Xx学年电信系计算机网络考试试卷（A卷）
参考答案
班级 姓名 学号 成绩
评分准则：本试卷包括13题，每题10分，请选择其中10题并完成试卷；如果选做题数超过10题，得分最高的10题将纳入试卷成绩。
一、计算机网络体系结构
(1) 做出ISO/OSI协议参考模型和TCP/IP网络体系结构示意图，并对其异同点进行分析。
(2) 在ISO/OSI协议参考模型的各层中，所处理的数据单元是什么，所部署的网络设备的主要功能是什么？
(1)做出ISO/OSI协议参考模型和TCP/IP网络体系结构示意图
ISO/OSI 参考模型
| TCP/IP 模型，采用层次化画法
TCP/IP模型，采用非层次化画法 | |||||||||||||
两者的共同点：
它们都是基于独立的协议栈的概念，而且层的功能大体相似。例如，两个模型中，传输层以及传输层以上的层次都是为通信的进程提供端到端的、与网络无关的传输服务的。
两者的不同点：
⏹OSI参考模型是一个抽象的概念，过于复杂而未实用，TCP/IP是事实上的国际标准
⏹OSI参考模型采用了七个层次的体系结构，而TCP/IP体系结构分为四层
⏹OSI参考模型有严格的分层，而TCP/IP体系结构没有严格的划分层次，应用层可以之间使用IP
⏹OSI参考模型没有规定各层应该采用的协议，而TCP/IP体系结构的协议族呈现沙漏的形状，IP协议被定义为各种网络中分组交换互联的公共的方法，是整个网络体系架构的关键点
(3)
OSI参考模型中，各层处理数据单元，及其网络设备功能如下：
模型层次 | 数据单元 | 网络设备osi参考模型的主要内容是什么 | 设备功能 |
应用层 | 消息 message | 网关 gateway | 实现高层协议转换 |
表示层 | 消息 message | 网关 gateway | 实现高层协议转换 |
会话层 | 消息 message | 网关 gateway | 实现高层协议转换 |
传输层 | 报文段 segment | 网关 gateway | 实现高层协议转换 |
网络层 | 分组 packet/datagram | 路由器 router | 路由转发 |
数据链路层 | 帧 frame | 交换机 switch 网桥 bridge | 分组交换 |
物理层 | 比特 bit | 中继器 repeater 集线器 hub | 放大信号 |
二、在计算机网络领域中有很多重要的系统设计原则，试从下列原则中选取三个，结合案例论述其含义
1)沙漏(或称细腰型)的网络体系结构 (Hourglass/narrow waist network architecture model )
2)边缘复杂核心简单的网络功能划分 (Complex edge and simple core)
3)尽力服务的服务模型 (Best-effort service model)
4)聪明发送方与笨拙接收方的TCP协议设计 ( Smart sender/dumb receiver)
5)简单和愚蠢的以太网设计理念 (KISS: Keep It Simple and Stupid)
(1)沙漏(或称细腰型)的网络体系结构 (Hourglass/narrow waist network architecture model )
沙漏模型表示网络体系结构的协议栈形如细腰，其中间部分采用了代表最小的、经过精心挑选的通用功能集，它允许高层应用和低层通信技术并存。
符合该模型的网络体系结构案例有TCP/IP。IP协议可以为各种各样的应用提供服务（所谓的
Everything over IP），同时也可以运行到各式各样的网络上（所谓的IP over everything）。正因为如此，互联网才发展到今天的这种全球的规模。
(2)边缘复杂核心简单的网络功能划分 (Complex edge and simple core)
“边缘复杂核心简单”的含义：在网络边缘的主机的实现较为复杂、支持很多功能，而网络的节点的实现则比较简单、只实现较为简单的功能。网络负责实现基础的连接功能，复杂的网络功能留待网络边缘的主机来解决。
符合该模型的例子有分组交换网络，其网络中的节点仅仅转发分组，实现尽可能简单，而终端主机承担更多的任务。让主机负责端到端的可靠性不但没有给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在简单的网络上运行。不符合该模型的例子是电话交换网络，其终端设备电话的功能很简单，而网络中的节点电话交换机很复杂。
另外一个符合该模型的例子，但是教学内容没有涉及到的就是基于区分服务(DiffServ)的网络服务质量模型。
(3)尽力服务的服务模型 (Best-effort service model)
“尽力服务”的含义：网络尽力把报文送到其目的地。如果出现分组错误、丢失等情况，网络什么也不做。尽力服务提供的是一种不可靠的传输服务。
符合该模型的案例是IP服务模型。IP数据报在网络中以无连接方式发送分组，尽力的无连接的服务是互联网能够提供的最为简单的服务，有利于保持路由器设计的简单。
(4)聪明发送方与笨拙接收方的TCP协议设计 ( Smart sender/dumb receiver)
“聪明发送方与笨拙接收方”的含义：接收方的设计尽可能简单，只响应从发送方来的报文，而不主动发起任何活动。
符合该模型的案例包括TCP流量控制机制。在流量控制过程中，发送方可能接收到大小为0的通知窗口信息；此后，接收方不主动通过ACK告知发送方窗口的变化，而由发送方定期通过发送只有1Byte的报文段触发接收方的响应，从而获得关于通知窗口的变化。
(5)简单和愚蠢的以太网设计理念 (KISS: Keep It Simple and Stupid)
“简单和愚蠢”原则的含义：很多系统在最简单设计情况下会工作得更加有效，因此保持系统
设计的简单成为了一个设计系统的核心原则，设计人员应该尽量避免系统设计过程中的复杂性。
符合该原则的案例就是以太网Ethernet的设计。以太网的设计过程中没有以复杂度追求高性能（例如同时代的令牌环网），而将寻址、MAC协议等的设计得尽可能简单，强调集线器、交换机、网卡等设备的即插即用特征。由于以太网简单的设计结构，既方便了网络的部署、维护和升级，又为硬件厂商预留了足够的改进空间，因此成为发展最为成功的局域网技术。
三、直接连接的网络：可靠传输
(1) 有人认为，只要接收方对每个收到的报文都有ACK回复，就可以实现可靠传输。这种观点对不对，为什么？
(2) 设卫星链路的数据率为1Mbps，单程传播时延为1.25sec，每帧携带2000bit数据。忽略误码率、确认帧长和处理时间，请问停止等待协议的信道利用率是多少？
(3) 在(2)的条件下，设计一个滑动窗口连续ARQ协议，为了达到该链路的带宽时延积，窗口大小需要多少帧，相应的窗口序号Seq需要多少bit来表示？
(1) 观点不对
最简单的可靠传输(Reliable Transmission)至少需要两个要素，除了接收方对每个收到的报文都有ACK回复以外，还需要定时器，这样才能触发重传。例如，停止等待的ARQ协议。
(2) 信道利用率为实际吞吐量与信道容量的比值。
停止等待协议每个RTT只能发送一个报文，其发送时延为：
2 k bit / 1Mbps = 0.002 sec.
该卫星链路的RTT为：
2 * 1.25 sec = 2.5 sec
因此其实际吞吐量为：
2 k bit / 2.502 sec = 0.799 k bps 或者 0.8 kbps
而卫星链路的数据率为1Mbps，因此信道利用率为：
0.799 kbps / 1Mbps = 0.08%
(3) 窗口大小设计是为了达到该链路的带宽时延积
该卫星链路的带宽时延积为：
1 Mbps * 2 * 1.25sec = 2.5 M bits
因此滑动窗口的大小为：
2.5 Mbit / 2 kbits = 1250
如果滑动窗口的接收窗口为1，则需要11bit表达；
如果滑动窗口的接收窗口与发送窗口一样大，滑动窗口的序号空间应该为窗口大小的两倍，序号空间应该达到2500，因为2048=211<2500<212=4096，所以序号需要12位bit表达
四、直接连接的网络：动态介质接入MAC
(1) 简述CSMA/CD 算法，物理传播时延对载波侦听CS有什么影响？
(2) 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为100Mbps，设信号在网络上的传播速率是200000km/s，求能够用此协议的最短帧长。
(1)
CSMA/CD算法全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，中文名为载波监听多点接入/碰撞检测算法。其基本思路是：每个站点在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他的计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
物理传播时延对载波侦听CS的结果有影响。因为电磁波在线缆上是以有限的速率传送的，当某个站点监听到线缆空闲时，有可能只是没有收到另外一个站点的信号而已。为此，需要设计是一个争用期(Contention period)或者碰撞窗口(Collision window)，该争用期即为线缆端到端往返时延，如果争用期这段时间内信道空闲，则载波侦听的信道空闲结果就是可信的。IEEE 802.3 Ethernet以太网规范中实现了CSMA/CD算法，其争用期设计为51.2μs，并且采用二进制指数退避算法来控制各站点的等待时间。
(2)
由于CSMA/CD网络检测到冲突就会停止发送，会产生长度小于一定值的无效帧，因此该网络的最短帧长，就是能够大于因碰撞异常中止发送的数据块大小。
该网络的争用期为：
2 * ( 1km / 2 * 105 km/s) = 10-5 sec
争用期内能发送的最大数据块为：
100 Mbps * 10-5 sec = 1000 bit = 125 byte
五、分组交换网络：数据报和虚电路
(1) 请比较数据报和虚电路这两种服务的优缺点。
(2) 假设在源站点、目的站点之间有3条点对点的链路和2台交换机。假设每条链路的传播时延为2ms，带宽为4Mbps。将n字节的文件分成1KB的分组进行传输。假设每个分组有24Byte的首部和1000Byte的有效载荷，每个交换机对分组进行存储转发时会引起1ms的延迟。
假设分组可以被连续发送无需确认。采用数据报服务时，请作出相应的时序图，并且计算整个文件到达目的地的总时延。
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