计算机网络原理（谢希仁第八版）第一章课后习题答案

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

第一章

1.计算机网络可以向用户提供哪些服务？
答：例如音频，视频，游戏等，但本质是提供连通性和共享这两个功能。
连通性：计算机网络使上网用户之间可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。
共享：指资源共享。可以是信息，软件，也可以是硬件共享。
2.试简述分组交换的要点。
答：采用了存储转发技术。把报文（要发送的整块数据数据）等分成若干数据段，每个数据段加入控制信息组成的首部（header），构成若干分组。因为分组首部包含了目的地址和原地址等重要控制信息，每个分组才可以在互联网中独立地选择传输路径。
分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的通信资源，分组到达一个路由器之后先存储，查找转发表、后转发，省去建立和释放连接的开销，因此效率更高。
分组交换的优点：高效、灵活。迅速、可靠
高效：在分组传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
灵活：每一个分组独立地选择转发路由。
迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：保证可靠性的网络协议：分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性
分组交换的缺点：时延、额外开销
时延：分组在各路由器存储转发时需要排队。
额外开销：分组必须携带控制信息，整个分组交换网络还需要专门的管理和控制机制。
3.试从多个方面比较电路交换，报文交换和分组交换的主要优缺点
（1）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。
（2）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。
（3）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。
4.为什么说互联网是自印刷术发明以来人类在存储和交换信息领域的最大变革？
答：融合其他通信网络，在信息化过程中起核心作用，提供最好的连通性和信息共享，第一次提供了各种媒体形式的实时交互能力。
5.因特网的发展大致分为哪几个阶段？请指出这几个阶段的主要特点。
答：从单个网络 APPANET 向互联网发展；TCP/IP 协议的初步成型建成三级结构的
Internet；分为主干网、地区网和校园网；形成多层次 ISP 结构的 Internet；ISP 首次出现。
6.简述因特网标准制定的几个阶段？
答：（1）因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。
（2）建议标准(ProposedStandard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
（3）草案标准(Draft Standard)
（4）因特网标准(Internet Standard)
7.小写和大写开头的英文名 internet 和 Internet 在意思上有何重要区别？
答：（1） internet（互联网或互连网）：通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络，协议无特指。
（2）Internet（因特网）：专用名词，特指采用 TCP/IP 协议的互联网络。
区别：后者实际上是前者的双向应用。
8.计算机网络都有哪些类别？各种类别的网络都有哪些特点？
答：按范围：
（1）广域网 WAN：远程、高速、是 Internet 的核心网。
（2）城域网：城市范围，链接多个局域网。
（3）局域网：校园、企业、机关、社区。
（4）个域网 PAN：个人电子设备
按用户：公用网面向公共营运。
专用网面向特定机构。
9.计算机网络中的主干网和本地接入网的主要区别是什么？
答：主干网：提供远程覆盖\高速传输\和路由器最优化通信。
本地接入网：主要支持用户的访问本地，实现散户接入，速率低。

时延计算问题：

（1）发送时延：发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s） 
（2）传播时延：传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s） 
（3）处理时延题目中会给出。 
（4）排队时延和处理时延一般题目都会忽略不计。 
（5）总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
（6）时延带宽积=传播时延*带宽
（7）往返时间RTT：发送时间=数据长度/发送速率；有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)
（8）利用率：D。表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，网络当前的利用率为U，则：D=D。/(1-U)
（9）带宽时延积=带宽×(距离/传播速率）(也指传播信道上比特数目最大的数值）

10.试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共 x（bit）。从源点到终点共经过 k 段链路，每段链路的传播时延为 d（s），数据率为 b(b/s)。在电路交换时电路的建立时间为 s(s)。在分组交换时分组长度为 p(bit)，且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？（提示：画一下草图观察 k 段链路共有几个结点。）(可以参照第10题上面的计算公式）
答：线路交换时延：kd+x/b+s, 分组交换时延：kd+(x/p)(p/b)+ (k-1)(p/b)，其中(k-1)(p/b)表示 K段传输中，有(k-1)次的储存转发延迟，当 s>(k-1)(p/b)时，分组交换的时延比电路交换的时延小，当x>>p,相反。
11.在第10题的分组交换网中，设报文长度和分组长度分别为x和(p+h)(bit)，其中p为分组的数据部分的长度，h为每个分组所添加的首部长度，与p的大小无关。通信的两端共经过k段链路。链路的数据率为b(bit/s)，但传播时延和节点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的时延为最小，问分组的数据部分长度p应取为多大？(可以参照第10题上面的计算公式）
答：总时延D表达式，分组交换时延为：D= (x/p)((p+h)/b)+ (k-1)(p+h)/b ，D对p求导后，令其值等于0，求得p=[(xh)/(k-1)]^0.5
12.因特网的两大组成部分（边缘部分与核心部分）的特点是什么？它们的工作方式各有什么特点？
答：边缘部分：由各主机构成，用户直接进行信息处理和信息共享;低速连入核心网。
核心部分：由各路由器连网，负责为边缘部分提供高速远程分组交换。
13 .客户-服务器方式与P2P对等通信方式的主要区别是什么？有没有相同的地方？
答：前者严格区分服务和被服务者，后者无此区别。后者实际上是前者的双向应用。
14.计算机网络有哪些常用的性能指标？
答：速率，带宽，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间RTT，利用率。
15.假定网络利用率达到了90%。试估计一下现在的网络时延是它的最小值的多少倍？(可以参照第10题上面的计算公式）
解：设网络利用率为U，当前网络时延为D，网络空闲时延为D。
根据D=D。/(1-U)，可以得出D=10D。现在的网络时延是它的最小值的10倍。
16.计算机通信网有哪些非性能特征？非性能特征与性能特征有什么区别？
答：非性能特征：宏观整体评价网络的外在表现。性能特征：具体定量描述网络的技术性能。
17.收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为 $2×10^8m/s$ 。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：
（1）数据长度为 $10^7bit$ ,数据发送速率为100kb/s。
（2）数据长度为 $10^3bit$ ,数据发送速率为1Gb/s。
从上面的计算中可以得到什么样的结论？(可以参照第10题上面的计算公式）
解：（1）发送时延：ts= $10^7/10^5$ =100s
传播时延tp= $10^6/(2×10^8)$ =0.005s
（2）发送时延ts = $10^3/10^9$ =1µs
传播时延：tp= $10^6/(2×10^8)$ =0.005s
结论：若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延。但若数据长度短而发送速率高，则传播时延就可能是总时延中的主要成分。
18.假设信号在媒体上的传播速度为 $2.3×10^8m/s.$ 媒体长度L分别为：（1）10cm（网络接口卡）（2）100m（局域网）（3）100km（城域网）（4）5000km（广域网）试计算出当数据率为1Mb/s和10Gb/s时在以上媒体中正在传播的比特数。
解：
（1）1Mb/s:传播时延= $0.1/(2.3×10^8)=4.35×10^{-10}$ ，比特数= $4.35×10^{-10}×1×10^6=4.35×10^{-4}$
10Gb/s: 比特数= $4.35×10^{-10}×1×10^{10}=4.35$
（2）1Mb/s: 传播时延= $100/(2.3×10^8)=4.35×10^{-7}$ , 比特数= $4.5×10^{-7}×1×10^6=4.35×10^{-1}$
10Gb/s: 比特数= $4.35×10^{-7}×1×10^10=4.35×10^3$
(3) 1Mb/s: 传播时延= $100000/(2.3×10^8)=4.35×10^{-4}$ ,比特数= $4.35×10^{-4}×1×10^6=4.35×10^2$
10Gb/s: 比特数= $4.35×10^{-4}×1×10^10=4.35×10^6$
(4)1Mb/s: 传播时延= $5000000/(2.3×10^8)=2.17×10^{-2}$ ,比特数= $2.17×10^{-2}×1×10^6=2.17×10^4$
1Gb/s: 比特数= $2.17×10^{-2}×1×10^10=2.17×10^8$
19.长度为100字节的应用层数据交给传输层传送，需加上20字节的TCP首部。再交给网络层传送，需加上20字节的IP首部。最后交给数据链路层的以太网传送，加上首部和尾部工18字节。试求数据的传输效率。数据的传输效率是指发送的应用层数据除以所发送的总数据（即应用数据加上各种首部和尾部的额外开销）。若应用层数据长度为1000字节，数据的传输效率是多少？
解：（1）100/（100+20+20+18）=63.3%
（2）1000/（1000+20+20+18）=94.5%
20.网络体系结构为什么要采用分层次的结构？试举出一些与分层体系结构的思想相似的日常生活。
答：①各层之间是独立的。某一层可以使用其下一层提供的服务而不需要知道服务是如何实现的。
②灵活性好。当某一层发生变化时，只要其接口关系不变，则这层以上或以下的各层均不受影响。
③结构上可分割开。各层可以采用最合适的技术来实现
④易于实现和维护。
⑤能促进标准化工作。
与分层体系结构的思想相似的日常生活有邮政系统，物流系统。
21.协议与服务有何区别？有何关系？
答：协议和服务的概念的区分：
1、协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。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进行通信的规则。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。上层使用所提供的服务必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。
22.网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？
答：网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。由以下三个要素组成：
（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式。
（2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
（3）同步：即事件实现顺序的详细说明。
23.为什么一个网络协议必须把各种不利的情况都考虑到？
答：因为网络协议如果不全面考虑不利情况，当情况发生变化时，协议就会保持理想状况，一直等下去！就如同两个朋友在电话中约会好，下午3点在公园见面，并且约定不见不散。这个协议就是很不科学的，因为任何一方如果有耽搁了而来不了，就无法通知对方，而另一方就必须一直等下去！所以看一个计算机网络是否正确，不能只看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细的检查协议能否应付各种异常情况。
24.论述具有五层协议的网络体系结构的要点，包括各层的主要功能。
答：综合OSI 和TCP/IP 的优点，采用一种原理体系结构。
各层的主要功能：
(1)物理层物理层的任务就是透明地传送比特流。（注意：传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，是在物理层的下面，当做第0 层。）物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。
(2)数据链路层数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。
(3)网络层网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。
(4)运输层运输层的任务是向上一层的进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。
(5)应用层应用层直接为用户的应用进程提供服务。
25.试举出日常生活中有关“透明”这种名词的例子。
答：电视，计算机视窗操作系统、工农业产品
26.试解释以下名词：协议栈、实体、对等层、协议数据单元、服务访问点、客户、服务器、客户-服务器方式。
答：(1)实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
(2)协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
(3)客户(client)和服务器(server)都是指通信中所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。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
(4)协议栈:指计算机网络体系结构采用分层模型后,每层的主要功能由对等层协议的运行来实现,因而每层可用一些主要协议来表征,几个层次画在一起很像一个栈的结构.
(5)对等层:在网络体系结构中,通信双方实现同样功能的层.
(6)协议数据单元:对等层实体进行信息交换的数据单位.
(7)服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方.服务访问点SAP是一个抽象的概念,它实体上就是一个逻辑接口.
27.试解释everything over IP 和IP over everthing 的含义。
答：(1)TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务（所谓的everything over ip）
(2)允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行（所谓的ip over everything）
28.假定要在网络上传送1.5MB的文件。设分组长度为1KB，往返时间RTT=80ms。传送数据之前还需要有建立TCP连接的时间，这时间时2*RTT=160ms。试计算在以下几种情况下接收方收完该文件的最后一个比特需要的时间。
(1)数据发送速率为10Mbit/s，数据分组可以连续发送。
(2)数据发送速率为10Mbit/s，但每发送完一个分组后要等待一个RTT时间才能在发送下一个分组。
(3)数据发送速率极快，可以不考虑发送数据所需要的时间。但规定在每一个RTT往返时间内只能发送20个分组。
(4)数据发送速率极快，可以不考虑发送数据所需要的时间。但在第一个RTT往返时间内只能发送一个分组，在第二个RTT内可以发送两个分组，在第三个RTT内可以发送四个分组。
解：题目的条件中的 $M=2^{20}==1048576约等于10^{6}B，K=2^{10}=1024约等于10^{3}B$ ，1B=1字节=8bit=8b
（1）发送这些比特所需时间= $1.5×2^{20}×8bit/（10×10^6bit/s）$ =1.258(s)
最后一个分组传播到达目的地还需要0.5×RTT=40ms时间。总共需要的时间=2×RTT+1.258+0.5×RTT=0.16+1.258+0.04=1.458（s）
（2）需要划分的分组数=1.5MB/1KB=1536(组）
建立时间：2xRTT = 0.16（s）
总的发送时间：仍是1.258（s）
最后一个分组传播到达目的地需要：0.5×RTT=40（ms）=0.04（s）（二分之一往返时间）
从第一个分组最后一个比特到达直到最后一个分组第一个比特到达需要经历：1535×RTT=1535×0.08=122.8（s）
总共需要的时间=0.16+1.258+0.04+122.8=1.458+122.8=124.258（s）
（3）在每一个RTT往返时间内只能发送20个分组。1536个分组，需要76个整的RTT，76个RTT可以发送76×20=1520个分组，最后剩下16个分组，一次发送完。但最后一次发送的分组到达接收方也需要0.5×RTT。
因此，总共需要的时间=2×RTT+76×RTT+0.5×RTT=6.12+0.16=6.28（s）
（4）在两个RTT后就开始传送数据。共 1536个分组
经过n个RTT后就发送了1+2+4+…+2n=2^n-1个分组。
若n=10，那么只发送了 2^n-1=1023个分组。可见10个RTT不够。
若n=11，那么只发送了 2^n-1= 2047个分组。可见11个RTT足够了。
这样，考虑到建立TCP连接的时间和最后的分组传送到终点需要的时间，（最后一次，不考虑返回）现在总共需要的时间=（2+10+0.5）×RTT=12.5×0.08=1（s）
29.有一个对点链路，长度为50KM。若数据在此链路上的传播速率为 $2×10^8$ m/s，试问链路的带宽为多少才能使传播时延和发送100字节的分组的发送时延一样大？如果发送的是512字节长的分组，结果又是如何？（可以参考第十题上面的公式）
解：传播时延=信道长度/传播速率= $5×10^4m/2×10^8m/s=2.5×10^{-4}s$
100字节：此时的带宽=时延带宽积/传播时延= $100×8bit/2.5×10^{-4}=3.2M/bit$ ;此时需要带宽为3.2M/bit。
512字节：此时的带宽=时延带宽积/传播时延= $512×8bit/2.5×10^{-4}=16.384M/bit$ ;此时需要的带宽为16.384M/bit。
30.有一个点对点链路，长度为 20000 km。数据的发送速率是 1kbit/s。要发送的数据有100bit。数据在此链路上的传播速度为 $2×10^8m/s$ ;假定我们可以看见在线路上传播的比特，试画出我们看到的线路上的比特（画两个图，一个在100 bit 刚刚发送完时，另一个是再经过 0.05 s 后）。（可以参考第十题上面的公式）
解：首先要求出发送时延，传播时延这样才能够清楚的画出图。
发送时延=数据帧长度/发送速率=100bit/1kbit/s=0.1s
传播时延=信道长度/传播速率= $2×10^7m/2×10^8m/s=0.1s$ 。
所以我们就可以清楚的知道当一个100bit刚刚发送完时，第一个bit刚好到终点，再经过0.05s后是信道上还有50bit。
在这里插入图片描述
31.条件同上题。但数据的发送速率改为1Mbit/s。和上题的结果相比较,你可以得出什么结论?
答：发送速率=1Mbit/s，经过发送时间0.1s，第一个比特传播了 $2×10^8×0.1=2×10^7m$
再经过0.05s,最后一个比特传播距离为 $2×10^8×0.05=1×10^7m$ ，即走到线路的一半
发送速率提升可以弥补信息传输中信息传输中断的问题。
32.以1 Gbit/s的速率发送数据。试问在以距离或时间为横坐标时,一个比特的宽度分别是多少?
距离: $1 bit × 2 × 10^8 m/s(在光纤中的速率)/ 1 Gbit/s = 0.2 m$
时间: $1 bit / 1 Gbit/s = 10^{- 9 }s$
33.我们在互联网上传输数据经常是从某个源点传送到某个终点，而并非传送过去再传送回来。那么为什么往返实际RTT是一个很重要的性能指标呢？
RTT在计算机网络中它是一个重要的性能指标，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认），总共经历的时延。
往返延时(RTT)由三个部分决定：即链路的传播时间、末端系统的处理时间以及路由器的缓存中的排队和处理时间。其中，前面两个部分的值作为一个TCP连接相对固定，路由器的缓存中的排队和处理时间会随着整个网络拥塞程度的变化而变化。所以RTT的变化在一定程度上反映了网络拥塞程度的变化。
34. 主机A向主机B发送一个长度为 $10^7$ 比特的报文。中间要经过两个节点交换机，即一共经过三段链路。设每条链路的传输速率为2Mbit/s。忽略所有时延。
(1)如果采用报文交换，即整个报文不分段，每台节点交换机收到整个的报文后再转发。问从主机A把报文传送到第一个节点交换机需要多少时间？从主机A把报文传送到主机B需要多长时间？
解：第一节点时间=数据长度/传播速率= $10^7bit/2×10^6bit/s=5s$
从A到B的总时间=3×节点时间=15s
(2)如果采用分组交换。报文被划分为1000个等长的分组，并连续发送。节点交换机能够边接受边发送。试问从主机A把第一个分组传送到第一个节点交换机需要的时间？从主机A把第一个分组传送到主机B需要多少时间？从主机A把1000个分组传送到主机B需要多少时间？
解：分成1000个分组，则每个分组有 $10^4$ 个bit。
第一个分组到达第一个节点的时间= $1×10^4bit/2×10^6/s=0.005s$
第一个分组到达主机B的时间=3×0.005s=0.015s
1000个分组到达主机B的时间=0.005s×1000+0.01s=5.01s
(3)就一般情况而言，比较用整个报文来传送和用划分多个分组来传送的优缺点。
报文交换：报文是通信链路中一次要发送的数据，报文交换就是把整个报文完整的发送到链路中，在某个节点存储下来之后再发送到下一个节点。
优点：更加灵活。不需要事先建立连接之后再进行通信。
缺点：当每个报文的数据量较大时，每次在节点处转发再存储的话时延较大。
分组交换：分组交换采用转发存储技术，将一个完整的报文，分成若干个分组，再进行转发，而且每个分组之间经过哪一个节点，与上一个分组完全没有关系，这一点在某些网络节点发生网络阻塞时会显得尤其重要。
优点：发送数据更加灵活，时延更下。
缺点：发送设备和接收设备就更加复杂。
35.主机A向主机B连续传送一个600000bit的文件。A和B之间有一条带宽为1Mbit/s的链路相连，距离为5000KM，在此链路上的传播速率为 $2.5×10^8m/s。$
(1)链路上的比特数目的最大值是多少？
解：带宽时延积=带宽×(距离/传播速率）= $1Mbit/s×5000KM/2.5×10^8m/s=2×10^4bits$
则最大比特数目为 $2×10^4$ 个。（区分于时延带宽积）
(2)链路上每比特的宽度是多少？
解：宽度=链路长度/带宽时延积= $5×10^6m/2×10^4bits=250m$
(3)若想把链路上每比特的宽度变为5000KM，这时应把发送速率调整到什么数值？
解：宽度=链路长度/时延带宽积= $5×10^6m/带宽时延积=5×10^6m$ ;则时延带宽积=1bits。
时延带宽积=带宽×(距离/传播速率)=$带宽×5000KM/ $2.5×10^8m/s$ =1bits；则带宽=50bit/s，即发送速率为50bit/s。$
36.主机A到主机B的路径有三段路，其速率分别为2Mbit/s，1Mbit/s和500kbit/s。现在A向B发送一个文件。
（1）试计算该文件传送的吞吐量。
解：吞吐量为三段路中速率最小的那一个，所以吞吐量为500kbit。
（2）设文件长度为10MB，而网络上没有其他流量。试问该文件从A传送到B大约需要多少时间？为什么这里只是计算大约的时间？
解：文件大小为 $10×10^6×8bit=8×10^7bit$
传送速率=吞吐量/单位时间=500kbit/s
时间=文件大小/吞吐量传送速率= $8×10^7bit/5×10^5bit/s=160s$
因为在计算机使用过程中不可能只有这一个文件进行传输，其他文件的传输也在占用传输通道，但无法知道有多少个文件进行传输，所以只能进行假设只有这一个文件进行传输，所以只能计算大约的时间。