计算机网络-谢希仁-第7版-第一章部分习题及解析

计算机网络-第一章-计算机网络概述

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题目：P38 习题1-03、1-10、1-11、1-17、1-19、1-20、1-22、1-24
习题来自《计算机网络（第7版）》，谢希仁编著，习题解析部分来自百度谷歌，部分来自该书原文，部分为博主原创，由博主整理编辑，如有侵权联系删除，如有谬误敬请批评指正。

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习题1-03 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

三种交换方式的主要特点如下：

• 电路交换：整个报文的比特流从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
• 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
• 分组交换：将报文分成多个分组，每个分组先传送到相邻节点，存储后查表，转发到下一节点。

下表总结三种交换方式在各个方面的优缺点：

	电路交换	报文交换	分组交换
优点	大量数据传输时传输速率快，没有分组或建立转发表的开销。	动态分配传输带宽，分段占用传输链路，信道利用率高。	每一个分组单独选择合适的路由器，灵活且可靠，延时较小。
缺点	传输过程中占用整个端到端的链路，需要提前分配传输带宽，传送突发数据时信道利用率低。	产生了转发表等开销，由于转发而产生一定的延时。	无法保证通信端到端的带宽，所携带的控制信息产生了额外开销。

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习题1-10 试在下列条件下比较电路交换与分组交换：要传送的报文共 $x(bit)$x(bit) ，从源点到终点共经过 $k$k 段链路，每段链路传播时延为 $d(s)$d(s) ，数据率为 $b(bit/s)$b(bit/s) 。在电路交换时电路的建立时间为 $s(s)$s(s) ，在分组交换时分组长度为 $p(bit)$p(bit) ，各结点的排队等待时间忽略不计。问在怎样的条件下分组交换比电路交换的时延小？

对于电路交换而言，从 $t=0$t=0 时刻开始，在 $t=s$t=s 时刻完成线路建立，在 $t=s+x/b$t=s+x/b 时刻，所有数据发送出去，在链路中传播时间共 $kd$kd ，因此总时延是 $s+x/b+kd$s+x/b+kd 。

对于分组交换而言，从 $t=0$t=0 时刻开始，在 $t=x/b$t=x/b 时刻所有数据发出，在链路中传播的时间为 $kd$kd ，但中途要经过 $k-1$k−1 个结点的转发，每次转发需要耗时 $p/b$p/b ，中途转发一共耗时 $(k-1)p/b$(k−1)p/b ，因此总时延是 $x/b+kd+(k-1)p/b$x/b+kd+(k−1)p/b 。

若要分组交换时延小于电路交换，则有 $(k-1)p/b<s$(k−1)p/b<s 。

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习题1-11 在习题1-10的分组电路中，设报文长度和分组长度分别为 $x(bit)$x(bit) 和 $(p+h)(bit)$(p+h)(bit) ，其中 $p$p 为分组的数据部分长度， $h$h 为每个分组所带的控制信息固定长度，与 $p$p 的大小无关。通信两端共经过 $k$k 段链路，数据率为 $b(bit/s)$b(bit/s) ，传播时延和结点排队时间忽略不计。若打算使总时延最小，问分组数据部分长度应该取多大？

分组电路增加控制信息后的发送报文总长度变为 $x*\frac{p+h}{p}$x∗pp+h​ ，源发送时延为 $\frac{x(p+h)}{pb}$pbx(p+h)​ ；转发过程中，共需要 $k-1$k−1 个结点转发，每次转发耗时 $(p+h)/b$(p+h)/b ，转发时延为 $(k-1)(p+h)/b$(k−1)(p+h)/b ，而传播时延和排队时间都不计，则总时延为$\frac{x(p+h)}{pb} + (k-1)\frac{p+h}{b}$pbx(p+h)​+(k−1)bp+h​ ，其中只有 $p$p 是变量。对 $p$p 求导以计算总时延的极值，得到 $p = \sqrt{hx/(k-1)}$p=hx/(k−1)​ 。

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习题1-17 收发两端的传输距离为 $1000 km$1000km ，信号在媒体上的传播速率为 $2 \times 10^8 m/s$2×108m/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 $10^7 bit$107bit ，数据发送速率为 $100kbit/s$100kbit/s
2. 数据长度为 $10^3 bit$103bit ，数据发送速率为 $1Gbit/s$1Gbit/s

从以上的计算结果可以得出什么结论？

1. 发送时延：$10^7 \div (100\times10^3) = 100s$107÷(100×103)=100s ，传播时延：$1000\times10^3 \div (2\times10^8)=5\times10^{-3}s=5ms$1000×103÷(2×108)=5×10−3s=5ms
2. 发送时延：$10^3 \div (1\times10^9) = 10^{-6}s=1\mu s$103÷(1×109)=10−6s=1μs ，传播时延：$1000\times10^3 \div (2\times10^8)=5\times10^{-3}s=5ms$1000×103÷(2×108)=5×10−3s=5ms

从计算可以得出结论：数据总时延中，发送时延和传播时延所占的比例是不定的。同一段链路的传播时延往往是固定的，而发送时延则要视数据长度和发送速率决定。

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习题1-19 长度为100字节的应用层数据交给运输层传送，需要加上20字节的TPC首部；再交给网络层传送，需要加上20字节的IP首部；最后交给数据链路层的以太网传送，需要加首部和尾部共18字节。试求数据的传输效率（发送到应用层的数据除以所发送的总数据）。若应用层数据长度1000字节，则传输效率是多少？

若应用层数据100字节，传输效率为 $100/(100+20+20+18) = 63.3\%$100/(100+20+20+18)=63.3% 。

若应用层数据1000字节，传输效率为 $1000/(1000+20+20+18)=94.5\%$1000/(1000+20+20+18)=94.5% 。

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习题1-20 网络体系结构为什么要采用分层次的结构？试举出与分层体系结构思想相类似的日常生活的例子。

实现信息在网络中的传输是复杂的，而分层是将复杂问题简单化、局部化的有效方法。例如在信息传递的过程中，有铜线、光纤、无线等不同的传播介质，有不同的计算机软硬件平台接入网络，通信双方通信的内容对带宽的要求有差异，传输距离有长有短…如果整体考虑，需要纷繁复杂的网络体系。但是如果从底层到数据为网络传输分层，就可以在每一个层次中分别设计协议、解决问题。

日常生活中的分层体系结构非常多，例如生物学上的生物分类就是典型的分层结构，从上至下将生物分为门、纲、目、科、属、种，在每一个层次分类中研究该类别生物的统一特性，有利于体系化地研究生物进化系统。

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习题1-22 网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？

为网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。网络协议的三要素为：

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

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习题1-24 试叙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。

OSI的七层协议体系结构概念清楚，理论完整，但它既复杂又不实用；TPC/IP是应用广泛的四层协议，包含了应用层、运输层、网际层和网络接口层，但从实质上讲，最下面的网络接口层没有什么具体内容。因此在学习原理时往往采用五层协议网络体系结构，综合OSI和TPC/IP的优势，既简单又能将概念阐释清楚。五层体系结构的各个层次分别是：

1. 应用层（Application Layer）通过进程交互完成特定网络应用，应用层协议的定义是应用进程间交互和通信的规则。这里的进程指主机中正在运行的程序。具体例子有域名系统DNS、万维网HTTP协议、电子邮件SMTP协议等。应用层交互数据成为报文（message）。
2. 运输层（Transport Layer）负责向两台主机中进程通信提供通用数据传输的服务。所谓“通用”，指的是并不针对特定网络应用，多种应用使用同一个运输层服务，有复用和分用的功能。
3. 网络层（Network Layer）负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层将运输层产生的数据进行分组或分包传送。
4. 数据链路层（Data Link Layer）分组交换在一段一段的链路上传播，在相邻两个结点传送数据时，数据链路层将网络层的数据组装成帧（framing），帧中包含了数据和必要的控制信息。此外，数据链路层还要负责数据的检错和纠错。
5. 物理层（Physical Layer）负责传输具体的0或1的比特流，考虑诸如采用多大的电压来表示01，接收方如何识别对方发出的比特，以及电缆插头引脚如何连接的问题。