第一章

【3-01】数据链路#xff08;即逻辑链路#xff09;与链路#xff08;即物理链路#xff09;有何区…第三章

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第一章

【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

解答所谓链路就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路而中间没有任何其他的交换节点。

在进行数据通信时两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路。

可见链路只是一条路径的组成部分。

链路接通了表示物理链路接通了。

数据链路则是另一个概念。

这是因为当需要在一条线路上传送数据时除了必须有一条物理线路还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。

若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。

现在最常用的方法是使用网络适配器如拨号上网使用拨号适配器以及通过以太网上网使用局域网适配器来实现这些协议的硬件和软件。

一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

也有人采用另外的术语。

这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。

物理链路就是上面所说的链路而逻辑链路就是上面的数据链路是物理链路加上必要的通信协议。

【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。

解答链路控制的主要功能有三个(1封装成帧(2透明传输(3差错检测。

数据链路层做成可靠的链路层就表示从源主机到目的主机的整个通信路径中的每一段链路的通信都是可靠的。

这样做的优点是可以使网络中的某个节点及早发现传输中出了差错因而可以通过数据链路层的重传来纠正这个差错。

如果数据链路层不做成可靠的链路层那么当网络中的某个节点发现收到的帧有差错时不管数据链路层是否做成可靠的这个检查差错的步骤总是要有的就仅仅丢弃有差错的帧而并不通知发送节点重传出现差错的帧。

只有当目的主机的高层协议例如运输层协议

TCP

发现了这个错误时才通知源主机重传出现差错的数据。

但这时已经较迟了可能要重传较多的数据包括没有出差错的数据对网络资源有些浪费。

UDP

并不要求重传有差错的数据。

在这种情况下如果数据链路层做成可靠的链路层那么在某些情况下并不会带来更多的好处例如当高层传送实时音频或视频信号时。

换言之增加了可靠性牺牲了实时性有时反而是不合适的。

解答适配器又称为网络接口卡或简称为网卡。

在适配器上面装有处理器和存储器包括

RAM

)。

适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的1/O总线以并行传输方式进行的。

因此适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。

由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储器。

若在主板上插入适配器时还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。

这个驱动程序以后就会告诉适配器应当从存储器的什么位置把多长的数据块发送到局域网或者应当在存储器的什么位置把局域网传送过来的数据块存储下来。

适配器还要能够实现以太网协议。

CPU

可以处理其他任务。

当适配器收到有差错的帧时就把这个帧丢弃而不必通知计算机。

当适配器收到正确的帧时它就使用中断来通知该计算机并交付协议栈中的网络层。

当计算机要发送

数据报时就由协议栈把

【3-04】数据链路层的三个基本问题封装成帧、透明传输和差错检测为什么都必须加以解决

解答封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部在首部和尾部里面有许多必要的控制信息这样就构成了一个帧。

接收端在收到物理层上交的比特流后就能根据首部和尾部的标记从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

所谓透明传输就是上层交下来的数据不管是什么形式的比特组合都必须能够正确传送。

由于帧的开始和结束标记使用专门指明的控制字符因此所传输的数据中的任何比特组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样否则就会出现帧定界的错误。

数据链路层不应当对要传送的数据提出限制即不应当规定某种形式的比特组合不能够传送。

如果数据链路层没有差错检测那么当目的主机收到其他主机发送来的数据时在交给高层后如果应用程序要求收到的数据必须正确无误那么目的主机的高层软件可以对收到的数据进行差错检测。

如果发现数据中有差错就可以请求源主机重传这些数据。

这样做就可以达到正确接收数据的目的。

但这种工作方式有一个很大的缺点就是一些在传输过程中出现了错误的数据请注意这些已经是没有用处的数据还会继续在网络中传送这样就浪费了网络的资源。

例如源主机到目的主机的路径中共有20个节点。

在传送数据时第一个节点就检测出了差错。

如果数据链路层有差错检测的功能就可以把这个有差错的帧丢弃以后就不再传送了。

否则这个没有用处的帧还要在网络上继续传送还要陆续通过后面的19个节点这就造成了网络资源的浪费。

解答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因此不知道应当在什么时候把收到的数据交给上一层。

【3-06】

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

协议规定了特殊的字符作为帧定界符以便使接收端能从收到的比特流中准确地找出帧的开始和结束位置。

(3透明性

协议能够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

PPP

等在同一条物理链路上的运行。

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支持多种类型链路

能够在多种类型的链路上运行。

例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

适用于线路质量不太差的情况。

如果通信线路质量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正确无误。

这样就会使数据的传输效率降低。

CRC

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

现在要发送的数据在传输过程中最后一个1变成了0即1101011010。

把检验序列1110接在数据1101011010的后面下一步就是进行

CRC

若要发送的数据在传输过程中最后两个1都变成了0即1101011000。

把检验序列1110接在数据1101011000的后面下一步就是进行

CRC

检验时如果发现有差错就简单地丢弃这个帧。

数据链路层并不能保证接收方接收到的和发送方发送的完全一样。

CRC

帧的数据部分用十六进制写出是7D5EFE277D5D7D5D657D5E。

试问真正的数据是什么用十六进制写出?

【3-10】

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

经过零比特填充后变成011011111011111000加下画线的0是填充的另一个比特串0001110111110111110110:

删除发送端加入的零比特就是把一连5个1后面的0删除。

因此删除发送端加入的零比特后就得出000111011111-11111-110连字符表示删除了0)。

【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由于电话系统的带宽有限而且还有失真因此电话机两端的输入声波和输出声波是有差异的。

从传送声波这个意义上讲普通的电话通信并不是透明传输。

但从听懂说话的意思来讲则基本上是透明传输。

但有时个别语音也会听错如单个数字1和7在电话中区别甚小。

如果通话的一方说1而另一方听成是7那么这就不能算是透明传输。

(2一般说来电子邮件是透明传输。

但有时不是。

因为国外有些邮件服务器为了防止垃圾邮件将来自某些域名如

的邮件一律阻拦掉。

这就不是透明传输。

有些邮件的附件在收件人的电脑上打不开。

这也不是透明传输。

【3-12】

-3-12中从链路静止到链路建立的这一过程。

我们知道只有建立了物理层连接即物理层链路上面的数据链路层连接才能建立。

LCP

配置选项包括链路上的最大帧长、所使用的鉴别协议的规约如果有的话以及不使用

PPP

帧中的地址和控制字段因为这两个字段的值是固定的没有任何信息量可以在

PPP

链路,接着就进入“鉴别”状态,发起通信的一方发送身份标识符和口令(系统可允许午用户重试若干次)。

若鉴别成功,则进入入“网络层协议”

PPPP

协议两端的网络层可以运行不同的网络层层协议,但仍然可使用同一个

PPP

当网络层配置完毕后,链路就进入入可进行数据通信的“链路打开””状态。

链路的两个

PPP

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

解答:局域网最主要的特点是:网络为为一个位所拥有,且地理范围和站点数数目均有限。

局域网刚刚出现时,比广域网具有更高的数数据率、更低的时延和更小的误码率。

但随随着光纤技术在广域网中的普遍使用,现在广域网也具有很高的数据率和很低的误码率。

局域网的地理范围较小,且为一个单单位所拥有,采用广播通信方式十分分简单方便。

但广域网的地理范围很大,如果采用广播播通信方式势必造成通信资源的极极大浪费,因此广域网不采用广播通信方式

【3-14】常用的局域网的网络拓扑有有哪些种类?现在最流行的是哪种结构构?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,但现在却改为使用用星形拓扑结构呢?

解答:最初局域网的网络拓扑有星形网、环形网(最典型的就是令牌环形网)和总线网。

在局域网发展的早期,人们都认为为有源器件比较容易出故障,因而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使用了有源器件,人们就认为这比比容易出故障,而要使这个

有源器件少出故障,必须使用非常昂贵贵的有源器件。

然而实践证明,连接有大大量站点的总线型

ASIC

。

802.3局域网对以太网标准中的帧格式做了很小的一点改动但允许基于这两种标准的硬件在同一个局域网上互操作。

符合这个标准的局域网称为802.3局域网。

DIX

802.3标准只有很小的差别因此很多人也常把802.3局域网称为以太网或基于

DIX

的以太网就表明在以太网适配器中在进行曼彻斯特编码之前基带信号每秒发送10x10个码元。

但是经过曼彻斯特编码之后原来的信号源的每一个码元都变成了两个码元。

因此最后经过网络适配器发送到线路上的码元速率是每秒20x10个码元即速率是每秒20兆码元。

-3-16所示的相反也就是说1对应于曼彻斯特编码的负跳变而0对应于曼彻斯特编码的正跳变。

【3-17】为什么

在1983年制定802.3标准时已经流行了几种不同的局域网。

因此802委员会决定把局域网的数据链路层协议再划分为两个子层一个是媒体接入控制

MAC

子层。

然而到现在过去曾流行过的令牌环形网、令牌总线局域网以及光纤分布式数据接口

FDDI

局域网都已经在市场上消失了。

因此在现在只剩下一种局域网以太网的情况下

LLC

协议很灵活哪个站想发送就可以发送而且发生碰撞的概率很小。

如使用时分复用

TDM

这好比在一个墟市中的交叉路路口的红绿灯系统。

当车辆很小小时,红绿灯可能会产生一些不必要的红灯等待。

但车辆的流量很大时,使用红月红绿灯系统就是非常必要的,可以使车辆的通行行有条不紊。

【3-20】假定1

只有经过这样一段时间后,发发送端才能收到碰撞的信息((如果发生碰撞的话),也才能指检测到碰的发生。

因此,最短帧长为10000

【3-21】什么叫作比特时间?使用这种时间间单位有什么好处?100比特时间是多少微微秒?

解答:比特时间就是发送1比特所需的时间,而不管数据率是多少。

需要要注意的是,发送

采用比特时间的好处是方便。

如果不不采用比特时间,那么当我们讨论某个个站发送数据时,

若所发送的数据共有6400比特,那么发送这6400比特所需的时间就是64000除以发送速率。

Mbits

但如果以“比特时间”为单位,那么不管发送速率是多少,发送640000比特所需的时间一

要把“比特时间”换算成“秒”或“微秒秒”,就必须先知道数据率是多少。

因此,要回答

“100比特时间是多少微秒?”这样的问问题,不给出数据率是无法回答的。

【3-22】假定在使用

以太网中某个站古在发送数据时检测到碰撞,执行退避算法时选择了随机数

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100Mbbits的以太网呢?

解答:对于10

的以太网,争用期是512比特时间。

现在严100,因此退避时间是

这个站需要等待的时间是51200//105120uIs5.12

对于100

的以太网,争用期仍然是5512比特时间,退避时间是51200比特时间间。

【3-23】教材上的公式(3-3)表示,以以太网的极限信道利用率与连接在以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与连接在以太网上的站点数无关?请说明你的理由。

解答以太网的利用率应当与连接在以太网上的站点数有关。

我们知道以太网各站发送数据的时刻应当是随机的。

但公式3-3表述的以太网的极限信道利用率基于这样的假定这个以太网使用了特殊的调度方法一个站发送完数据后另一个站就接着发送。

结果是各站点的发送都不会发生碰撞。

这样就使以太网的利用率达到最大值。

但我们注意到这已经不再是采用

CSMA

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

开始发送一帧并且在

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

发送的数据发生碰撞之前显然还没有发送完毕因为449小于上面算出的576)。

因此

在检测到和

51264576比特时间之前没有检测到碰撞那么就能表明这个以太网上没有其他站点在发送数据当然

225比特时间时

-3-25给出了在几个主要时间所发生的事件。

所有的时间单位都是比特时间。

225比特时间时

可以立即发送数据。

但根据协议发送前必须检测信道遇到忙则必须等待要等到信道空闲才能发送。

而

273比特时间时就开始检测信道但

还不能马上发送数据必须等待96比特时间后才能发送数据我们应当注意到以太网的帧间最小间隔就是9.6μ

这样当

从273比特时间算起经过1个争用期512比特时间时再次检测信道。

如空闲则

在96比特时间后即在

78596881比特时间时发送数据。

请注意只有从785比特时间一直到881比特时间

才能在881比特时间时发送数据。

当1594225819比特时间时,

就检测到信道忙,因此

【3-26】以太网上只有两个站,它们同时发送数据据,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

1,2,2,3,……。

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

解答:将第

0.5(0.25)(1-0.125)0.5(0.25)(0.875)0.101094

传送4次才成功]0.S(0.25)(0.125)(1-0.0625))0.5(0.25)(0.125)(0.9375)0.0146

(0.5)2(0.375)3(0.1094)44(0.0146)…

【3-27】有10个站连接到以太网上。

试计算以下下三种情况下毎一个站所能得到的带宽。

(1)10个站都连接到一个10

(1)假定以太网的利用率基本上达到100%,那么10个站共享10

Mbits

(2)假定以太网的利用率基本上达到100%,那那么10个站共享100

Mbits

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

IEEE

使用两根光纤其中一根用于发送另一根用于接收。

在标准中把上述的100BASE-

和100BASE-

3类线或5类线这是为已使用UTP3类线的大量用户而设计的。

它使用3对线同时传送数据每一对线以33Mbit/

Gbit

吉比特以太网可用作现有网络的主干网也可在高带宽高速率的应用场合中如医疗图像或

CAD

吉比特以太网的物理层使用两种成熟的技术一种来自现有的以太网另一种则是

ANSI

吉比特以太网工作在半双工方式时必须进行碰撞检测。

吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为100

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

帧的发送长度增加到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再向高层交付。

当原来仅64字节长的短帧填充到512字节时所填充的448字节就造成了很大的开销。

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。

当吉比特以太网工作在全双工方式时不使用载波延伸和分组突发。

10吉比特以太网简称为10GbE其正式标准是

IEEE

802.3ae它的帧格式不变。

10GbE还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。

这就使用户在对其已有的以太网进行升级时仍能和较低速率的以太网很方便地通信。

由于数据率很高10GbE不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。

它使用长距离超过40km的光收发器与单模光纤接口以便能够工作在广域网和城域网的范围。

10GbE也可使用较便宜的多模光纤但传输距离为65~300

CSMA

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。

10GbE的物理层则是新开发的。

10GbE有以下两种不同的物理层

(1局域网物理层

)因此一个10GbE交换机正好可以支持10个吉比特以太网接口。

WAN

-192/STM-64帧的有效载荷中这种广域网物理层的数据率为9.95328

Gbit

解答以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥它与工作在物理层的转发器和集线器有很大的差别。

此外以太网交换机的每个接口都直接与一个主机或集线器相连并且一般都工作在全双工方式。

当主机需要通信时交换机能同时连通许多对接口使每一对相互通信的主机都能像独占传输媒体那样无碰撞地传输数据。

以太网交换机和透明网桥一样也是一种即插即用设备其内部的帧转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

当两个站通信完成后就断开连接。

以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片交换速率较高。

Mbit

但由于一个用户在通信时独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽因此拥有

Mbit

有一些交换机采用直通的交换方式可以在接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的

MAC

。

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。

虚拟局域网

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。

每一个虚拟局域网的帧都有一个明确的标识符指明发送这个帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

1988年

IEEE

批准了802.3ac标准这个标准定义了以太网的帧格式的扩展以便支持虚拟局域网。

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

标记用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

如果还使用原来的以太网帧格式显然就无法划分虚拟局域网。

在一个用多个交换机连接起来的较大的局域网中可以灵活地划分虚拟局域网不受地理位置的限制。

一个虚拟局域网的范围可以跨越不同的交换机。

当然所使用的交换机必须能够识别和处理虚拟局域网。

在图

-3-29中在另外一层楼的交换机2连接了5台计算机并与交换机1相连接。

交换机2中的两台计算机加入到

VLAN

-20。

这两个虚拟局域网虽然都跨越了两个交换机但各自是一个广播域。

trunk

并没有连接到本交换机因此必须从汇聚链路把帧转发到交换机2但在转发之前要插入

VLAN

-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

Mbit

并且图中的9台主机中的任何一台都可以和任何一台服务器或主机通信。

试计算这9台主机和两台服务器产生的总的吞吐量的最大值。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SW2H4oCe-1678111953995)(C:\Users\Lyanjie\AppData\Local\Temp\WeChat

Files\3cd89fa0469fb23721144e759aad802.jpg)]

解答这里的9台主机和两台服务器都工作时的总吞吐量是9002001100

Mbit

。

3个系各有一台主机分别访问两台服务器和通过路由器上网。

其他主机在系内通信。

【3-31】假定在图

的集线器。

试计算这9台主机和两台服务器产生的总的吞吐量的最大值。

Mbit

的集线器。

试计算这9台主机和两台服务器产生的总的吞吐量的最大值。

Mbit

-3-33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。