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计算机网络 - 期中复习

2025/4/25 专业学习 private 计算机网络

前言：

以下是笔者为应付期中考试的一些复习和总结，由于复习地比较仓促，可能存在错误和遗漏，仅供后来者参考！主要是参考往年题按照题型进行了总结。刷题部分是手写，不传在这里了，晚点可能补充链接；简答题部分由于往年题参考答案不全，本人参考了PPT进行总结，可能存在错误；

题型

一、计算题

1.1 CRC检错码计算

  • 看给出的多项式\(G(x)\)的最高位\(r\)，则在数据位后添加\(r\)个\(0\)后再进行除法；
  • 这里的除法不同于常规的多项式除法，是模2除法，即按位异或；
  • 往往和HDLC协议结合出题，只需注意：
    • HDLC协议采用比特填充；
    • HDLC等协议差错校验和成帧的顺序是：
      • 发送方处理步骤：
        • 计算并添加校验码 -> 0比特填充 -> 添加收尾标记01111110
      • 接受方处理步骤：
        • 收到物理层的01比特串 -> 首先根据首尾标记位提出帧 -> 删除发送方添加的零比特，就是进行比特删除 -> 最后，进行差错校验

1.2 帧填充与识别

  • 熟悉比特填充、字符填充两种方式即可，会填充和识别；
  • HDLC使用比特填充法；
  • PPP使用字符填充法；

1.3 汉明编码

  • 在2的幂次位插入校验码；

1.4 最大传输速率问题

  • 熟悉三个公式：比特率和波特率的换算、Nyquist定理和香农定理。
  • 注意后两者计算的是理论上限；

1.5 分组交换和电路交换延时计算

  • 电路交换
    • 步骤如下：
      • 建立连接 -> 传输数据 -> 连接中止，释放资源；
    • 时延的计算公式如下：
      • \(T_{circuit} = T_{establish} + T_{trans} + h_{hop} * T_{prop} + T_{release}\)
    • 优点：
      • 稳定，时延低（Small Delay, Good Quality）；
      • 交换过程中控制方式简单；
    • 缺点：
      • 连接建立的时间较长；
      • 带宽固定，不适用于多样的传输服务；
      • 当两端都没有数据要发送时，造成信道资源浪费；
  • 分组交换
    • 步骤如下：
      • 将较大的数据包分为多个 Packet 进行传输；
      • 每个 Packet 都有独立的路由（即可能需要携带额外的控制信息）；
      • 每个 Packet 经过一跳到达中继节点时，都需要进行存储 - 转发 Store-and-Forward；
    • 忽略排队和处理时延，时延的计算公式如下：
      • Let size of date = \(M\)，size of each packet = \(P\)，the date rate of the channel = \(B\)；
      • So num of packets \(n = \left \lceil \frac{M}{P} \right \rceil\)，each packet's transmission delay \(T_{trans} = \frac{P}{B}\)，each hop's propagation delay \(T_{prop} = \frac{s}{v_{prop}}\)；
      • \(T_{packet} = (n - 1) * t_{trans} + h * (T_{prop} + T_{trans})\)；
    • 优点：
      • 信道效率提高；
      • 速率适配；
      • Packet 可以在节点较忙时先被缓存再发送（排队制，不过可能造成传送速率减慢，但可以引入优先级机制）；
    • 缺点：
      • 网络更加复杂；
      • 传播过程中的时延更长；
      • 没有 QoS，即服务质量保证；

1.6 最小帧长度的计算

  • 以太网或其他使用CSMA/CD技术的LAN，都需要满足条件：\(\frac{M_{min}}{B} = 2\tau\)；确保有足够的时间检测冲突；
  • 对于10M以太网，\(2\tau = 51.2us\)；据此得到最小帧长度为64Bytes；
  • 事实上，对于10兆以太网，数据帧长度范围为46Bytes ～ 1500Bytes，加上18位控制字符，最终帧长度范围为64Bytes ～ 1518Bytes；
  • 帧的地址字段长度为6Bytes；

二、简答题

2.1 物理层相关

  1. （2012/2014/2015年期中）请写出采用调制解调器 MODEM 拨号上网时，什么因素限制了调制解调器的带宽？为什么拨号上网的上行和下载速度不相同？

上行受到模拟信号转数字信号的信噪比影响，根据香农公式，最大数据率受到限制，而下行并不会受到限制，

  1. （2019年期中）两台计算机使用调制解调器利用电话线进行通信，不适合成帧的方法有哪些？说明原因。

调制解调器接受和传送数据的单位是字节而不是位/比特，所以不适合用比特填充法成帧；

  1. （2015年期中）为什么普通电话线无法传送计算机网络数据，而采用 ADSL 电话线就可以传送？

ADSL 使用的电缆扩展了普通电话线的带宽到3400Hz以上。

  1. （2020年期中）ADSL用户线的传输介质？复用技术？ADSL用户到端局的数据链路层采用的协议？其向上层提供的服务？成帧技术？

传输介质：普通电话线，即3类双绞线 Twisted Pair UTP3，但相较于普通电话线扩展了带宽到3400Hz以上。普通电话线有滤波器，它没有。

复用技术：模拟信号，采用频分复用 FDM；

用户到端局的数据链路层采用的协议：端到端，采用PPP协议，以字符为单位；

其向上层提供的服务：非对称数据传输，下行速率远高于上行速率，适用于家庭用户“多下载少上传”的需求；为网络层的多种不同的协议提供支持、提供身份认证、协商IP等（即PPP协议的服务）。

成帧技术：字符填充法；

  1. （2012年期中）传输介质速率比较。

传输速率/带宽：双绞线 < 细缆 < 粗缆 < 光纤；

2.2 滑动窗口协议部分

  1. （2013年期中）在滑动窗⼝协议中，采⽤重发计时器和ACK计时器各有什么作⽤？这两者在数值上有什么关系？ (6分）

重发计时器 Frame_Timer，在发送方发送一个帧时启动，如果在规定时间内未收到该帧对应的ACK，则进行超时重传，每一个帧对应一个计时器；用于确保数据最终被可靠地传送到接收方；

ACK计时器 ACK_Timer，一般只在选择重传协议中使用。它的工作机制如下，在接收方从接收窗口下沿依次提交收到的帧并向前滑动时，会启动 ACK_Timer；在 ACK_Timer的规定时间内，如果有接收方有数据要发送，则停止 ACK_Timer，采用 Piggybacking 将 ACK 和数据一起发送给发送方；如果 ACK_Timer 超时，则单独发送 ACK 给 发送方，同时停止计时器。ACK_Timer 通过延时确认，提高了网络效率，减少了单独的 ACK 报文数量。由于采用累积 ACK 的方式，所以接收方只需要一个 ACK_Timer。

在时间关系上，书上给出了以下关系：\(2t_{prop} + ack\_timer < frame\_timer\)，不等式左边表示从发送方发送数据帧到接收方发送 ACK 并返回 ACK 所需的最大时间，不等式右边表示发送方的重传计时器的超时时间，即等待 ACK 的最大时间。小于关系避免了发送方在 ACK 尚未到达前误判数据帧丢失并进行不必要的重传。

2.3 共享信道协议

  1. （2018年期中）共享信道协议中，评价一个协议优劣的两个主要指标是什么？

低负载情况下的时延和高负载下的吞吐量（或信道利用率）；

低负载下适合用竞争的方法（即 1-persistent CSMA）；而 p 越小，负载高时，发送帧的随机化越好，冲突越小，吞吐量越高；

  1. （2020年期中）简述什么是隐蔽站问题？802.11(CSMA/CA)如何解决？

隐蔽站问题，即假如A需要向B发送数据，但此时站点C位于A的监听范围之外，但出于B的范围内，C同时也要向B发送数据。由于A无法监听到C，仍会发送数据造成冲突；
CSMA/CA技术

  1. （2015年期中）提高信道利用率的措施？

增加发送字节的长度、采用滑动窗口技术等；

2.4 参考模型

  1. OSI参考模型

应用层：提供应用相关的服务；
表示层：信息的表示、加密、压缩等；
会话层：进程会话控制、令牌管理、同步；
（以上三层的数据单元为 Message 消息）；
传输层：实现可靠的端到端的传输，数据单元为 Segment 段；
网络层：进行路由转发，实现拥塞控制、服务质量管理和网络互联，数据单元为 Packet 分组；
数据链路层：数据单元是 Frame 帧；
物理层：数据单元是 Bit 比特；

  1. TCP/IP参考模型

网际层：分组交换、路由，采用IP协议；
传输层：分为TCP(可靠的面向连接的服务)和UDP(不可靠的无连接的服务)

  1. IEEE 802 参考模型

将数据链路层又划分为以下两个子层：

逻辑链路控制子层（LLC）：为网络层提供统一的接口；流量控制；差错控制；网桥；
介质访问控制子层（MAC）：成帧；差错检查；MAC地址；介质访问多路控制；局域网交换，VLAN；

  1. （2013年期中）针对OSI参考模型和TCP/IP参考模型，各写出两点不足；

OSI模型的缺点：
（1）实现复杂度高：七层划分过于细致，导致协议实现成本高，尤其在会话层和表示层功能重复（如加密、压缩等），实际应用中常被合并；
（2）缺乏灵活性：属于理论标准，未充分考虑实际网络需求（如互联网的IP协议）；

TCP/IP模型的缺点：
（1）层次划分粗糙：可能导致协议功能边界模糊；
（2）无明确服务/接口定义：OSI模型严格区分服务、接口和协议，而TCP/IP模型仅关注协议实现，缺乏标准化接口描述，不利于系统集成；

  1. （2013年期中）解释协议和服务概念，并说明⼆者之间的关系。协议数据单元（PDU）和服务原语有什么区别和联系？

协议：两个系统同一层的对等实体之间进行通信需要共同遵守的规则；
服务：某层实体对于上一层实体的支持，即对上一层提供的功能集合；
协议与服务的关系：一层协议的实现需要下层的服务，本层服务的实现需要协议的支持，协议是水平的，服务是垂直的。但注意，本层协议改变不一定会导致本层服务改变，本层服务不变、协议改变不会影响上一层服务，但是本层服务改变会影响相邻上一层的服务；
接口：定义某层实体对于上一层提供的服务原语操作；

服务原语：用户与层间服务交互的命令，用于请求或响应服务；
协议数据单元PDU：是同层对等实体之间交换的数据单元，包含协议头（即对上层数据进行封装的操作）和上层数据；
PDU和服务原语的区别和联系：区别上，PDU为同层之间的水平通信，服务原语为层间的垂直通信，属于用户与服务的交互命令；PDU是实现协议的载体，而服务原语触发协议动作，用户通过服务原语间接使用协议功能；

  1. （2015年期中）请写出计算机网络层次化设计方法的设计原则。

（1）各层应执行定义明确的函数 (Each layer should perform a well-defined function)

这意味着每一层需要专注于解决特定类型的问题或提供特定的服务。功能的划分应该清晰，避免不同层次的任务相互混淆。这有助于简化设计和实现，并使各层能够独立开发和维护。

（2）层间边界的选择应使接口处的信息流最小化 (The layer boundaries should be chosen to minimize the information flow across the interfaces)

相邻层之间的交互（通过服务访问点 SAP）应该尽可能简单。理想情况下，一层应该只向其上一层提供必要的、最小化的服务，减少不必要的依赖和信息传递。这有助于降低协议开销，并提高系统的效率和模块化程度。

（3）层次的数量应适中 (The number of layers should be...)

层次的数量既不能太多，也不能太少。应该足够多，以确保不同的功能不会被不恰当地合并到同一层中，保持每层的职责单一和清晰。 应该足够少，以避免架构过于庞大和复杂，减少不必要的开销（如每层添加头部信息）。 需要在功能清晰度和整体复杂性之间找到平衡。

2.5 无线通信

  1. （2019年期中）简要解释WLAN中的TXOP机制。

TXOP，即Transmission Opportunity，传统的信道分配方式是站点每次发送一帧，即“你发一帧我发一帧”这种形式，但这对于数据率大的站点并不公平，并且低速站点会拉低吞吐量。使用TXOP机制时，每个站点获得相等的发送时间，比如假如有\(n\)个站点，每个站点的速率为\(c_i\)，那实际传输过程中，每个站点的速率为\(\frac{c_i}{n}\)，保证了每个站点都获得相等的发送时间；

  1. （2019年期中）无线局域网的协议标准是什么？什么是虚拟载波监听技术？

协议标准：IEEE 802.11；

虚拟载波监听技术：
（1）每个站点都维持一个 NAV（Network Allocation Vector，网络分配向量）；
（2）发送方在发送帧时，携带一个 NAV，表示信道将被占用的时长；
（3）接收方在接收到帧后，更新本地的 NAV，根据 NAV 确定需要的退避时间，以避免冲突。

2.6 一些设备

  • Repeater：互联设备，属于物理层；用于将两个总线型的以太网进行连接；
  • Bridge：网桥，属于数据链路层；用于将两个局域网进行互联；
  1. 网桥和交换机的共同点和区别：

共同点：都是数据链路层设备；
不同点：
（1）网桥主要用软件处理；而交换机的处理是硬件层面的；
（2）网桥同时只能分析和处理一帧，而交换机一次性可以处理大量帧；
（3）网桥采用存储转发方式，而交换机还可以通过直通 Cut-Through 等方式加快传输速率；

  1. （2018年期中）能隔离广播风暴的设备有？

路由器 and VLAN交换机，两者分别工作在不同的层；

2.7 虚拟局域网VLAN

  • 将局域网在逻辑上划分为多个广播域；
  • 每个 VLAN 都有一个唯一的标识符 VLAN ID；通过这个实现区分；
  • 不支持 VLAN 的交换机无法识别帧中的 VLAN ID；
  1. （2019年期中）使用 VLAN 交换机可构建逻辑上相互隔离的多个网络，广播和组播报文也会被隔离吗？ 说明原因？

可以隔离。VLAN通过在数据链路层进行逻辑隔离，默认情况下会隔离广播和未知组播报文，将其限制在各自的VLAN内部，从而提高网络性能和安全性。

考后回忆和复盘

题量比较大，一共9道大题，考试时间是85分钟，还是有一些往年题的，你邮经典藏往年题然后吃老本。懒得回忆具体数据了，和上面整理的内容重合度还蛮高的。好好看PPT和作业题即可。当然，如果我的整理对你有帮助，那么就更好了。