间N-1个交换机将使用两个端口干线连接，第一个和最后一个交换机将使用一个端口进行干线连接，即总端口数量为 2x(N-2)+2 = 2N-2 个端口

P1

假设某分组的信息内容是比特模式1110 0110 1001 1101,并且使用了偶校验方案。在采用二维奇偶校验方案的情况下，包含该检验比特的字段的值是什么?你的回答应该使用最小长度检验和字段。

P5

考虑5比特生成多项式，G = 10011，并且假设D的值为1010101010。R的值是什么?

1）被除数 D：根据生成多项式的最高次幂，给D尾添0（本题生成多项式4次，加4个 0000）
2）除数 G：有时根据生成多项式（注意第一位是0次幂）
3）余数 R：余数的位数=添加的位数
最终发送出去的数据应该是：原始D+余数R（也就是把添0000的位置换为余数的4位）
最后得到的结果即为R的值。

PS：D是待发送的消息，G(x)可能用生成多项式表示
有时可能给你接收到的信息，和生成多项式，判断是否误码？
1）被除数：接收到的信息
2）除数：根据生成多项式
余数不为0，说明传输过程中产生了误码（CRC只能检测是否误码，但不能指出纠正）

具体计算过程如下：

P6

考虑上一个习题，这时假设 D 具有值:
a. 10 0101 0101
b. 01 0110 1010
c. 10 1010 0000

R=0000
R=1111
R=1001

P8

5.3节中，我们提供了时隙 ALOHA 效率推到的概要。在本习题中，我们将完成这个推导。

P9

说明纯 ALOHA 的最大效率是 1/(2e)

P14

如图 6-33 所示，考虑通过两台路由器互联的 3 个局域网

a. 对所有接口分配 IP 地址。对子网 1 使用形式为 192.168.1.xxx 的地址，对子网 2 使用形式为 192.168.2.xxx 的地址，对子网 3 使用形式为 192.168.3.xxx 的地址。
b. 为所有适配器分配 MAC 地址。
c. 考虑从主机 E 向主机 B 发送一个 IP 数据报。假设所有 ARP 表都是最新的。就像在 5.4.1 节中对单路路由器例子所做的那样，列出所有步骤。
d. 重复 c，现在假设在发送主机中的 ARP 表为空（并且其他表都是最新的）。

c）
1.E中的转发表确定数据报应路由到接口192.168.3.001
2 E中的适配器创建以太网目的地址为77-77-77-77-77-77的以太网数据包
3.路由器2接收数据包并提取数据报。此路由器中的转发表指示数据报将路由到198.168.2.001
4.路由器2然后通过其左侧接口发送目的地址为33-33-33-33-33-33，源地址为66-66-66-66-66-66的以太网数据包，IP地址为198.162.2.004
5.该过程一直持续到数据包到达主机B.

PS：只有路由器的两端有IP地址，77和66分别为路由器2的右边接口和左边接口
划分子网时，也是根据路由器的接口进行划分，路由器1左侧为子网.1.x，路由器1和2中间为子网.2.x，路由器2右侧为.3.x

d)
此时，主机E仅根据路由表直到下一路由器的IP地址为198.162.3.001，不知道其对应的MAC地址。
因此，主机E在广播以太网帧内发出ARP查询报文，此时目的MAC地址为广播MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。
路由器2接收查询数据包并向主机E发送ARP响应数据包。
该ARP响应数据包由以太网帧承载，此时目的MAC地址为88-88-88-88-88-88，该报内包含了路由器2右侧接口的MAC地址77-77-77-77-77-77-。
获取到路由器2右侧即可MAC后, 后续步骤与C一致

PS：ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用，不能跨网络使用（主机E只能获得路由器2右端IP地址对应的MAC地址）对于本题，ARP协议是逐段进行的

P15

现在我们用一台交换机S1代替子网 1 和子网 2 之间的路由器，并且将子网 2 和子网 3 之间的路由器标记为 R1。
a. 考虑从主机 E 向主机 F 发送一个 IP 数据报。主机 E 将请求路由器 R1 帮助转发该数据报吗？为什么？在包含 IP 数据报的以太网帧中，源和目的 IP 和 MAC 地址分别是什么？
b. 假定 E 希望向 B 发送一个 IP 数据报，假设 E 的 ARP 缓存中不包含 B 的 MAC 地址。 E 将执行 ARP 查询来发现 B 的 MAC 地址吗？为什么？在交付给路由器 R1 的以太网帧（包含发向 B 的 IP 数据报）中，源和目的 IP 和 MAC 地址分别是什么？
c. 假定主机 A 希望向主机 B 发送一个 IP 数据报，A 的 ARP 缓存不包含 B 的 MAC 地址，B 的 ARP 缓存也不包含 A 的 MAC 地址。进一步假定交换机 S1 的转发表仅包含主机 B 和路由器 R1 的表项。因此， A 将广播一个 ARP 请求报文。一旦交换机 S1 收到 ARP 请求报文将执行什么动作？路由器 R1 也会收到这个 ARP 请求报文吗？如果收到的话，R1 将向子网 3 转发该报文吗？一旦主机 B 收到这个 ARP 请求报文，它向主机 A 回发一个 ARP 响应报文。但是它将发送一个 ARP 查询报文来请求 A 的 MAC 地址吗？为什么？一旦交换机 S1 收到来自主机 B 的一个 ARP 响应报文，它将做什么？

a）不会请求R1
E通过查看F的网络号, 发现E与F在一个子网内, 所以E不会将IP数据报发送给默认路由器R1, 所以E可以通过ARP表得到目的IP对应的MAC地址。
源IP: E的IP地址；目的IP: F的IP地址；源MAC: E的MAC地址；目的MAC: F的MAC

b）E不会执行ARP请求来发现B栋MAC地址
因为E和B不在一个子网, E无法通过ARP查询查得到B的MAC地址，只能得到R1右侧端口的MAC地址。
源IP: E的IP；目的IP: B的IP；源MAC: E的MAC；目的MAC: R1右侧接口的MAC

c）S1为交换机，R1为路由器
1）交换机 S1 收到ARP请求后, 将通过其两个接口广播以太网帧，并且S1 将更新其转发表以包含主机 A 的条目。
2）路由器 R1 会收到这个ARP请求报文, 但不会向子网3中转发。
3）B不用再查询A的MAC地址了，已经可以通过该请求报文的源MAC得知A的MAC。
4）在S1的转发表中添加主机 B 的条目（B的MAC—>该帧来自的接口），然后丢弃接收到的帧。

PS：
1）路由表：用于存储网络中不同主机或网络之间的路由信息，以帮助数据包在网络中正确地转发。它包含了一系列的目标网络地址和相应的下—跳信息，用于确定数据包应该被发送到哪个接口或下一个路由器。
IP地址，即互联网协议地址，也称为网络层地址或主机地址，是分配给网络上的各个网络设备的地址。
2）ARP表：ARP协议（地址解析协议），最好看成跨越链路层和网络层边界两边的协议，运行在各网络节点上，负责完成主机IP地址到MAC地址的映射。
3）转发表/MAC表：在交换机里，交换机就是根据转发表来转发数据帧的。
交换机的转发表/MAC表是自动、动态、自治地建立的，有老化期。（本题中交换机S1可以自学习A和B的MAC地址）
参考文章：https://blog.youkuaiyun.com/pjh88/article/details/112058515?fromshare=blogdetail&sharetype=blogdetail&sharerId=112058515&sharerefer=PC&sharesource=Computer_orange&sharefrom=from_link

R17

前面讲过，使用 CSMA/CD 协议，适配器在碰撞之后等待 K ⋅ 512 比特时间，其中 K 是随机选取的。对于 K = 100，对于一个 10 Mbps 的广播信道，适配器返回到第二步要等多长时间？对于 100 Mbps 的广播信道来说呢？

对于10 Mbps 的广播信道, 512比特时间为 51.2 μs, 需要等 51.2 x 10^-3 x 100 = 5.12ms
对于100 Mbps 的广播信道, 512比特时间为 5.12μs, 需要等 5.12 x 10^-3 x 100 = 0.512ms

PS：
1 Mbps = 10⁶ bps（b/s）
1 μs = 10^-6 s
1 ms = 10^-3 s

P18

假设结点 A 和结点 B 在同一个 10 Mbps 的广播信道上，这两个结点的传播时延为 325 比特时间。假设对这个广播信道使用 CSMA/CD 和以太网分组。假设结点 A 开始传输一帧，并且在它传输结束之前结点 B 开始传输一帧。在 A 检测到 B 已经传输之前，A 能完成传输吗？为什么？如果回答是可以，则 A 错误地认为它的帧已成功传输而无碰撞。提示：假设在 t = 0 比特时刻，A 开始传输一帧。在最坏的情况下，A 传输一个 512 + 64 比特时间的最小长度的帧。因此 A 将在 t = 512 + 64 比特时刻完成帧的传输。如果 B 的信号在比特时间 t = 512 + 64 比特之前到达 A，则答案是否定的。在最坏情况下，B 的信号什么时刻到达 A ?

因为B如果检测到有A流量，不会进行发送帧，所以最坏情况是在A的第一比特刚好要到B时，B开始发送。
在t=324， 即A的第一个bit还没有到达B， 此时B开始传输，A会在t=324+325=649检测到发送冲突，但A在t=512+64=576时，就已经错误地认为A已经成功传输要传输的帧了，所以会造成A的失败传送。

PS：
1）ALOHA：想发就发
2）时隙ALOHA：分若干个时间片
3）CSMA：先听后发
4）CSMA/CD：边听边发 + 二进制指数后退算法（但还会冲突，因为存在传播时延，如上题：A在边听边发，虽然没有检测到碰撞，但实际上A信号已经被碰撞干扰）