【期末复习、面试】计算机网络

课程简介

本科生计算机网络课程，主要包括常见内容以及相关习题。

第一章 计算机网络体系结构

1.0 本章重点

1、协议和服务的区别：
（1）协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户智能看见服务而无法看见下面的协议，即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之间的通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。

2、报文交换和分组交换的优缺点
（0）电路交换：端对端通信质量因约定了通信资源获得可靠保障，对连续传送大量数据效率高。
（1）报文交换：无须预约传输带宽，动态逐段利用传输带宽对突发式数据通信效率高，通信迅速。
（2）分组交换：具有报文交换之高效、迅速的要点，且各分组小，路由灵活，网络生存性能好。

3、IP over Everything 与 Everything over IP

（1）IP over Everything： IP可应用到各式各样的网络上。
（2）Everything over IP： IP可为各式各样的应用程序提供服务。
（3）IP： 网络互连协议

4、OSI模型、TCP/IP模型各个层的功能

5、WWW：World Wide Web

1.1 计算机网络概述

1.2 因特网概念

1.2.1 网络的网络

互联网、因特网、主机

1.2.2 因特网发展的三个阶段

WWW（World Wide Web）

1.2.3 关于因特网的标准化工作

1.3 因特网组成

  网络上这么多结点，谁提供资源，谁主要进行设备互联、数据传输。以及二者要遵循什么规则。从逻辑上可以将因特网划分为：边缘部分以及核心部分两大块。

• 边缘部分 又称资源子网，由所有连接在因特网上的主机组成。这些部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
• 所有的用户构成了边缘部分。所有资源由处在边缘的用户提供。
• 核心部分 又称通信子网，由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
• 所有边缘部分由核心部分的路由器等连接起来。

练习：因特网从功能上分为两大组成部分（核心部分）和（边缘部分），核心部分完成（提供连通与交换 ）功能，边缘部分完成（进行数据处理和资源共享）功能。

1.3.1 因特网的边缘部分⭐

  那么边缘部分的主机，又称为端系统是如何交换信息/通信的？在边缘部分的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：

• 客户服务器方式（C/S方式）
• 客户和服务器都是指通信中涉及的两个应用进程。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
• 对等方式（P2P方式）
• 指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务的请求方还是服务提供方。

练习：终端之间的通信方式有两大类（ C/S）和（P2P ），WEB服务采用的是（C/S ）方式。C/S方式中，C与S都是通信中涉及的应用进程，C/S描述的是一种服务与被服务关系，其中(提出服务请求的一方 )叫客户，（ 提供服务的一方）叫服务器。通信双方既是客户又是服务器的工作方式叫作（P2P）。B/S方式实际上属于（C/S）方式。

1.3.2 因特网的核心部分⭐

  C/S之间、两个P之间到底怎么样传输数据，依据什么原则。这是因特网的核心部分要解决的问题。在网络核心部分起特殊作用的是路由器，主要功能：连接不同的网络，实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组。

首先，引入电路交换。电路交换的特点：

• 电路交换必定是面向连接的。
• 电路交换的三个阶段：建立连接、通信、释放连接。

电路交换的缺点：

• 计算机数据具有突发性。（有的时候多，有的时候少，有的时候有）
• 电路交换的用户始终占用端到端的通信资源，导致通信线路的利用率很低。

电路交换存在问题，引入分组交换。分组交换主要特点

• 采用存储转发技术
• 在发送端，先把较长的报文划分为较短的、固定长度的数据段。

路由器的工作对象：分组，工作方式：存储转发。

主机和路由器的作用不同： 主机，属资源子网，是提供资源、接收资源的设备。路由器是中间转发的设备，转发分组的。

分组交换的优点：

• 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用（到×占用×一段）
• 灵活 以分组为传送单位和查找路由（路径）
• 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组（效率高）
• 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有良好的生存性。

分组交换带来的问题

• 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
• 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

报文交换：分时段占用

1.5 计算机网络的分类

1.5.1 计算机网络的不同定义

连通性、共享

1.5.2 几种不同类别的网络

1. 按分布范围分类
   （1）广域网(WAN)：因特网的核心部分，采用交换技术，远程，高速
   （2）城域网(MAN)：城市范围，连接多个局域网
   （3）局域网(LAN)：采用广播技术，校园网、企业、机关、社区。
   （4）个人区域网(PAN)：个人电子设备
2. 按拓扑结构分类
   （1）总线形结构
   （2）星形结构
   （3）环形结构
   （4）网状结构
3. 按不同使用者分类
   （1）公用网：面向公共营运
   （2）专用网：面向特定机构
4. 按交换技术分类
   （1）电路交换网络：①面向连接 ②电路交换的三个阶段：建立连接、通信、释放连接。
   （2）报文交换网络
   （3）分组交换网络：①报文分组，加首部 ②经路由器存储转发 ③在目的地合并。

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标⭐⭐⭐

（1）速率：即数据率或称数据传输率或比特率。 单位：b/s。在传输同样数据量时，如果当前信道的数据率越高，传完同样的数据所花的数据率就越少。

速率往往是指额定速率，不是实际运行速率。

（2）带宽：单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位“比特每秒”，b/s，Kb/s，Mb/s，Gb/s。

带宽：额定分配值。

  注： 带宽(发送端最高能发送数据率)变大，1us单位时间内往链路中注入的bit数增加，而不会影响数据在链路上传播的速度，即发送的变快了。
  在一段时间内，链路中有多少比特取决于带宽(或传输速率)，而1比特“跑”了多远取决于传播速率。传播速率指电磁波在信道中传播的速率。电磁波在光纤中的传播速率为$2\times 10^{8}m/s$。

（3）吞吐量 表示在单位时间内通过某个网络的数据量。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

（4）时延

发送时延=$\frac{数据长度}{信道带宽(发送速率)}$=$\frac{10bit}{10b/s}=1s$，传播时延=$\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$=$\frac{100m}{10m/s}=10s$。

例题1：设传输速率为10Mb/s，在1km铜缆中传输的数据量大约是 ( 50b )
解：传播时延=$\frac{10^{3}m}{2\times 10^{8}m/s}$=$5\times 10^{-6}s$，传输数据量=$5\times 10^{-6}\times 10^{7}b/s$=$50bit$
例题2：电信号在1km长铜缆中产生的传播时延大约为(5)us，以1Mb/s的速率发送1000bit数据，产生的发送时延是(1000)us。
解：传播时延=$\frac{10^{3}m}{2\times 10^{8}m/s}$=$5\times 10^{-6}s$=$5us$，发送时延=$\frac{时延带宽积}{带宽}$=$\frac{1000bit}{10^{6}b/s}$=$10^{-3}s$=$10^{3}us$。

例题3：电信号在1Km长铜缆中产生的传播时延大约为（5）us.以1Mb/s的速率发送1000比特数据，产生的发送时延是（1000）us。

例题4：网络中的时延由（发送）（传播）（处理）（排队）四个部分组成，其中（排队）时延不固定。

（5）时延带宽积

（6）利用率 信道利用率并非越高越好。
$$D=\frac{D_0}{1-U}$$
其中，$D_0$表示网络空闲时的时延，$D$表示网络当前时延，$U$是网络的利用率。

假定网络利用率达到了90%,那么现在的网络时延大约是它最小值时的(10)倍。
解析： 网络利用率达到90%，说明当前时延是在急剧增大，因此$D$大，$D_0$小

1.6.2 计算机网络的非性能指标

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性。

1.7 计算机网络体系结构与参考模型⭐⭐⭐

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

OSI、TCP/IP(事实上的国际标准)

练习：国际上典型的两种计算机网络体系结构是（OSI）和（TCP/IP）,其中因特网采用的是（TCP/IP）。

1.7.2 划分层次的必要性

计算机网络中的数据交换必须遵守实现约定好的规则。网络协议，简称为协议是为进行网格中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的组成要素

• 语法 数据与控制信息的结构或格式
• 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
• 同步 事件实现顺序的详细说明

分层的好处

• 各层次之间是独立的
• 灵活性好
• 结构上可分割开
• 易于实现和维护
• 能促进标准化工作

缺点

降低效率、有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。

练习：网络协议三要素中，语法表示（数据与控制信息的结构或格式 ），语义表示（对构成协议的协议元素的解释），同步表示（事件实现的顺序）。

1.7.3 OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型：（从上到下）

• 应用层，是用户与网络的界面，所有能和用户交互产生网络流量的程序。提供事务处理与访问、报文解析、应用报文【服务访问点：用户界面】
• 表示层，主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）。①数据格式变换 ②数据加密和解密 ③数据压缩和恢复、数据编码，指对应用数据操作、而不是信号处理
• 会话层，向表示层实体/用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据。①建立、管理及终止会话 ②使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步、
• 传输层，负责主机中两个进程之间的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。①可靠传输、不可靠传输 ②差错控制 ③流量控制 ④复用分用、端口，用来识别应用进程、完成应用进程到应用进程(端到端)的传输、【处理可靠性、流量控制和错误校正】
• 网络层，主要任务是把网络层的协议数据单元(分组)从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层的传输单位是分组/数据报。①路由选择(最佳路径) ②流量控制 ③拥塞控制 ④差错控制、逻辑地址、IP地址，用于识别主机、路由选择【服务访问点：IP地址】
• 数据链路层，主要任务是把网络层串下来的IP数据报组装成帧。传输单位是数据帧。①成帧 ②差错控制(帧错+位错) ③流量控制 ④访问(接入)控制 控制对信道的访问、物理地址、MAC地址，用于识别节点、数据帧【服务访问点：用MAC地址】
• 物理层，主要任务是透明的传输比特流。传输单位比特。①定义接口特性 ②定义传输模式 ③定义传输速率 ④比特同步 ⑤比特编码、信号编码、将系统连接到通信介质【服务访问点：网卡接口】
• 差错检测（除物理层外的各层）
• 下层为上层服务，其中直接为网络层服务的是(数据链路)层。
• (2014统考)在OSI参考模型中，直接为会话层提供服务的是(传输层)

TCP/IP参考模型：（从上到下）

• 应用层，对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层
• 传输层
• 网际层，定义了标准的分组格式和协议，即IP(网络互联协议)，该协议直接为(传输)层上的(UDP)和(TCP)协议提供服务。
• 网络接口层，对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层
• 下层为上层服务，其中直接为应用层服务的是(传输层)

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

• (2011统考)TCP/IP参考模型的网络层提供的是：无连接不可靠的数据报服务

5层协议的体系结构：（从上到下）

• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 运输层
• 应用层

练习：OSI共为（7 ）层，从低到高依次为（物理 数据链路 网络 传输 会话 表示 应用 ），OSI体系中直接为网络层服务的是（数据链路 ）层。TCP/IP共分（4）层，从低到高依次为（网络接口 网络 传输 应用 ），直接为应用层服务的是（传输 ）层

练习2：TCP/IP体系的最低层完成的内容相当于OSI的（ 物理层）和（数据链路层 ）两层。该体系中完成网络互连的协议是（IP），该协议直接为（传输）层提供服务。（下层为上层服务）

练习3：以下功能由OSI的哪层完成
1）完成应用进程到应用进程（端到端）的传输（传输层）
2）决策使用哪条路径到达目的地（网络层）
3）进行物理寻址（数据链路层，物理层不负责节点识别）
4）将比特流划分为帧（数据链路层，它从物理层的比特流中识别出一帧信息）
5）将系统连接到通信介质（物理层）
6）提供事务处理与访问（应用层）
7）数据的编码与表示（表示层，指应用数据的处理，而不是信号处理）

练习4：请指出下面概念分别在哪层次
物理地址(数据链路层，MAC地址，用于识别节点，称作物理寻址)，信号编码(物理层) ，路由(网络层，选择经过哪些网络传输) ，端口(传输层，用来识别应用进程) ，逻辑地址(网络层，IP地址，用于识别主机，称作逻辑寻址) ，数据编码(表示层，指对应用数据操作) ，数据帧(数据链路层) ，报文解析(应用层，应用报文)

练习5：假设OSI参考模型的应用层欲发送400B的数据（无拆分），除物理层和应用层之外，其他各层在封装PDU时均引入20B的额外开销，则应用层数据传输效率约为 A．80% B．83% C．87% D．91%

练习6：从功能上看，OSI模型中负责通信的最高层是()层。 （1 2 3层负责通信）
A.物理 B. 数据链路 C. 网络 D. 应用

练习7：

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。

练习：一用户要向另一用户发信息，排列下列事件顺序
1）信息传给源节点的最高层
2）在源节点的网络用户产生信息
3）在目标节点的网络用户接收信息
4）信息向上通过目标节点的各个网络层次，每一层都除去它的控制信息
5）信息以电信号的形式通过物理链路发送
6）当信息通过源节点时，每一层都给它加上控制信息
2 1 6 5 4 3，按照层次关系排列

1.7.5 TCP/IP的体系结构

1.8 本章练习题

1）F 电路交换是面向连接的，分组交换是无连接的。
2）T 电路交换传输数据不需要携带地址信息，分组交换方式需要。（虚电路需要携带逻辑信道号，可看作简单的地址信息）
3）F 电路交换和虚电路都是面向连接的，所以二者工作原理相同。
4）F 分组交换和报文交换基本原理是一样的，分组交换传输时延长一些，但是具有更好的灵活性。（当网络资源紧张时排队时延长，此时分组交换传输时间可能就长一些，但是一般情况下分组交换比报文交换省时。）
5）T 电路交换不能对传输的数据进行差错检测。
6）F 数据报方式下，每个分组都要携带地址信息，各自独立路由，先发出的分组能够最先到达。
7）F 计算机网络可以采用电路、报文、分组交换任何一种方式。
8）T 虚电路上节点进行分组转发时不需要进行路由，而是依据虚电路号(VCID)进行数据分组转发。

1.8.1 PPT练习题

1.8.2 雨课堂测验

1.电路交换考点、数据报交换方式
（1）不采用存储-转发方式传输数据的交换方式是(电路交换)。
（2）数据传输过程中不具备存储功能的是（电路交换）。
（3）数据通信中不需要携带地址等身份确认信息的交换技术是(电路)交换
（4）以下说法正确的是(电路交换是面向连接的)

（5）不属于数据报交换方式特点是(先出发先到达)各分组独立路由、无连接、能够进行比特差错检测
（6）计算机通信可以采用(数据报、虚电路和报文交换任一种方式)交换方式
若D选项改为：计算机通信可以是电路、报文、分组交换任何一种方式。则该选项是错误的。

因特网采用的数据交换技术是（分组）交换。
电路交换典型的例子：电话
2.相关计算题
（1）设传输速率为10Mb/s,在1km铜缆中传输的数据量大约是(50b)
题解： $\frac{10^{3}m}{2\times 10^{8}m/s}\times 10^{7}b/s=50b$
（2）假定网络利用率达到了90%,那么现在的网络时延大约是它最小值时的(10)倍。
1/(1-0.9)=10

（3）1km铜线的信号传播时延大约是(5us)
题解：$\frac{10^3}{2\times 10^8}=5\times 10^{-6}s=5us$
（4）1Kbps传输速率下，传输1024B需要的时间是(8.192)s
3.各层相关内容
（1）OSI网络体系结构的最高层是(应用)层
（2）物理节点识别属于OSI体系中第(2)层的功能
数据链路层
（3）网络层是OSI体系中的第(3)层
（4）可以为数据链路层服务的是(物理层)
（5）可以直接利用物理层服务的是(数据链路层)只有一个层
（6）网络体系每一层都有数据包封装格式,数据链路层上的数据包叫做(帧)
（7）OSI体系中完成逻辑寻址的是第(3)层
（8）物理层内容与设备、媒体有关联（对）
（9）通信协议定义层级之间交换信息的规则（错、层级不对，应是双方实体）
（10）物理层直接为（数据链路层）层服务。
4.网络体系结构
（1）我们使用的微信窗口相当于网络体系的(都不是)
（2）收发邮件时用户编辑邮件的窗口不是应用层的内容（对）
（3）网线属于网络协议体系中的(网线不属于网络协议层次中的内容 ) 网线属于传输媒体，属于第0层。物理层规定给传输媒体间的接口
5.网络相关内容
（1）校园网通常采用(LAN)技术构建。
LAN(Local Area Network)：局域网
MAN(Metropolitan Area Network)：城域网
WAN(Wide Area Network)：广域网
WWW(Word Wide Web)：万维网
PAN(Personal Area Network)：个人区域网
（2）不属于物理网络范畴的是(万维网)局域网、广域网、互联网
6.TCP/IP协议没有定义的内容
（1）TCP/IP体系中没有对(网络接口)层做出详细定义。网络、应用、传输
（2）TCP/IP没有定义如何进行（数据链路管理）。进程通信、应用解析、路由选择
（3）以下不属于TCP/IP定义范畴的是（传输速率）。会话管理、端到端传输、差错检测
（4）TCP/IP不定义网络接口层的内容（对）
（5）TCP/IP是一个(协议簇)
（6）因特网上的所有应用都要通过（IP）协议封装传输。TCP/IP（错）
（7）教材中,Everything over IP,这里的IP是(网络互联协议)
（8）IP协议的英文全称是（internet protocol），TCP协议的英文全称是（transmission control protocol）。
7.C/S模式、P2P模式
（1）以下说法错误的是(C/S模式中客户和客户之间可以直接通信)。

8.有关时延的考点
（1）网络传输中时延值不固定的是(排队时延)
（2）网络传输中时延值最大的是(不确定)
9.网络协议三要素
（1）传输数据时的封装包格式属于网络协议三要素中的(语法)
（2）数据包首部大小、包含哪些字段等属于协议的（语法）范畴。
（3）不能用协议三要素来描述的是(物理层)协议
10.一用户要向另一用户发信息,正确的事件顺序是(2-1-6-5-4-3) 1)信息传给源节点的最高层 2)在源节点的网络用户产生信息 3)在目标节点的网络用户接收信息 4)信息向上通过目标节点的各个网络层次,每一层都除去它的控制信息 5)信息以电信号的形式通过物理链路发送 6)当信息通过源节点时,每一层都给它加上控制信息
11.个人用户可以通过(ISP)接入互联网

第二章 物理层

2.0 本章重点

• 码元

（2011统考）：若某通信链路的数据传输速率为2400b/s，采用4相位调制，则该链路的波特率是（1200Baud）

• 带宽
  
  基带信号与宽带信号：
  
  编码与调制：

1、数字数据编码为数字信号

（1）非归零编码

（2）归零编码

（3）反向不归零编码

（4）曼彻斯特编码

（5）差分曼彻斯特编码

类别：

1、电路交换

2、报文交换


3、分组交换


数据交换方式的选择

2.1 物理层的基本概念⭐⭐⭐

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性，即（⭐⭐⭐）

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（有数字、电压范围、传输速率）
• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。（一般不出现数字）
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能时间的出现顺序。

练习1： 物理层位于OSI第（1）层，直接为（数据链路）层提供服务。物理层的主要任务是（制定设备与传输媒体之间的接口规则实现比特传输），具体工作由4个接口特性描述，分别是（机械特性）（功能特性）（电气特性）（规程特性），物理层的发送信息的单位PDU是（ 位）。接口引脚数属于物理层的（机械）特性范畴。传输距离则是由物理层（电气）接口特性来描述。

练习2：属于物理层功能的是（ACD）。A.信号编码 B.差错检测 C.传输速率控制 D.传输方向控制

2.2 数据通信的基本知识

2.2.1 数据通信系统的模型⭐

调制解调器

几个术语：数据（运送消息的实体）、信号（数据的电气或电磁的表现）、数字信号、模拟信号、码元（时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形）

2.2.2 有关信号的几个基本概念⭐

• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。（单行道）
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送/接收。（上班一个方向，下班一个方向）
• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号和带通信号：
基带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

为什么要调制？
基带信号中往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而很多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。一句话：传输介质往往要在更高频段中进行，但原始信号频带低。

调制分两大类：基带调制和带通调制。

• 基带调制：只调频率，得到的仍是数字信号，频段更高，该过程称为编码。

  常见的编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特（1：高->低、0：低->高）、差分曼彻斯特（0：跳变、1：不变）。

• 带通调制：形式上改变，调频转变为模拟信号。将频率范围调高，将数字信号转换为模拟信号。

  最基本的二元制调制方法：调幅、调频、调相。

练习：若图中是一差分曼彻斯特编码，则表示的二进制串是（A），若是曼彻斯特编码，则答案是（BC）

2.2.3 信道的极限容量（⭐⭐⭐）

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

• 失真
  
• 失真的一种现象——码间串扰
  
• 奈氏准则
  
  

练习题：

• 香农定理
• 

练习题：

• 奈氏准则和香农定理比较
  

练习1：信道的码元传输速率是有上限的，由奈氏定理知道，理想信道的波特率是该信道（带宽的2倍）。比特数据通过码元传输，一个码元可以携带多个比特，当采用8进制编码传输时，一个码元可以携带（ 3）位数据。设某信道带宽是300Khz，采用8进制编码传输，那么该信道最大数据传输速率为（1800K）bps。

练习2： 由香农定理知道，信道数据率最大值与信道的（带宽）和（信噪比）成正比。设某信道带宽为W，能达到的最高码元速率是（2W Baud）。若信噪比为30分贝（db)，能达到的最大数据率大约为（10Wb/s），若能达到该数据率，调制信号状态数至少是（32）。

练习3：下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是（D）
A.信噪比 B. 频率宽带 C. 调制速率 D.信号传播速度。

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导向传输媒体⭐

传输媒体不属于物理层

练习1：双绞线有分STP和UTP，（STP）性能好于（UTP），同常连网使用的是（UTP）。10Mb/s的传输速率须使用（3）类及其以上的UTP。100Mb/s的传输速率须使用（5）类及其以上的UTP
练习2：抗干扰性能最好，传输速率最高的传输介质是（A）。
A.光纤 B.双绞线 C.同轴电缆 D.无线通信

2.3.2 非导向传输媒体

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

• 频分复用FDM 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（不同频率）
• 时分复用TDM 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。（同频带、轮流使用）
• 统计时分复用STDM 按需动态分配

2.4.2 波分复用WDM

• 波分复用 光的频分复用

2.4.3 码分复用CDM⭐⭐⭐

码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔

码片序列：每个站被指派一个唯一的 m bit码片

• 若发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
• 若发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

例如，S站的8 bit码片序列是00011011

• 发送比特1时，就发送序列00011011
• 发送比特0时，就发送序列11100100

计算时为了方便计算，若全是0将没办法求，将原来码片中的0用-1表示，1用+1表示，规定S站的码片序列：（-1-1-1+1+1-1+1+1），每一个站都有独一无二的码片。

在发送数据时，不再发送自己的0/1，发0/1与别的站同一时间、同一频率用同一信道，分不开。现在给每一个站分配一个码片。

规定站的码片向量间的内积规则：S·S=1，S·T=0，S·S-1=-1。
码片向量S和该码片向量自己的规格化内积为1，码片向量S和另一个站的码片向量T内积为0，码片向量S和该码片反码的向量的规格化内积为-1。
原理：
传输信号的码片是T，S，S-1的混合序列。到终点站后，拿自己的信号S与上述的叠加信号（接收端收到的码片序列）内积。即$$S\cdot (T+S+S^{-1})=S\cdot T(0)+S\cdot S(1)+S\cdot S^{-1}(-1)$$

• 若内积结果为0，表示该站没有发送数据，其他站与本站的码片序列内积均为0。该站无发送
• 若内积结果为1，表示该站发送数据1，自己与自己求内积。该站发送1
• 若内积结果为-1，表示该站发送数据-1，自己与自己反码求内积。该站发送0

练习1：信道复用技术的目的是（提高信道利用率），常用的三种信道复用技术是（时分）（频分）（码分），它们分别采用（不同时间片）（不同频段）（不同码序列）来区分不同用户信号，波分复用实际上就是（光的频分复用），统计时分复用是改进的时分复用，二者不同在于（统计时分复用不固定分配时间片）。

练习2：A与其它站点 通过CDMA共享链路，A的码片序列分别是（1,1,1,1），若某时刻链路上的数据序列是（2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2），则发送给A的数据是（ 101 ）

练习3：数字传输系统标准E1采用的是（ C）复用技术。
A、CDM B、FDM C、 TDM D、STDM

练习4：数字传输系统采用TDM技术，模拟传输系统采用FDM技术。

2.5 数字传输系统⭐

2.6 宽带接入技术⭐

ADSL：利用电话网接入
HFC：利用有线电视接入
ADSL：使用了FDM技术（频分复用技术）
HFC：使用了FDM技术

练习1：数字电话系统 的中继线采用（TDM）复用技术为多路用户服务，PDH标准下为每一路信号提供的带宽是（64Kb/s）。

练习2：关于ADSL接入技术，以下不正确的说法是( C )。
A、采用不对称传输技术 B、采用频分复用技术
C、采用时分复用技术 D、传输距离越远传输速率越低

练习3： 利用有线电视网接入因特网的是（B）。
A、ADSL B、HFC C、 FTTx D、LAN

2.7 本章练习题

1）F 传输媒体和设备是物理层定义的范围
2）T 用曼彻斯特编码传输信号时，信号率是数据率的2倍
3）F 带宽大的信道一定比带宽小的信道的数据传输率高
4）T 带宽3KHZ信噪比1000的信道的最大数据率约30Kbps
5）F 采用信道复用技术提高了数据传输率
6）T 采用码分复用技术多路信号可以同时同频传输
7）T 从原理上来说FDM适用于模拟信号传输，TDM适用于数字信号传输
8) T OSI体系中，只有物理层不参与数据的封装工作

2.7.1 PPT练习题

波特率：码元传输速率，传码率，码元速率。Baud
信道最大数据传输速率：又称传信率，信息速率，比特率。bit/s
传信率=传码率$\times lo{g}_2^N$
求最大数据传输速率时，考虑用奈氏准则以及香农定理。
求数据传输速率或者波特率时，考虑用传信率与传码率之间的关系式。`

对于光纤、STP、UTP、铜缆以及无线传输，正确的描述是（）
  光纤传输速率最高（对）
  铜缆传输速率比双绞线高（对）
  无线适合于广播通信（对）
  UTP抗干扰性能最差（错）

ADSL：利用电话网接入
HFC：利用有线电视接入
ADSL：使用了FDM技术（频分复用技术）
HFC：使用了FDM技术
数字传输系统采用TDM技术，模拟传输系统采用FDM技术。
信道最大数据传输速率与（调制方式、传播速率）无关。信道带宽、信道功率

14、（1）传输媒体不是物理层。传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表的是什么意思。而物理层规定了电气特性，所以能识别所传送的是比特流。定义的是接口

2.7.2 雨课堂测验

2.目前100Mbps局域网通常使用（5类UTP）传输线。

3.几种特性
（1）传输速率由（电气特性）描述。
（2）接口引脚数属于物理层的（机械特性）特性范畴。
（3）传输距离由物理层（电气特性）接口来描述。
（4）是否采用全双工通信是由物理层的（过程特性）特性定义的。（待定）

4.相关计算题
（1）波特率为200，要想得到200bps的数据传输率，信号的调制状态至少有（2）个。
（2）带宽1MHZ，信噪比1000的信道，数据率最大不超过（10M）b/s。
（3）波特率为200，要想得到800bps的数据传输率，信号的调制状态至少有（16）个。
（4）信道最大波特率(码元传输率)与（信道带宽）成正比。2W Baud
（5）带宽3Khz的理想信道，可以得到的最大信号传输速率是（6Kbaud）。
（6）在200KHZ无噪声信道情况下，采用四个幅值的ASK，信道的最大数据传输速率是（800kb/s）。
（7）PPT题目
（7.1）假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20k码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s)?80kb/s
（7.2）一个用于发送二进制信号的3kHZ信道，其信噪比为20分贝，问可以取得的最大数据速率是多少？6kb/s
（7.3）(09研考)在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是(24kbps)
（7.4）(11研考)若某通信链路的数据传输速率为2400bps，采用4相位调制，则该链路的波特率是(1200Baud)
（8.1）以太网，若其物理媒体上的信号传输率是20MBaud/s,那么该以太网的数据传输率为（ 10Mb/s ）。（曼彻斯特编码用2个码元表示1个比特）
（8.2）PCM编码方式，采样速率为8000次/秒，采用TDM传输方式，线路若要传输32路信号，每路用8位表示，则线路的传输速率是（2.048Mb/s）。

5.不能用协议三要素描述的是（物理层）协议。

6.信道复用技术
（0）各用户可在同时段使用同频率发送信息的是（CDMA）
（1）可同时同频发送信息的是（CDMA）。
FDM：频分复用，TDM时分复用，WDM：波分复用，CDM：波分复用，STDM：统计时分复用。
（2）发送信息时不会发生信道冲突的是（CDMA、TDMA、FDMA）。
（3）传输数据时必须携带地址信息的是（STDMA）。
（4）对于各路信道复用技术，描述正确的是（CDMA各路信号可以同频传输、TDMA中数据分组可以不携带地址信息）。FDMA各路信号可以同频传输（错），STDM中数据分组可以不携带地址信息（错）
（5）PDH的E1标准采用（TDM）技术为每一个话路提供（64k）b/s带宽。
（6）传输时各路信号不会发生竞争信道问题的是（时分复用、码分复用、频分复用、波分复用）
（7）数字传输系统采用TDM技术，模拟传输系统采用FDM技术。

7.信道最大传输速率影响因素
（1）信道最大传输速率与（信号传播速率）无关。带宽、信号功率、噪声功率
（2）信道最大数据传输速率与（调制方式、传播速率）无关。信道带宽、信道功率
（3）信道极限数据传输率与什么无关（调制方式）噪声功率、信号功率、信道带宽

8.对于传输介质的比较
（1）导向传输媒体中，传输速率高，传输损耗小，保密性较好的是（光纤）。同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线
（2）对于光纤、STP、UTP、铜缆及无线传输，正确描述是（光纤传输速率最高、铜缆传输率比双绞线高、无线适合于广播通信）。UTP抗干扰性能最差（错）

9.传播时延与传输距离无关的是（卫星通信）。无线通信、光纤通信、微波通信。

10.物理层功能
（1）不属于OSI物理层定义范畴的是（物理寻址）。单双工传输、传输速率、信号编码
（2）对于物理层（实现比特传输、协议内容与传输媒体相关、通过接口特性描述协议）。是TCP/IP协议的最底层（错）
（3）OSI体系中不参与数据封装的是（物理层）。

11.住宅用户接入因特网的方法
（1）住宅用户接入因特网的方法有（ADSL、HFC、FTTx）。没有PDH
（2）以下描述正确的是（ADSL利用电话网接入、HFC利用有线电视接入、ADSL使用了FDM技术）。HFC使用了TDM技术（错、采用了FDM技术）
（3）ADSL是一种家庭住宅通过电话线接入互联网的技术，它采用了（FDM）信道复用技术。

第三章 数据链路层

本章主要内容：介绍了两种数据链路层使用的信道：点对点信道(使用一对一的点对点通信方式)和广播信道(使用一对多的广播通信方式)。

数据链路层的简单模型：每一层都认为在和对方对应层次间直接通信。

3.1 使用点对点信道的数据链路层⭐

练习：OSI参考模型的第2层是(数据链路层)

判断：数据链路层位于TCP/IP体系的第2层[错]

3.1.1 数据链路和帧

引入链路、数据链路、帧的概念 数据链路层传送的是帧，抽象：两个对等的数据链路层之间传输的是帧。

练习：数据链路层位于OSI体系的第（2）层，直接为（网络层）提供服务。数据链路层以（帧）为单位传输数据。链路是一个结点到相邻结点的一段（物理线路），数据链路是在链路基础上进行通信的逻辑链路。

练习1：以下（C）不属于数据链路层的功能
A.流量控制 B.物理寻址 C.路径选择 D.信道竞争

练习2：OSI模型中负责信道竞争管理的是（C）层。
A.传输 B.网络 C. 数据链路 D.物理

练习3：工作在数据链路层上的协议是（D）
A.802.3 MAC B.PPP C.CSMA/CD D.A+B+C

练习4：目前住宅用户入因特网广泛使用的数据链路层协议（A），局域网入因特网使用的是（D）。
A、PPP B、SLIP C、HDLC、 D、802.3 MAC

练习5：（E）不是物理层的功能
A、信号编码解码 B、位的传输接收 C、传输速率控制
D、同步码的产生与去除 E、位差错检测

练习6：不是数据链路层必须解决的问题是()
A.帧封装解析
B.透明传输
C.可靠传输
D.差错检测

练习7：属于数据链路层功能的是(物理寻址)比特寻址、逻辑寻址、进程寻址

3.1.2 三个基本问题

在数据链路层传输帧，如何知道从×bit开始是该帧，到×bit为该帧结束，引入帧定界问题，即第一个解决的问题 1、封装成帧。对于每一个帧添加首部和尾部，用控制字符实现帧定界。此时引入了一个新的问题，数据部分恰好出现与控制字符一样的内容该如何处理，即第二个解决的问题 2、透明传输，解决帧定界问题。给出了两种方法字节填充(异步传输、一字节一字节传输)和字符填充(同步传输、一比特一比特传输)。在数据与控制字符冲突的部分添加一个转义字符，如果转义字符也出现在数据中，同样进行以上操作。接收端部分识别到转义字符进行删除，还原数据。在传输的过程中，如何判断传输的一个帧中的比特是否正确，即比特差错，引入了第三个要解决的问题 3、差错检测。较为常用的就是循环冗余检验CRC的检错技术。具体计算：在原数据M之后添加n位0，根据事先定义好的n+1位的除数P，进行模2运算，MR%P余数即为FCS(帧检验序列)。接收端通过对收到的每一帧进行CRC检验，看MR%P是否为0，若余数R=0，则该帧没问题，接收，否则R≠0，直接丢弃。注：CRC只能检测错误，不能纠正错误

练习：数据链路层解决的三个最基本问题是（帧封装）（透明传输）（差错检测）。透明传输主要是解决（帧定界）问题。帧差错检测是解决数据传输过程中（比特差错）问题。

练习：数据链路层透明传输解决(帧定界)问题。数据链路管理、传输差错、帧封装

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点⭐⭐

1、PPP协议应满足的需求： 首先要完成数据链路基本的三个功能(封装成帧、透明传输、差错检测)，简单(首要要求)，多种网络层协议、多种链路层协议(上下层关系)，最大传送单元(MTU)等。

2、PPP协议不需要的功能：

• 纠错(只需要完成检测就可以了，快速)
• 流量控制(控制发送数据的快慢)
• 序号(不重复、不丢失、不失序，即分组序号，因为数据链路层不需要完成可靠传输，不需要序号)
• 点对点线路(针对一对一)
• 半双工或单工链路(全双工)。

练习：PPP是（广域）网中使用的（数据链路）层的协议。
练习1：以下不属于PPP功能的是（A）。A.可靠传输 B.支持多种网络层协议 C.网络地址协商 D.差错检测
练习2：以下采用CRC校验的协议是（PPP）ICMP、IP、PPP、UDP

练习3：以下说法不正确的是()
A.PPP只支持互联网协议IP的运行
B.PPP协议不适用于共享信道
C.PPP协议为网络层提供不可靠的服务
D.PPP是一种目前使用最广泛的广域网数据链路层协议

3.2.2 PPP协议的帧格式⭐⭐

帧格式包括：帧头(1字节标志字段0x7E、1字节地址字段0xFF、1字节控制字段0x03、2个字节的协议字段)、数据部分(不超过1500字节)、帧尾(2个字节FCS、1字节帧结束符0x7E)。

1、该协议需要解决透明传输问题。 当PPP用在同步传输时，用硬件完成比特填充。当PPP用在异步传输时，PPP 采用一种特殊的字符填充法。**字符填充：**插入0x7D，转义字符。0x7E->(0x7D,0x5E)，0x7D->(0x7D,0x5D)，0x03->(0x7D,0x23)。零比特填充： 在发送端只要发现5个连续的1，则立即填入一个0，不管第6位数字是否为0。2、不提供使用序号和确认的可靠传输。

3.2.3 PPP协议的工作状态

了解

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网(LAN)的数据链路层

局域网的主要优点：具有广播功能。广播：共享资源、简易快速方法去实现彼此之间的链接。

局域网的拓扑结构：星形(主要的工作方式)、总线形、环形、树形。

练习
练习：局域网一般不采用（网状形结构）拓扑结构组网。环形、星形、总线、树形

媒体共享技术： 静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。动态媒体接入控制：随机接入、受控接入，如多点线路探询或轮询。

练习
练习：介质访问技术主要解决（信道争用）问题。静态划分信道主要通过信道复用技术实现，常用的有（时分复用）（频分复用）（码分复用），这些方法主要适用于广域网，而局域网一般采用（动态媒体接入技术），以太网采用的媒体接入技术是（随机接入），使用的接入协议是（CSMA/CD）。

练习2：下列介质访问方法中，可能发生冲突的是（B）
A. CDMA B. CSMA C. TDMA D. FDMA

练习：不属于静态分配信道的是(CSMA)FDMA、TDMA、CDMA

局域网的主要协议： 以太网。以太网的两个标准：DIX Ethernet V2及IEEE 802.3。802.3协议将链路层拆分成两个子层：逻辑链路控制LLC子层(与传输媒体无关、以后一般不考虑LLC子层)、媒体接入控制MAC层(与接入到传输媒体有关的内容放在此层)。

练习
练习：以太网是一种局域网技术，有两个标准，分别是（DIXV2）和（802.3），以太网只涵盖OSI模型中（物理层）和（数据链路）层的内容。

练习2：IEEE802制定的是（局域）网标准

练习3：局域网协议结构一般只包括OSI模型中的（）和（）层。

练习4：802模型将数据链路层划分为（） 和（）两个子层。与媒体接入控制有关的内容定义在（）子层。

练习5：以太网采用的介质访问技术是（），它属于随机接入媒体访问技术。

练习6：以太网的传输速率是（）

练习7：以下( )不全是局域网标准
A.802.3、802.4、 802.5
B.802.2、DIXV2、 802.11
C.DIXV2、PPP、802.3（PPP是广域网标准）
D.802.2、802.3、 802.4

适配器：网络接口板又称为通信适配器或网卡。其实现的功能相当于物理层及数据链路层两个层次的功能，因此在5层网络体系结构中，将这两层统称为网络接口层。功能：进行串行/并行转换、数据缓存、实现以太网协议等。

练习：以太网网卡完成的功能相当于OSI的(物理层和数据链路层)

3.3.2 CSMA/CD协议⭐⭐⭐

以太网通过广播的方式进行通信，喊地址。为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：

1、采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必事先建立连接就可以直接发送数据。

• 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
• 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付(不保证结果一定是对的，在本面做好，结果怎么样不知道)。
• 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

2、以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码 ，实现同步。

练习
练习：以太网的特点是（ABCDE）
A，无连接 B，不可靠 C，尽最大努力交付 D，传输时间不固定 E，网中节点增加吞吐量下降

⭐练习：对于以太网描述错误的是( )
A.对发送的数据帧不进行编号
B.不要求接收方发送确认信息
C.接收到信息出错直接丢弃
D.各站点按序发送数据

⭐练习：对于以太网以下说法错误的是()
A.以太网上站点越多吞吐量越大
B.以太网实现的是尽最大努力交付
C.以太网上先得到发送权的站点不一定先发送成功
D.以太网是一种局域网

练习：针对CSMACD协议，以下说法错误的是()
A.解决信道争用
B.争用期不小于链路的往返传输时延
C.在数据发送时间内不发生冲突就表示发送成功
D.适用于共享链路

CSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测。信号在传输的过程中，一直向前传输，需要进行碰撞检测，一旦发现总线上出现了碰撞，要立即停止发送，否则等待一段时间再发送。重要特性： 使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。争用期：最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t (两倍的端到端往返时延)就可以知道发送的数据是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期或碰撞窗口。二进制指数类型退避算法：确定重传次数k，重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。

争用期的长度：

• 以太网取51.2us为争用期的长度。
• 对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。也可以说争用期是512比特时间。
• 以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

练习：运行CSMA/CD协议的1公里铜缆线段，争用期最少可取(10us)

练习：一段电缆长为1km，信号传播速度为200000Kmps，帧长512位，网络传输速率为100Mb/s，请问该网络能否正常实施CSMA/CD协议?(不能，帧发送时间小于争用期)
变式：一段电缆长度为1km，信号传播速度为200000Kmps，帧长10000位，网络传输速率为100Mb/s，请问题该网络能否正常实施CSMA/CD协议?
A.不能，帧发送时间大于争用期.
B.不能，帧发送时间小于争用期
C.能，帧发送时间大于争用期
D.能，帧发送时间小于争用期

最短有效帧长：

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即终止发送，这是已经发送的数据一定小于64字节。
• 以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

帧间最小间隔：

• 帧间最小间隔为9.6us，相当于96bit的发送时间。
• 一个站点在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6us才能再次发送数据。
• 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

练习：100M以太网两帧之间的发送间隔至少为（96b）

CSMA/CD要点： 先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。

练习
练习：CSMA/CD协议的功能是（解决信道竞争），适用于（广播）链路。它的主要内容是（先听后发，边听边发，冲突停发，延迟重发）。

练习2：CSMA/CD中，争用期是指（2倍的端到端时延），又叫碰撞窗口，过了这个时间不发生冲突就会发送成功。

练习3：10M以太网争用期取为（51.2）us，以太网最短帧长为（64）字节，发送两帧之间间隔至少为（96）bit,如果是100M以太网，上面数据分别是（5.12us）（64字节）（96bit）。

练习4：1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s，信号在网络上的传播速率是200000km/s，能够使用此协议的最短帧长是（10000b）。

练习5：（B）定义CSMA/CD（以太网）的有关规约
A、802.2 B、802.3 C、802.4 D、802.5

练习6：CSMA/CD的原理可以简练地概括为（），（），（），（）。CSMA/CD适于广播式信道。

练习7：以下说法错误的是()
A.以太网的争用期是512b
B.以太网的最短帧长是64B（512b）
C.以太网的帧间隔是9.6us
D.以太网的MTU是1500b（1500B）

练习8：以下( )不属于CSMA/CD的内容.
A.载波监听
B.碰撞检测
C.退避重传
D.数据封装

练习：一个采用CSMAICD的100Mbps局域网，最小帧长128B，那么在一个冲突域内两个站点之间的传播时延最大是(5.12)us

3.4 使用广播信道的以太网⭐

3.4.1 使用集线器的星形拓扑

采用星形拓扑的以太网（逻辑上总线形），在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，集线器、物理层设备（HUB）。10 BASE-T：带宽：速率10Mb/s，BASE：基带信号，T：双绞线。

练习
练习：传统以太网网速是（10Mb/s），快速以太网网速是（100Mb/s），100BASE-T传输速率是（ 100Mb/s ），采用传输介质是（双绞线）。

练习2：10BASE－T的含义是（10Mbps基带双绞线标准）

练习3：以太网的传输速率是（10Mb/s）

练习4：802.3定义的以太网速率标准是(10Mbps)

3.4.2 以太网的信道利用率

帧的发送时间为：帧长L(bit)/数据发送速率C(b/s)=T0(s)。

以太网的信道利用率a=以太网单程端到端时延t/帧的发送时间T0。

a->0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，信道利用率高。
a->大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费很多信道资源，使得信道利用率明显降低。

对以太网参数的要求：

• 限制t不能太大
• 以太网帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大。

信道利用率的最大值$S_{max}$：发送一帧占用线路的时间是T0+t，而帧本身的发送时间是T0。$$S_{max}=\frac{T_0}{T_0+t}=\frac{1}{1+a}$$

练习：从10Mb/s以太网升到100Mb/s以太网时，为了保证以太网的信道利用率 ，如果不将最短帧长增大那么就得( A )A．减小电缆长度　B．增加电缆长度　C．降低电缆介质损耗　D.提高电缆介质的导电率

3.4.3 以太网的MAC层

1、MAC层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。通常用48位的二进制表示。

2、MAC帧的格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 标准、IEEE 的 802.3 标准。

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式

以太网 V2 的MAC帧格式：
8字节MAC帧(包括7字节前同步码、1字节的帧开始定界符，以实现比特同步)、6字节目的地址、6字节的源地址、2字节的类型字段、数据字段(46B~1500B)、4字节的FCS字段。

无效的MAC帧：

练习：802.3与DIXV2MAC帧的区别在于（）字段的不同

练习：以太网MAC地址由（48）位二制数组成，广播帧地址是（FFFFFFFFFFFFH）。

练习：以太网MAC地址占用（6）个字节

练习2：不属于802.3MAC层功能的是（C）
A.帧识别 B.物理寻址 C.链路管理 D.信道竞争

练习3：以太网帧由（目的MAC地址）（源MAC地址）（类型）（数据）（校验）五个字段组成，数据字段范围是（46）-（1500）字节，校验字段占（4）字节，采用的是（CRC）校验。通过（类型）字段，以太网可以支持多种网络层协议。

练习4：以太网上当发送数据不足（46字节）时需要进行填充

练习5：经过以太网传输的协议包长度小于多少就需要填充(46字节)

3.5 扩展的局域网⭐

3.5.1 在物理层扩展局域网

1.将传输介质变成一种可以传输更长距离的传输介质：光纤。2.使用集线器扩展，用多个集线器可连成更大的局域网。

用集线器扩展局域网。

优点：扩大了局域网覆盖的地理范围

缺点：碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如何去解决碰撞域冲突的问题：改变共享总线的情况。方案一：将信道变成全双工，方案二：发送根据目的地址有目的转发，避免在多个接口上重复发送。

练习：在物理层上扩展以太网的设备是(HUB)
练习：不同的逻辑网可通过(路由器)相连。网桥、HUB、交换机
欲将以太网网段进行扩展，不能选用(路由器)HUB、交换机、网桥
使用(交换机)可以实现VLAN

⭐交换机：实现VLAN
⭐交换机、网桥：数据链路层扩展局域网
⭐集线器：物理层上扩展以太网
⭐集线器、交换机、网桥：均可以实现以太网网段扩展
⭐路由器：连接不同的逻辑网

3.5.2 在数据链路层扩展局域网

使用网桥，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。

以太网交换机的特点：

• 接口有存储器。
• 即插即用。其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。这种交换表就是一个内容可寻址存储器CAM (Content addressable Memory)。
• 使用专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

⭐练习：10端口的100Mbps以太网交换机与10端口的100Mbps以太网集线器，总带宽分别是(1000M/100M)

⭐练习：一个8端口的HUB的冲突域和广播域个数分别为（ C）。A、8，1 B、8，8 C、1，1 D、1，8 （若是交换机，答案是（ A）

以太网交换机的交换方式：1.存储转发方式，把整个帧先缓存后再处理。2.直通方式，只检查目的MAC地址，不检查差错。
以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

⭐练习：网桥有两个主要功能（自学习）和（帧转发），透明网桥根据待转发帧的（源MAC地址）学习形成转发表，根据待转发帧的（目的MAC地址）转发帧。

消除回路：使用生成树协议（SPT）

以太网交换机的特点：

• 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
• 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞传输数据。
• 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就越高。

广播域

• 一个以太网是一个广播域
• 交换机每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中。

虚拟局域网：

• 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网(VLAN)。
• 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。
• 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。

连接异构局域网：网桥、交换机

⭐练习：以下描述错误的是
A.交换机的交换原理与网桥一样
B.交换机各端口共处同一广播域
C.HUB工作在OSI的最底层
D.HUB、网桥、交换机都能连接异构局域网

⭐练习2：下列关于交换机的叙述中，正确的是（A）
A．以太网交换机本质上是一种多端口网桥
B．通过交换机互连的一组工作站构成一个冲突域
C．交换机每个端口所连网络构成一个独立的广播域
D．以太网交换机可实现采用不同网络层协议的网络互联

⭐练习3：HUB工作在（物理）层，以太网交换机工作在（数据链路）层，有10个站连接到100M以太网，通过HUB连接，每个站得到的带宽是（10M），通过交换机连接，每个站得到的带宽是（100M），10端口的100MHUB总带宽是（100M），10端口100M交换机总带宽可达（1000M）。

3.6 高速以太网⭐

3.6.1 100BASE-T以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。

100BASE-T 以太网的特点：

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
• 在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
• 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。
• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米。
• 帧间时间间隔从原来的 9.6 us 改为现在的 0.96 us。

练习：100BASE-T使用的导向传输媒体是(双绞线)

3.6.2 吉比特以太网

在半双工方式下使用CSMA/CD协议，全双工方式不需要CSMA/CD协议。

特点：

• 允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工 2 种方式工作。
• 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。
• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，而在全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
• 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

⭐练习：以下说法错误的是（C）
Ａ、百兆、千兆、万兆以太网都用802.3规定的帧格式
Ｂ、百兆、千兆、万兆以太网的最小最大帧长都不改变
Ｃ、百兆、千兆、万兆以太网均使用CSMA/CD介质访问技术
Ｄ、万兆以太网突破了局域网距离限制，可扩展到城域网或广域网

3.6.3 10 吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

10 吉比特以太网（10GE）主要特点：

• 万兆比特。
• 与 10、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
• 保留了 IEEE 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。
• 只使用光纤作为传输媒体。
• 只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用 CSMA/CD 协议。

3.7 习题

1）局域网模型最高层是应用层F
2）CRC校验能解决数据的可靠传输问题F
3）PPP协议它适用于广播通信链路F
4）一般局域网都具有广播功能T
5）以太网卡实现的是OSI物理层和数据链路层功能T
6）划分VLAN主要目的是隔离广播域T
7）三层交换机具有网络层功能T
8）通过HUB、交换机可以实现VLAN划分F
9）以太网发送数据前不需要对帧进行编号T
10）接收方收到错误的以太网帧则丢弃并向发送方报错F
11）CSMA/CD不适用于点点链路T
12）接收方收到数据是00FFF0F03H，采用CRC校验，生成多项式为x3+x2+x+1，可断定收到的数据正确F

以太网采用了面向连接的可靠传输方式（F）

以太网，当主机检测到信道空时则可成功完成本次发送任务（F ）

3.7.1 PPT练习题

3.7.2 雨课堂测验

⭐2.以下描述正确的是( )
A.CRC校验不能发现多位比特出错
B.PPP协议采用4字节的CRC校验
C.通过CRC校验能够使数据准确无误地传输到对方
D.以太网MAC帧采用4字节的CRC校验

26.以下是判断对错题，一定要用“对/错”回答
1.数据链路层位于TCP/IP体系的第2层[错]
2.帧检验解决了数据的可靠传输问题[错]
3.以太网数据链路层实现的是面向连接的尽最大努力交付[错]
4.物理寻址是数据链路层必须解决的问题[错]

27.以下是判断对错题，一定要用“对/错”回答
5.PPP是广域网中使用的数据链路层协议，但也可以用于局域网[错]
6.PPP协议和802.3MAC协议都可实现广播功能[错]
7.主机使用PPP协议通信之前,必须有一个确定的IP地址[错]
8.局域网模型最高层是应用层[错]

28.判断以下对错，必须用"对/错”回答
9.一般的，局域网比广域网时延低、传输速率也低[错]
10.以太网和PPP都采用4字节的CRC校验[错]
11.网桥可以通过自学习建立IP地址转发表[错]
12.待发送数据是101，采用CRC校验，生成多项式是X2，那么发送方发送的带校验信息的数据是10101。[对]

31.以下描述错误的是
A.交换机的交换原理与网桥一样
B.交换机各端口共处同一广播域
C.HUB工作在OSI的最底层
D.HUB、网桥、交换机都能连接异构局域网

32.17.以下( )不全是局域网标准
A.802.3、802.4、 802.5
B.802.2、DIXV2、 802.11
C.DIXV2、PPP、802.3
D.802.2、802.3、 802.4

33.100M以太网两帧之间的发送间隔至少为（96b）

第四章 网络层