第三章 | 计算机网络原理 谢希仁（第八版）_ 习题答案

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计算机网络原理 谢希仁（第八版）

第三章 数据链路层 习题答案

3-01~3-05

3-01 数据链路（即逻辑链路）与链路（即物理链路）有何区别？“链路接通了”与“数据链路接通了”的区别何在？

链路（物理链路）:
所谓链路就是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点，链路只是一条路径的组成部分。

数据链路（逻辑链路）：
数据链路就是物理链路加上实现必要的通信协议的软件和硬件。

“链路接通了”：
表示链路连孤单的节点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了。

“数据链路接通了”：
表示在物理链路的基础上，再建立了数据链路连接，由于数据链路连接具有检测、确认和重传等功能，才使不靠谱的物理链路变成可靠的数据链路。当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。

3-02 数据链路层中的链路控制包括哪些功能？试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点?

数据链路层的链路控制包括封装成帧、透明传输、差错控制等。

若数据链路层做成可靠的链路层,其优缺点取决于应用的环境，对于干扰严重的信道，可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路，防止全网络的传输效率受损。对于优质信道可靠的链路层会增大资源开销，影响传输效率。

3-03 网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？

适配器（即网卡）是实现数据链路层和物理层这两层协议的硬件和软件。
网络适配器工作在数据链路层和物理层。

3-04 数据链路层的三个问题（封装成帧、透明传输和差错检测）为什么都必须加以解决？

• 封装成帧就是在一段数据前后分别添加首部和尾部。接收端以便从收到的比特流中识别帧的开始与结束。帧界定是分组交换的必然要求。

• 透明传输避免消息符号与帧界定符号相混淆。

• 差错检测防止差错的无效数据帧在网络上传输，浪费网络资源。

3-05 如果数据链路层不进行封装成帧，会发生什么问题？

如果在数据链路层不进行封装成帧，那么数据链路层在收到一些数据时，就无法知道对方传送的数据中哪些是数据，哪些是控制信息，甚至数据中有没有差错也不清楚（因为无法进行差错检测）。数据链路层也无法知道数据传送结束了没有，导致不知道应当在什么时候把收到的数据交给上一层。

3-06~3-10

3-06 PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？

PPP协议的主要特点:点对点协议，既支持异步链路，也支持同步链路。

PPP不使用帧的编号，因为帧的编号是为了出错时可以有效地重传，而PPP并不需要实现可靠传输。

PPP适用于线路质量不太差的情况下。如果通信线路太差，传输就会频频出错。但PPP又没有编号和确认机制，这样就必须靠上层的协议（有编号和重传机制）才能保证数据传输的正确无误，这样就使数据的传输效率降低。

若使用能够实现可靠传输的数据链路层协议（如HDLC），开销就要增大。在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。假定采用了能实现可靠传输但十分复杂的数据链路层协议，然而当数据帧在路由器中从数据链路层上升到网络层后，仍有可能因网络拥塞而被丢弃。因此，数据链路层的可靠传输并不能保证网络层的传输也是可靠的。PPP协议在帧格式中有帧检验序列FCS。对于每一个收到的帧，PPP都要使用硬件进行CRC检验，若发现有差错，则丢弃该帧（一定不能把有差错的帧交付给上一层）。端到端的差错检测最后由高层协议负责，因此，PPP协议可保证无差错接受。

3-07 要发送的数据为1101011011。采用CRC的生成多项式是P（X）= X^4 + X + 1。试求应添加在数据后面的余数。
若要发送的数据在传输过程中最后一个1变成了0，即变成了1101011010，问接收端能否发现？
若要发送的数据在传输过程中最后两个1都变成了0，即变成了1101011000，问接收端能否发现？
采用CRC检验后，数据链路层的传输是否就变成了可靠传输？

P（X）=> 10011

1. 除数:10011 被除数:11010110110000,经过模二除法，得添加在数据后面的余数为1110

2. 若最后一个变为0，被除数:11010110101110,除数:10011,得到余数为0011，余数不为0，则接收端可以发现错误。

3. 若最后两个成为0，被除数:11010110001110,除数:10011,得到余数为0101，余数不为0，故接收端可以发现错误。

采用CRC检验，若接收端检测到错误，则丢弃该帧，然后就不做任何操作。因此，缺乏重传机制，数据链路层的传输还不是可靠的传输。

3-08 要发送的数据为101110.采用CRC的生成多项式是P（X）= X^3 + 1。试求应添加在数据后面的余数。

被除数:101110000,除数:1001,模二除法的余数为011，因此，应添加在数据后面的余数为011。

3-09 一个PPP帧的数据部分（用十六进制写出）是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E。试问真正的数据是什么（用十六进制写出）？

根据字节填充的规则，遇到7E替换成7D 5E,遇到7D替换成7D 5D。
所以真正的数据是：7E FE 27 7D 7D 65 7E。

3-10 PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。试问经过零比特填充后变成怎样的比特串？若接收端收到的PPP帧的数据部分是 0001110111110111110110，试问删除发送端加入的零比特后会变成怎样的比特串？

• 零比特填充后:011011111011111000
• 删除零比特后:00011101111111111110

3-11~3-15

3-11 试分别讨论以下各种情况在什么条件下是透明传输，在什么条件下不是透明传输。（提示：请弄清什么是“透明传输”，然后考虑能否满足其条件。）
（1）普通的电话通信。
（2）互联网提供的电子邮件服务。

“透明的”表示实际上存在的东西对我们却好像看不见一样或好像不存在一样，从这一点来看：

1）若说话方所说的话，接受方都能准确听清并理解，则是透明的。若话音传输过程中有失真或个别字词有误，但还可以理解，则是基本透明的。若失真或噪声严重，根本听不懂，则是不透明的。对于普通的电话通信通信，由于输入和输入的波形是有差异的，故可以说普通的电话通信不是透明传输。

2）一般而言，电报通信是准确的，收发报文是一致的，故是透明传输。但现代通信规则为安全起见，不允许传输一些普通人看不懂的信息，故是不透明的。

3）一般而言，电子邮件是透明传输，但如果存在垃圾邮件拦截，收方不能打开邮件等情况，则是不透明传输。

3-12 PPP协议的工作协议有哪几种？当用户要使用PPP协议和ISP建立连接进行通信时，需要建立哪几种连接？每一种连接解决什么问题？

PPP协议的工作状态有：链路静止、链路建立、鉴别、网络层协议、链路打开、链路终止。
需要建立的连接有：物理链路的连接、LCP链路的连接（解决LCP配置协商问题）、NCP链路的连接（解决NCP配置协商问题）。

3-13 局域网的主要特点是什么？为什么局域网采用广播通信方式而广域网不采用呢？

局域网LAN是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络。
从功能的角度来看，局域网具有以下几个特点:

• 共享传输信道，即多个系统连接到一个共享的通信媒体

• 地理范围有限，用户个数有限，覆盖范围10m~10km内或者更大一些

• 传输速率高，支持计算机之间高速通信,所以时延低

• 因为近距离传输，误码率低

• 多采用分布式和广播通信，局域网各站是平等关系不是主从，可以进行广播，组播。

局域网体系结构和传输控制规程特点:

• 低层协议简单

• 不单独设立网络层,其拓扑结构多采用共享信道，网内不需要转接

• 采用多种媒体访问控制技术

局域网采用广播通信方式而广域网不采用的原因：
局域网内的机器是连接到同一条物理线路，所有主机发数据都经过这条链路，通信方式是放到公用链路，发送给所有主机，接收端对比地址，接受发往自己的数据，丢弃其他数据。如果是广域网，地理空间太大，有更多主机构成，降低网络使用率，严重消耗主机处理能力，可能会导致网络无法运行。同时也造成了数据无效流动，极易产生网络风暴。

3-14 常用的局域网的网络拓扑有哪些种类？现在最流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不使用星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构呢？

常用的局域网的网络拓扑有：星形网、环形网、总线网。
目前最流行的网络结构是星形网。
在局域网发展的早期，人们认为有源器件比较容易出故障，因而无源的总线结构一定会更加可靠。星形拓扑结构的中心使用了有源器件，人们就认为比较容易出故障，而要使这个有源器件少出故障，必须使用非常昂贵的有源器件。然而实践证明，连接有大量站点的总线式以太网，由于接插件的接口较多，反而很容易出现故障。现在专用的ASIC芯片的使用可以把星形结构的集线器做得非常可靠，因此现在的以太网一般都是使用星形结构的拓扑。

3-15 什么叫做传统的以太网？以太网有哪两个主要标准？

DIX Ethernet V2 标准的局域网称为传统以太网，以太网已发展到了吉比特甚至 10G 比特，因此通常“传统局 域网”是指最早流行的 10Mb/s 速率的以太网。

以太网的两个标准：

1. DIX Ethernet V2标准：是世界上第一个局域网产品的规约，于1982年由DEC公司、英特尔公司和施乐公司联合提出的，数据率为10Mbit/s。

2. IEEE 802.3标准：是IEEE 802委员会的802.3工作组于1983年制定的第一个IEEE的以太网标准，数据率也为10Mbit/s,802.3局域网对以太网标准中的帧格式只做了一点很小的改动，但允许基于这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作。

由于这两种标准只有很小的区别，很多人也常把802.3局域网简称为“以太网”，虽然严格意义上来说“以太网”应该是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。

3-16~3-20

3-16 数据率为10Mbit/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率（即码元/秒）是多少？

码元传输速率即为波特率。以太网使用曼切斯特编码，这就意味着发送的每一位都有两个信号周期。标准以太网的数据速率是 10Mbit/s ，因此波特率是数据率的两倍，即 20 码元 / 秒。（这也是曼彻斯特编码的缺陷：它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍）

3-17 为什么LLC子层的标准已制定出来但现在却很少使用？

在20世纪90年代后，以太网在局域网市场中已经取得垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。目前使用最多的只剩下DIX Ethernet V2,而不是IEEE 802委员会制定的几种局域网。IEEE 802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即IEEE 802.2标准）的作用已经消失了，很多厂商生产的适配器上仅装有MAC协议，而没有LLC协议。

3-18 试说明 10BASE-T 中的“10”、“BASE”、“T”所代表的意思？

“10”：指信号在电缆上的传输速率为10Mbit/s

“BASE”：表示传输的信号是基带信号

“T”：表示双绞线星形网

3-19 以太网使用的CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道的，这与传统的时分复用TDM相比有何优缺点？

1. CSMA/CD是一种动态的媒体随机接入共享信道方式，而传统的时分复用TDM是一种静态的划分信道，因此对于信道的利用，前者更灵活，可提高信道的利用率。

2. 传统时分复用是为用户按时隙固定分配信道，当某个用户没有传输数据时，时隙也不能被其他用户使用，不利于信道的充分利用。而CSMA/CD是用户争用接入共享信道，因此有可能发生碰撞，也会降低信道利用率。

3. 对于计算机通信，突发式的数据更不利于TDM。

3-20 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1 Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为200000 km/s。求能够使用此协议的最短帧长？

基本退避时间争用期为端到端的往返时延，而在争用期能发送的比特数就是最短有效帧长，因此最短有效帧长的计算公式为:

S = 数据率 * 往返时延（争用期）

所以:   
最短有效帧长 = 1 Gbit/s * (1/200000 km/s * 2) = 10000 bit 

3-21~3-25

3-21 什么叫做比特时间？使用这种时间单位有什么好处？100比特时间是多少微秒？

比特时间：一比特时间就是发送一比特所需要的时间。
好处：便于建立信息长度和发送延迟的关系，这种时间单位与数据率密切相关。
100比特时间：假设数据率是10Mbit/s，则100比特时间等于10us。

3-22 假定在使用CSMA/CD协议的10Mbit/s以太网在某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数 r = 100.试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是100Mbit/s的以太网呢？

已知10Mbit/s以太网的争用期是512比特时间，即51.2us(512/10^7)，根据退避算法，发送数据应该推迟r个争用期的时间，所以这个站需要等待 5.12ms；
如果是100Mbit/s的以太网，争用期为5.12us(512/10^8)，所以此时这个站需要等待 512us。

3-23 公式（3-3）表示，以太网的极限信道利用率与连接在以太网的站点数无关能否由此推论出：以太网的利用率也与连接在以太网上的站点数无关？请说明你的理由。

实际的以太网各给发送数据的时刻是随即的，而以太网的极限信道利用率的得出是各节点之间发送的数据进行碰撞而有的争用期的丫，所以以太网的利用率是与连接在以太网的站点数有关。

这里的公式（3-3）为： $Smax=T。/(T。+r)=1/(1+a)$
$T。$为发送帧需要等待的时间，$r$ 为争用期，$a$ 为争用期 $r$ 与 $T。$的比

3-24 假定站点A和B在同一个10Mbit/s的以太网段上。这两个站点间的传播时延为225比特时间。现假定A开始发送一帧，并且在A发送结束之前B也发送一帧。如果A发送的是以太网所容许的最短的帧，那么A在检测到和B发生碰撞之前能否把自己的数据发送完毕？换言之，如果A在发送完毕之前并没有检测到碰撞，那么能否肯定A所发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞？（提示：在计算时应当考虑到每一个以太网帧在发送到信道上时，在MAC帧前面还要增加若干字节的前同步码和帧界定符）。

上图所示的是MAC帧格式，根据题意“A发送的是以太网所容许的最短的帧”，那么可知这MAC帧的长度为64字节（即512比特），再加上前同步码和帧开始界定符和8字节，帧长总共为 512+8*8 = 576比特。

假设A站点从T = 0开始发送数据，由于CSMA/CD，B发送数据只能有两种情况:

1. T = 0~224比特时间：此时B还没有检测到A发送的数据（T=225时，A的数据第一个比特到达B）

2. T = >576+225比特时间：此时A的数据已经完全发送给B了（225是A数据的最后一个比特的传播时延）

根据题意“在A发送完毕之前B也发送一帧”，所以B发送数据只能是第一种情况，此时A最晚能在2225比特时间能检测到碰撞，2225<576+225，所以此时A数据一定还没发送完，因此，A不能在检测到碰撞之前将自己的数据发送完毕，也就相当于，如果在A发送完之前没有检测到碰撞，那么A的数据就一定没有和B发生碰撞。

3-25 上题中的站点A和B在t = 0时同时发送了数据帧。当t = 225比特时间，A和B同时检测到了碰撞，并且在t = 225+48=273比特时间完成了干扰信号的传输。A和B在CSMA/CD算法中选择不同的r值退避。假定A和B选择的随机数分别是rA = 0和rB = 1。试问A和B各在什么时间开始重传其数据帧？A重传的数据帧在什么时间到达B？A重传的数据会不会和B重传的数据再次发生碰撞？B会不会在预定的重传时间停止发送数据？

注意：10Mbit/s的以太网的争用期规定为512比特时间

A:
T = 273比特时间完成干扰信号的传输
T = 273+225 = 498比特时间干扰信号最后一个比特到达B，此时A检测到信道空闲
T = 498+rA*争用期+最小帧间间隔（96比特时间） = 594比特时间A开始发送数据到B
T = 594+225 = 819比特时间 A发送数据的第一个比特到达B

B:
T = 273比特时间完成干扰信息的传输
T = 273+rB*争用期=785比特时间，此时B检测到信道空闲
T = 785+最小帧间间隔（96比特时间）=819比特时间，此时B已经收到的A的数据，所以B检测到信道不空闲，所以B停止发送数据，再等待一个随机时间。

因为B停止发送数据，所以A不会与B发送碰撞。

3-26~3-30

3-26 以太网上只有两个站，它们同时发送数据，产生了碰撞。于是按截断二进制指数退避算法进行重传。重传次数记为i,i = 1,2,3,…。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均次数I。

根据退避算法：

• 第一次重传失败的概率：{0,1}–>{00,11}–>0.50.52，
  所以再次碰撞的概率为0.5

• 第二次重传失败的概率:{0,1,2,3}–>{00,11,22,33}–>0.250.254，
  所以再次碰撞的概率为0.25

• 第三次重传失败的概率:{0,1,…,7}–>{00,11,…,77}–>0.1250.1258，
  所以再次碰撞的概率为诶0.125

3-27 有10个站连接到以太网上。试计算以下三种情况每一个站所能得到的带宽：
(1）10个站都连接到一个10Mbit/s以太网集线器；
(2）10个站都连接到一个100Mbit/s的以太网集线器上；
(3）10个站都连接到一个10Mbit/s的以太网交换机上；

(1）10个站共享10Mbit/s；
(2）10个站共享100Mbit/s；
(3）每一个站独占10Mbit/s;

3-28 10Mbit/s以太网升级到100Mbit/s、1Gbit/s和10Gbit/s时，都需要解决哪些技术问题？为什么以太网能够在发展的过程中淘汰掉自己的竞争对手，并使自己的应用范围从局域网一直扩展到城域网和广域网？

以太网升级时，由于数据率提高了，帧的发送时间会按比例缩短，这样会影响冲突的检测。

所以需要减少最大电缆长度或增大帧的最小长度，使参数a保持为较小的值，才能有效地检测冲突。

在帧的长度方面，几种以太网都采用802.3标准规定的以太网最小最大帧长，使不同速率的以太网之间可以方便地通信。

100Mbit/s的以太网采用保持最短帧长（64Byte）不变的方法，而将一个网段的最大电缆长度减小到100m，同时将帧间间隔时间由原来的9.6us，改为0.96us。

1Gbit/s以太网采用保持网段的最大长度为100m的方法，用“载波延伸”和“分组突发”的办法使最短帧仍为64字节，同时将争用字节增大为512字节。

传输媒体方面，10Mbit/s以太网支持同轴电缆、双绞线和光纤，而100Mbit/s和1Gbit/s以太网支持双绞线和光纤，10Gbit/s以太网只支持光纤。

3-29 以太网交换机有何特点？用它怎样组成虚拟局域网？

特点：

1. 以太网交换机实质上就是多端口的网桥，通常都有十几个或更多的端口。

2. 交换机的每个端口都与单个主机或另一个交换机直接相连，一般都工作在全双工方式。

3. 交换机还具有并行性，能连通多对主机，使得多对主机能够同时通信。相互通信的主机都独占媒体，无碰撞地传输数据。具有N个端口的以太网交换机有N个碰撞域。

4. 交换机的端口还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。

5. 交换机是一种即插即用的设备，其内部的帧交换表（又称地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

6. 以太网交换机一般都具有多种速率的端口，例如，可以具有10Mbit/s，100Mbit/s和1Gbit/s的端口的各种组合，这就大大方便了各种不同情况的用户。

3-31~3-33

3-30 在图3-30中，某学院的以太网交换机有三个端口分别和学院三个系的以太网相连，另外三个端口分别和电子邮件服务器、万维网服务器以及一个连接互联网的路由器相连。图中A，B和C都是100Mbit/s以太网交换机。假定所有的链路的速率都是100Mbit/s，并且图中的9台主机的任何一个都可以和任何一个服务器或者主机通信。试计算这9台主机和两个服务器产生的总的吞吐量的最大值。为什么？

因为交换机的端口是并行通信的，9台主机和两个服务器的总吞吐量为1100M。

3-31 假定图中3-30中的所有链路的速率仍然为100Mbit/s,但三个系的以太网交换机都换成100Mbit/s的集线器。试计算这9台主机和两个服务器产生的总的吞吐量的最大值。为什么？

因为集线器的100Mbit/s是所有端口共享的，所以9台主机和两个服务器产生的总的吞吐量的最大值只有500M。

3-32 假定3-30中所有的链路的速率仍然为100Mbit/s，但所有的以太网交换机都换成为100Mbit/s的集线器。试计算这9台主机和两个服务器产生的总的吞吐量的最大值。

因为集线器的100Mbit/s是共享的，所以9台服务器和两个主机产生的总的吞吐量的最大值为100M。

3-33 在图3-31中，以太网交换机有6个端口 ，分别接到5台主机和一个路由器。

在下面的“动作”一栏中，表示先后发送了4个帧。假定在开始时，以太网交换机的交换表是空的。试把该表中的其他的栏目都填写完。

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