习题

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2. 简述分组交换的要点

分组交换是计算机网络中的一种数据传输方式，主要特点包括：

  • 数据分组传输：将数据分成多个小的分组，每个分组独立传输，带有源地址和目的地址。
  • 路径动态选择：每个分组可以根据网络状况选择不同的路径到达目的地，而不需要所有分组走相同的路径。
  • 无连接传输：不需要事先建立连接，分组可以独立传输，无需预留网络资源。
  • 资源共享：不同的分组可以共享网络带宽，有效利用网络资源，适合多用户、多任务环境。
  • 拥塞控制：网络节点通过缓存存储分组来控制流量，缓解网络拥塞。
  • 失序及恢复：由于不同分组可能经过不同路径，可能会失序到达目的地，目的节点需要将分组按顺序重新组装。

3. 分组交换与电路交换的比较

特性 分组交换 电路交换
建立连接 无需预先建立连接 需要预先建立连接
传输路径 每个分组路径可能不同，动态选择 固定路径，整个通信期间使用相同路径
何时需要地址 每个分组都需要携带源地址和目的地址 建立连接时指定源地址和目的地址
是否独占链路 否，不独占链路，多个用户可以共享同一链路 是，链路为独占资源，整个会话期间专用
网络拥塞 容易发生拥塞，必须通过拥塞控制机制缓解 拥塞较少，因为链路是预分配的
数据是否会失序 分组可能失序，需要重新排序 数据传输不会失序
端到端时延的确定性 时延不确定，依赖于网络状况和拥塞程度 时延确定，因为资源是固定预留的
适用的数据传输类型 适用于数据包传输、突发性数据传输 适用于实时传输，如语音或视频

5. 联网的发展大致分为哪几个阶段？请指出这几个阶段最主要的特点。

  1. 初期阶段（1960 s - 1970 s）：

    • 计算机网络的研究开始，早期网络如 ARPANET、ALOHA 网络诞生。
    • 主要用于科学研究和军事目的，重点在于基础连接和数据传输的可行性。

  2. 标准化与扩展阶段（1980 s - 1990 s）：

    • TCP/IP 协议成为网络的标准，互联网开始逐渐成型并推广。
    • 局域网（LAN）和广域网（WAN）技术发展，个人计算机和服务器网络连接普及。

  3. 互联网普及阶段（1990 s - 2000 s）：

    • 万维网（WWW）的诞生和推广推动了互联网的广泛使用。
    • 商业应用、电子邮件、即时通讯、电子商务等网络服务迅速发展。

  4. 高速网络与移动互联网阶段（2000 s - 2010 s）：

    • 宽带网络和移动互联网兴起，网络带宽和速度显著提升。
    • 移动设备接入网络成为主流，网络应用多样化，视频、云计算、社交网络大规模普及。

  5. 智能网络与物联网阶段（2010 s 至今）：

    • 5 G 技术、物联网（IoT）、云计算、人工智能与网络深度结合。
    • 网络应用向智能化、自动化方向发展，物理世界与数字世界进一步融合。

8. 计算机网络的类别及特点

  1. 局域网（LAN，Local Area Network）：

    • 通常覆盖一个小范围的地理区域，如办公室、校园。
    • 高速传输，低延迟，网络稳定。
    • 主要用于连接办公室内的计算机、打印机等设备。

  2. 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：

    • 覆盖一个城市或市区，连接多个局域网。
    • 传输速度适中，通常用于政府、企业、大学校园等大规模网络部署。

  3. 广域网（WAN，Wide Area Network）：

    • 覆盖大范围的地理区域，如国家、洲际网络。
    • 速度较慢，延迟较大，通常使用公用电信网络或卫星通信。

  4. 个人区域网（PAN，Personal Area Network）：

    • 通常是个体用户在个人范围内使用的网络，如蓝牙、红外线通信。
    • 覆盖范围小，传输距离短，适合个人设备间的数据共享和通信。

  5. 全球网（GAN，Global Area Network）：

    • 连接世界各地的网络，形成全球互联，如互联网。
    • 网络规模最大，覆盖全球，传输距离远，但可能受网络拥塞影响。

9. 联网的两大组成部分（边缘部分与核心部分）的特点及工作方式

  1. 边缘部分（Edge）：

    • 由终端用户设备（如计算机、手机）和接入网络的设备（如路由器、交换机）组成。
    • 工作特点：负责处理用户数据的产生、消费和初步传输，直接与用户互动，涉及数据的封装与传输。
    • 主要任务是数据的发送、接收、封装、拆封，用户与网络的接口。

  2. 核心部分（Core）：

    • 由大型交换机和路由器组成，形成高容量、高速传输的骨干网络。
    • 工作特点：负责高效传输和路由选择，保证不同网络间的数据传输与交换。
    • 主要任务是高效转发数据包，提供高速的数据传输路径，确保不同网络的互联互通。

10. 电路交换与分组交换传送报文的时延比较

假设要传送的报文共有 x（bit），从源点到终点经过 k 段链路，每段链路的传播时延为 d（秒），数据传输速率为 b（bit/s）。在电路交换时电路建立时间为 s（秒），分组交换时分组长度为 p（bit），且 x > p，各节点的排队等待时间忽略不计。

  • 电路交换的总时延

    $T_{\text{电路交换}} = s + \frac{x}{b} + k \cdot d$

    其中，( s ) 为电路建立时间，( \frac{x}{b} ) 为传输报文所需时间，( k \cdot d ) 为传播时延。

  • 分组交换的总时延：

    $T_{\text{分组交换}} = \frac{x}{b} + (k \cdot d)$

    每段链路都会进行分组转发，每个分组的传播时延为 ( d )，而传输时间取决于总数据量和分组长度。

因此，当 ( s > 0 )，即电路建立时间较长时，分组交换的时延可能小于电路交换的时延。

13. 计算机网络的常用性能指标

  • 带宽：指网络中单位时间内传输的数据量，通常以比特每秒（bps）为单位。
  • 时延：指数据从发送方传送到接收方所需的时间，包括发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。
  • 吞吐量：网络在单位时间内成功传送的数据量。
  • 丢包率：指网络中丢失的数据包比例，影响网络的可靠性。
  • 延迟抖动：指数据包到达接收方的时间间隔波动大小，通常影响实时通信的质量。

14. 计算发送时延和传播时延

信号传播速率为 ( 2 \times 10^8 ) 米/秒，传输距离为 1000 公里（即 ( 10^6 ) 米）。

  1. 情况 1：数据长度为 ( 10^3 ) bit，发送速率为 100 kbit/s。

    • 发送时延：

      $T_{\text{发送}} = \frac{10^3 \text{ bit}}{100 \times 10^3 \text{ bit/s}} = 0.01 \text{ 秒}$

    • 传播时延：
      $T_{\text{传播}} = \frac{10^6 \text{ 米}}{2 \times 10^8 \text{ 米/秒}} = 0.005 \text{ 秒}$

  2. 情况 2：数据长度为 ( 10^3 ) bit，发送速率为 1 Gbit/s。

    • 发送时延：

      $T_{\text{发送}} = \frac{10^3 \text{ bit}}{1 \times 10^9 \text{ bit/s}} = 10^{-6} \text{ 秒}$

    • 传播时延：

      $T_{\text{传播}} = 0.005 \text{ 秒}$

结论：传播时延只与物理距离有关，而与发送速率无关；发送速率越高，发送时延越小。

15. 网络体系结构为什么要采用分层次的结构？

  • 简化设计与实现：分层结构可以将复杂的网络功能拆分为更简单的、独立的模块，各层独立设计，彼此之间只通过接口通信。
  • 易于扩展与维护：修改一层的功能不会影响其他层，可以方便地扩展和升级网络。
  • 模块化设计：各层分工明确，每一层实现特定的功能，如物理层负责传输信号，传输层负责数据可靠传输。

类似的分层设计可在日常生活中看到，如建筑物的层次结构、电器设备的模块化设计等。

16. 协议与服务的区别及关系

  • 协议：是一组规则，定义了通信双方在传输数据时如何进行数据交换。协议规定了数据格式、传输方式、错误处理等。
  • 服务：是协议为上层提供的一种功能，定义了数据传输和处理的方式。服务可以看作协议对上层应用提供的接口。

关系：协议是实现服务的手段，服务依赖协议来实现具体的功能。

17. 具有 5 层协议的网络体系结构的要点

  1. 物理层：负责比特的传输，定义硬件接口、信号的电气特性、传输介质等。
  2. 数据链路层：负责点到点的可靠数据传输，解决传输错误和流量控制问题。
  3. 网络层：负责路由选择和分组转发，确保数据能从源端传送到目的端。
  4. 传输层：提供端到端的可靠数据传输服务，负责数据的分段、重组和错误恢复。
  5. 应用层：直接为用户提供服务，如 HTTP、FTP、SMTP 等，支持用户与网络的交互。

18. 试解释以下名词：协议栈、实体、对等层、协议数据单元。

  • 协议栈：网络协议按照不同的功能层次组成的协议组合，通常是纵向的层次结构。
  • 实体：在网络通信中，每一层的参与通信的对象称为实体，可以是软件进程、硬件设备等。
  • 对等层：处于不同机器中相同层次的实体之间的通信关系，称为对等层。
  • 协议数据单元（PDU, Protocol Data Unit）：每一层在传输过程中所处理的数据单元，各层的 PDU 不同，如网络层的 PDU 为 IP 分组。

20. 判断以下说法的正误

  1. 提高链路速率意味着降低了信道的传播时延。

    • 错误。传播时延取决于物理介质和信号传播速度，与链路速率无关。

  2. 在链路上产生的传播时延与链路的带宽无关。

    • 正确。传播时延取决于信号在介质中的传播速度，与带宽无关。

  3. 跨越网络提供主机到主机的数据通信属于运输层的功能。

    • 错误。这属于网络层的功能，传输层提供端到端的可靠传输。

  4. 发送时延是分组的第一个比特从发送方发出到该比特到达接收方所用的时间。

    • 错误。发送时延是发送方将所有比特推送到链路所需的时间，而不是比特到达接收方的时间。

  5. 由于动态分配通信带宽和其他通信资源，分组交换能更好更高效地共享资源。

    • 正确。分组交换通过动态分配带宽，可以有效提高资源利用率。

  6. 采用分组交换在发送数据前可以不必先建立连接，发送突发数据更迅速，因此不会出现网络拥塞。

    • 错误。虽然分组交换不需要建立连接，但在高流量情况下仍可能出现网络拥塞。

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1. 物理层要解决的问题

物理层主要解决以下几个问题：

  • 信号的传输：负责将比特流转换为电信号、光信号或其他形式的信号并在传输媒体中传输。
  • 传输介质：选择和定义适合的传输介质（如光纤、铜线、无线信道等）。
  • 信号特性：定义信号的电气特性（如电压、电流、频率等）以及信号的编码方式。
  • 数据速率：确定数据传输的速率和带宽要求。
  • 同步：确保发送方和接收方在时间上同步，以正确地解释信号。
  • 传输模式：定义传输模式（串行或并行传输）和信号的时序特性。

3. 物理层规定的接口特性

物理层规定了传输设备与传输媒体之间接口的以下特性：

  • 电气特性：定义信号的电压、电流、频率等参数。
  • 机械特性：描述连接器的物理形状、尺寸和接头类型。
  • 功能特性：说明信号的发送和接收过程，以及数据编码、调制等功能。
  • 规程特性：规定操作信号的规则，例如时钟同步和数据流控制。

4. 数据通信系统模型及组成构件

数据通信系统模型通常包括以下几个主要组成部分：

  • 数据源：产生数据的设备或用户，负责生成需要传输的信息。
  • 发送设备：将数据转换为可传输信号的设备，如调制解调器（modem）。
  • 传输媒介：数据传输所使用的物理介质，如电缆、光纤、无线信道等。
  • 接收设备：将传输信号转换回数据的设备，如调制解调器。
  • 数据目的地：接收并处理数据的终端设备或用户。

这些组件共同工作，实现数据从源头到目的地的有效传输。

5. 数据流 1010 0 011 的编码波形

下面是不同编码方式下的数据流 1010 0 011 的波形示例（从高电平开始）：

8. 信道的信噪比计算

要传送的数据速率为 ( R = 64 ) kbit/s，带宽为 ( B = 3 ) kHz。

使用香农定律：

$C = B \cdot \log_2 (1 + \text{SNR})$

其中 $( C )$ 是信道容量，$(\text{SNR})$ 是信噪比。

首先，求信道容量：

$C = 3000 \cdot \log_2 (1 + \text{SNR}) \geq 64,000 \text{ bps}$

$\log_2 (1 + \text{SNR}) \geq \frac{64,000}{3000} \approx 21.33$

根据对数的特性：

$1 + \text{SNR} \geq 2^{21.33} \approx 2,325,680$

$\text{SNR} \geq 2,325,680 - 1 \approx 2,325,679$

因此，这个信道应具有一个极高的信噪比。

9. 试解释以下名词：数据，信号，模拟信号，基带信号，带通信号，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。

  • 数据：表示信息的符号，通常以二进制形式存储和传输。
  • 信号：在物理介质上传输的电气或光学的物理表现，用于承载数据。
  • 模拟信号：连续的信号，具有无限的取值范围，通常表示自然界的变化（如声音）。
  • 基带信号：未经过调制的信号，直接在物理介质上传输。
  • 带通信号：经过调制的信号，通常在特定频率范围内传输。
  • 数字信号：离散的信号，通常以二进制表示，有明确的取值。
  • 码元：用于数字通信的基本单位，表示特定的信号状态。
  • 单工通信：数据只能单向传输的通信方式，如广播。
  • 半双工通信：数据可以双向传输，但不能同时进行的通信方式，如对讲机。
  • 全双工通信：数据可以双向同时传输的通信方式，如电话通话。
  • 串行传输：数据按位逐一传输的方式，节省线路。
  • 并行传输：数据多位同时传输的方式，速度快，但需多根线路。

10. 传输媒体类型及特点

  • 双绞线：

    • 便宜，易于安装。
    • 抗干扰能力较弱，适用于短距离通信。

  • 同轴电缆：

    • 带宽大，抗干扰能力强。
    • 适合长距离传输，但安装较为复杂。

  • 光纤：

    • 带宽极高，传输距离长。
    • 抗干扰能力强，适合高速度数据传输。

  • 无线信道：

    • 无需物理介质，适合移动设备。
    • 受环境干扰大，传输速度较低。

11. 信道复用技术的使用

信道复用技术用于提高传输效率，使多个信号可以在同一物理信道上并行传输，最大限度地利用带宽。常用的信道复用技术有：

  • 频分复用（FDM）：将信道分为不同频率段，每个信号占用一个频段。
  • 时分复用（TDM）：按时间分配信道，信号轮流在同一频率上传输。
  • 码分复用（CDM）：每个信号使用独特的码序列在同一时间、同一频率上传输。

13. 码分多址（CDMA）的优缺点

优点：

  • 抗干扰能力强：使用独特的码序列，可以有效抵抗干扰。
  • 频谱利用率高：多个用户可以在同一频带内同时传输，提高带宽利用率。
  • 安全性高：难以被截获和干扰。

缺点：

  • 复杂度高：解码和编码过程复杂，需要更多的处理能力。
  • 功率控制难：用户间的功率需要精确控制，以避免干扰。
  • 邻近信道干扰：在高密度用户情况下，可能会引起邻近信道干扰。

15. ADSL、HFC 和 FTTx 接入技术的比较

  • ADSL（非对称数字用户线）：

    • 优点：可以在现有电话线上实现高速数据传输。
    • 缺点：上行速度较低，距离远时性能下降。

  • HFC（混合光纤同轴电缆）：

    • 优点：结合光纤和同轴电缆的优势，支持高速数据传输。
    • 缺点：受限于同轴电缆的带宽，用户数量增多时速度下降。

  • FTTx（光纤到某处）：

    • 优点：提供极高的带宽，适合高速互联网接入。
    • 缺点：部署成本高，受限于光纤的铺设范围。

16. 为什么在 ADSL 技术中，在不到 1 MHz 的带宽中可以传送的速率却可以高达每秒几兆比特？

在 ADSL（非对称数字用户线路）技术中，虽然传输带宽限制在 1 MHz 以下，但它采用了多种先进的调制和信号处理技术，使得在该带宽内能够实现较高的数据传输速率：

  1. 多载波调制：ADSL 使用离散多音频调制（DMT）技术，将可用带宽分成多个小的子载波通道。每个子载波可以独立调制，从而提高整体传输效率。

  2. 高效的编码和调制方式：ADSL 使用像 QAM（正交幅度调制）等高效的调制方式，以便在有限的频谱内传输更多的数据。

  3. 频率分离：ADSL 将语音和数据传输分开。在同一条电话线上，低频部分用于语音通信，高频部分用于数据传输，从而避免了信号干扰。

  4. 信道复用：通过信道复用技术，ADSL 能够在同一物理媒体上同时传输多种信号，提高了带宽的利用率。

这些技术的结合使得 ADSL 能够在不到 1 MHz 的带宽中实现每秒几兆比特的高数据传输速率。

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17. 断以下说法的正误。

（1）DSL 和电话网拨号接入技术都要通过电话网经过电话交换机连接到 ISP 的路由器。

  • 正确。DSL 和拨号接入都需要通过电话网的基础设施进行连接。

（2）通过 ADSL 上网的同时可以利用同一条电话线打电话。

  • 正确。ADSL 技术允许同时进行数据传输和语音通话，因为它将信号频率分开。

（3）双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样不容易被拉断。

  • 正确。双绞线的结构使得它在一定程度上抵抗外部干扰和物理拉伸，但仍然需要小心处理，以免损坏。

（4）信道复用技术可以将多路信号复用到同一条传输线路上进行传输，而不会混淆，因此能使该传输线路的带宽成倍增加。

  • 正确。信道复用允许在同一传输媒介上同时传输多个信号，提升了带宽利用率。
    大多数都是士大夫首发式
    士大夫随风倒