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计算机网络——第1章习题

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课后习题和问题

1.1

  1. 主机与端系统之间没有什么不同，二者均指连接到互联网的计算设备，运行网络应用程序，是同一个意思。端系统可以是手机、电脑、智能手表、掌机等。Web服务器是一种端系统，它为互联网中的其他端系统提供内容服务。
  2. 略
  3. 只有让尽可能多的协议支持相同的标准，才能够更好地实现互联网的互联互通，便于互联网的建设。

1.2

  1. 住宅接入：DSL、电缆、FTTH、卫星、拨号接入、以太网、WiFi等
    公司接入：以太网、WiFi等
    广域无线接入：3G、4G、LTE等
  2. HFC传输速率在用户间是共享的，在下行HFC信道中所有的数据包都是从区域电缆头端发出的，顺序确定，因此不会存在碰撞。
  3. 略
  4. 从10Mbps到10Gbps不等。
  5. 双绞铜线和光纤。
  6. Modem拨号传输速率不大于56Kbps，专用
    HFC最高40Mbps/10Mbps下行/上行速率，共享
    DSL数字用户线55Mbps/15Mbps下行/上行速率，专用
    FTTH光纤到户最高100Mbps/4Mbps下行/上行速率，共享
  7. 共享的无线接入网络连接端系统和路由器，通过基站（无线接入点）接入。
    无线局域网（WIFI）和无线广域网（3G、4G、5G）。WIFI是无线短距离的局域网传输，不需要电话卡，无线广域网的可连接范围更大。

1.3

  1. 将数据包从发送主机发送到交换机需要的时间为L/R1，将数据包从交换机发送到目标主机需要的时间为L/R2，总时延为两者之和。
  2. 与分组交换相比，电路交换会为每一条链路预留资源，能够保证恒定的传输速率，而大多数分组交换网络都没有这种保证。
    FDM需要多个滤波器实现，而TDM不需要。
  3. a. 使用电路交换能够支持2个用户，因为电路交换会预留资源，2Mbps的链路在一个时刻只能够为2个用户分配足够的资源。
    b. 如果两个或更少的用户传输，链路中传输的数据量没有达到其阈值，因此很少有排队时延。当有超过2个用户传输时，由于这些用户原来需求的总传输速率大于该链路的带宽，因此只能降低每个用户的传输速率，且链路一直在满负荷工作，容易造成排队时延。
    c. 每个用户仅传输20%的时间，因此某指定用户在特定时刻正在传输的概率为20%。
    d. 20%3=0.008，只有在3个用户同时传输时才会造成队列增加，因此时间比率为0.008。（由此可以计算出队列减少的时间比率为1-0.008-3×0.032=0.896）
  4. 等级结构中级别相同的两个ISP互相对等可以减少数据交换的成本，IXP（因特网交互点）可以通过计算经过自身的流量收取一定的费用。
  5. 可以让互联网中的用户更加快捷地访问自身提升体验，同时避开IXP等中间商，一定程度上降低运营成本。

1.4

  1. 某源主机跨越一条固定路由向某目的主机发送一分组。端到端时延由传输时延、传播时延、排队时延、处理时延等组成，其中传输时延固定，由链路的带宽决定；传播时延固定，由传播媒介决定，排队时延不固定，由链路的阻塞情况决定；处理时延一般固定，由路由器的处理速度决定。
  2. 当传播时延小、速率高、分组长度短时，分组的第一个比特到达接收方之前发送方已经结束了传输。当传播时延小、速率低、分组长度长时，发送方完成传输之前第一个比特已经到达接收方。
  3. 这个分组的传输速率为1000/(2×106)=5×10-4s，传播时延为0.01s，故一共至少需要0.0105s。一般地，长度为L的分组经过距离为d的链路传播，传播速率为s并且传输速率为Rbps，需要使用(L/R)+(d/s)，该时延与传输速率有关。
  4. a. 吞吐量为500Kbps，即三段链路中速率的最小值
    b. 64s，注意500Kbps指的是500K比特不是500K字节
    c. 100Kbps，320s。
  5. 端系统A首先根据链路需要将数据分为多个段，并为每一个段添加首部信息，产生多个分组。分组之一到达某分组交换机时，该分组交换机可以使用分组中的目的主机MAC地址来决定应该通过哪个端口转发到哪一条链路。
  6. 略

1.5

  1. 差错控制、流量控制、多路复用/分解、报文分段、重新装配、连接建立。可能。
  2. 从低到高依次为物理层、链路层、网络层、运输层、应用层。应用层是网络应用程序及它们的应用层协议存留的地方，用于端系统中应用于应用之间的信息交换。运输层在应用程序端点之间传送应用程序报文。网络层用于将数据包从一台主机移动到另一台主机中。链路层用于将分组从链路中的一个节点发送到另外一个节点。物理层用于将该帧的一个个比特从一个节点发送到另外一个节点。
  3. 位于应用层的信息分组称为应用层报文，将运输层的分组称为运输层报文段，位于网络层的分组称为网络层数据报，位于链路层的分组称为链路层帧。注意这4个层次对于分组的称呼都不相同，有报文、报文段、数据报和帧。
  4. 路由器可以处理网络层、链路层和物理层，链路层交换机可以处理链路层和物理层，主机处理所有5个层次。

习题

  1. 略
  2. 一个分组发送所需要的时间为NL/R，传输速率为R，因此最后一个分组开始发送的时刻是(P-1)L/R，故这些分组全部发送完的时刻等于最后一个分组发送完的时刻，即(N+P-1)L/R
  3. a. 电路交换网络，因为电路交换网络在连接成功后能够保证应用以一定的带宽，从而保证一定的最小传输速率，有效减少该应用受到其他应用产生的影响。
    b. 不需要，因为应用程序传输速率的总和小于每条链路的各自容量，不会发生拥塞。
  4. a. 从A到B：4条。从B到C：4条。从C到D：4条。从D到A：4条。
    b. 8条。
    c. 能，各用2条。
  5. a. 10辆汽车之中最后一辆汽车通过收费站的时刻为2分钟。其在之后还需要通过2个收费站用4分钟（本题的设定是先到的车会在收费站入口等待后到的车，如果不等待则在后面的收费站后到的车不需要等待前面的车服务完成），在路上行驶的时间为90分钟，因此端到端实验为96分钟。
    b. 94分48秒。
  6. a. 传播时延dprop=m/s
    b. 传输时间dtrans=L/R
    c. 端到端时延=传播时延+传输时延=m/s+L/R
    d. 在时刻dtrans，该分组的第一个比特刚刚被输入到链路中，位于主机A端口处。
    e. 当传播时延>传输时延时，在dtrans，即分组被全部输入到链路中时，分组的第一个比特仍然在链路中传播，还没有到达主机B。
    f. 已经到达主机B。
    g. m/s=L/R：m=536km。
  7. 数字比特流的生成速率为56Kbps，一个分组的数据部分为56字节，因此产生两个分组的间隔时间为8ms。考虑到一个分组的产生必然需要这个分组中的所有数据都产生完成。那么一个分组的第一个比特产生到这个分组中最后一个比特产生的时间差为56Bytes/64Kbps=7ms。这条链路的传输速率为2Mbps，因此有传输时延等于0.224ms，传播时延为10ms。如果不算主机B的处理时延，时延应该为17.224ms。
  8. a. 20个
    b. 每个用户仅有10%的时间在传输，因此某给定用户正在传输的概率为10%。
    c. 在有120个用户时，当0<=n<=20时实际有n个用户传输的概率为C120n0.1n0.9120−nC_{120}^n0.1^n0.9^{120-n}。
    d. 1−∑n=020C120n0.1n0.9120−n1-\sum_{n=0}^{20}C_{120}^n0.1^n0.9^{120-n}
  9. 10000；略
  10. 端到端时延为∑i=03(disi+LRi)\sum_{i=0}^3(\frac{d_i}{s_i}+\frac{L}{R_i})，另外还有两个分组交换机的处理时间2dproc。二者之和即为总的端到端时延。解释：每一个分组在到达一个分组交换机需要在该分组完全到达分组交换机才能进行处理和转发，因此3段链路一共有3个传输时延。可以观察一个分组的最后一个字节。当其到达一个分组交换机之后还需要等待处理时间以及该分组前面所有字节传输完成之后才能继续传输。代入数值计算得到时延为18+6+40=64ms。
  11. 如果分组交换机不存储转发分组而是立即传输，且处理时间为0，那么这些分组交换机就如同不存在一般。端到端时延为6+40=46ms。这6ms指的是传输时延。
  12. 当该分组到达时，分组交换机还需要传输6750字节的分组，需要的传输时间为：6750×8/2M=27ms，即为排队时延。在一般情况下，还需要传输(n+1)L-x字节数据，排队时延为8((n+1)L-x)/R。
  13. a. 第一个传输的分组排队时延为0，第二个传输的分组排队时延等于第一个分组的传输时延，为L/R，第三个排队时延为2L/R，以此类推，平均排队时延为(n(n-1)/2)L/Rn=(n-1)L/2R。
    b. N个分组在LN/R之内可以全部传输完成，因此前N个分组不会影响到后N个分组的传输。平均排队时延依然为(n-1)L/2R。
  14. a. 总时延=排队时延+传输时延=IL/R(i-I) + L/R
    b. 略
  15. 时延=IL/R(i-I) + L/R=1/(μ-a)
  16. 即N=11，传输时延是传输速率的倒数，故总时延为20ms，平均分组到达率a=550分组/s。
  17. 如果中间经过若干个分组交换机，那么总的端到端实验等于所有分组交换机的处理时延、传输时延、排队时延与链路传播时延之和。
  18. 略
  19. 略
  20. 一个客户-服务器之间的吞吐量是Rs、Rc和R/M的最小值（所有客户端与服务器的链路平均分配带宽）
  21. 能够取得的最大吞吐量为M条路径中每条路径链路传输速率的最小值的最大值。之和。
  22. (1-p)n；倒数-1，因为第一次不属于重传。
  23. a. 间隔时间即为传输时延L/R。
    b. 是可能的。由于第一段链路的带宽大于第二段链路，因此第一个分组的第一个比特和第二个分组的第一个比特在第一段链路中到达同一个位置的时间差较小。由于第二段链路的带宽较小，因此第一个分组在第二段链路中的传输时延大于第一段链路，那么第一个分组的最后一个比特还没有进入第二段链路时，第二个分组的最后一个比特已经进入了交换机的缓存，这就造成了排队时延。如果两个分组的发送间隔时间T，为保证第二个分组不排队，T至少应该为L/Rc-L/Rs。
  24. 快递
  25. a. 带宽-时延积=2Mbps×2×107m/(2.5×108m/s)=0.16Mb
    b. 带宽-时延积一个方面的意义就是某个时刻这段链路正在传输的比特数量的最大值，即160Kb。在链路上具有的比特数量的最大值为160Kb。
    c. 见上一题
    d. 一个比特的宽度为20000km/0.16Mb=0.125km/b，即125m一个bit。比一个足球场更长。
    e. 一个比特宽度=m/(Rm/s)=s/R。
  26. s/R=m，即R=s/m（值为12.5bps）时一个比特的长度与该链路的长度相等。
  27. a. 此时带宽-时延积=80Mb
    b. 80Mb
    c. 0.25m
  28. a. 需要0.48s
    b. 需要2s，每一次传输都有0.02s的传输时延和0.08s的传播时延
    c. 第一个更小，第二个没有充分利用带宽资源
  29. a. 传播时延为3.6×104km/(2.4×108m/s)=150ms。
    b. 带宽-时延积=10Mbps×150ms=1.5Mb
    c. 能够连续传输的x的最小值为600Mb
  30. 略
  31. a. 在没有报文分段的情况下，从源主机到第一台分组交换机移动报文需要4s时间，从源主机移动到目标主机需要12s时间。
    b. 从源主机移动第一个分组到第一台交换机需要5ms，从第一台交换机发送第一个分组到第二台交换机，需要5ms，从源主机发送第二个分组到第一台交换机需要5ms，在第10ms时第二个分组能够被第一台交换机全部收到。
    c. 每一个分组在一条链路上的传输时延为5ms，那么最后一个分组开始传输的时刻为3.995s。一个分组经过3条链路的时间为15ms，因此最后一个分组传输完成的时刻为4.01s。
    d. 可以使得分组交换机没有必要将缓存容量设计得很大，而且当报文出现错误时，将报文分段可以只重新传输这一个分组即可。
    e. 报文分段的缺点有分段中的头部信息占用的带宽增加。
  32. 略
  33. 一个分组在一条链路上的传输时延为80+SR\frac{80+S}{R}，一共有FS\frac{F}{S}个分组，最后一个分组开始传输的时刻为(FS−1)80+SR(\frac{F}{S}-1)\frac{80+S}{R}，其通过三段链路传输的时间为3(80+S)R\frac{3(80+S)}{R}，故移动该文件所需时延为(FS+2)80+SR(\frac{F}{S}+2)\frac{80+S}{R}。要想让这个值最小，可以通过修改分组大小S的值来获取。对该式求导：(80FSR+FR+160+2SR)′=2R−80FS2R=0(\frac{80F}{SR}+\frac{F}{R}+\frac{160+2S}{R})'=\frac{2}{R}-\frac{80F}{S^2R}=0，解得S=40FS=\sqrt{40F}，此时的时延值最小，为(F40+2)80+40FR(\sqrt{\frac{F}{40}}+2)\frac{80+\sqrt{40F}}{R}。
  34. 略