计算机网络第三章|数据链路层课后习题

1 数据链路（即逻辑链路）与链路（即物理链路）有何区别？"电路接通了"与"数据链路接通了"的区别何在？

1）链路是从一个节点到下一个节点的物理线路
而数据链路除物理线路外还有些必要的通信协议

2）电路接通了是指物理线路接通了
而数据链路接通了指的是在计算机网络中，两个设备之间建立了数据链路层的连接，可以进行数据传输。

2 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。

数据链路层中的链路控制包括以下功能：

帧定界：将数据分割成帧，并在帧之间添加起始和结束标记，以便接收方正确识别帧的边界。
透明传输：无论什么样的比特组合的数据，都能按照原样没有差错地通过这个数据链路层
差错检测：使用CRC（循环冗余校验）等技术，检测数据在传输过程中是否发生了错误。
将数据链路层做成可靠的链路层有以下优点和缺点：

优点：

1 可靠性：可靠的链路层可以确保数据在传输过程中不会丢失或损坏，提高了数据传输的可靠性。

差错检测：可靠的链路层可以及时检测并纠正传输过程中的差错，确保数据的完整性和准确性。

缺点：

1 开销增加：实现可靠的链路层需要额外的开销，包括差错检测、纠正和流量控制等机制，增加了传输延迟和带宽占用。

2 复杂性增加：可靠的链路层需要实现复杂的协议和算法，增加了系统设计和维护的复杂性。

3 传输效率降低：由于需要进行差错检测、纠正和流量控制等操作，可靠的链路层会降低传输效率。

3 网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？

网络适配器能够对数据的串行和并行传输进行转换，并且能够对缓存数据进行出来 ，实现以太网协议，同时能够实现帧的传送和接受，对帧进行封闭等。

网络适配器工作在物理层和数据链路层

4 数据链路层的三个基本问题为什么都必须解决？

封装成帧：在首部和尾部加入帧定界符和必要的控制信息，如果比如没有这个帧定界符比特流就不知道哪里是帧的开始和结束了。

透明传输：在数据链路层透明传输指的是网络层不管发送什么数据好像在数据链路层没有阻碍它的，不管什么数据都可以传输过去。如果没有透明传输，就会导致帧的传输提前结束称为废帧

差错检测：差错检测防止差错的无效数据帧，浪费网络资源。

5 如果不解决透明传输问题会出现什么问题？

对于二进制信息如果不进行透明传输当帧中出现和帧定界符一样的组合时，会导致帧提前传输结束

6 PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP协议不适用帧的编号？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？

（1）PPP协议的主要特点是：
① 简单 。协议非常简单：接收方每收到一个帧，就进行CRC检验。如CRC检验正确，就收下这个帧；反之，就丢弃这个帧，其他什么也不做；
② 封装成帧 。PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符，以便使接收端从收到的比特流中能准确地找出帧的开始和结束位置；
③ 透明性 。PPP协议必须保证数据传输的透明性。如果数据中碰巧出现了和帧定界符一样的比特组合时，就要采取有效的措施来解决这个问题；
④ 多种网络层协议 。PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。当点对点链路所连接的是局域网或路由器时，PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议；
⑤ 多种类型链路。除了要支持多种网络层的协议外，PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。如，串行的（一次只发送一个比特）或并行的（一次并行地发送多个比特），同步的或异步的，低速的或高速的，电的或光的，交换的（动态的）或非交换的（静态的）点对点链路。

PPP不适用帧的编号原因：

2）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。

3）因为是不可靠传输所以PPP适用于线路质量不太差的情况，如果通信质量太差，传输就会频频出错

4）因为PPP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）才能保证数据传输正确无误，这样就会使数据的传输效率降低。

7 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。

构成被除数根据生成式的最高次数在发送的数据后面添加对应的0

比如1101011011 后面添加4个0

构成被除数又生成多项式每一项次数构造有就是1没有就是0

这道题就是10011

然后相除（就是按位异或运算）

算出余数1110 这就是冗余码FCS （如个数不够生成式的最高项次数则前面补零）

1）如果最后一个1变为0 能否被发现看

构造的被除数现在就是收到的信息（数据+冗余码）

除数：生成多项式的每一项次数的系数，没有的项为0

算出来余数不为1可以被检验出来

2）最后两位都变为0 还能检验出来吗？

算出来还是可以

3）采用CRC循环检验后，数据链路层的传输是否就变成了口靠传输？

不是因为虽然经过CRC检验，但是有可能还是错误的帧

9一个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)?

当PPP使用异步传输时

把信息字段中出现的的每一个0x7E（帧定界符）字节转变为2字节序列（0x7D，0x5E）
若出现一个0x7D的字节则把0x7D转变为两个字节序（0x7D，ox5D）
若信息中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符）则在该字符前要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。例如 0x03就要把它转变为2字节序列（0x7D，0x23）

所以最后答案

7E FE 27 7D 7D 65 7E

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,问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串?

1）连续的5个1插入1个0

变为011011111011111000

连续的5个1删除1个0

000111011111011111 0 110,

00011101111111111 110,

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

12 PPP 协议的工作状态有哪几种?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?

一共六种状态建立状态是为了建立链路层的LCP连接

鉴别状态：确认用户信息

网络态：PPP链路两端的网络控制层协议NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层的特定的网络控制分组，目的是同时支持多种网络层协议

打开态：可以彼此发送分组

终止态：是到静止态的过渡

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？

1）局域网主要的特点是为一个单位所有，且站点和地理范围比较少和小。2）广域网的站点比较多，范围广用广播通信方式会造成通信资源的极大浪费。

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?

15 什么叫做传统以太网?以太网有哪两个主要标准?

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

因为是曼彻斯特编码，原来的信号源的每一个码元变为了两个码元

20M码元/秒

17 为什么LLC子层的标准已制定出来了但现在却很少使用?

应用场景限制：LLC子层主要用于连接不同类型的网络和设备，以提供透明的数据传输。然而，在现代网络中，大多数设备和网络都采用相同类型的协议和技术，因此不再需要LLC子层的功能。这也是LLC子层使用减少的一个原因。

简化网络架构：为了简化网络架构和提高性能，许多现代网络设备和协议将数据链路层和LLC子层合并在一起实现。这样可以减少协议栈的复杂性，并提高数据传输的效率。因此，LLC子层的独立使用变得不太常见。

18 试说明10BASE-T中的"10"、"BASE"和"T"所代表的意思

10 代表以太网有 10M/S的速率

base代表是基带信号

T 表示双绞线

补充 10 base 5 这里的5表示粗同轴电缆

10 base 2 这里的2表示细同轴电缆

f 表示光纤

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相比优缺点如何?

20 假定1 km 长的 CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为200 000 km/s。求能够使用此协议的最短帧长。

就是发送了消息后要超过一个往返时间（极限的情况），才能肯定不会发生碰撞！

传播时延 t = L/v =5 * 10^6

帧长 = 2*t * c = 10000bit = 1250字节

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?

1比特时间就是发送1比特所需的时间。

比特时间的好处在于它可以提供更精确的时间度量，特别适用于需要高精度和高速数据传输的领域

100 比特时间是多少微秒跟发射速率有关如果是 10M/S每秒的网络就是 10us

22假定在使用CSMA/CD 协议的10 Mbit/s 以太网中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100 Mbit/s的以太网呢?

1） 100 * 51.2us = 5.12ms

2）因为传播时延不变所以还是等待 5.12ms

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上的站点数无关。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。

24 假定站点A和B在同一个10 Mbit/s 以太网网段上。这两个站点之间的传播时延为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定界符。)

A在发送完毕之前并没有检测到碰撞，并不能肯定A所发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞。

因为发送A最小帧长是 64字节+ 8字节的前同步码和帧定界符（其中前同步码 7字节帧定界符1字节）算出来 576bit

故A发送完毕需要 576的比特时间 A检测到碰撞的极限时间是2t =550比特时间

所以不能保证

25 在上题中的站点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同时检测到发生了碰撞，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r= 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重传的数据再次发送碰撞?B会不会在预定的重传时间停止发送数据?

1） A重新达到B的时间：
流程：冲突发现 + 干扰信号传输 + 干扰信号传播 + 退避时间 + 帧最小间隔

225 + 48 + 225 + 0 + 96 = 594比特时间
A重新发送到达B的时间

594+224 = 819 bit时间

2)是否会再次相撞呢？
B重新侦听数据链路
流程：冲突发现 + 干扰信号传输 + 退避时间

225 + 48 + 512 = 785比特时间

3)B会不会在预定的重传时间停止发送数据?

不会，785<819，此时A还在传数据给B，B侦听到信道忙，不会发送数据，推迟发送

注： B的退避时间和干扰信号传播时间是同时的。

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重传次数I。

在截断二进制指数退避算法中，由于基本退避时间取的是一个争用期，所以只要两个站取不同的 r 值，预定的重发时间就相隔至少2τ，先重发的站就可以赶在另一个站重发之前把数据送到，避免再次碰撞。
换言之，如果再次碰撞了，说明两个站取的 r 值是一样的。于是有：
第一次重传失败，两个站在{0,1}中都取了0或者都取了1，概率1/2
第二次重传失败，两个站在{0，1，2，3}中选了一样的，概率为1/4.
第三次重传失败，两个站在{0，1，...，7}中选了一样的，概率为1/8.
...
第十次碰撞，两个站在{0，1，...，1023}中选了一样的，概率为1/1024.

从第十一次开始，一直到第十六次，两个站在{0，1，...，1023}中选了一样的，概率为1/1024.

假设这个站前m次发送失败，在第m+1次发送成功。即这个站成功发送数据之前的重传m次失败的概率为：

平均重传次数=重传成功的1次+前面重传失败次数的平均值

27 有10个站连接到以太网上。试计算以下三种情况下每一个站所能得到的带宽。

（1) 10个站都连接到一个10 Mbit/s 以太网集线器;

(2)10个站都连接到一个100 Mbit/s 以太网集线器;

(3)10个站都连接到一个10 Mbit/s以太网交换机。

1）10Mbit/s / 10

100 Mbit/10
10Mbit/s

28 Mbit/s以太网升级到100 Mbit/s、1 Gbit/s和 10 Gbit/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?

要解决的问题

100 Mbit时 IEEE802.3 u的100Mbit/s以太网标准未包括对同轴电缆的支持。这意味着想从10Mbit/s细缆以太网升级到100Mbit/s快速以太网的用户必须重新布线。现在10/100Mbit/s以太网多使用无屏蔽双绞线布线。
吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为100m，但采用了"载波延伸 "的办法，使最短帧长仍为64字节（这样可以保持兼容性），同时将争用期增大为512字节。凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512字节，这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的MAC帧后，要把所填充的特殊字符删除后才向高层交付。当原来仅64字节长的短帧填充到512字节时，所填充的448字节就造成了最大的开销。吉比特以太网还增加了分组突发的功能。当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。但随后的一些短帧则可一个接一个地发送，它们之间只需要留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止。
由于数据率很高，10GE不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。它使用长距离的光收发器与单模光纤接口，以便能够在广域网和城域网的范围。10GE也可使用较便宜的多模光纤，但传输距离为65~300m。10GE只工作在全双工模式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。这就使得10GE的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了。

2）是因为以太网具有以下的一些优点：

可扩展（从10Mbit/s到10Gbit/s）
灵活（多种媒体、全/半双工、共享/交换）
易于安装。
稳健性好。

29以太网交换机有何特点?用它怎样组成虚拟局域网

以太网交换机则为链路层设备，可实现透明交换，不会扩大广播域

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。

这些网段具有某些共同的需求。

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网

30 在图3-30中，某学院的以太网交换机有三个接口分别和学院三个系的以太网相连，另外三个接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。图中的A,B和C都是100 Mbit/s 以太网交换机。假定所有的链路的速率都是100 Mbit/s，并且图中的9台主机中的任何一个都可以和任何一个服务器或主机通信。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?

因为交换机隔离冲突域所以 9*100 + 200

31 假定在图3-30中的所有链路的速率仍然为100 Mbit/s，但三个系的以太网交换机都换成为100 Mbit/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?

集线器不隔离冲突域

2100 + 3100 = 500

32 假定在图3-30中的所有链路的速率仍然为100 Mbit/s，但所有的以太网交换机都换成为100 Mbit/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?

100

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

在下面表中的"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。试把该表中其他的栏目都填写完

首先根据看源地址是否在路由器的交换表中，如果不在则登记源地址的进入的端口号和目的地址，然后看目的地址是否在交换表中，如果不在则广播。

状态	转发的接口	说明
写入A	23456	因为D没有在交换表中所有就泛洪
写入D	1	因为A已经在交换表中所以只转发给1
写入E	1	因为E已经在交换表中
不写入	5	因为A已经在交换表中，所以不登记