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计算机网络学习笔记 1-3章

news 2025/4/29 0:56:02

第 1 章计算机网络体系结构

【考纲内容】

（一）计算机网络概述

计算机网络的概念、组成与功能；计算机网络的分类；

计算机网络的性能指标

（二）计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构；计算机网络协议、接口、服务的概念；

ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

【复习提示】

本章主要介绍计算机网络体系结构的基本概念，读者要在理解的基础上适当记忆。重点掌握三种数据交换方式的特点及相关的计算，协议、接口和服务的概念，ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型各层的基本功能。熟悉有关网络的性能指标，特别是时延、带宽、速率等的计算。

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

一般认为，计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

1.计算机网络可被理解为（）。
A. 执行计算机数据处理的软件模块
B. 由自治的计算机互连起来的集合体
C. 多个处理器通过共享内存实现的紧耦合系统
D. 用于共同完成一项任务的分布式系统

1.B
计算机网络是由自治计算机互连起来的集合体，其中包含三个关键点：自治计算机、互连、集合体。自治计算机由软件和硬件两部分组成，能完整地实现计算机的各种功能；互连是指计算机之间能实现相互通信；集合体是指所有使用通信线路及互联设备连接起来的自治计算机的集合。选项 C 和 D 分别指多机系统和分布式系统。

计算机网络（简称网络）由若干节点（Node，或译为结点）和连接这些节点的链路（Link）组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。网络之间还可通过路由器互连，构成一个覆盖范围更广的计算机网络，这样的网络称为互连网（internet）。于是，我们可以这样理解：网络把许多计算机连在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连在一起。

请读者注意以下两个意思相差很大的名词：internet 和 Internet。

internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间可以使用任意的通信协议作为通信规则，不一定非要使用 TCP/IP。

Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 族作为通信规则。

1.1.2 计算机网络的组成

        从不同的角度看，可将计算机网络的组成分为如下几类。
        1）从组成部分看，计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成。硬件主要由主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等组成。软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如 E - mail 程序、FTP 程序、聊天程序等）。协议是计算机网络的核心，如同交通规则制约汽车驾驶一样，协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。
        2）从工作方式看，计算机网络（这里主要指 Internet，即互联网）可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到互联网上的供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（如传输数据、音频或视频）和资源共享；核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。图 1.1 给出了互联网核心部分与边缘部分的示意图。

3）从功能组成看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

1.1.3 计算机网络的功能

计算机网络的功能很多，现今的很多应用都与网络有关。主要有以下五大功能。

1.数据通信

数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输。例如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络就无法实现。

2.资源共享
资源共享既可是软件共享、数据共享，又可是硬件共享。它使计算机网络中的资源互通有无、分工协作，从而极大地提高了硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

3.分布式处理
当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源来提高整个系统的利用率。

4.提高可靠性
计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

5.负载均衡
将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

除了以上几大主要功能，计算机网络还可实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能，满足了社会的需求，方便了人们的学习、工作和生活，具有巨大的经济效益。

1.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

在网络核心部分起重要作用的是路由器（Router），它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换。要了解分组交换的原理，首先要学习电路交换和报文交换的相关概念。

1.电路交换

最典型的电路交换网是传统电话网，其电路交换示意图如图 1.2 所示。从通信资源分配的角度看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换分为三步：建立连接（开始占用通信资源）、传输数据（一直占用通信资源）和释放连接（归还通信资源）。在进行数据传输前，两个用户之间必须先建立一条专用的物理通信路径（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）。在数据传输过程中，这一物理通信路径始终被两个用户独占，直到通信结束后才被释放。

在电路交换中，电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取 “直通方式” 发送数据和接收数据，即不存在存储转发所耗费的时间。在电路交换的整个通信阶段，比特流连续地从源节点直达目的节点，就好像在一个管道中传送。

        电路交换技术的优点：
        1）通信时延小。因为通信线路为通信双方专用，数据直达，所以传输速率高。
        2）有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
        3）没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
        4）实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可随时通信。

        电路交换技术的缺点：
       1）建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
       2）线路利用率低。物理通路被通信双方独占，即使线路空闲，也不能供其他用户使用。
       3）灵活性差。物理通路中的任何一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接。
4）难以实现差错控制。中间节点不具备存储和检验数据的能力，无法发现并纠正错误。

计算机之间的数据传送往往是突发式（高频、少量）的，当使用电路交换来传送数据时，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的，其利用率往往不到 10% 甚至 1%。

2. 报文交换

命题追踪报文交换网中存储转发、数据传送时间的计算（2013）

数据交换的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，封装成报文（Message）。报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的节点，全部存储后查找转发表，转发到下一个节点，如此重复，直至到达目的节点。每个报文都可单独选择到达目的端的路径。

报文交换技术的优点：
1）无建立连接时延。通信前无须建立连接，没有建立连接时延，用户可随时发送报文。
2）灵活分配线路。交换节点存储整个报文后，选择一条合适的空闲线路，转发报文。若某条传输路径发生故障，则可重新选择另一条路径传输数据。
3）线路利用率高。报文在一段链路上传送时才占用这段链路的通信资源。
4）支持差错控制。交换节点可对缓存下来的报文进行差错检验。

报文交换技术的缺点：
1）转发时延高。交换节点要将报文整体接收完后，才能查找转发表转发到下一个节点。
2）缓存开销大。报文的大小没有限制，这就要求交换节点拥有较大的缓存空间。
3）错误处理低效。报文较长时，发生错误的概率相对更大，重传整个报文的代价也很大。

3. 分组交换

命题追踪分组交换网中存储转发、数据传送时间的计算（2010、2013、2023）

分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文交换中报文过长的问题。若报文太长，则对交换节点的缓存容量就有很大的需求，在错误处理方面也比较低效。源主机在发送之前，先把较长的报文划分成若干较小的等长数据段，在每个数据段前面添加一些由必要控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等）组成的首部，构成分组（Packet），如图 1.3 所示。

源主机将分组发送到分组交换网中，分组交换网中的分组交换机收到一个分组后，先将其缓存，然后从其首部中提取目的地址，据此查找自己的转发表，再后将分组转发给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发后，分组最终到达目的主机。

分组交换除继承报文交换的诸多优点外，还有如下优点：
1）方便存储管理，存储转发开销小。因为分组的长度固定，所以相应缓冲区的大小也固定。
2）传输效率高。分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。
3）减少了出错概率和重传代价。因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，还减小了传输时延。

分组交换技术的缺点：
1）存在存储转发时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延小，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，且其节点交换机必须具有更强的处理能力。
2）需要传输额外的信息量。每个小数据段都要加上控制信息以构成分组，这使得传送的信息量增大了 5% - 10%，进而使得控制复杂，降低了通信效率。
3）当分组交换网采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组的情况，分组到达目的主机时，要对分组按编号进行排序等工作，而这些工作很麻烦。若采用虚电路服务，则虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

图 1.4 给出了三种交换方式的比较。当要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间时，采用电路交换较为合适。从提高整个网络的信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，也更为灵活，尤其适合突发式数据传送。

1.1.5 计算机网络的分类

1.按分布范围分类

        1）广域网（WAN）。广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常是直径为几十米到几千千米的区域。广域网是互联网的核心部分。连接广域网的各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
        2）城域网（MAN）。城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市，覆盖区域的直径为 5 - 50km。城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围讨论。
        3）局域网（LAN）。局域网一般用主机通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常是直径为几十到几千米的区域。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。
        4）个人区域网（PAN）。个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网（WPAN）。

2.按传输技术分类

1）广播式网络。所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会 “收听” 到这个分组。“收听” 到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术。
2）点对点网络。若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间节点进行存储和转发，直至目的主机。

3.按拓扑结构分类
网络拓扑结构是指由网中节点（路由器、主机等）与通信线路之间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。按拓扑结构，网络可分为总线形、星形、环形和网状网络等，如图 1.5 所示。星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

1）总线形网络。用单根传输线把计算机连接起来。优点是建网容易、增/减节点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。
2）星形网络。每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备一般是交换机或路由器。优点是便于集中控制和管理。缺点是成本高、中央设备对故障敏感。
3）环形网络。所有计算机接口设备连接成一个环。环形网络最典型的例子是令牌环局域网。环既可以是单环，又可以是双环，环中信号是单向传输的。
4）网状网络。一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，多用在广域网中。其有规则型和非规则型两种。优点是可靠性高。缺点是控制复杂、线路成本高。

以上 4 种基本的网络拓扑结构可以互连为更复杂的网络。

4. 按使用者分类
1）公用网（Public Network）。指电信公司出资建造的大型网络。“公用” 的意思是指所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可使用这种网络。
2）专用网（Private Network）。指某个单位为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务，如铁路、电力、军队等部门的专用网。

5. 按传输介质分类
传输介质可分为有线和无线两大类，因此网络可分为有线网络和无线网络。有线网络又可分为双绞线网络、同轴电缆网络等，而无线网络又可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

1.1.6 计算机网络的性能指标

性能指标从不同方面度量计算机网络的性能。常用的性能指标如下。
        1）速率（Speed）。指连接到网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特 / 秒）或 bit/s（有时也写为 bps）。当数据率较高时，可用 kb/s（k = 10³）、Mb/s（M = 10⁶）或 Gb/s（G = 10⁹）表示。
        2）带宽（Bandwidth）。带宽原本表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹（Hz）。但在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的 “最高数据传输速率” 的同义语，单位是比特 / 秒（b/s）。

        命题追踪分组交换网中吞吐量的分析（2024）

        3）吞吐量（Throughput）。指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。吞吐量常用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量能够通过网络。
        4）时延（Delay）。指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间，它由 4 部分构成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

        命题追踪分组交换网中各种时延的计算（2010、2013、2023）

        发送时延，也称传输时延。节点将分组的所有比特推向链路所花的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所花的时间。

发送时延 = 分组长度 / 发送速率

        传播时延。电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离所花的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率

注意：
区分传输时延和传播时延。传输时延是节点将分组推向网络所需的时间，它取决于分组长度和发送速率。传播时延是一个比特从一个节点传播至另一节点所需的时间，它取决于两个节点之间距离和信道所使用的传输介质，而与分组长度或发送速率无关。

        处理时延。分组在交换节点为存储转发而进行的一些必要处理所花的时间。例如，分析分组的首部、差错检验或查找合适的路由等。
        排队时延。分组在路由器的输入队列或输出队列中排队等待所花的时间。

        因此，数据在网络中经历的总时延就是以上 4 部分时延之和：
                总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

在考试中，通常不用考虑处理时延和排队时延（除非另有说明）。
5）时延带宽积。指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发出了多少比特，也称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽。

如图 1.6 所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。

6）往返时延（Round - Trip Time，RTT）。指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认）总共经历的时间。在互联网中，往返时延还包括各中间节点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。
7）信道利用率。用来指出某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有数据通过的时间 + 无数据通过的时间)

信道利用率并非越高越好，信道利用率太低会浪费网络资源；信道利用率太高会产生较大的时延，导致网络拥塞。这就好比当公路上的车流量很大时，容易出现拥堵。

1.1.7 本节习题精选

一、单项选择题

1.计算机网络可被理解为（）。
A. 执行计算机数据处理的软件模块
B. 由自治的计算机互连起来的集合体
C. 多个处理器通过共享内存实现的紧耦合系统
D. 用于共同完成一项任务的分布式系统

1.B
        计算机网络是由自治计算机互连起来的集合体，其中包含三个关键点：自治计算机、互连、集合体。自治计算机由软件和硬件两部分组成，能完整地实现计算机的各种功能；互连是指计算机之间能实现相互通信；集合体是指所有使用通信线路及互联设备连接起来的自治计算机的集合。选项 C 和 D 分别指多机系统和分布式系统。

2.计算机网络最基本的功能是（）。
A. 数据通信
B. 资源共享
C. 分布式处理
D. 信息综合处理

2.A
        计算机网络的功能包括数据通信、资源共享、分布式处理、信息综合处理、负载均衡、提高可靠性等，但其中最基本的功能是数据通信功能，数据通信功能也是实现其他功能的基础。

3.下列不属于计算机网络功能的是（）。
A. 提高系统可靠性
B. 提高工作效率
C. 分散数据的综合处理
D. 使各计算机相对独立

3.D
        计算机网络的三大主要功能是数据通信、资源共享和分布式处理。计算机网络使各计算机之间的联系更加紧密而非相对独立。

4.下列关于网络中的计算机的描述，正确的是（）。
A. 各自独立，没有联系
B. 拥有独立的操作系统
C. 互相干扰
D. 拥有共同的操作系统

4.B
        计算机网络是一些互连的、自治的计算机系统的集合。各计算机拥有独立的操作系统和硬件资源，它们之间是有联系的，通过网络协议和通信介质进行数据交换和资源共享。

5.分组交换相比报文交换的主要改进是（）。
A. 差错控制更加完善
B. 路由算法更加简单
C. 传输单位更小且有固定的最大长度
D. 传输单位更大且有固定的最大长度

5.C
        相对于报文交换而言，分组交换将报文划分为一个个具有固定最大长度的分组，以分组为单位进行传输。

6.下列（）是分组交换网络的缺点。
A. 信道利用率低
B. 附加信息开销大
C. 传播时延大
D. 不同规格的终端很难相互通信

6.B
        分组交换要求将数据分成等长的小数据段，每段中都要加上控制信息（如目的地址），因此传送数据的总开销较大。相比其他交换方式，分组交换信道利用率高。传播时延取决于传播介质及收发双方的距离。对各种交换方式，不同规格的终端都很难相互通信，因此不是分组交换的缺点。

7.不同的数据交换方式有不同的性能。为了使数据在传输期间的时延最小，首选的交换方式是（①）；为保证数据无差错地传送，不应选用的交换方式是（②）；分组交换对报文交换的主要改进是（③），这种改进产生的直接结果是（④）。
①

A. 电路交换        B. 报文交换        C. 分组交换
②

A. 电路交换        B. 报文交换        C. 分组交换
③

A. 传输单位更小且有固定的最大长度
B. 传输单位更大且有固定的最大长度
C. 差错控制更完善
D. 路由算法更简单
④

A. 降低了误码率        B. 提高了数据传输速率
C. 减少传输时延        D. 增加传输时延

7.A、A、A、C
        本题综合考查几种数据交换方式的特点。电路交换虽然建立连接的时延较大，但在数据传输期间一直占据链路，优点是传输时延小、通信实时性强，适用于交互式会话类通信。缺点是建立连接时间长，系统效率低，不具备存储数据的能力，不具备差错控制的能力。
        报文交换和分组交换都采用存储转发，传送的数据都要经过中间节点的若干存储、转发才能到达目的地，因此传输时延较大。报文交换传送数据的长度不固定且较长，分组交换要将传送的长报文分割为多个固定且长度有限的分组，因此传输时延较报文交换的小。

8.下列说法中，（）是数据报方式的特点。
A. 同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网
B. 同一报文的不同分组到达目的节点时顺序是确定的
C. 适合于短报文的通信
D. 同一报文的不同分组在路由选择时只需要进行一次

8.A
        数据报方式是一种无连接的分组交换技术，它先将报文拆分成若干较小的数据段，加上地址等控制信息后构成分组，这样做虽然会增加一些控制开销，但并不意味着数据报方式只适合于短报文的通信。数据报方式提供尽最大努力的交付，不保证可靠性，分组可能出错或丢失，网络为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因此分组不一定按序到达目的节点。

9.计算机网络分为广域网、城域网和局域网，其划分的主要依据是（）。
A. 网络的作用范围
B. 网络的拓扑结构
C. 网络的通信方式
D. 网络的传输介质

9.A
按分布范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网。
按拓扑结构分类：星形网络、总线形网络、环形网络、网状网络。
按传输技术分类：广播式网络、点对点网络。
按使用者分类：公用网、专用网。
按数据交换技术分类：电路交换网、报文交换网、分组交换网。

因此，根据网络的覆盖范围可将网络主要分为广域网、城域网和局域网。

10.假设主机 A 和 B 之间的链路带宽为 100Mb/s，主机 A 的网卡速率为 1Gb/s，主机 B 的网卡速率为 10Mb/s，主机 A 给主机 B 发送数据的最高理论速率为（）。
A. 1Mb/s
B. 10Mb/s
C. 100Mb/s
D. 1Gb/s

10.B
        主机 A 给主机 B 发送数据的最高理论速率取决于链路带宽及主机 A、主机 B 的网卡速率中最小者，因为它是数据传输的瓶颈。所以，最高理论速率为 10Mb/s。

11.某点对点链路的长度为 1000km，若数据在该链路上的传播传输速率为 10⁸m/s，链路带宽为 20Mb/s，已知一个已发送的分组的发送时延和传播时延相等，则该分组的大小为（）。
A. 20Kb
B. 30Kb
C. 40Kb
D. 50Kb

11.A
        该链路的传播时延 = 100km÷10⁸m/s = 1ms，发送时延等于传播时延，因此发送时延也等于 1ms，所以分组的大小应为 20Mb/s×1ms = 20Kb。

12.在下图所示的采用存储转发方式的分组交换网中，主机 A 向 B 发送两个长度为 1000B 的分组，路由器处理单个分组的时延为 10ms（假设路由器同时最多只能处理一个分组，若在处理某个分组时有新的分组到达，则存入缓存区），忽略链路的传播时延，所有链路的数据传输速率为 1Mb/s，则分组从 A 发送开始到 B 接收完为止，需要的时间至少是（）。

A. 34ms        B. 36ms        C. 38ms        D. 52ms

12.B
分组长度为 1000B，所有链路的数据传输速率为 1Mb/s，因此，每段链路的发送时延为 1000B÷1Mb/s = 8ms，第一个分组从 A 到达 B 的时间为 8 + 10 + 8 = 26ms，此后又经过 10ms，第二个分组才到达 B，所以总时间为 26 + 10 = 36ms，下图是传送过程的时空图。

注意，此题还可扩展为发送更多分组的情况，请读者自行分析。

13.如下图所示，主机 H1 和 H2 之间有三种可选的交换方式 —— 电路交换、报文交换和分组交换，其中电路交换建立电路连接的时间为 2s，报文交换和分组交换都要经过由一个路由器连接的链路，分组大小为 5kb。三种交换方式的数据传输速率均为 2.5kb/s，忽略所有的传播时延、分组开销和不可预料的线路延迟，则下列说法中正确的是（）。

A. 若 H1 向 H2 发送 5kb 的数据，则电路交换最节省时间
B. 若 H1 向 H2 发送 500kb 的数据，则电路交换和分组交换的时间相同
C. 若 H1 向 H2 发送 10kb 的数据，则报文交换比分组交换更节省时间
D. 若 H1 向 H2 发送 15kb 的数据，则报文交换比电路交换更节省时间

13.B
        若 H1 向 H2 发送 5kb 的数据，则电路交换的时间为 2 + 5kb÷2.5kb/s = 4s，分组交换和报文交换的时间均为 5kb÷2.5kb/s + 5kb÷2.5kb/s = 4s，选项 A 错误。若 H1 向 H2 发送 500kb 的数据，则电路交换的时间为 2 + 500kb÷2.5kb/s = 202s，分组交换的时间为 500kb÷2.5kb/s + 5kb÷2.5kb/s = 202s，选项 B 正确。若 H1 向 H2 发送 10kb 的数据，则报文交换的时间为 10kb÷2.5kb/s + 10kb÷2.5kb/s = 8s，分组交换的时间为 10kb÷2.5kb/s + 5kb÷2.5kb/s = 6s，选项 C 错误。若 H1 向 H2 发送 15kb 的数据，则电路交换的时间为 2 + 15kb÷2.5kb/s = 8s，报文交换的时间为 15kb÷2.5kb/s + 15kb÷2.5kb/s = 12s，选项 D 错误。

14.【2010 统考真题】在下图所示的采用 “存储 - 转发” 方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为 100Mb/s，分组大小为 1000B，其中分组头大小为 20B。若主机 H1 向主机 H2 发送一个大小为 980000B 的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从 H1 发送开始到 H2 接收完为止，需要的时间至少是（）。

A. 80ms
B. 80.08ms
C. 80.16ms
D. 80.24ms

14.C
        分组大小为 1000B，分组首部大小为 20B，则分组携带的数据大小为 980B，文件长度为 980000B，需拆分为 1000 个分组，加上首部后，每个分组的大小为 1000B，共需传送的数据量为 1MB。因为所有链路的数据传输速率相同，所以文件传输经过最短路径时所需的时间最少，最短路径经过 2 个分组交换机。
        当 t = 1M×8÷(100Mb/s) = 80ms 时，H1 发送完最后一个比特。
        当 H1 发送完最后一个分组时，该分组需要经过 2 个分组交换机的转发，在

2 次转发完成后，所有分组均到达 H2。每次转发的时间为t0=1K×8÷(100Mb/s)=0.08ms。
        因此，在不考虑分组拆装时间和传播时延的情况下，当t=80ms+2t0=80.16ms时，H2 接收完文件，即所需的时间至少为 80.16ms。

        【另解】分组交换的传输过程类似于流水线的方式，因此本题也可采用流水线的思路。在连续传输的过程中，每个存储转发设备在同一时刻发送不同的分组，这类似于不同的部件在同一时刻执行不同的指令。所有链路的数据传输速率相同，表示各流水线段的时间相同，设为r，最短路径有 3 段链路，则传输m个分组需要的时间t=3r+(m−1)r。也就是说，第一个分组从流水线中流出所需的时间为3r，当第一个分组从流水线中流出后，每隔时间r就从流水线中流出一个分组。求得r=0.08ms，因此t=3r+(m−1)r=3×0.08+(1000−1)×0.08=80.16ms。

15.【2013 统考真题】主机甲通过一个路由器（存储转发方式）与主机乙互连，两段链路的数据传输速率均为 10Mb/s，主机甲分别采用报文交换和分组大小为 10kb 的分组交换向主机乙发送一个大小为 8Mb（1M = 10⁶）的报文。若忽略链路传播延迟、分组头开销和分组拆装时间，则两种交换方式完成该报文传输所需的总时间分别为（）。
A. 800ms、1600ms
B. 801ms、1600ms
C. 1600ms、800ms
D. 1600ms、801ms

15.D
        传输图为：甲 —— 路由器 —— 乙。
        在题中没有明确说明的情况下，不考虑排队时延和处理时延，只考虑发送时延和传播时延，本题中忽略传播时延，因此只针对报文交换和分组交换计算发送时延。

        计算报文交换的发送时延。报文交换直接传输信息，其发送时延是每个节点转发报文的时间。而对于每个节点，均有发送时延T=8Mb÷10Mb/s=0.8s，因为数据从甲发出，又被路由器转发 1 次，因此共有 2 个发送时延，所以总发送时延为1.6s，即报文交换的总时延为1.6s。

        计算分组交换的发送时延。简单画出前 3 个分组的发送时间示意图，如下所示。

        时刻 0：甲开始发送分组 1。时刻r：路由器开始发送分组 1，甲开始发送分组 2。时刻2r：分组 1 到达，路由器开始发送分组 2，甲开始发送分组 3…… 可以看出，分组 1 到达乙所需的时间为2r，当分组 1 到达后，每隔时间r就有一个分组到达。参考 2010 年真题的流水线思路，甲和乙通过一个路由器相连，也就是 2 个流水段，两段链路的数据传输速率相同，表示流水段的时间相同，即r=10kb÷10Mb/s=1ms，则传输m个分组所需的时间t=2r+(m−1)r，因为忽略分组头开销，分组数m=8Mb÷10kb=800，所以得出总发送时延t=2+(800−1)×1=801ms。

16.【2023 统考真题】在下图所示的分组交换网络中，主机 H1 和 H2 通过路由器互连，2 段链路的带宽均为 100Mb/s，时延带宽积（单向传播时延 × 带宽）均为 1000b。若 H1 向 H2 发送一个大小为 1MB 的文件，分组长度为 1000B，则从 H1 开始发送的时刻起到 H2 收到文件全部数据时刻止，所需的时间至少是（）。（注：1M = 10⁶。）

A. 80.02ms
B. 80.08ms
C. 80.09ms
D. 80.10ms

16.D
        文件大小为1MB，分组长度为1000B，分组数量为1MB÷1000B=1000，一个分组从H1到H2所需的时间=H1的发送时延t1+H1到路由器的传播时延t2+路由器的发送时延t3+路由器到H2的传播时延t4，其中t1=t3=1000B÷100Mb/s=0.08ms，t2=t4=1000b÷100Mb/s=0.01ms。因此，一个分组从H1到H2所需的时间为(0.08+0.01)×2=0.18ms，H1发送前999个分组所需的时间为999t1=79.92ms，总时间等于发送前999个分组的时间加上最后一个分组从H1到H2的时间，即所需的时间至少为79.92+0.18=80.10ms。



1计算分组数量
        已知文件大小为1MB（1M=106 ），分组长度为1000B，根据公式分组数量=文件大小÷分组长度，可得分组数量为1MB÷1000B=1000个。

2.计算单个分组从H1到H2所需时间

        计算发送时延：
        发送时延公式为t=分组大小÷发送速率。已知分组大小为1000B，链路带宽为100Mb/s ，因为1B=8b，所以1000B=1000×8b，则H1的发送时延t1和路由器的发送时延t3为：1000×8b÷(100×106b/s)=0.08ms 。

        计算传播时延：
        已知时延带宽积（单向传播时延×带宽）均为1000b，链路带宽为100Mb/s，根据传播时延=时延带宽积÷带宽，可得H1到路由器的传播时延t2和路由器到H2的传播时延t4为：1000b÷(100×106b/s)=0.01ms 。

        单个分组总时延：
        一个分组从H1到H2所需的时间=t1+t2+t3+t4=(0.08+0.01)×2=0.18ms 。

3.计算总时间
        H1发送前999个分组所需的时间为999t1=999×0.08ms=79.92ms 。
总时间等于发送前999个分组的时间加上最后一个分组从H1到H2的时间，即79.92+0.18=80.10ms ，所以答案是 D。

读者可以思考：若H1和H2之间有 2 个路由器，则所需的时间至少是多少？

分组数量计算
已知文件大小为1MB=1×106B，分组长度为1000B，根据分组数量文件大小分组长度，可得分组数量n=1000B1×106B=1000个。

单个分组传输时延计算
发送时延：
分组大小为1000B，因为1B=8b，所以1000B=8000b，链路带宽为100Mb/s=100×106b/s。
根据发送时延公式发送分组大小带宽，可得H1、路由器 1、路由器 2 的发送时延发送。

传播时延：
已知时延带宽积为1000b，带宽为100Mb/s=100×106b/s。
根据传播时延公式传播时延带宽积带宽，可得H1到路由器 1、路由器 1 到路由器 2、路由器 2 到H2的传播时延传播。

那么一个分组从H1到H2经过两个路由器的总时延t0=(0.08+0.01)×3=0.27ms。

总时间计算
H1发送前999个分组所需时间t1=999×0.08ms=79.92ms。
最后一个分组从H1到H2所需时间为0.27ms。
所以总时间t=79.92+0.27=80.19ms。

综上，若H1和H2之间有2个路由器，所需时间至少是80.19ms。

17.【2024 统考真题】某分组交换网络及每段链路的带宽如下图所示，H1 到 H2 的最大吞吐量约为（）。

A. 1Mb/s
B. 10Mb/s
C. 100Mb/s
D. 1000Mb/s

17.B
        从H1发出的数据共有三条路径可到达H2，设每个数据段等长且等于10Mb，现分析数据全部从100Mb/s和1Mb/s链路通过的吞吐量，数据全部从1000Mb/s链路通过的情况和100Mb/s链路的类似，不做单独分析。设数据全部从100Mb/s链路通过，前两个路由器的转发时延都是10Mb÷100Mb/s=0.1s，第三个路由器的转发时延为1s，H2每1s收到一个10Mb的数据段，吞吐量约为10Mb/s。设数据全部从1Mb/s链路通过，则第一个路由器的转发时延为10Mb÷1Mb/s=10s，第三个路由器的转发时延为10Mb÷10Mb/s=1s，H2每隔10s收到一个10Mb的数据段，吞吐量约为1Mb/s。因此，H1到H2的最大吞吐量约为10Mb/s，选项 B 正确。综上所述，可得出结论：一条由多段链路组成的信道，其带宽（最大数据传输速率）取决于带宽最小的那段链路。

二、综合应用题

1.假定有一个通信协议，每个分组都引入 100 字节的开销用于首部和组帧。现在使用这个协议发送 10⁶字节的数据，但在传送过程中有 1 字节被破坏，因而包含该字节的那个分组被丢弃。试对 1000 字节和 20000 字节的分组的有效数据大小分别计算 “开销 + 丢失” 字节的总数量。为使 “开销 + 丢失” 字节的总数量最小，分组数据大小的最佳值是多少？

1.【解答】
        设D是分组数据的大小，需要的分组数量=10^6/D，开销=100N（被丢弃分组的首部也已计入开销），因此 “开销 + 丢失”=100×10^6/D+D。

        当D=1000时，“开销 + 丢失”=100×10^6/1000+1000=101000B。

        当D=20000时，“开销 + 丢失”=100×10^6/20000+20000=25000B。

        设 “开销 + 丢失” 字节总数量为y，y=10^8÷D+D，求微分有dy/dD=1−10^8/D^2。
        当D=10^4时，dy/dD=0，所以分组数据大小的最佳值是10000B。

2.考虑一个最大距离为 2km 的局域网，当带宽为多大时，传播时延（传播速率为 2×10⁸m/s）等于 100B 分组的发送时延？对于 512B 分组，结果又如何？

2.【解答】
传播时延=2×10^3m÷(2×10^8m/s)=10^−5s=10μs。

1）分组大小为100B：

假设带宽大小为x，要使传播时延等于发送时延，带宽x=100B÷10μs=10MB/s=80Mb/s。

2）分组大小为512B：

假设带宽大小为y，要使传播时延等于发送时延，带宽          y=512B÷10μs=51.2MB/s=409.6Mb/s。

因此，带宽应分别等于80Mb/s和409.6Mb/s。

3.在两台计算机之间传输一个文件有两种可行的确认策略。第一种策略将文件截成分组，接收方逐个确认分组，但就整体而言，文件没有得到确认。第二种策略不确认单个分组，但当文件全部收到后，对整个文件予以确认。讨论这两种方式的优缺点。

3.【解答】
        若网络容易丢失分组，则对每个分组逐一进行确认较好，此时仅重传丢失的分组。另一方面，若网络高度可靠，则在不发生差错的情况下，仅在整个文件传送的结尾发送一次确认，以减少确认次数，进而节省带宽。不过，即使只有单个分组丢失，也要重传整个文件。

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

命题追踪网络体系结构的定义（2010）

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构（Architecture）。换言之，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其所应完成的功能的精确定义。需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件或软件完成的，是一个遵循这种体系结构的实现（Implementation）问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。计算机网络体系结构通常都具有可分层的特性，它将复杂的大系统分成若干较容易实现的层次。

分层的基本原则如下：
1）每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
2）各层之间的接口自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3）各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。
4）保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5）整个分层结构应能促进标准化工作。

在网络分层结构中，第n层的活动元素通常称为第n层实体。具体来说，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是某个特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。第n层向第n+1层提供的服务包括在其以下各层提供的服务。第n层的实体称为服务提供者，服务提供者上一层的实体称为服务用户。

        协议数据单元（PDU）：对等层之间传送的数据单位。第n层的 PDU 记为n−PDU。各层的 PDU 都分为服务数据单元和协议控制信息两部分。
        服务数据单元（SDU）：层与层之间交换的数据单位。第n层的 SDU 记为n−SDU。
        协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的 PCI 记为n−PCI。

        每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的 PDU 称为比特流，数据链路层的 PDU 称为帧，网络层的 PDU 称为分组，传输层的 PDU 称为报文段。

        当在各层之间传输数据时，将从第n+1层收到的 PDU 作为第n层的 SDU，加上第n层的 PCI，就封装成了第n层的 PDU，交给第n−1层后作为 SDU 发送，接收方接收时做相反的处理，因此可知三者的关系为n−SDU+n−PCI=n−PDU=(n−1)−SDU，网络各层数据单元的联系如图 1.7 所示。

        具体地，层次结构的含义包括如下几方面：
        1）第n层的实体不仅要使用第n−1层的服务来实现自身定义的功能，还要向第n+1层提供本层的服务，该服务是第n层及其下面各层提供的服务总和。
        2）最低层只提供服务，是整个层次结构的基础；最高层面向用户提供服务。
        3）上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务。
        4）通信时，对等层在逻辑上有一个直接信道，表现为能直接将信息传送到对方。

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1.协议
        要在网络中做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则，其规定了所交换数据的格式及有关的同步问题。为了在网络中进行数据交换而建立的这些规则、标准或约定称为网络协议（Network Protocol），是控制在对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。不对等实体之间是没有协议的，如用 TCP/IP 栈通信的两个节点 A 和节点 B，节点 A 的传输层和节点 B 的传输层之间存在协议，但节点 A 的传输层和节点 B 的网络层之间不存在协议。

        协议由语法、语义和同步三部分组成。

命题追踪同步的定义（2020）
   1）语法。数据与控制信息的格式。例如，TCP 报文段格式就是由 TCP 的语法定义的。
       2）语义。即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，在建立 TCP 连接时每次握手所执行的操作就是由 TCP 的语义定义的。
    3）同步（或时序）。执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如，建立 TCP 连接的三次握手操作的时序关系就是由 TCP 的同步定义的。
2. 接口
        同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（Service Access Point，SAP）。每层只能在紧邻的层之间定义接口，而不能跨层定义接口。服务是通过 SAP 提供给上层使用的，第n层的 SAP 就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。
3. 服务
        服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。对等实体在协议的控制下，使得本层能为上层提供服务，但要实现本层协议，还需要使用下层提供的服务。

        注意，协议和服务概念上是不一样的。首先，只有本层协议的实现才能保证向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，即下面的协议对上层的服务用户是透明的。其次，协议是 “水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但是，服务是 “垂直的”，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。另外，并非在一层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体 “看得见” 的功能才称为服务。

        协议、接口、服务三者之间的关系如图 1.8 所示。

        计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类。
        （1）面向连接服务与无连接服务
        在面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和占用的资源。因此这种服务可分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。例如，TCP 就是一种面向连接服务的协议。

        在无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，将每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。这种服务常被描述为 “尽最大努力交付”，是一种不可靠的服务。例如，IP、UDP 就是一种无连接服务的协议。
        （2）可靠服务和不可靠服务
        可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。不可靠服务是指网络只是尽量让数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。

        对于提供不可靠服务的网络，其网络的正确性、可靠性要由应用或用户来保障。例如，用户收到信息后要判断信息的正确性，若不正确，则用户就要把出错信息报告给信息的发送者，以便发送者采取纠正措施。通过用户的这些措施，可将不可靠服务变成可靠服务。
        （3）有应答服务和无应答服务
        有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。发送的应答既可以是肯定应答，又可以是否定应答，通常在接收到的数据有错误时发送否定应答。例如，文件传输服务就是一种有应答服务。

        无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则由高层实现。例如，对于 WWW 服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答。

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

1.OSI 参考模型

命题追踪 OSI 参考模型低三层各层所包含的中继设备（2016）

        国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），简称 OSI 参考模型。OSI 参考模型有 7 层，自下而上（第 1～7 层）依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。OSI 参考模型的层次结构如图 1.9 所示。

        下面详述 OSI 参考模型各层的功能。

        命题追踪 OSI 参考模型的层次结构（2013、2014、2017、2019）
        （1）物理层（Physical Layer）
        物理层的传输单位是比特，功能是在物理介质上为数据端设备透明地传输原始比特流。图 1.10 表示的是两个通信节点及它们之间的一段通信链路，物理层主要研究以下内容：

        ① 通信链路与通信节点的连接需要一些电路接口，物理层规定了这些接口的一些参数，如机械形状和尺寸、引脚的数量和排列等，例如笔记本电脑上的网线接口。
        ② 物理层规定了通信链路上所传输的信号的意义和电气特征。例如，若规定信号X代表数字 0，当节点传输 0 时就发出信号X，当节点接收到信号X时就知道收到的是 0。

        注意，传输信息所用的一些物理介质（如双绞线、光缆、无线信道等）并不在物理层协议之内，而在物理层协议下面。因此，有人将物理介质当作第 0 层。
        （2）数据链路层（Data Link Layer）

        命题追踪 OSI 参考模型的数据链路层的功能（2022）

        数据链路层的传输单位是帧。两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上进行的，这就需要使用专门的链路层协议。主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路。数据链路层将网络层交来的 IP 分组封装成帧，并且可靠地传输到相邻节点的网络层，实现节点之间的差错控制和流量控制的功能。

        因为外界噪声的干扰，所以原始的物理连接在传输比特流时可能发生错误。如图 1.10 所示，节点 A 想向节点 B 传输数字 0，于是发出信号X；但在传输过程中受到干扰，信号X变成了信号Y，而信号Y又刚好代表 1，节点 B 接收到信号Y时，误以为节点 A 传送了数字 1，从而发生差错。差错控制可以检测出这些差错，然后将收到的错误信息丢弃。

        如图 1.10 所示，在两个相邻节点之间传送数据时，节点 A 的发送速率可能比节点 B 的接收速率快，若不加以控制，则节点 B 就会丢弃很多来不及接收的正确数据，造成传输线路效率下降。流量控制可以协调两个节点的速率，使节点 A 的发送速率刚好是节点 B 的接收速率。

        广播式网络在数据链路层还要处理新的问题，即如何控制对共享信道的访问。
        （3）网络层（Network Layer）
        网络层的传输单位是数据报。它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是将网络层的协议数据单元（分组）从源主机传输到目的主机，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。网络层既提供有连接可靠的虚电路服务，又提供无连接不可靠的数据报服务。

        注意：无论是在哪一层传送的数据单元，都可以笼统地用 “分组” 来表示。

        在如图 1.11 所示的某网络结构图中，当节点 A 向节点 B 传输一个分组时，既可经过边a、c、g，也可经过边b、h，有多条可以选择的路由，而网络层的作用是根据网络的情况，利用相应的路由算法计算出一条合适的路径，使这个分组可以顺利地到达节点 B。

        流量控制与数据链路层的流量控制的含义一样，都是协调 A 的发送速率和 B 的接收速率。

        若图 1.11 中的节点都来不及接收分组而丢弃大量分组，导致节点间无法正常通信，则网络处于拥塞状态。网络层要采取措施来缓解这种拥塞，这就是拥塞控制。

        差错控制是通信节点之间约定的特定检错规则，接收方根据该规则检查接收到的分组是否出错，若出错，则能纠错就纠错，不能纠错就丢弃，确保向上层提交的数据都是无误的。
        （4）传输层（Transport Layer）

        命题追踪         OSI 参考模型的传输层的功能（2009）

        传输层也称运输层，负责主机中两个进程之间的通信，提供端到端的流量控制、差错控制、连接建立与释放、可靠传输管理等服务，传输层仅提供有连接可靠的服务。

        数据链路层提供的是点到点通信，传输层提供的是端到端通信，两者不同。

        通俗地说，点到点可理解为主机和主机之间的通信，一个点是指一个硬件地址或 IP 地址，网络中参与通信的主机是通过硬件地址或 IP 地址来标识的；端到端通信是指运行在不同主机内的两个进程之间的通信，一个进程由一个端口来标识，因此称为端到端通信。

        通过传输层的屏蔽，高层用户看不到通信子网的交替和变化。因为一台主机可同时运行多个进程，所以传输层具有复用和分用的功能。复用是指多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务，分用是指传输层将收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。
        （5）会话层（Session Layer）

        命题追踪 OSI 参考模型的会话层的功能（2019）

        会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。这种服务主要为表示层实体或用户进程建立连接，并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步（SYN）。会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理和终止进程间的会话。会话层包含一种称为检查点的机制来维持可靠会话，使通信会话在通信失效时从检查点继续恢复通信，即断点下载的原理。
        （6）表示层（Presentation Layer）

        命题追踪         OSI 参考模型的表示层的功能（2013）

        表示层主要处理在不同主机中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码和表示方法不同，为了使不同表示方法的数据和信息之间能够互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。此外，数据压缩、加密和解密也是表示层的功能。
        （7）应用层（Application Layer）
        应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 参考模型环境的手段。用户的实际应用多种多样，这就要求应用层采用不同的应用协议来满足不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多。
        2. TCP/IP 模型

        命题追踪         TCP/IP 模型的各层的顺序（2021）

        TCP/IP 模型从低到高依次为网络接口层（对应 OSI 参考模型的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应 OSI 参考模型的会话层、表示层和应用层）。TCP/IP 因为得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCP/IP 模型的层次结构及各层的主要协议如图 1.12 所示。

        网络接口层的功能类似于 OSI 参考模型的物理层和数据链路层，其作用是从主机或节点接收 IP 分组，并将它们发送到指定的物理网络上。但 TCP/IP 并未具体描述网络接口层的功能和协议，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便在其上传送 IP 分组。具体的物理网络既可是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网等，又可是诸如电话网、ATM 等公共数据网络。

        命题追踪         TCP/IP 模型的网际层的功能（2011、2021）

        网际层（主机 - 主机）是 TCP/IP 体系结构的关键部分，功能上它与 OSI 参考模型的网络层非常相似。网际层将分组发往任何网络，并为其独立地选择合适的路由，但不保证各个分组有序地到达，各个分组的有序和可靠交付由高层负责。网际层仅提供无连接不可靠的 IP，数据传输的单位是 IP 数据报。当前采用的 IP 是第 4 版，即 IPv4，它的下一版本是 IPv6。

        传输层（应用 - 应用或进程 - 进程）的功能同样与 OSI 参考模型中的传输层类似，即使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话。传输层主要使用以下两种协议：
        1）传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）。它是面向连接的，传输数据之前必须先建立连接，能够提供可靠的交付。数据传输的单位是报文段。
        2）用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。它是无连接的，不保证提供可靠的交付，只能提供 “尽最大努力交付”。数据传输的单位是用户数据报。

        应用层（用户 - 用户）包含所有的高层协议，如虚拟终端协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、域名解析服务（DNS）、电子邮件协议（SMTP）和超文本传输协议（HTTP）。

        由图 1.12 可以看出，IP 是互联网中的核心协议；TCP/IP 可为各式各样的应用提供服务（所谓 everything over IP），TCP/IP 还允许 IP 在由各种网络构成的互联网上运行（所谓 IP over everything）。因此，互联网才会发展到今天的规模。

3. TCP/IP 模型与 OSI 参考模型的比较
TCP/IP 模型与 OSI 参考模型有许多相似之处。
首先，二者都采取分层的体系结构，且分层的功能也大体相似。
其次，二者都是基于独立的协议栈的概念。
最后，二者都可解决异构网络的互联，实现不同厂家生产的计算机之间的通信。

TCP/IP 模型与 OSI 参考模型的层次对应关系如图 1.13 所示。

        两个模型除了具有这些基本的相似之处，也有很多差别。
        第一，OSI 参考模型的最大贡献是精确定义了三个主要概念：服务、协议和接口，这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。而 TCP/IP 模型在这三个概念上没有明确区分。
        第二，OSI 参考模型是 7 层模型，而 TCP/IP 模型是 4 层结构。TCP/IP 模型将 OSI 参考模型的表示层和会话层的功能合并到了应用层，还将数据链路层和物理层合并为网络接口层。
   第三，OSI 参考模型先有模型，后有协议规范，通用性良好，适合描述各种网络。TCP/IP 模型正好相反，即先有协议栈，后建立模型，因此不适合任何其他的非 TCP/IP 网络。
  第四，OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。而 TCP/IP 模型认为可靠性是端到端的问题，因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无连接和面向连接两种模式。这个不同点容易在考试中出现。

        OSI 参考模型和 TCP/IP 模型都不是完美的，对二者的批评都很多。OSI 参考模型的设计者从一开始就试图建立一个全世界的计算机网络都要遵循的统一标准。从技术角度看，他们追求一种完美的理想状态，导致基于 OSI 参考模型的软件效率极低。OSI 参考模型缺乏市场与商业动力，结构复杂，运行效率低，这是它未能达到预期目标的重要原因。

        学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合 OSI 参考模型和 TCP/IP 模型的优点，采用一种如图 1.14 所示的只有 5 层协议的体系结构，本书也采用这种体系结构进行讨论。

        命题追踪         应用层 DNS 报文逐层封装的关系（2021）

        最后简单介绍使用协议栈进行通信的数据传输过程。每个协议栈的顶端都是一个面向用户的接口，下面各层是为通信服务的协议。用户传输的数据通常是用户能够理解的自然语言，通过应用层将自然语言转化为用于通信的通信数据。通信数据到达传输层，作为传输层的服务数据单元（传输层 SDU），加上传输层的协议控制信息（传输层 PCI），组成传输层的 PDU；下放到网络层后，就成为网络层的 SDU，加上网络层的 PCI，又组成了网络层的 PDU；下放到数据链路层…… 就这样层层下放，层层包裹，最后形成的数据包通过通信线路传输，到达接收方节点协议栈，接收方逆向逐层地拆开 “包裹”，然后将收到的数据提交给用户，如图 1.15 所示。

1.2.4 本节习题精选

单项选择题

01.下列选项中，不属于对网络模型进行分层的目标的是（）。
A. 提供标准语言
B. 定义功能执行的方法
C. 定义标准界面
D. 增加功能之间的独立性

01.B
        分层属于计算机网络体系结构的范畴，选项 A、C 和 D 均是网络模型分层的目的，而分层的目的不包括定义功能执行的具体方法。

02.将用户数据分成一个个数据块传输的优点不包括（）。
A. 减少延迟时间
B. 提高错误控制效率
C. 使多个应用更公平地使用共享通信介质
D. 有效数据在协议数据单元（PDU）中所占比例更大

02.D
将用户数据分成一个个数据块传输，因为每块均需加入控制信息，所以实际上会使有效数据在 PDU 中所占的比例更小。其他各项均为其优点。

03.协议是指在（）之间进行通信的规则或约定。
A. 同一节点的上下层
B. 不同节点
C. 相邻实体
D. 不同节点对等实体

03.D
协议是为对等层实体之间进行逻辑通信而定义的规则的集合。

04.OSI 参考模型中的实体指的是（）。
A. 实现各层功能的规则
B. 上下层之间进行交互时所要的信息
C. 各层中实现该层功能的软件或硬件
D. 同一节点中相邻两层相互作用的地方

04.C
实体是指每一层中实现该层功能的软件或硬件，可以是程序、模块、子程序或设备。

05.在 OSI 参考模型中，第n层与它之上的第n+1层的关系是（）。
A. 第n层为第n+1层提供服务
B. 第n+1层为从第n层接收的报文添加一个报头
C. 第n层使用第n+1层提供的服务
D. 第n层和第n+1层相互没有影响

05.A
服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，每层只能调用紧邻下层提供的服务（通过服务访问点），而不能跨层调用。

06.下列关于计算机网络及其结构模型的说法中，错误的是（）。
A. 世界上第一个计算机网络是 ARPANet
B. Internet 最早起源于 ARPANet
C. 国际标准化组织（ISO）设计出了 OSI/RM 参考模型，即实际执行的标准
D. TCP/IP 模型分为 4 个层次

06.C
ISO 设计了开放系统互连参考模型（OSI/RM），但实际执行的通用标准是 TCP/IP 标准。

07.（）是计算机网络中 OSI 参考模型的 3 个主要概念。
A. 服务、接口、协议
B. 结构、模型、交换
C. 子网、层次、端口
D. 广域网、城域网、局域网

07.A
        计算机网络要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定的原则，这些原则就是协议。在协议的控制下，两个对等实体之间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还要使用下一层提供的服务，而提供服务就是交换信息，交换信息就需要通过接口，所以说服务、接口、协议是 OSI 参考模型的 3 个主要概念。

08.下列关于网络协议三要素的描述中，正确的是（）。
A. 数据格式、编码、信号电平
B. 数据格式、控制信息、速度匹配
C. 语法、语义、同步
D. 编码、控制信息、同步

08.C
描述网络协议的三要素是语法、语义和同步。

09.释放 TCP 连接的四次挥手报文的先后关系，属于网络协议三要素中的（）。
A. 语法
B. 时序
C. 语义
D. 服务

09.B
网络协议三要素中的时序（或称同步）定义了通信双方的时序关系，TCP 通信双方通过 “四次挥手” 释放连接，它规定发送 FIN、ACK、FIN 和 ACK 报文的先后顺序。

10.下图是 TCP 报文段的首部格式，它描述的是网络协议三要素中的（）。

I. 语法
II. 语义
III. 时序（同步）
A. 仅 I
B. 仅 II
C. 仅 III
D. I、II 和 III

10.A
网络协议三要素中的语法定义所交换信息的格式，因此 TCP 首部格式体现了语法的要素。

11.下列关于 OSI 参考模型的描述中，错误的是（）。
A. OSI 参考模型定义了开放系统的层次结构
B. OSI 参考模型定义了各层所包括的可能的服务
C. OSI 参考模型作为一个框架协调组织各层协议的制定
D. OSI 参考模型定义了各层接口的实现方法

11.D
        OSI 参考模型不仅划分了层次结构，还定义了各层可能提供的服务，但并未规定协议的具体实现，而是描述了一些概念和原则，用来协调和组织各层所用的协议。OSI 参考模型并未定义各层接口的实现方法，而把具体的实现细节留给了各个协议和标准，选项 D 错误。

12.负责将比特转换成电信号进行传输的层是（）。
A. 应用层
B. 网络层
C. 数据链路层
D. 物理层

12.D
物理层为数据链路层提供二进制流的传输服务，涉及信号的编码、解码和同步等，选项 D 正确。

13.下列关于 OSI 参考模型的物理层功能的描述中，错误的是（）。
A. 比特 0 和 1 使用何种电信号表示
B. 传输能否在两个方向上同时进行
C. 1 个比特持续多长时间
D. 避免快速发送方 “淹没” 慢速接收方

13.D
避免快速发送方 “淹没” 慢速接收方，描述的是流量控制的作用，属于数据链路层或传输层的功能。物理层只负责透明地传送比特流，不涉及流量控制的功能，选项 D 错误。

14.OSI 参考模型中的数据链路层不具有（）功能。
A. 物理寻址
B. 流量控制
C. 差错检验
D. 拥塞控制

14.D
数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输，作用包括物理寻址、组帧、流量控制、差错检验、数据重发等。网络层和传输层才具有拥塞控制的功能。

15.下列能够最好地描述 OSI 参考模型的数据链路层功能的是（）。
A. 提供用户和网络的接口
B. 处理信号通过介质的传输
C. 控制报文通过网络的路由选择
D. 保证数据正确的顺序和完整性

15.D
OSI 参考模型的数据链路层向上提供可靠的传输服务，在差错检测的基础上，增加了帧编号、确认和重传机制，因此保证了数据正确的顺序和完整性。选项 A 是应用层的功能，选项 B 是物理层的功能，选项 C 是网络层的功能。学习 3.1 节后，对本题的理解将更深刻。

16.当数据由端系统 A 传送至端系统 B 时，不参与数据封装工作的是（）。
A. 物理层
B. 数据链路层
C. 网络层
D. 表示层

16.A
物理层以 0、1 比特流的形式透明地传输数据链路层提交的帧。网络层和表示层都为上层提交的数据加上首部，数据链路层为上层提交的数据加上首部和尾部，然后提交给下一层。物理层不存在下一层，自然也就不用封装。

17.在 OSI 参考模型中，实现端到端的应答、分组排序和流量控制功能的协议层是（）。
A. 会话层
B. 网络层
C. 传输层
D. 数据链路层

17.C
只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端，选项 B、D 错。会话层管理不同主机间进程的对话，而传输层实现应答、分组排序和流量控制功能。

18.在 ISO/OSI 参考模型中，可同时提供无连接服务和面向连接服务的是（）。
A. 物理层
B. 数据链路层
C. 网络层
D. 传输层

18.C
        本题容易误选 D。ISO/OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅支持面向连接的通信；TCP/IP 模型在网络层仅有无连接的通信，而在传输层支持无连接和面向连接的通信。两类协议栈的区别是联考的考点，而这个区别是常考点。

19.在 OSI 参考模型中，当两台计算机进行文件传输时，为防止中间出现网络故障而重传整个文件的情况，可通过在文件中插入同步点来解决，这个动作发生在（）。
A. 表示层
B. 会话层
C. 网络层
D. 应用层

19.B
        在 OSI 参考模型中，会话层的两个主要服务是会话管理和同步。会话层使用检验点使通信会话在通信失效时从检验点继续恢复通信，实现数据同步。

20.数据的格式转换及压缩属于 OSI 参考模型中（）的功能。
A. 应用层
B. 表示层
C. 会话层
D. 传输层

20.B
OSI 参考模型表示层的功能有数据解密与加密、压缩、格式转换等。

21.OSI 参考模型中（）通过设置检验点，使通信双方在通信失效时可从检验点恢复通信。
A. 传输层
B. 网络层
C. 表示层
D. 会话层

21.D
会话层的主要功能是建立、管理和终止进程间的会话，以及使用检查点（或称检验点）使会话在通信失效时从检验点继续恢复通信，实现数据同步。

22.下列说法中正确描述了 OSI 参考模型中数据的封装过程的是（）。
A. 数据链路层在分组上仅增加了源物理地址和目的物理地址
B. 网络层将高层协议产生的数据封装成分组，并增加第三层的地址和控制信息
C. 传输层将数据流封装成数据帧，并增加可靠性和流控制信息
D. 表示层将高层协议产生的数据分割成数据段，并增加相应的源和目的端口信息

22.B
        数据链路层在分组上除增加源和目的物理地址外，也增加控制信息；传输层的 PDU 不称为帧；表示层不负责将高层协议产生的数据分割成数据段，负责增加相应源和目的端口信息的应是传输层。选项 B 正确描述了 OSI 参考模型中数据的封装过程，数据经过网络层后，只是增加了第三层 PCI。

23.在 OSI 参考模型中，提供流量控制功能的层是第（①）层；提供建立、维护和拆除端到端的连接的层是（②）；为数据分组提供在网络中路由的功能的是（③）；传输层提供（④）的数据传送；为网络层实体提供数据发送和接收功能及过程的是（⑤）。
①A. 1、2、3        B. 2、3、4        C. 3、4、5        D. 4、5、6
②A. 物理层        B. 数据链路层        C. 会话层        D. 传输层
③A. 物理层        B. 数据链路层        C. 网络层        D. 传输层
④A. 主机进程之间        B. 网络之间
C. 数据链路之间        D. 物理线路之间
⑤A. 物理层        B. 数据链路层        C. 会话层        D. 传输层

23.①B、②D、③C、④A、⑤B
        在计算机网络中，流量控制指的是通过限制发送方发出的数据流量，使得其发送速率不超过接收方接收速率的一种技术。流量控制功能可存在于数据链路层及其之上的各层中。目前提供流量控制功能的主要是数据链路层、网络层和传输层。不过，各层的流量控制对象不一样，各层的流量控制功能是在各层实体之间进行的。
        在 OSI 参考模型中，物理层实现比特流在传输介质上的透明传输；数据链路层将有差错的物理线路变成无差错的数据链路，实现相邻节点之间即点到点的数据传输。网络层的主要功能是路由选择、拥塞控制和网际互联等，实现主机到主机的通信；传输层实现主机的进程之间即端到端的数据传输。

        下一层为上一层提供服务，而网络层的下一层是数据链路层，所以为网络层实体提供数据发送和接收功能及过程的是数据链路层。

24.在 OSI 参考模型中，（）利用通信子网提供的服务实现两个进程之间的端到端通信。
A. 网络层        B. 传输层        C. 会话层        D. 表示层

24.B
在 OSI 参考模型中，数据链路层提供链路上相邻节点之间的逻辑通信，网络层提供主机之间的逻辑通信，传输层在运行于不同主机上的进程之间（端到端）提供逻辑通信。

25.互联网采用的核心技术是（）。
A. TCP/IP        B. 局域网技术        C. 远程通信技术        D. 光纤技术

25.A
协议是网络上计算机之间进行信息交换和资源共享时共同遵守的约定，没有协议的存在，网络的作用也就无从谈起。在互联网中应用的网络协议是采用分组交换技术的 TCP/IP，它是互联网的核心技术。

26.在 TCP/IP 模型中，（）处理关于可靠性、流量控制和错误校正等问题。
A. 网络接口层        B. 网际层        C. 传输层        D. 应用层

26.C
TCP/IP 模型的传输层提供端到端的通信，并且负责差错控制和流量控制，可以提供可靠的面向连接服务或不可靠的无连接服务。

27.上下相邻层实体之间的接口称为服务访问点，应用层的服务访问点也称（）。
A. 用户接口        B. 网卡接口        C. IP 地址        D. MAC 地址

27.A
在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（SAP），N层的 SAP 是N+1层可以访问N层服务的地方。SAP 用于区分不同的服务类型。在 5 层体系结构中，数据链路层的服务访问点为帧的 “类型” 字段，网络层的服务访问点为 IP 数据报的 “协议” 字段，传输层的服务访问点为 “端口号” 字段，应用层的服务访问点为 “用户接口”。

28.在 OSI 参考模型中，各层都有差错控制过程，指出以下每种差错发生在哪些层中。噪声使传输链路上的一个 0 变成 1 或一个 1 变成 0（①）。收到一个序号错误的目的帧（②）。一台打印机正在打印，突然收到一个错误指令要打印头回到本行的开始位置（③）。
①A. 物理层        B. 网络层        C. 数据链路层        D. 会话层
②A. 物理层        B. 网络层        C. 数据链路层        D. 会话层
③A. 物理层        B. 网络层        C. 应用层        D. 会话层

28.A、C、C
1）物理层。物理层负责正确、透明地传输比特流（0, 1）。
2）数据链路层。数据链路层的 PDU 称为帧，帧的差错检测是数据链路层的功能。
3）应用层。打印机是向用户提供服务的，运行的是应用层的程序。

29.【2009 统考真题】在 OSI 参考模型中，自下而上第一个提供端到端服务的层是（）。
A. 数据链路层        B. 传输层        C. 会话层        D. 应用层

29.B
传输层提供应用进程之间的逻辑通信（通过端口号），即端到端的通信。数据链路层负责相邻节点之间的通信，这个节点包括交换机和路由器等数据通信设备，且这些设备不能称为端系统。网络层负责主机到主机的逻辑通信。因此，答案为选项 B。

30.【2010 统考真题】下列选项中不属于网络体系结构所描述的内容是（）。
A. 网络的层次        B. 每层使用的协议
C. 协议的内部实现细节        D. 每层必须完成的功能

30.C
计算机网络的各层及其协议的集合称为体系结构，分层就涉及对各层功能的划分，因此选项 A、B、D 正确。体系结构是抽象的，它不包括各层协议的具体实现细节。在讲解网络层次时，仅涉及各层的协议和功能，而内部实现细节没有提及。内部实现细节是由具体设备厂家确定的。

31.【2013 统考真题】在 OSI 参考模型中，功能需由应用层的相邻层实现的是（）。
A. 对话管理        B. 数据格式转换
C. 路由选择        D. 可靠数据传输

31.B
在 OSI 参考模型中，应用层的相邻层是表示层，它是 OSI 参考模型七层协议的第六层。表示层的功能是表示出用户看得懂的数据格式，实现与数据表示有关的功能。主要完成数据字符集的转换、数据格式化及文本压缩、数据加密和解密等工作。

32.【2014 统考真题】在 OSI 参考模型中，直接为会话层提供服务的是（）。
A. 应用层        B. 表示层        C. 传输层        D. 网络层

32.C
直接为会话层提供服务的是会话层的下一层，即传输层，答案为选项 C。

33.【2016 统考真题】在 OSI 参考模型中，路由器、交换机（Switch）、集线器（Hub）实现的最高功能层分别是（）。
A. 2、2、1        B. 2、2、2
C. 3、2、1        D. 3、2、2

33C
集线器是一个多端口的中继器，工作在物理层。以太网交换机是一个多端口的网桥，工作在数据链路层。路由器是网络层设备，实现网络模型的下三层，即物理层、数据链路层和网络层。题中，路由器、交换机和集线器实现的最高功能层分别是 OSI 参考模型中的网络层（第 3 层）、数据链路层（第 2 层）和物理层（第 1 层）。

34.【2017 统考真题】假设 OSI 参考模型的应用层欲发送 400B 的数据（无拆分），除物理层和应用层外，其他各层在封装 PDU 时均引入 20B 的额外开销，则应用层的数据传输效率约为（）。
A. 80%        B. 83% C. 87%        D. 91%

34.A
OSI 参考模型共 7 层，除去物理层和应用层，剩 5 层。它们向 PDU 引入 20B×5 = 100B 的额外开销。应用层是最高层，因此其数据传输效率为 400B/500B = 80%。

35.【2019 统考真题】OSI 参考模型的第 5 层（自下而上）完成的主要功能是（）。
A. 差错控制        B. 路由选择        C. 会话管理        D. 数据表示转换

35.C
OSI 参考模型自下而上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第 5 层为会话层，它的主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话，这也是会话层得名的原因。

36.【2020 统考真题】下图描述的协议要素是（）。

I. 语法        II. 语义        III. 时序
A. 仅 I        B. 仅 II        C. 仅 III        D. I、II 和 III

36.C
协议由语法、语义和时序（也称同步）三部分组成。语法规定了通信双方彼此 “如何讲”，即规定了传输数据的格式。语义规定了通信双方彼此 “讲什么”，即规定了所要完成的功能，如通信双方要发出什么控制信息、执行的动作和返回的应答。时序规定了信息交流的次序。由图可知发送方与接收方依次交换信息，体现了协议三要素中的时序要素。

37.【2021 统考真题】在 TCP/IP 模型中，由传输层相邻的下一层实现的主要功能是（）。
A. 对话管理        B. 路由选择        C. 端到端报文段传输        D. 节点到节点流量控制

37.B
TCP/IP 模型中与传输层相邻的下一层是网际层。TCP/IP 的网际层使用一种尽力而为的服务，它将分组发往任何网络，并为其独立选择合适的路由，但不保证各个分组有序到达，选项 B 正确。TCP/IP 认为可靠性是端到端的问题（传输层的功能），因此它在网际层仅有无连接、不可靠的通信模式，无法完成节点到节点的流量控制（OSI 参考模型的网络层具有该功能）。端到端的报文段传输为传输层的功能。对话管理在 TCP/IP 模型中属于应用层的功能。选项 A、C 和 D 错误。

38.【2022 统考真题】在 ISO/OSI 参考模型中，实现两个相邻节点间流量控制功能的是（）。
A. 物理层        B. 数据链路层        C. 网络层        D. 传输层

38.B
在 OSI 参考模型中，数据链路层、网络层、传输层都具有流量控制功能，数据链路层是相邻节点之间的流量控制，网络层是整个网络中的流量控制，传输层是端到端的流量控制。

1.3 本章小结及疑难点

1.互联网使用的 IP 是无连接的，因此其传输是不可靠的。这样容易使人们感到互联网很不可靠。为什么当初不把互联网的传输设计为可靠的呢？
        传统电信网的主要用途是电话通信，并且普通电话机不是智能的，因此电信公司必须花费巨大的代价将电信网设计得非常可靠，以保证用户的通信质量。
        数据的传送显然必须可靠。当初设计 ARPANet 时，很重要的讨论内容之一是 “谁应当负责数据传输的可靠性？” 一种意见是主张像电信网那样，由通信网络负责数据传输的可靠性（因为电信网的发展史及技术水平已经证明，人们可将网络设计得相当可靠）。另一种意见则主张由用户主机负责数据传输的可靠性，理由是这样可使计算机网络便宜、灵活。
        计算机网络的先驱认为，计算机网络和电信网的一个重大区别是终端设备的性能差别很大。于是，他们采用了 “端到端的可靠传输” 策略，即在传输层使用面向连接的 TCP，这样既能使网络部分价格便宜且灵活可靠，又能保证端到端的可靠传输。

2.端到端通信和点到点通信有什么区别？
        本质上说，由物理层、数据链路层和网络层组成的通信子网为网络环境中的主机提供点到点的服务，而传输层为网络中的主机提供端到端的通信。
        点到点通信只提供一台主机到另一台主机之间的通信，不涉及程序或进程的概念。点到点通信并不清楚源主机与目的主机之间是哪两个进程正在通信，这些工作都由传输层来完成。
        端到端通信建立在点到点通信的基础上，由一段段点到点通信信道构成，以完成应用程序（进程）之间的通信。“端” 是指用户程序的端口，端口号标识了应用层中的不同进程。

3.如何理解传输速率和传播速率？
传输速率是指主机或路由器在数字信道上发送数据的速率，也称数据率或比特率，单位是比特 / 秒（b/s），或千比特 / 秒（kb/s）、兆比特 / 秒（Mb/s）、吉比特 / 秒（Gb/s）等。

注意：
在通信领域中表示速率时，k=10^3，M=10^6，G=10^9，T=10^12。表示存储容量或文件大小时，K=2^10=1024，M=2^20，G=2^30，T=2^40，这与通信领域中的表示方式不同。

        传播速率是指电磁波在信道中传播的速率，单位是米 / 秒（m/s）或千米 / 秒（km/s）。
        在图 1.16 中，假定链路的传播速率为2×10^8m/s，这相当于电磁波在该介质中1μs可向前传播 200m。若链路带宽为 1Mb/s，则主机在1μs内可向链路发送 1 比特的数据。当t=0时，开始向链路发送数据；当t=1μs时，信号传播到 200m 处，注入链路 1 比特；当t=2μs时，信号传播到 400m 处，注入链路共 2 比特；当t=3μs时，信号传播到 600m 处，注入链路共 3 比特。
        从图 1.16 可以看出，在一段时间内链路中有多少比特取决于带宽（或传输速率），而 1 比特 “跑” 了多远取决于传播速率。

第 2 章物理层

【考纲内容】

（一）通信基础
        信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念；
        奈奎斯特定理与香农定理；编码与调制；
        电路交换、报文交换与分组交换；数据报与虚电路

（二）传输介质
        双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质；物理层接口的特性

（三）物理层设备
        中继器；集线器

【复习提示】

物理层考虑的是怎样才能在连接各台计算机的传输介质上传输数据比特流，而不是具体的传输介质。本章概念较多，易出选择题，复习时应抓住重点，如奈奎斯特定理和香农定理的应用、编码与调制技术、物理层接口的特性、物理层设备的功能和特点等。

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1.数据、信号与码元

通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都有模拟或数字之分：①模拟数据（或模拟信号）的取值是连续的；②数字数据（或数字信号）的取值是离散的。
        在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形表示一个 k 进制数，这个时长内的信号称为码元（可称 k 进制码元），而该时长称为码元宽度（也称信号周期）。1 码元可携带若干比特的信息量。例如，在一个信号周期内可能出现 2 个信号，每个信号对应一个二进制数（1bit）；若一个信号周期内可能出现 4 个信号，则每个信号就对应一个四进制数（2bit）。

2.信源、信道与信宿

         图 2.1 所示为一个单向通信系统的模型，实际的通信系统大多数是双向的，可进行双向通信。数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。信道是信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合在信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号首先由反变换器转换成原始信息，然后发送给信宿。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

        信道按传输信号形式的不同，分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；信道按传输介质的不同分为无线信道和有线信道。
        信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号是由信源发出的未经过调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输；宽带信号首先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到信道上传输，称为宽带传输。
        数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络。并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部，如 CPU 与主存之间。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：
1）单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播等。
2）半双工通信。通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息。
3）全双工通信。通信双方可同时发送和接收信息。
单向通信只需一个信道，而半双工通信或全双工通信都需要两个信道，每个方向一个信道。
        3. 速率、波特与带宽
        速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式。

1）码元传输速率：又称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是波特（Baud）。码元既可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。

2）信息传输速率：又称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是比特 / 秒（b/s）。

        注意：波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s。
        在模拟信号系统中，带宽（又称频率带宽）用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，显然，此时带宽的单位不再是 Hz，而是 b/s。

2.1.2 信道的极限容量

        任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。但是，只要接收端能够从失真的信号波形中识别出原来的信号，这种失真对通信质量就没有影响。但是，若信号失真很严重，接收端就无法识别出每个码元。码元的传输速率越高，或者信号的传输距离越远，或者噪声干扰越大，或者传输介质的质量越差，接收端波形的失真就越严重。

1.奈奎斯特定理（奈氏准则）

        具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中就会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。奈奎斯特定理规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特，其中 W 是信道的频率带宽（单位为 Hz）。若用 V 表示每个码元的离散电平数量（码元的离散电平数量是指有多少种不同的码元，若有 16 种不同的码元，则需要 4 个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的 4 倍），则极限数据传输速率为
        理想低通信道的极限数据传输速率 = 2W log₂V （单位为 b/s）
对于奈氏准则，有以下结论：
1）在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过上限，则会出现严重的码间串扰问题，使得接收端无法完全正确地识别码元。
2）信道的带宽越大，则传输码元的能力越强。
3）奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未限制信息传输速率，即未对一个码元最多可以携带多少比特给出限制。
        因为码元传输速率受奈氏准则制约，所以要提高数据传输速率，就要设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时需要采用多元制的调制方法。

2.香农定理

命题追踪有噪声信道的实际数据传输速率（2016）
        实际的信道会有噪声，噪声是随机产生的。香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用该速率传输数据时，不会产生误差。香农定理定义为


信道的极限数据传输速率 = W log₂(1 + S/N) （单位为 b/s）

式中，W 为信道的频率带宽（单位为 Hz），S 为信道内所传输信号的平均功率，N 为信道内的高斯噪声功率。S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比有两种表示形式：无单位记法和分贝（dB）记法。当采用无单位记法时，信噪比 = S/N；当采用分贝记法时，信噪比 = 10log₁₀(S/N)（单位为 dB），例如，当 S/N = 1000 时，信噪比为 30dB。注意，在使用香农定理计算信道的极限数据传输速率时，信噪比应采用无单位记法。

命题追踪信道数据传输速率的影响因素分析（2014）
对于香农定理，有以下结论：
1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
2）对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
3）只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错的传输。
4）香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

命题追踪奈氏准则和香农定理的对比分析（2017）
        奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率之间的关系，而香农定理不仅考虑了带宽，还考虑了信噪比。这从另一个侧面表明，一个码元可以携带的比特数是有限的。

2.1.3 编码与调制

        信号是数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。将数据转换为数字信号的过程称为编码，将数据转换为模拟信号的过程称为调制。
        数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输；同样，模拟数据可通过 PCM 编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了如下 4 种编码与调制方式。

1.数字数据编码为数字信号
        数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示 0 及用什么样的数字信号表示 1，就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效区分 0 和 1 即可。常用的数字数据编码有以下几种，如图 2.2 所示。



        1）归零（RZ）编码：用高电平表示 1、低电平表示 0（或者相反），每个码元的中间均跳变到零电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。

        命题追踪 非归零（NRZ）编码和反向非归零编码的波形记忆（NRZI）（2015）
        2）非归零（NRZ）编码：与 RZ 编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但 NRZ 编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。
        3）反向非归零（NRZI）编码：与 NRZ 编码的区别是用电平的跳变表示 0、电平保持不变表示 1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB 2.0 的编码方式就是 NRZI 编码。

        命题追踪 曼彻斯特编码的波形记忆（NRZI）（2015）
        4）曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号。可用向下跳变表示 1、向上跳变表示 0，或者采用相反的规定。
        5）差分曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示 1，有跳变表示 0。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。

        标准以太网使用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。
2. 模拟数据编码为数字信号
主要包括三个步骤，即采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的 PCM 编码。
1）采样：是指对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于或等于模拟信号最大频率的两倍。
2）量化：是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
3）编码：是指将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。
3. 数字数据调制为模拟信号
        数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。图 2.3 中显示了数字调制的三种方式。

        命题追踪 各种数字调制方法的原理（2024）

        命题追踪采用调幅技术时码元的比特位数（2022）
        1）调幅（AM）或幅移键控（ASK）：通过改变载波的振幅来表示数字信号 1 和 0。例如，用有载波和无载波输出分别表示 1 和 0。这种方式比较容易实现，但抗干扰能力差。
        2）调频（FM）或频移键控（FSK）：通过改变载波的频率来表示数字信号 1 和 0。例如，用频率 f₁和频率 f₂分别表示 1 和 0。这种方式容易实现，抗干扰能力强，目前应用较广泛。

命题追踪   采用调相技术时比特率和波特率的转化（2011）

        3）调相（PM）或相移键控（PSK）：通过改变载波的相位来表示数字信号 1 和 0。例如，用相位 0 和 π 分别表示 1 和 0，是一种绝对调相方式。

        注意：与 PSK 不同，DPSK（差分相移键控）是一种相对调相方式，它通过检测当前码元与前一个码元的载波相位差来传输数字信息。例如，使用相位有无变化分别表示 1 和 0。

命题追踪  采用 QAM 技术时码元的比特位数（2009、2023）

        4）正交幅度调制（QAM）：在频率相同的前提下，将 AM 与 PM 结合起来，形成叠加信号。设波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则该 QAM 的数据传输速率 R 为
                                R = Blog₂(mn) （单位为 b/s）

4. 模拟数据调制为模拟信号
        为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

2.1.4 本节习题精选

一、单项选择题

1.下列关于通信基础的基本概念的说法中，正确的是（）。
A. 信道与通信电路类似，一条可通信的电路往往包含一个信道
B. 调制是指把模拟数据转换为数字信号的过程
C. 信息传输速率是指通信信道上每秒传输的码元数
D. 在数值上，波特率等于比特率与每符号所含的比特数的比值

1.D
        信道不等于通信电路，一条可双向通信的电路往往包含两个信道：一个是发送信道，一个是接收信道。另外，多个通信用户共用通信电路时，每个用户在该通信电路都有一个信道，因此选项 A 错误。调制是将数据转换为模拟信号的过程，选项 B 错误。选项 C 明显错误。“比特率” 在数值上和 “波特率” 的关系如下：波特率 = 比特率 / 每符号所含的比特数，选项 D 正确。

2.影响信道最大传输速率的因素主要有（）。
A. 信道带宽和信噪比
B. 码元传输速率和噪声功率
C. 频率特性和带宽
D. 发送功率和噪声功率

2.A
        根据香农定理，影响信道最大传输速率的因素主要有信道带宽和信噪比，而信噪比与信道内所传输的平均信号功率和噪声功率有关，数值上等于二者之比。

3.（）被用于计算机内部的数据传输。
A. 串行传输
B. 并行传输
C. 同步传输
D. 异步传输

3.B
        并行传输的特点：距离短、速度快。串行传输的特点：距离长、速度慢。因此，在计算机内部（距离短）传输时应选择并行传输。同步、异步传输是通信方式，而不是传输方式。

4.下列有关曼彻斯特编码的叙述中，正确的是（）。
A. 每个信号起始边界作为时钟信号有利于同步
B. 将时钟与数据取值都包含在信号中
C. 这种编码机制特别适合传输模拟数据
D. 每位的中间不跳变表示信号的取值为 0

4.B
        曼彻斯特编码将时钟和数据包含在信号中，在传输数据的同时，也将时钟一起传输给对方，码元中间的跳变作为时钟信号，不同的跳变方式作为数据信号，选项 A 错误、选项 B 正确。每个码元的中间都发生电平跳变，选项 D 错误。曼彻斯特编码最适合传输二进制数字信号，选项 C 错误。

5.在数据通信中使用曼彻斯特编码的主要原因是（）。
A. 实现对通信过程中传输错误的恢复
B. 实现对通信过程中收发双方的数据同步
C. 提高对数据的有效传输速率
D. 提高传输信号的抗干扰能力

5.B
        曼彻斯特编码用码元中间的电平跳变来表示每个比特，可方便收发双方根据跳变来同步时钟，而不需要额外的时钟信号，选项 B 正确。

6.不含同步信息的编码是（）。
I. 非归零编码
II. 曼彻斯特编码
III. 差分曼彻斯特编码
A. 仅 I
B. 仅 II
C. 仅 II、III
D. I、II、III

6.A
        非归零编码是最简单的一种编码方式，它用低电平表示 0，用高电平表示 1，或者采用相反的表示方式。因为各个码元之间并没有间隔标志，所以不包含同步信息。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都将每个码元分成两个相等的时间间隔，码元的中间跳变也作为收发双方的同步信息，因此不需要额外的同步信息，实际应用较多，但它们所占的频带宽度是原始基带宽度的 2 倍。

7.某信道的波特率为 1000Baud，若令其数据传输速率达到 4kb/s，则一个信号码元所取的有效离散值个数为（）。
A. 2
B. 4
C. 8
D. 16

7.D
        比特率 = 波特率 ×log₂n，若一个码元含有 k 比特的信息量，则表示该码元所需的不同离散值为 n = 2ᵏ个。波特率数值上等于比特率 / 每码元所含比特数，因此每码元所含比特数 = 4000/1000 = 4 比特，有效离散值的个数为 2⁴ = 16。

8.下图是某比特串的曼彻斯特编码信号波形，则该比特串为（）。

A. 0011 0110
B. 1010 1101
C. 0101 0010
D. 1100 0101

8.A
        在曼彻斯特编码中，可用向下跳变表示 1、向上跳变表示 0，或者采用相反的表示。因此，该比特串可能是 0011 0110 或 1100 1001，因此选择选项 A。

9.已知某信道的信息传输速率为 64kb/s，一个载波信号码元有 4 个有效离散值，则该信道的波特率为（）。
A. 16kBaud
B. 32kBaud
C. 64kBaud
D. 128kBaud

9.B
        一个码元若取 2ⁿ个不同的离散值，则含有 n 比特的信息量。本题中，一个码元所含的信息量为 2 比特，因为数值上波特率 = 比特率 / 每码元所含比特数，所以波特率为 (64/2) k = 32kBaud。

10.有一个无噪声的 8kHz 信道，每个信号包含 8 级，每秒采样 24k 次，那么可以获得的最大传输速率是（）。
A. 24kb/s
B. 32kb/s
C. 48kb/s
D. 72kb/s

10.C
        无噪声的信号应该满足奈奎斯特定理，即最大数据传输速率 = 2W log₂V 比特 / 秒。将题中的数据代入，得到答案是 48kb/s。注意题中给出的每秒采样 24kHz 是无意义的，因为超过了波特率的上限 2W = 16kBaud，所以选项 D 是错误答案。

11.对于某带宽为 4000Hz 的低通信道，采用 16 种不同的物理状态来表示数据。按照奈奎斯特定理，信道的最大传输速率是（）。
A. 4kb/s
B. 8kb/s
C. 16kb/s
D. 32kb/s

11.D
        根据奈奎斯特定理，题中 W = 4000Hz，最大码元传输速率 = 2W = 8000Baud，16 种不同的物理状态可以表示 log₂16 = 4 比特的数据，因此信道的最大传输速率 = 8000×4 = 32kb/s。

12.二进制信号在信噪比为 127 : 1 的 4kHz 信道上传输，最大数据传输速率可以达到（）。
A. 28000b/s
B. 8000b/s
C. 4000b/s
D. 无限大

12.B
        根据香农定理，最大数据率 = W log₂(1 + S/N) = 4000×log₂(1 + 127) = 28000b/s，容易误选 A。注意题中 “二进制信号” 的限制后，依据奈奎斯特定理，最大数据传输速率 = 2H log₂V = 2×4000×log₂2 = 8000b/s，两个上限中取小者，因此答案为 B。

        注意：若给出了码元与比特数之间的关系，则需受两个公式的共同限制。关于香农定理和奈奎斯特定理的比较，请参考本章中的疑难点。

13.电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz，信噪比为 30dB，该系统的最大数据传输速率为（）。
A. 3kb/s
B. 6kb/s
C. 30kb/s
D. 64kb/s

13.C
        信噪比 S/N 常用分贝（dB）表示，数值上等于 10log₁₀(S/N) dB。依题意有 30 = 10log₁₀(S/N)，解出 S/N = 1000。根据香农定理，最大数据传输速率 = 3000 log₂(1 + S/N) ≈ 30kb/s。

14.一个信道的信号功率是 0.14W，噪声功率是 0.02W，频率范围为 3.5～3.9MHz，则该信道的最高数据传输速率是（）。
A. 1.2Mb/s
B. 2.4Mb/s
C. 11.7Mb/s
D. 23.4Mb/s

14.A
        带宽受限且有噪声的信道应使用香农定理。最高数据传输速率 = W log₂(1 + S/N)，其中，信道带宽 W = 3.9 - 3.5 = 0.4MHz，信号功率 S = 0.14W，噪声功率 N = 0.02W，代入得 1.2Mb/s。

15.采用 8 种相位，每种相位各有两种幅度的 QAM 调制方法，在 1200Baud 的信息传输速率下能达到的数据传输速率为（）。
A. 2400b/s
B. 3600b/s
C. 9600b/s
D. 4800b/s

15.D
        每个信号有 8×2 = 16 种变化，每个码元携带 log₂16 = 4 比特信息，则信息传输速率为 1200×4 = 4800b/s。

16.一个信道每 1/8s 采样一次，传输信号共有 16 种变化状态，最大数据传输速率是（）。
A. 16b/s
B. 32b/s
C. 48b/s
D. 64b/s

16.B
        由题意知采样率为 8Hz。有 16 种变化状态的信号可携带 4 比特的数据，因此最大数据传输速率为 8×4 = 32b/s。

17.某信道的带宽为 10MHz，信噪比为 30dB，采用 QAM - 32 调制方案。若将带宽提高到 20MHz，信噪比提高到 40dB，则信道的极限数据传输速率大约提高到原来的（）倍。
A. 2
B. 2.2
C. 2.4
D. 2.6

17.D
        带宽受限且有噪声的信道应使用香农定理。在原有条件下，极限数据传输速率为10×log21001≈100Mb/s（注意，香农定理中的信噪比应采用无单位记法）。带宽和信噪比增加后，极限数据传输速率变为20×log210001≈260Mb/s。因此，极限数据传输速率大约提高到原来的2.6倍。

18.【2009 统考真题】在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位具有 4 种幅度的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是（）。
A. 12kb/s
B. 24kb/s
C. 48kb/s
D. 96kb/s

18. B

        采用 4 个相位，每个相位有 4 种幅度的 QAM 调制方法，每个信号有 16 种变化，传输 4 比特的数据。根据奈奎斯特定理，信息的最大传输速率为2Wlog2V=2×3k×4=24kb/s。

19.【2011 统考真题】若某通信链路的数据传输速率为 2400b/s，采用 4 个相位调制，则该链路的波特率是（）。
A. 600Baud
B. 1200Baud
C. 4800Baud
D. 9600Baud

19. B

        波特率B与数据传输速率C的关系为C=Blog2N，N为一个码元所取的离散值个数。采用 4 种相位，即可以表示 4 种变化，因此一个码元可携带log24=2比特的信息。于是，该链路的波特率 = 比特率 / 每码元所含比特数=2400/2=1200波特。

20.【2013 统考真题】下图为 10BaseT 网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是（）。

A. 0011 0110
B. 1010 1101
C. 0101 0010
D. 1100 0101

20. A

10BaseT 即10Mb/s的以太网，采用曼彻斯特编码，将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平，而后一个间隔为高电平，表示码元 1；码元 0 正好相反。也可采用相反的规定。因此，对应的比特串可以是00110110或11001001。

21.【2014 统考真题】在下列因素中，不影响信道数据传输速率的是（）。
A. 信噪比
B. 频率带宽
C. 调制速率
D. 信号传播速度

21. D

        由香农定理可知，信噪比和频率带宽都可限制信道的极限传输速率，选项 A 和 B 错误。码元速率也称调制速率，它也直接限制数据传输速率，选项 C 错误。信道传输速率实际上是信号的发送速率，而信号的传播速率是信号在信道上传播的速率，它与信道的发送速率无关，答案为选项 D。

22.【2015 统考真题】使用两种编码方案对比特流 01100111 进行编码的结果如下图所示，编码 1 和编码 2 分别是（）。

A. NRZ 编码和曼彻斯特编码
B. NRZ 编码和差分曼彻斯特编码
C. NRZI 编码和曼彻斯特编码
D. NRZI 编码和差分曼彻斯特编码

22. A

        NRZ 是最简单的串行编码技术，它用两个电压来代表两个二进制数，如高电平表示 1、低电平表示 0，题中编码 1 符合。NRZI 用电平的一次翻转来表示 0，用与前一个 NRZI 电平相同的电平表示 1。曼彻斯特编码将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平，后一个间隔为低电平，表示 1；0 的表示方式正好相反，题中编码 2 符合。

23.【2016 统考真题】如下图所示，若连接 R2 和 R3 链路的频带宽度为 8kHz，信噪比为 30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的 50%，则该链路的实际数据传输速率约为（）。

A. 8kb/s
B. 20kb/s
C. 40kb/s
D. 80kb/s

23. C

        香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率，香农定理定义为：信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)，单位为b/s。其中，S/N为信噪比，即信号的平均功率和噪声的平均功率之比，信噪比=10log10(S/N)，单位为dB，当S/N=1000时，信噪比为30dB。则该链路的实际数据传输速率=50%×Wlog2(1+S/N)=50%×8k×log2(1+1000)=40kb/s。

24.【2017 统考真题】若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为 30dB 条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是（）。
A. 4
B. 8
C. 16
D. 32

24. D

        可用奈奎斯特定理计算无噪声情况下的极限数据传输速率，用香农第二定理计算有噪信道极限数据传输速率。2Wlog2N≥Wlog2(1+S/N)，W是信道带宽，N是信号状态数，S/N是信噪比。将数据代入公式得N≥32。分贝数=10log10(S/N)。

25.【2021 统考真题】下图为一段差分曼彻斯特编码信号波形，该编码的二进制串是（）。

A. 1011 1001
B. 1101 0001
C. 0010 1110
D. 1011 0110

25. A

        差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为 1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为 0，则情形相反。差分曼彻斯特编码的特点是，在每个时钟周期的起始处，跳变则说明该比特是 0，不跳变则说明该比特是 1。根据题图，第 1 个码元的信号波形因缺乏上一码元的信号波形，无法判断是 0 还是 1，但根据后面的信号波形，可以求出第 2 - 8 个码元为0111001。

26.【2022 统考真题】在一条带宽为 200kHz 的无噪声信道上，若采用 4 个幅值的 ASK 调制，则该信道的最大数据传输速率是（）。
A. 200kb/s
B. 400kb/s
C. 800kb/s
D. 1600kb/s

26. C

        根据奈奎斯特定理，最大数据传输速率=2Wlog2V，4 个幅值的 ASK 调制说明有 4 个幅度，将V=4代入得800kb/s。

27.【2023 统考真题】某无噪声理想信道带宽为 4MHz，采用 QAM 调制，若该信道的最大数据传输速率是 48Mb/s，则该信道采用的 QAM 调制方案是（）。
A. QAM - 16
B. QAM - 32
C. QAM - 64
D. QAM - 128

27. C

        本题实际考查奈奎斯特定理，只需求出一个码元调制出的符号个数V即可。根据奈奎斯特定理，最大数据传输速率=2Wlog2V=48Mb/s，W=4MHz，求出V=2^6=64。

28.【2024 统考真题】在下列二进制数字调制方法中，需要 2 个不同频率载波的是（）。
A. ASK
B. PSK
C. FSK
D. DPSK

28. C

        FSK 通过改变载波的频率来表示数字信号 0 和 1，即用两个不同的频率分别表示 0 和 1，这种调制方法通过改变载波的频率来编码数字信息，而不需要改变载波的幅度或相位，选项 C 正确。ASK 通过改变载波的幅度来表示 0 和 1。PSK 通过改变载波的相位来表示 0 和 1。DPSK 与 PSK 不同，DPSK通过检测当前码元与前一个码元的载波相位差来传输数字信息的。

二、综合应用题

01.如下图所示，主机 A 和 B 都通过 10Mb/s 的链路连接到交换机 S。

每条链路上的传播时延都是 20μs。S 是一个存储转发设备，它在接收完一个分组 35μs 后开始转发收到的分组。试计算将 10000 比特从 A 发送到 B 所需的总时间。
1）作为单个分组。
2）作为两个分组。

        01.【解答】

        1）每条链路的发送时延是10000÷(10Mb/s)=1000μs。
        总传送时间等于2×1000+2×20+35=2075μs。
        2）解法一：作为两个分组发送时，下面列出了各种事件发生的时间表。

T=0         开始

        T=500 A 完成分组 1 的发送，开始发送分组 2

        T=520 分组 1 完全到达 S

        T=555 分组 1 从 S 起程前往 B

        T=1000 A 结束分组 2 的发送

        T=1055 分组 2 从 S 起程前往 B

        T=1075 分组 2 的第 1 位开始到达 B

        T=1575 分组 2 的最后 1 位到达 B

        解法二：此题属于分组交换各过程中时间不等长的情况，类似于不等长流水段的情况，为避免出错，建议画出对应的时空图。根据题意可分为 5 个流水段，各流水段的时间分别为 500μs、20μs、35μs、500μs、20μs，共有 2 个分组，注意不同分组的相同流水段不能重叠，画出的时空图如下所示。本题只有 2 个分组，不用流水线的方法也可求得结果，但当分组数量更多时，采用流水线的方法并画出时空图得出计算规律，才不容易出错。

02.一个分组交换网采用虚电路方式转发分组，分组的首部和数据部分分别为 h 位和 p 位。现有 L（L≫p 且 L 为 p 的倍数）位的报文通过该网络传送，源点和终点之间的线路数为 k，每条线路上的传播时延为 d 秒，数据传输速率为 b b/s，虚电路建立连接的时间为 s 秒，每个中间节点有 m 秒的平均处理时延。求源点开始发送数据直至终点收到全部数据所需的时间。

02.【解答】

        整个传输过程的总时延 = 连接建立时延 + 源点发送时延 + 中间节点的发送时延 + 中间节点的处理时延 + 传播时延。
        虚电路的建立时延已给出，为 s 秒。
        源点要将 L 位报文分割成分组，分组数 = L/p，每个分组的长度为 (h + p)，源点要发送的数据量 = (h + p) L/p，因此源点的发送时延 = (h + p) L/(pb) 秒。
        每个中间节点的发送时延 = (h + p)/b 秒，源点和终点之间的线路数为 k，有 k - 1 个中间节点，因此中间节点的发送时延 = (h + p)(k - 1)/b 秒。
        中间节点的处理时延 = m (k - 1) 秒，传播时延 = kd 秒。因此，源节点开始发送数据直至终点收到全部数据所需的时间 = s + (h + p) L/(pb) + (h + p)(k - 1)/b + m (k - 1) + kd 秒。

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

        传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为：

        ①导向传输介质，指铜线或光纤等，电磁波被导向为沿固体介质传播；

        ②非导向传输介质，指自由空间（空气、真空或海水），电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。

1.双绞线
        双绞线是最常用的传输介质，在局域网和传统电话网中普遍使用。双绞线由两根采用一定规则并排绞合、相互绝缘的铜导线组成。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高抗电磁干扰的能力，还可在双绞线的外面加上一层金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）。无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线（UTP）。双绞线的结构如图 2.4 所示。
        双绞线的价格便宜，模拟传输和数字传输都可使用双绞线，通信距离一般为几千米到数十千米。双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器来对失真的信号进行整形。

2.同轴电缆
        同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体屏蔽层和绝缘保护套层构成，如图 2.5 所示。同轴电缆一般分为两类：①50Ω 同轴电缆，主要用于传送基带数字信号，在早期局域网中应用广泛；②75Ω 同轴电缆，主要用于传送宽带信号，在有线电视系统中应用广泛。因为外导体屏蔽层的作用，所以同轴电缆具有良好的抗干扰特性而被广泛用于传输较高速率的数据。

        随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输介质。

3. 光纤
        光纤通信是指利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。可见光的频率约为108MHz，因此光纤通信系统的带宽极大。
        光纤主要由纤芯和包层构成（见图 2.6），纤芯很细，直径仅为 8 - 100μm，包层较纤芯有较低的折射率，光波通过纤芯进行传导。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，只要入射角大于某个临界角，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

        利用光的全反射特性，可让从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤（见图 2.7）。光脉冲在多模光纤中传输的损耗更高，因此较适合近距离传输。

        当光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤（见图 2.8）。单模光纤的纤芯很细，直径只有几微米，制造成本较高。同时，单模光纤的光源是定向性很好的半导体激光器，因此单模光纤的衰减较小，可传输数千米甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。

        光纤不仅具有通信容量非常大的优点，还具有如下特点：
        1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
        2）抗雷电和电磁干扰性能好，在有大电流脉冲干扰的环境下这尤为重要。
        3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
        4）体积小，重量轻，在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下这特别有利。

4. 无线传输介质
        无线通信已广泛用于蜂窝移动电话领域。便携式计算机的出现，以及军事、野外等特殊场合对移动联网的需要，促进了移动通信的发展，现在无线局域网的应用已非常普遍。
        （1）无线电波
        无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，因此广泛用于通信领域，如无线手机通信、计算机网络中的无线局域网（WLAN）等。因为无线电波使信号向所有方向散播，所以有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，就可与无线电波发射者进行通信连接，大大简化了通信连接。这也是无线电波传输的最重要优点之一。
        （2）微波、红外线和激光
        目前高带宽的无线通信主要使用三种技术：微波、红外线和激光，它们都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，有很强的指向性。不同的是，红外线通信和激光通信将要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外线信号和激光信号，再直接在空间中传播。
        微波通信的频率较高，频段范围也很宽，载波频率通常为 2 - 40GHz，因此通信信道的容量大。例如，一个带宽为 2MHz 的频段可容纳 500 条语音线路，若用来传输数字信号，则数据率可达数兆比特 / 秒。与通常的无线电波不同，微波通信的信号是沿直线传播的，因此在地面上的传播距离有限，超过一定距离后就要使用中继站来接力。
        卫星通信利用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，可以突破地面微波通信距离的限制。三颗相隔120∘的同步卫星几乎就能覆盖整个地球表面，因此基本能实现全球通信。卫星通信的优点是通信容量大、距离远、覆盖广，缺点是保密性差、端到端传播时延长。

2.2.2 物理层接口的特性

        物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输介质上传输比特流，而不指具体的传输介质。网络中的硬件设备和传输介质的种类繁多，通信方式也各不相同。物理层应尽可能屏蔽这些差异，让数据链路层感觉不到这些差异，使其只需考虑如何实现本层的协议和服务。

命题追踪物理层接口的特性的内容（2018）
物理层的主要任务是确定与传输介质的接口有关的一些特性：
1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数量和排列、固定和锁定装置等。
2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上的电压范围、传输速率和距离限制等。
3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能。

命题追踪物理层接口的过程特性的内容（2012）
4）过程特性，也称规程特性：指明不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2.3 本节习题精选

单项选择题
01. 双绞线是用两根绝缘导线绞合而成的，绞合的目的是（）。
A. 减少干扰
B. 提高传输速度
C. 增大传输距离
D. 增大抗拉强度

01. A
绞合可以减少两根导线相互的电磁干扰。

02.在电缆中采用屏蔽技术带来的好处主要是（）。
A. 减少信号衰减
B. 减少电磁干扰辐射
C. 减少物理损坏
D. 减少电缆的阻抗

02.B
屏蔽层的主要作用是提高电缆的抗干扰能力。

03.利用一根同轴电缆互连主机构成以太网，则主机间的通信方式为（）。
A. 全双工
B. 半双工
C. 单工
D. 不确定

03.B
        传统以太网采用广播的方式发送信息，同一时间只允许一台主机发送信息，否则各主机之间就形成冲突，因此主机间的通信方式是半双工。全双工是指通信双方可同时发送和接收信息。单工是指只有一个方向的通信而没有反方向的交互。

04.同轴电缆比双绞线的传输速率更快，得益于（）。
A. 同轴电缆的铜芯比双绞线粗，能通过更大的电流
B. 同轴电缆的阻抗比较标准，减少了信号的衰减
C. 同轴电缆具有更高的屏蔽性，同时有更好的抗噪声性
D. 以上都正确

04.C
        同轴电缆以硬铜线为芯，外面包一层绝缘材料，绝缘材料的外面再包一层密织的网状导体，导体的外面又覆盖一层保护性的塑料外壳。这种结构使得它具有更高的屏蔽性，从而既有很高的带宽，又有很好的抗噪性。因此，同轴电缆的带宽更高得益于它的高屏蔽性。

05.不受电磁干扰和噪声影响的传输介质是（）。
A. 屏蔽双绞线
B. 非屏蔽双绞线
C. 光纤
D. 同轴电缆

05.C
光纤抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。

06.多模光纤传输光信号的原理是（）。
A. 光的折射特性
B. 光的发射特性
C. 光的全反射特性
D. 光的绕射特性

06.C
多模光纤传输光信号的原理是光的全反射特性。

07.以下关于单模光纤的说法中，正确的是（）。
A. 光纤越粗，数据传输速率越高
B. 若光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，则光沿直线传播
C. 光源是发光二极管或激光
D. 光纤是中空的

07.B
        光纤的直径减小到与光线的一个波长相同时，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播，这就是单模光纤。

08.下列关于卫星通信的说法中，错误的是（）。
A. 卫星通信的距离长，覆盖的范围广
B. 使用卫星通信易于实现广播通信和多址通信
C. 卫星通信的好处在于不受气候的影响，误码率很低
D. 通信费用高、延时较大是卫星通信的不足之处

08.C
卫星通信有成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高的特点。

09.某网络在物理层规定，信号的电平用 + 10V - +15V 表示二进制 0，用 - 10V - -15V 表示二进制 1，电线长度限于 15m 以内，这体现了物理层接口的（）。
A. 机械特性
B. 功能特性
C. 电气特性
D. 规程特性

09.C
        本题易误选功能特性。规定各条线上的电压范围，以及电缆长度的限制，属于电气特性。而功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，以及每条线的功能（数据线、控制线、时钟线）。例如，数据线上的电压 +11V 表示二进制 1，就属于功能特性。

10.当描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时，该描述属于（）。
A. 机械特性
B. 电气特性
C. 功能特性
D. 规程特性

10. C

物理层的功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，以及每条线的功能。

11.【2012 统考真题】在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是（）。
A. 机械特性
B. 功能特性
C. 过程特性
D. 电气特性

11. C

物理层的过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

12.【2018 统考真题】下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是（）。
A. 接口形状
B. 引脚功能
C. 物理地址
D. 信号电平

12. C

        物理层的接口规范主要分为 4 种：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。机械特性规定连接所用设备的规格，如选项 A 所说的接口形状。电气特性规定各条线上的电压范围、阻抗匹配等，如选项 D 所说的信号电平。功能特性规定线路上出现的电平表示何种意义及每条线的功能，如选项 B 所说的引脚功能。选项 C 中的物理地址是 MAC 地址，它属于数据链路层的范畴。

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

        中继器的主要功能是放大、整形并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离。其原理是信号再生（而非简单地放大衰减的信号）。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管是否有错误数据或不适于网段的数据。
        中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网。中继器若出现故障，则对相邻两个网段的工作都产生影响。

        注意：若某个网络设备没有存储转发功能，则认为它不能连接两个不同的协议。中继器没有存储转发功能，因此它连接两个速率不同的网段可能会出现问题，若两个网段的速率分别为 10Mb/s 和 10/100Mb/s，则用中继器连接后，都只能工作在 10Mb/s 的速率。
        从理论上讲，中继器的使用数量是无限的，网络因而也可无限延长。但事实上这是不可能的，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体规定，中继器只能在该范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的 10BASE5 以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过 4 个，而且用 4 个中继器串联的 5 段通信介质中，只有 3 段可以挂接计算机，其余 2 段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的 “5 - 4 - 3 规则”。
        放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，其原理是放大衰减的信号，而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。

2.3.2 集线器

        集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器。当 Hub 工作时，一个端口接收到数据信号后，因为信号在从端口到 Hub 的传输过程中已有衰减，所以 Hub 便对该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。若同时有两个或多个端口输入，则输出时将发生冲突，致使这些数据都无效。从 Hub 的工作方式可以看出，它在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信息传输的方向是固定的，是标准的共享式设备。
        使用 Hub 组网灵活，它将所有节点的通信集中在以其为中心的节点上，由 Hub 组成的网络是共享式网络，但逻辑上仍是总线网。Hub 的每个端口连接的是同一网络的不同网段，同时 Hub 也只能在半双工状态下工作，网络的吞吐率因而受到限制。

命题追踪中继器和集线器对冲突域 / 广播域的划分（2010、2020）

        注意：集线器不能分割冲突域，集线器的所有端口都属于同一个冲突域。集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息，当一台集线器连接的机器数较多且多台机器经常需要同时通信时，将导致冲突，使得集线器的工作效率很差。例如，一个带宽为 10Mb/s 的集线器上连接了 8 台计算机，当这 8 台计算机同时工作时，每台计算机所真正拥有的带宽为 10/8Mb/s = 1.25Mb/s。

2.3.3 本节习题精选

单项选择题

01. 下列关于物理层设备的叙述中，错误的是（）。
A. 中继器仅作用于信号的电气部分
B. 利用中继器来扩大网络传输距离的原理是将衰减的信号进行放大
C. 集线器实质上相当于一个多端口的中继器
D. 物理层设备连接的几个网段仍是一个局域网

01. B
中继器的原理是将衰减的信号再生（再生 = 放大 + 整形），而不是简单地放大。

02.为了使数字信号传输得更远，可采用的设备是（）。
A. 中继器
B. 放大器
C. 网桥
D. 路由器

02.A
        放大器通常用于远距离地传输模拟信号，但它同时会放大噪声，引发失真。中继器用于数字信号的传输，其工作原理是信号再生，因此会减少失真。网桥用来连接两个网段以扩展物理网络的覆盖范围。路由器是网络层的互连设备，可以实现不同网络的互联。

03.以太网遵循 IEEE 802.3 标准，用粗缆组网时每段的长度不能大于 500m，超过 500m 时就要分段，段间相连利用的是（）。
A. 网络适配器
B. 中继器
C. 调制解调器
D. 网关

03.B
        中继器的主要功能是将信号复制、整形和放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离，原理是信号再生，因此选择选项 B，其他三项显然有点大材小用。

04.由集线器连接多台设备构成的网络在物理上和逻辑上的结构分别是（）。
A. 总线形、环形
B. 网状、星形
C. 总线形、星形
D. 星形、总线形

04.D
        集线器将多个设备连接在以它为中心的节点上，因此使用它的网络在物理拓扑上属于星形结构。当集线器工作时，一个端口接收到数据信号后，集线器将该信号整形放大，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口。因为集线器不具备交换机所具有的交换表，所以它发送数据时是没有针对性的，而采用广播方式发送。因此，使用集线器的星形以太网逻辑上仍然是总线网。

05.用集线器连接的工作站集合（）。
A. 同属一个冲突域，也同属一个广播域
B. 不同属一个冲突域，但同属一个广播域
C. 不同属一个冲突域，也不同属一个广播域
D. 同属一个冲突域，但不同属一个广播域

05.A
        集线器的功能是将从一个端口收到的数据通过所有其他端口转发出去。集线器在物理层上扩大了网络的覆盖范围，但无法解决冲突域（第二层交换机可解决）与广播域（第三层交换机可解决）的问题，而且增大了冲突的范围。注意，冲突域和广播域的概念涉及后面章节的内容。

06.中继器可以用来连接（）。
A. 不同类型的局域网
B. 不同速率的局域网
C. 不同介质的局域网
D. 不同协议的局域网

06.C
        因为物理层设备没有存储转发功能，所以中继器不能连接不同速率的局域网，也不能连接不同数据链路层协议的局域网（连接后要能达到正常通信的目的）。中继器可以连接不同介质的局域网，如光纤和双绞线，只要它们具有相同的速率和协议。

07.若有 5 台计算机连接到 10Mb/s 的集线器上，则每台计算机分得的平均带宽至多为（）。
A. 2Mb/s
B. 5Mb/s
C. 10Mb/s
D. 50Mb/s

07.A
        集线器以广播的方式将信号从除输入端口外的所有端口输出，因此任意时刻只能有一个端口的有效数据输入。理想情况（无冲突）下，每秒通过集线器的数据量都是 10Mb，假设 5 台计算机占用相同大小的时间片来收发数据，则平均带宽的上限为 10Mb/s÷5 = 2Mb/s。若有多台计算机同时发送数据，则会导致每台计算机实际获得的平均带宽低于 2Mb/s。

08.当集线器的一个端口收到数据后，将其（）。
A. 从所有端口广播出去
B. 从除输入端口外的所有端口广播出去
C. 根据目的地址从合适的端口转发出去
D. 随机选择一个端口转发出去

08.B
集线器没有寻址功能，一个端口接收到数据信号后，从其他所有端口转发出去。

09.下列关于中继器和集线器的说法中，不正确的是（）。
A. 二者都工作在 OSI 参考模型的物理层
B. 二者都可以对信号进行放大和整形
C. 通过中继器或集线器互连的网段数量不受限制
D. 中继器通常只有 2 个端口，而集线器通常有 4 个或更多端口

09.C
        中继器和集线器均工作在物理层，集线器本质上是一个多端口中继器，它们都能对信号进行放大和整形（再生 = 放大 + 整形）。因为中继器不仅传送有用信号，还传送噪声和冲突信号，因此互相串联的个数只能在规定的范围内进行，否则网络将不可用。注意 “5 - 4 - 3 规则”。

2.4 本章小结及疑难点

1.传输介质是物理层吗？传输介质和物理层的主要区别是什么？
        传输介质并不是物理层。因为传输介质在物理层的下面，而物理层是体系结构的第一层，所以有时称传输介质为 0 层。在传输介质中传输的是信号，但传输介质并不知道所传输的信号代表什么。也就是说，传输介质不知道所传输的信号什么时候是 1、什么时候是 0。但是，物理层因为规定了电气特性，所以能够识别传送的比特流。图 2.9 描述了上述概念。

2.什么是基带传输、频带传输和宽带传输？三者的区别是什么？
        在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。它通常用于局域网。数字基带传输就是在信道中直接传输数字信号，且传输介质的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。最简单的方法是用两个高低电平来表示二进制数字，常用的编码方法有不归零编码和曼彻斯特编码。例如，要传输 1010，低电平代表 0，高电平代表 1，那么在基带传输下，1010 需要向通信线路传输（高、低、高、低电平）。
        用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。当采用远距离传输或无线传输时，数字信号必须用频带传输技术进行传输。利用频带传输，不仅解决了电话系统传输数字信号的问题，还可以实现多路复用，进而提高传输信道的利用率。同样传输 1010，经过调制，一个码元对应 4 个二进制位，假设码元 A 代表 1010，那么在模拟信道上传输码元 A 就相当于传输 1010。
        借助频带传输，可将链路分解成两个或多个信道，每个信道可携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中所有的信道能同时互不干扰地发送信号。例如，对信道进行频分复用，划分为 2 个互不相关的子信道，分别在两个子信道上同时进行频带传输，链路容量就会大大增加。

3.奈氏准则和香农定理的主要区别是什么？这两个定理对数据通信的意义是什么？
        奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则接收端就不能正确判定码元所携带的比特数据（因为码元之间存在相互干扰）。奈氏准则是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小很多。
        值得注意的是，奈氏准则并未限制信息传输速率。要提高信息传输速率，就必须使每个码元能够携带许多比特的信息。但是，码元所载的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了。
        香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（单位为 Hz）和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的，这个极限不能突破。要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高信道的信噪比，此外没有其他任何办法。
        香农定理告诉我们，要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比无限大，即采用没有噪声的信道或使用无限大的发送功率（这显然也不可能）。注意，奈氏准则和香农定理中 “带宽” 的单位都是 Hz。

4.信噪比为 S/N，为什么还要取对数 10log₁₀(S/N)？
        1）数字形式表示，如噪声功率为 1，信号功率为 100，信噪比为 100/1 = 100。
        2）同样还是上面这些数字，以分贝形式表示的信噪比为 10log₁₀(S/N)= 10log₁₀100 = 20dB。
        二者在数值上等价。区别在于，前者没有单位，后者必须加 dB（分贝）。采用分贝表示法的原因：很多时候，信号要比噪声强得多，如信号比噪声强 10 亿倍，若用数值表示，则 1 后面有 9 个 0，很容易丢失 0；若用分贝表示，则仅为 90dB，因此要简单得多，且不容易出错。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为方便，在通信领域中用途很广。

第 3 章数据链路层

【考纲内容】

（一）数据链路层的功能
（二）组帧
（三）差错控制

检错编码；纠错编码
（四）流量控制与可靠传输机制

流量控制、可靠传输与滑动窗口机制；停止 - 等待协议；

后退 N 帧协议（GBN）；选择重传协议（SR）
（五）介质访问控制

        1.信道划分：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用

        2.随机访问：ALOHA 协议；CSMA 协议；CSMA/CD 协议；CSMA/CA 协议

        3.轮询访问：令牌传递协议
（六）局域网

        局域网的基本概念与体系结构；以太网与 IEEE 802.3；

        IEEE 802.11 无线局域网；VLAN 的基本概念与基本原理
（七）广域网

        广域网的基本概念；点对点协议（PPP）
（八）数据链路层设备

        以太网交换机及其工作原理

【复习提示】

        本章是历年考试中考查的重点。要求在了解数据链路层基本概念和功能的基础上，重点掌握滑动窗口机制、三种可靠传输协议、各种 MAC 协议，特别是 CSMA/CD 协议、CSMA/CA 协议和以太网帧格式，以及局域网的争用期和最小帧长的概念、二进制指数退避算法。此外，中继器、网卡、集线器、网桥和局域网交换机的原理及区别也要重点掌握。

3.1 数据链路层的功能

        数据链路层的主要任务是让帧在一段链路上或一个网络中传输。数据链路层协议有多种，但有三个基本问题则是共同的，即封装成帧、透明传输和差错检测。
        数据链路层使用的信道主要有两种：
        1）点对点信道，使用一对一的通信方式。PPP 则是目前使用最广泛的点对点协议。
        2）广播信道，这种信道上连接的主机很多，使用一对多的广播通信方式。采用共享广播信道的有线局域网普遍使用 CSMA/CD 协议，而无线局域网则使用 CSMA/CA 协议。

3.1.1 数据链路层所处的地位

        下面使用两台主机通过互联网进行通信的例子来了解数据链路层所处的地位，如图 3.1 所示。局域网 1 中的主机 H1 经过路由器 R1、广域网及路由器 R2 连接到局域网 2 中的主机 H2。主机 H1 和 H2 都有完整的五层协议栈，而路由器在转发分组时仅使用协议栈的下三层。当主机 H1 向 H2 发送数据时，从协议的层次上看数据的流动如图 3.2 所示。数据进入路由器后要先从物理层上到网络层，在转发表中找到下一跳的地址后，再下到物理层转发出去。因此，数据从主机 H1 送到主机 H2 需要在路径中的各节点的协议栈向上和向下流动多次。

        当我们学习数据链路层时，通常可以只关心协议栈中水平方向的各数据链路层。于是，当主机 H1 向主机 H2 发送数据时，可以想象数据就是在各相关设备的数据链路层之间沿水平方向传送的。如图 3.3 所示，即通过以下这样的链路：H1 的链路层→R1 的链路层→R2 的链路层→H2 的链路层，其中三段不同的数据链路可能采用不同的数据链路层协议。

        下面介绍点对点信道的一些基本概念，某些概念对广播信道也是适用的。
        1）链路。指从一个节点到相邻节点的一段物理线路。当进行数据通信时，两台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。
        2）数据链路。当在一条链路上传送数据时，除了需要链路本身，还需要一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，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。有时也把上面所说的链路称为物理链路，而把数据链路称为逻辑链路。
        3）帧。数据链路层对等实体之间进行逻辑通信的协议数据单元。数据链路层把网络层下交的数据构成帧发送到链路上，并把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。

3.1.2 链路管理

        数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理，它主要用于面向连接的服务。链路两端的节点要进行通信，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中要能维持连接，而在传输完毕后要释放该连接。

3.1.3 封装成帧与透明传输

        封装成帧是指在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成帧，帧是数据链路层的传送单元。帧长等于帧的数据部分长度加上首部和尾部的长度。首部和尾部中含有很多控制信息，它们的一个重要作用是确定帧的界限，即帧定界。接收方能从接收到的二进制比特流中区分出帧的开始与结束。如在 HDLC 协议中，用标识位 F（01111110）来标识帧的开始和结束。在通信过程中，检测到帧标识位 F 即认为其是帧的开始，然后一旦检测到帧标识位 F 即表示帧的结束。HDLC 标准帧格式如图 3.4 所示。为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分的长度尽可能地大于首部和尾部的长度，但随着帧长的增加，传输差错发生的概率也随之提高，发生差错时重传的代价也越大，因此每种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限，即最大传送单元。

        透明是一个重要的计算机术语，它表示某个实际存在的事物看起来不存在一样。若在数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合（会误认为 “传输结束” 而丢弃后面的数据），则要采取有效的措施来解决这个问题，即透明传输。透明传输是指不论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样无差错地在这个数据链路上传输。因此，对所传送的数据来说，它看不见数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。也就是说，数据链路层对这些数据来说是透明的。

3.1.4 流量控制

        因为链路两端节点的工作速率和缓存空间存在差异，所以发送方的发送能力可能大于接收方的接收能力，此时若不适当限制发送方的发送速率，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧 “淹没”，造成帧的丢失而出错。因此，流量控制实际上就是限制发送方的发送速率，使之不超过接收方的接收能力。这个过程需通过某种反馈机制，使发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后继续发送。
        在 OSI 体系结构中，数据链路层具有流量控制的功能。而在 TCP/IP 体系结构中，流量控制功能被移到了传输层。它们控制的对象不同。对数据链路层来说，控制的是相邻节点之间的数据链路上的流量，而对传输层来说，控制的则是从源端到目的端之间的流量。

3.1.5 差错检测

        因为信道噪声等原因，帧在传输过程中可能会出现错误，这些错误分为位错和帧错。
        1）位错：帧中某些位出现差错，通常采用循环冗余检验（CRC）来发现位错。
        2）帧错：帧丢失、帧重复或帧失序等错误，它们都属于传输差错。
       过去 OSI 的观点是：必须让数据链路层向上提供可靠传输。因此在 CRC 检错的基础上，增加了帧编号、确认和重传机制。收到正确的帧就要向发送方发送确认。发送方在一定期限内若未收到对方的确认，就认为出现了差错，因此进行重传，直到收到确认为止。现在，在通信质量较差的无线传输中，数据链路层依然使用确认和重传机制，向上提供可靠的传输服务。
        对于通信质量良好的有线链路，数据链路层已不再使用确认和重传机制，即不要求向上提供可靠传输的服务，而仅需进行 CRC 检错，目的是将有差错的帧丢弃，保证上交的帧都是正确的，而对出错的帧的重传任务则由高层协议（如传输层 TCP）完成。

3.1.6 本节习题精选

单项选择题
01. 下列选项中，不属于数据链路层功能的是（）。
A. 帧定界
B. 电路管理
C. 差错控制
D. 流量控制

01. B
        数据链路层的主要功能包括：如何将二进制比特流组织成数据链路层的帧；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错；在两个网络实体之间提供数据链路的建立、维护和释放；控制链路上帧的传输速率，以使接收方有足够的缓存来接收每个帧。这些功能对应为帧定界、差错检测、链路管理和流量控制。电路管理功能由物理层提供。

02.下列选项中，不属于数据链路层功能的是（）。
A. 透明传输
B. 差错检测
C. 可靠传输
D. 拥塞控制

02.D
拥塞控制是网络层或传输层的功能，用于防止过多的分组注入网络而导致网络性能下降。

03.下列选项中，不属于数据链路层协议功能的是（）。
A. 定义数据格式
B. 提供节点之间的可靠传输
C. 控制对物理传输介质的访问
D. 为终端节点隐蔽物理传输的细节

03.D
        数据链路层的主要功能包括组帧，组帧即定义数据格式，选项 A 正确。数据链路层在物理层提供的不可靠的物理连接上实现节点到节点的可靠性传输，选项 B 正确。控制对物理传输介质的访问由数据链路层的介质访问控制（MAC）子层完成，选项 C 正确。为终端节点隐蔽物理传输的细节是物理层的功能，数据链路层不必考虑如何实现无差别的比特传输，选项 D 错误。

04.为了避免传输过程中帧的丢失，数据链路层采用的方法是（）。
A. 帧编号机制
B. 循环冗余检验码
C. 海明码
D. 计时器超时重发

04.D

        为防止在传输过程中帧丢失，在可靠的数据链路层协议中，发送方对发送的每个数据帧设计一个计时器，当计时器到期而该帧的确认帧仍未到达时，发送方将重发该帧。为保证接收方不会接收到重复帧，需要对每个发送的帧进行编号；海明码和循环冗余检验码都用于差错控制。

05.对于信道比较可靠且对实时性要求高的网络，数据链路层采用（）比较合适。
A. 无确认的无连接服务
B. 有确认的无连接服务
C. 无确认的面向连接服务
D. 有确认的面向连接服务

05. A

        无确认的无连接服务是指源主机发送帧时不需要先建立逻辑连接，目的主机收到帧时不需要发回确认。若因线路上有噪声而造成某一帧丢失，则数据链路层并不检测这样的丢帧现象，也不回复。当错误率很低时，这类服务非常合适，此时恢复任务可由上面的高层来负责。这类服务对实时通信也非常合适，因为实时通信中数据的迟到比数据损坏更不好。

06.流量控制实际上是对（）的控制。
A. 发送方的数据流量
B. 接收方的数据流量
C. 发送、接收方的数据流量
D. 链路上任意两节点间的数据流量

06. A

        流量控制是通过限制发送方的数据流量而使发送方的发送速率不超过接收方接收速率的一种技术。流量控制功能并不是数据链路层独有的，其他层上也有相应的控制策略，只是各层的流量控制对象是在相应层的实体之间进行的。

3.2 组帧

        发送方依据一定的规则将网络层递交的分组封装成帧（也称组帧）。数据链路层之所以要将比特组合成以帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。实现组帧的方法通常有以下 4 种。

        注意：组帧时既要加首部，又要加尾部。原因是，在网络中信息是以帧为最小单位进行传输的，所以接收方要正确地接收帧，就必须清楚该帧在一串比特流中从哪里开始到哪里结束（因为接收方收到的是一串比特流，没有首部和尾部是不能正确区分帧的）。而分组（IP 数据报）仅是包含在帧中的数据部分（后面将详细讲解），因此不需要加尾部来定界。

3.2.1 字符计数法

字符计数法是指在帧首部使用一个计数字段来记录该帧所含的字节数（包括计数字段自身所占的 1 字节），如图 3.5 所示。当接收方读出帧首部的字节计数值时，就知道后面跟随的字节数，从而确定帧结束位置。因为帧与帧之间是连续传输的，所以也能确定下一帧的开始位置。

        这种方法最大的问题在于若计数字段出错，即失去帧边界划分的依据，则接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位，收发双方将失去同步，造成灾难性后果。

3.2.2 字节填充法

        字节填充法使用特定字节来定界一帧的开始与结束，在图 3.6 的例子中，控制字符 SOH 放在帧的最前面，表示帧的开始，控制字符 EOT 表示帧的结束。为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可在特殊字符之前填充一个转义字符 ESC 来加以区分（注意，转义字符是 ASCII 码中的控制字符，是一个字符，而非 “E”“S”“C” 三个字符的组合），以实现数据的透明传输。接收方收到转义字符后，就知道其后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。
        在图 3.6 (a) 所示的字符帧中，帧的数据段中出现 EOT 或 SOH 字符，发送方在每个 EOT 或 SOH 字符前再插入一个 ESC 字符 [见图 3.6 (b)]，接收方收到数据后会自己删除这个插入的 ESC 字符，结果仍得到原来的数据 [见图 3.6 (c)]。这也正是字符填充法名称的由来。若转义字符 ESC 也出现在数据中，则解决方法仍是在转义字符前插入一个转义字符。

3.2.3 零比特填充法

        命题追踪 HDLC 协议中的比特填充法（2013）
        零比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，它使用一个特定的比特串 01111110 来标志一帧的开始和结束，如图 3.7 所示。为了不使数据字段中出现的比特流 01111110 被误判为帧的首尾标志，发送方先扫描整个数据字段，每遇到 5 个连续的 “1”，就自动在其后插入一个 “0”。经过这种比特填充后，就可保证数据字段中不会出现 6 个连续的 “1”。接收方执行该过程的逆操作，即每收到 5 个连续的 “1”，就自动删除后面紧跟的 “0”，以恢复原始数据。在数据链路层早期使用的 HDLC 协议中，便是采用这种比特填充的首尾标志法来实现透明传输的。

        零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优于字节填充法。

3.2.4 违规编码法

        在物理层进行比特编码时，常采用违规编码法。例如，曼彻斯特编码方法将数据比特 “1” 编码成 “高 - 低” 电平对，将数据比特 “0” 编码成 “低 - 高” 电平对，而 “高 - 高” 电平对和 “低 - 低” 电平对在数据比特中是违规的（没有采用），因此可借用这些违规编码序列来定界帧的起始和终止。局域网 IEEE 802 标准就采用了这种方法。违规编码法不采用任何填充技术便能实现数据的透明传输，但只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。
        因为字符计数法中计数字段的脆弱性和字节填充法实现上的复杂性与不兼容性，所以目前较常用的组帧方法是零比特填充法和违规编码法。

3.2.5 本节习题精选

一、单项选择题

01.【2013 统考真题】HDLC 协议对 01111100 01111110 组帧后，对应的比特串为（）。（注：HDLC 协议已从最新大纲中删除。）

A. 01111100 00111110 10
B. 01111100 01111101 01111110
C. 01111100 01111101 0
D. 01111100 01111110 01111101

01. A

        HDLC 协议对比特串组帧时，HDLC 数据帧以比特模式 0111 1110 标识每个帧的开始和结束，因此在帧数据中只要出现 5 个连续的位 “1”，就在输出的位流中填充一个 “0”。因此，组帧后的比特串为（下画线部分为新增的 0）。

二、综合应用题

01. 在一个数据链路协议中使用下列字符编码:

A 01000111; B 11100011; ESC 11100000; FLAG 01111110
在使用下列组帧方法的情况下，说明为传送 4 个字符 A、B、ESC、FLAG 所组织的帧而实际发送的二进制位序列（使用 FLAG 作为首尾标志，ESC 作为转义字符）。
1）字符计数法。
2）使用字节填充法。
3）使用零比特填充法。

01.【解答】

1）第一字节为所传输的字符计数 5，转换为二进制为 00000101，后面依次为 A、B、ESC、FLAG 的二进制编码：
00000101 01000111 11100011 11100000 01111110
2）首尾标志位 FLAG（01111110），在所传输的数据中，若出现控制字符，则在该字符前插入转义字符 ESC（11100000）：
01111110 01000111 11100011 11100000 11100000 01111110 01111110
3）首尾标志位 FLAG（01111110），在所传输的数据中，若连续出现 5 个 “1”，则在其后插入 “0”：
01111110 01000111 110100011 111000000 011111010 01111110

3.3 差错控制

        实际通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能产生差错，1 可能变成 0，0 也可能变成 1，这就是比特差错。比特差错是传输差错中的一种，本节仅讨论比特差错。
        通常利用编码技术进行差错控制，主要有两类：自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）和前向纠错（Forward Error Correction，FEC）。在 ARQ 方式中，当接收方检测到差错时，就设法通知发送方重发，直到收到正确的数据为止。在 FEC 方式中，接收方不但能发现差错，而且能确定错误的位置并加以纠正。因此，差错控制又可分为检错编码和纠错编码。

3.3.1 检错编码

        检错编码都采用冗余编码技术，核心思想是在有效数据（信息位）被发送前，按某种关系附加一定的冗余位（检验位），构成一个符合某一规则的码字后发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使得码字遵从不变的规则。接收方根据收到的码字是否仍符合原规则来判断是否出错。常见的检错编码有奇偶检验码和循环冗余码。

1.奇偶检验码
        奇偶检验码是奇检验码和偶检验码的统称，是一种最基本的检错码。它由 n - 1 位数据和 1 位检验位组成，检验位的取值（0 或 1）将使整个检验码中 “1” 的个数为奇数或偶数。
        1）奇检验码：附加一个检验位后，n 位的码字中 “1” 的个数为奇数。
        2）偶检验码：附加一个检验位后，n 位的码字中 “1” 的个数为偶数。
        例如，7 位数据 1001101 对应的奇检验码为 10011011，对应的偶检验码为 10011010。奇偶检验码只能检测奇数位的出错情况，但不知道哪些位错了，也不能发现偶数位的出错情况。

2.循环冗余码
        数据链路层广泛使用循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）检错技术。
        循环冗余码（CRC）检错的基本思想：
        1）收发双方约定一个生成多项式 G (x)（要求最低位必须为 1）。k 位位串可视为阶数为 k - 1 的多项式的系数序列。例如，可用多项式x^3+x^2+1表示位串 1101。
        2）发送方基于待发送的数据和 G (x)，计算出冗余码，将冗余码附加到数据后面一起发送。
        3）接收方收到数据和冗余码后，通过 G (x) 来计算收到的数据和冗余码是否产生差错。
        假设一个待传送 m 位的数据，CRC 运算产生一个 r 位的冗余码，称为帧检验序列（FCS）。这样形成的帧将由 m + r 位组成。在所要发送的数据后面增加 r 位冗余码，虽然增大了传输开销，但是可以进行差错检测，这种代价往往是值得的。这个带检验码的帧刚好能被预先确定的多项式 G (x) 整除。接收方用相同的多项式去除收到的帧，若余数为 0，则认为无差错。

        命题追踪循环冗余码的计算（2023）
        假设一段 m 位数据，则计算冗余码的步骤如下：
        1）加 0。假设 G (x) 的阶为 r，在数据后面加 r 个 0，相当于乘以2r。
        2）模 2 除。利用模 2 除法，用 G (x) 对应的二进制串去除 1）中计算得出的数据串，得到的余数即为冗余码（共 r 位，前面的 0 不可省略）。
        按照模 2 运算规则，加法不进位，减法不借位，相当于对应位进行逻辑异或运算。
        冗余码的计算举例。假设数据 M = 101001（m = 6），除数 G (x) = 1101（r = 3），经模 2 除法运算后的结果是：商 Q = 110101（这个商没什么用），余数 R = 001。因此，发送出去的数据为 101001 001（2^rM+ FCS），共有 m + r 位，循环冗余码的运算过程如图 3.8 所示。
        发送方的 FCS 生成和接收方的 CRC 检验都是由硬件实现的，处理很迅速，不会影响数据的传输。若在传输过程中无差错，则经过 CRC 检验后得出的余数 R 肯定为 0。但是，若出现误码，则余数 R 仍为 0 的概率极低。因此，通过 CRC 检错技术，可以做到对帧的无差错接受，即 “凡是接收方数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近 1 的概率认为这些帧在传输过程中未产生差错”；而接收方丢弃的帧虽然曾经收到，但最终因为有差错而被丢弃，即未被接受。

        注意：循环冗余码（CRC）是具有纠错功能的，只是数据链路层仅使用了它的检错功能，检测到帧出错则直接丢弃，是为了方便协议的实现，因此本节不介绍 CRC 的检错功能。

3.3.2 纠错编码

        最常见的纠错编码是海明码，其实现原理是在有效信息位中加入几个检验位形成海明码，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶检验组中。某一位出错后，就会引起有关的几个检验位的值发生变化，这不但可以发现错位，而且能指出错位的位置，为自动纠错提供依据。

1.码距

        任何一种编码的检错能力和纠错能力都与该编码的最小距离有关。码距（也称海明距离）是指两个码字对应位取值不同的比特数量。计算码距的一种方法是对两个位串进行异或（xor）运算，结果中 1 的个数即为码距。例如，0110⊕0011=0101，异或结果中有两个 1，说明这两个码字有 2 个比特不同，因此 0110 和 0011 的码距为 2。在一个编码集中，任意两个码字的码距的最小值称为该编码集的码距。例如，对于编码集 {10011, 01011, 11110, 00001}，尽管 11110 和 00001 的码距为 5，但 10011 和 01011 的码距为 2，取最小值，因此该编码集的码距为 2。
        根据纠错理论，编码方案的检错能力和纠错能力与码距 l 的关系如下：
                                                l=d+c+1,d≥c
        即码距 l 越大，其检错的位数 d 就越大，纠错的位数 c 也越大，且纠错能力恒小于或等于检错能力（纠错必然能检错）。例如，当码距 l = 3 时，这种编码最多能检错 2 位，或能纠错 1 位。此外，考虑到 c = 0 和 d = c 的两种边界情况，还可以推出如下结论：
        1）为了检测 d 位错误，需要一个码距为 d + 1 的编码方案。当一个有效码字发生 d 位错误时，不可能变成另一个有效码字。可见，码距为 1 的编码方案无法检测任何错误。
        2）为了纠正 c 位错误，需要一个码距为 2c + 1 的编码方案。当一个有效码字发生 c 位错误时，它还是离原来的码字最近，从而能确定原来的码字，达到纠错的目的。

2.海明码的编码过程
        海明码具有 1 位纠错能力，现以数据 1010 为例讲述海明码的编码过程。
（1）确定海明码的位数
        设信息位有 n 位，检验位为 k 位，k 位检验位能表示2k种状态，信息位和检验位共有 n + k 种 1 位出错的状态，此外还需要一种表示正确的状态，因此 n 和 k 应满足
                                                        2^k≥n+k+1
海明码位数4+3+1≤2^3成立，则 n = 4、k = 3 满足条件。设信息位为D4D3D2D1（1010），共 4 位，检验位为P3P2P1，共 3 位，对应的海明码为H7H6H5H4H3H2H1。
（2）确定检验位的分布
规定检验位Pi在海明码位号为2i−1的位置上，其余各位为信息位，因此有：
        P1的海明码位号为21−1=20=1，即H1为P1。
        P2的海明码位号为22−1=21=2，即H2为P2。
        P3的海明码位号为23−1=22=4，即H4为P3。
将信息位按原来的顺序放到其余位置，则海明码各位的分布如下：

（3）分组以形成检验关系
        每个数据位用多个检验位进行检验，但要满足条件：被检验数据位的海明位号等于检验该数据位的各检验位海明位号之和。另外，检验位不需要再被检验。分组形成的检验关系如下。

（4）检验位取值
检验位Pi的值为第 i 组（由该检验位检验的数据位）所有位求异或。
根据（3）中的分组有

所以，1010 对应的海明码为（下画线为检验位，其他为信息位）。
（5）海明码的检验原理
        每个检验组分别利用检验位和参与形成该检验位的信息位进行奇偶检验检查，构成 k 个检验方程：

        若S3S2S1的值为 “000”，则说明无错；否则说明出错，且这个数就是错误位的位号，如S3S2S1=001，说明第 1 位出错，即H1出错，直接将该位取反就达到了纠错的目的。

3.3.3 本节习题精选

一、单项选择题

01. 下列有关数据链路层差错控制的叙述中，错误的是（）。

A. 数据链路层只能提供差错检测，而不提供对差错的纠正
B. 奇偶检验码只能检测出错误而无法对其进行修正，也无法检测出双位错误
C. CRC 检验码可以检测出所有的单比特错误
D. 海明码可以纠正一位差错

01. A

链路层的差错控制有两种基本策略：检错编码和纠错编码。常见的纠错码有海明码，它可以纠正一位差错。CRC 检验码可以检测出所有的单比特错误（记住该结论即可）。

02. 下列关于奇偶检验码特征的描述中，正确的是（）。

A. 只能检查出奇数个比特的错误
B. 能检查出任意个比特的错误
C. 比 CRC 检验更可靠
D. 只能检查出偶数个比特的错误

02. A

奇偶检验的原理是通过增加冗余位来使得码字中 “1” 的个数保持为奇数或偶数的编码方法，它只能检查出奇数个比特的错误。

03. 字符 S 的 ASCII 编码从低到高依次为 1100101，采用奇检验，在下述收到的传输后字符中，错误（）不能检测。

A. 11000011
B. 11001010
C. 11001100
D. 11010011

03. D

既然采用奇检验，那么传输的数据中 1 的个数若是偶数则可检测出错误，若 1 的个数是奇数则检测不出错误。

04. 对于 10 位要传输的数据，若采用海明码检验，则需要增加的冗余信息位数是（）。

A. 3
B. 4
C. 5
D. 6

04. B

在 k 比特信息位上附加 r 比特冗余信息，构成 k + r 比特的码字，必须满足2r≥k+r+1。若 k 的取值小于或等于 11 且大于 4，则 r = 4。

05. 下列关于循环冗余检验的说法中，错误的是（）。

A. 带 r 个检验位的多项式编码可以检测到所有长度小于或等于 r 的突发性错误
B. 通信双方可以无须商定就直接使用多项式编码
C. CRC 检验可以使用硬件来完成
D. 有一些特殊的多项式，因为其有很好的特性，而成了国际标准

05. B

在使用多项式编码时，发送方和接收方必须预先商定一个生成多项式。发送方按照模 2 除法，得到检验码，在发送数据时将该检验码加到数据后面。接收方收到数据后，也需要根据该生成多项式来验证数据的正确性。选项 A 是正确结论，了解即可，无须掌握证明过程。

06. 要发送的数据是 1101 0110 11，采用 CRC 检验，生成多项式是 10011，那么最终发送的数据应是（）。

A. 1101 0110 1110 10
B. 1101 0110 1101 10
C. 1101 0110 1111 10
D. 1111 0011 0111 00

06. C

假设一个帧有 m 位，其对应的多项式为 G (x)，则计算冗余码的步骤如下：
① 加 0。假设 G (x) 的阶为 r，在帧的低位端加上 r 个 0。
② 模 2 除。利用模 2 除法，用 G (x) 对应的数据串除①中计算出的数据串，得到的余数即为冗余码（共 r 位，前面的 0 不可省略）。
        多项式以 2 为模运算。按照模 2 运算规则，加法不进位，减法不借位，它刚好是异或操作。乘除法类似于二进制运算，只是在做加减法时按模 2 规则进行。

07.【2023 统考真题】若甲向乙发送数据时采用 CRC 检验，生成多项式为G(X)=X4+X+1（G=10011），则乙方接收到比特串（）时，可以断定其在传输过程中未发生错误。

A. 10111 0000
B. 10111 0100
C. 10111 1000
D. 10111 1100

07. D

观察选项：除后 4 位外，前 5 位都为 10111，可知发送方发送的数据部分为 10111，列式求得余数部分为 1100，因此发送方发送的帧串为 10111 1100。

二、综合应用题

01. 在数据传输过程中，若接收方收到的二进制比特序列为 10110011010，收发双方采用的生成多项式为G(x)=x4+x3+1，则该二进制比特序列在传输中是否出错？若未出错，则发送数据的比特序列和 CRC 检验码的比特序列分别是什么？

01.【解答】

根据题意，生成多项式 G (x) 对应的二进制比特序列为 11001。进行如下的二进制模 2 除法，被除数为 10110011010，除数为 11001：

        所得余数为 0，因此该二进制比特序列在传输过程中未出现差错。发送数据的比特序列是 1011001，CRC 检验码的比特序列是 1010。

        注意：CRC 检验码的位数等于生成多项式 G (x) 的最高次数。

3.4 流量控制与可靠传输机制

        在数据链路层中，流量控制机制和可靠传输机制是交织在一起的。

3.4.1 流量控制与滑动窗口机制

        流量控制是指由接收方控制发送方的发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。常见的流量控制方法有两种：停止 - 等待协议和滑动窗口协议。数据链路层和传输层均有流量控制的功能，它们都用到了滑动窗口协议，但也有所区别，主要体现如下：

       1）数据链路层控制的是相邻节点之间的流量，而传输层控制的是端到端的流量。
2）数据链路层的控制手段是接收方收不下时就不返回确认。传输层的控制手段是接收方通过确认报文段中的窗口值来调整发送方的发送窗口。

1. 停止 - 等待流量控制基本原理

        停止 - 等待流量控制是一种最简单的流量控制方法。发送方每次只允许发送一个帧，接收方每接收一个帧都要反馈一个确认信号，表示可以接收下一帧，发送方收到确认信号后才能发送下一帧。若发送方没有收到接收方反馈的确认信号，则需要一直等待。发送方每发送完一个帧，就进入等待接收方确认信息的过程中，因而传输效率相对较低。

2. 滑动窗口流量控制基本特性

        滑动窗口流量控制是一种更高效的流量控制方法。在任意时刻，发送方都维持一组连续的允许发送帧的序号，称为发送窗口；同时接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口。发送窗口表示在还未收到对方确认信息的情况下，发送方最多还能发送多少个帧和哪些帧。同理，在接收方设置接收窗口是为了控制可以接收哪些帧和不可以接收哪些帧。
图 3.9 给出了发送窗口的工作原理，图 3.10 给出了接收窗口（WR=1）的工作原理。

        发送方每收到一个按序确认的确认帧，就将发送窗口向前滑动一个位置。这样，就有一个新的序号落入发送窗口，序号落入发送窗口内的数据帧可以继续发送。当窗口内没有可以发送的帧（窗口内的帧全部是已发送但未收到确认的帧）时，发送方就停止发送。
        接收方每收到一个序号落入接收窗口的数据帧，就允许将该帧收下，然后将接收窗口向前滑动一个位置，并发回确认。这样，就有一个新的序号落入接收窗口，序号落入接收窗口内的数据帧即为准备接收的帧。若收到的帧落在接收窗口之外，则一律丢弃。
        滑动窗口具有以下重要特性：
        1）只有接收窗口向前滑动（同时接收方发送了确认）时，发送窗口才有可能（只有发送方收到确认后才一定）向前滑动。

        命题追踪滑动窗口协议的窗口大小的关系（2019）
        2）从滑动窗口的概念看，停止 - 等待协议与后面将介绍的后退 N 帧协议和选择重传协议只在发送窗口大小与接收窗口大小上有所差别：

停止 - 等待协议：发送窗口WT=1，接收窗口WR=1。

后退 N 帧协议：发送窗口WT>1，接收窗口WR=1。

选择重传协议：发送窗口WT>1，接收窗口WR>1。
若采用 n 比特对帧编号，则后两种滑动窗口协议还需满足WT+WR≤2n。
        3）当接收窗口大小为 1 时，只有收到该帧后才允许接收下一帧，因此可保证帧的有序接收。
        4）在数据链路层的滑动窗口协议中，窗口大小在传输过程中是固定的（与传输层不同）。

3.4.2 可靠传输机制

        可靠传输是指发送方发送的数据都能被接收方正确地接收，通常采用确认和超时重传两种机制来实现。确认是指接收方每收到发送方发来的数据帧，都要向发送方发回一个确认帧，表示已正确地收到该数据帧。超时重传是指发送方在发送一个数据帧后就启动一个计时器，若在规定时间内没有收到所发送数据帧的确认帧，则重发该数据帧，直到发送成功为止。
        使用这两种机制的可靠传输协议称为自动重传请求（ARQ），它意味着重传是自动进行的，接收方不需要对发送方发出重传请求。在 ARQ 协议中，数据帧和确认帧都必须编号，以区分确认帧是对哪个帧的确认，以及哪些帧还未确认。ARQ 协议分为三种：停止 - 等待（Stop - and - Wait）协议、后退 N 帧（Go - Back - N）协议和选择重传（Selective Repeat）协议。值得注意的是，这三种可靠传输协议的基本原理并不仅限于数据链路层，还可应用到其上各层。
        在有线网络中，链路的误码率较低，为了降低开销，并不要求数据链路层向其上层提供可靠传输服务，即使出现了误码，可靠传输的问题也由其上层处理。而无线网络的链路易受干扰，误码率较高，因此要求数据链路层必须向其上层提供可靠传输服务。

1. 单帧滑动窗口与停止 - 等待协议（S - W）

        在停止 - 等待协议中，发送方每次只能发送一个帧，当发送方收到接收方的确认帧之后，才可以发送下一个帧。从滑动窗口的角度看，停止 - 等待协议的发送窗口和接收窗口大小均为 1。
        在停止 - 等待协议中，可能出现两种差错：
        ① 数据帧出错或丢失，接收方检测到数据帧出了差错，就简单地将该帧丢弃；若是数据帧在传输过程中丢失，接收方当然什么都不知道。为了应付这种可能的情况，发送方装备了计时器。在一个帧发送后，发送方等待确认，当计时器超时的时候，若仍未收到确认，则重发该数据帧。如此重复，直到该数据帧正确到达为止。
        ② 确认帧出错或丢失，若接收方已收到正确的数据帧，但发送方收不到确认帧，因此发送方会重传已被接收的数据帧，接收方收到相同的数据帧时会丢弃该帧，并重传一个该帧对应的确认帧。
        对于停止 - 等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，只需保证每次发送的新数据帧的序号与上次发送的数据帧的序号不同，因此用 1 比特来编号就足够。发送的帧交替地用 0 和 1 来标识，确认帧分别用 ACK0 和 ACK1 来表示。若连续出现相同序号的数据帧，则表明发送方进行了超时重传。若连续出现相同序号的确认帧，则表明接收方收到了重复帧。
        此外，为了超时重传和判定重复帧的需要，发送方和接收方都要设置一个帧缓冲区。当发送方发送完数据帧时，必须在其发送缓存中保留该数据帧的副本，这样才能在出现差错时进行重传。只有在收到对方发来的确认帧 ACK 后，方可清除该副本。
        停止 - 等待协议的信道利用率很低。为了提高传输效率，产生了连续 ARQ 协议（后退 N 帧协议和选择重传协议），发送方可连续发送多个帧，而不是每发完一个帧就停止等待确认。

2. 多帧滑动窗口与后退 N 帧协议（GBN）

命题追踪 GBN 协议的工作原理（2009）
        在后退 N 帧协议中，发送方可在未收到确认帧的情况下，将序号在发送窗口内的多个数据帧全部发送出去。后退 N 帧的含义是：发送方发送 N 个数据帧后，若发现这 N 个帧的前一个数据帧在计时器超时的时候仍未收到其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方不得不重传该出错帧及随后的 N 个帧。这意味着，接收方只允许按顺序接收帧。

命题追踪 GBN 确认号的含义 / 捎带确认的应用（2017）
        如图 3.11 所示，发送方向接收方发送数据帧。发送方发完 0 号帧后，可以继续发送后续的 1 号帧、2 号帧等。发送方每发送完一个数据帧，就要为该帧设置超时计时器。因为连续发送了许多帧，所以确认帧必须指明是对哪个帧的确认。为了降低开销，GBN 协议允许接收方进行累积确认，即允许接收方不需要每收到一个正确的数据帧就立即发回一个确认帧，而可在连续收到多个正确的数据帧后，对最后一个数据帧发回确认信息，也就是说 “对某个数据帧的确认就代表该帧和之前所有的数据帧均已正确无误地收到”。ACKn 表示对 n 号帧的确认，表示接收方已正确收到 n 号帧及之前的所有帧，下次期望收到 n + 1 号帧（也可能是 0 号帧）。接收方只按序接收数据帧。在图 3.11 中，虽然在有差错的 2 号帧之后接着收到了正确的 6 个数据帧，但接收方必须将这些帧丢弃，此外，接收方还可重发已发送的最后一个确认帧 ACK1（以防止 ACK1 丢失）。等 2 号帧超过超时重传时间，发送方重新发送窗口中 2 号帧之后的所有数据帧。

命题追踪 GBN 超时重传的分析（2017）

命题追踪 GBN 发送窗口的意义 / 最大尺寸（2017）
        若采用 n 比特对帧编号，则其发送窗口WT应满足1<WT≤2^n−1。若WT大于2^n−1，则会造成接收方无法分辨新数据帧和旧数据帧（参考本章末的疑难点 1）。
        后退 N 帧协议的接收窗口WR=1，可保证按序接收数据帧。
        不难看出，后退 N 帧协议一方面因连续发送数据帧而提高了信道利用率，另一方面在重传时又必须重传原来已正确到达的帧（仅因这些帧的前面有一帧出错），因此这种做法会降低传送效率。当信道误码率较大时，后退 N 帧协议不一定优于停止 - 等待协议。

3. 多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）
        为了进一步提高信道的利用率，可以设法只重传出现差错和计时器超时的数据帧，但此时必须加大接收窗口，以便先收下失序但正确到达且序号仍落在接收窗口内的那些数据帧，等到所缺序号的数据帧收齐后，再一并送交上层。这就是选择重传协议。

命题追踪选择重传协议的原理及实现（2011、2024）
        为了使发送方仅重传出错的帧，接收方不能再采用累积确认，而要对每个正确接收的数据帧逐一进行确认。显然，选择重传协议比后退 N 帧协议更复杂，且接收方需要设置足够的帧缓冲区（帧缓冲区的数量等于接收窗口大小）来暂存那些失序但正确到达且序号落在接收窗口内的数据帧。每个发送缓冲区对应一个计时器，当计时器超时的时候，缓冲区的帧就重传。若接收方收到重复的数据帧（表示确认帧丢失），则丢弃该帧，并重传与该帧对应的确认帧。
        选择重传协议还采用了比上述其他协议更有效的差错处理策略，即一旦接收方检测到某个数据帧出错，就向发送方发送一个否定帧 NAK，要求发送方立即重传 NAK 指定的数据帧。在图 3.12 中，2 号帧丢失后，接收方仍可正常接收并缓存之后收到的数据帧，待发送方超时重传 2 号帧并被接收方成功接收后，接收窗口就可向前移动，而当发送方收到 2 号帧的确认后，发送窗口就可向前移动。在某个时刻，接收方检测到 10 号帧出错，向发送方发出否定帧 NAK10，在此期间接收方仍可正常接收并缓存之后收到的帧，发送方收到否定帧 NAK10 后立即重传 10 号帧。

        选择重传协议的接收窗口WR和发送窗口WT都大于 1，一次可以发送或接收多个帧。若采用 n 比特对帧编号，需满足条件①：WR+WT≤2^n（否则，在接收方的接收窗口向前移动后，若有一个或多个确认帧丢失，则发送方就会超时重传之前的旧数据帧，接收窗口内的新序号与之前的旧序号出现重叠，接收方就无法分辨是新数据帧还是重传的旧数据帧）。此外，还应满足条件②：WR≤WT（否则，若接收窗口大于发送窗口，则接收窗口永远不可能填满，接收窗口多出的空间就毫无意义）。由①和②不难得出WR≤2^n−1。一般情况下，WR和WT的大小是相同的。

4. 信道利用率的分析

        信道利用率是指信道的效率。从时间角度看，信道效率是对发送方而言的，是指发送方在一个发送周期（从发送方开始发送分组到收到第一个确认分组所需的时间）内，有效发送数据的时间与整个发送周期之比。本节之所以使用分组的 PDU 名称而不使用帧，是为了更具通用性。

（1）停止 - 等待协议的信道利用率

命题追踪停止 - 等待协议下信道利用率的计算（2018、2020）
        停止 - 等待协议的优点是简单，缺点是信道利用率太低。下面用图 3.13 来分析这个问题。假定在发送方和接收方之间有一个直通的信道来传送分组。

        发送方发送分组的发送时延为TD。显然，TD等于分组长度除以数据传输速率。假定分组正确到达接收方后，接收方处理分组的时间可以忽略不计，同时立即发回确认。接收方发送确认分组的发送时延为TA（通常可以忽略不计）。再假设发送方处理确认分组的时间也可以忽略不计，那么发送方经过时间TD+RTT+TA后就可再发送下一个分组，其中RTT是往返时延。因为仅在TD内才用来发送数据分组，因此停止 - 等待协议的信道利用率U为

        假定某个信道的RTT=20ms。分组长度是 1200 比特，数据传输速率是 1Mb/s。若忽略处理时间和TA，则可算出信道利用率U=5.666%。若把数据传输速率提高到 10Mb/s，则U=0.596%。由此可知，当RTT大于TD时，信道利用率就非常低。

（2）连续 ARQ 协议的信道利用率

命题追踪三种滑动窗口协议的信道利用率比较（2023）
        连续 ARQ 协议采用流水线传输（见图 3.14），即发送方可连续发送多个分组。这样，只要发送窗口足够大，就可使信道上有数据持续流动。显然，这种方式能获得很高的信道利用率。

命题追踪 GBN 协议下信道利用率与发送窗口大小的关系（2012、2015、2017）
        假设连续 ARQ 协议的发送窗口为n，即发送方可连续发送n个分组，分为两种情况：
        1）nTD<TD+RTT+TA：即在一个发送周期内可以发送完n个分组，信道利用率为

        2）nTD≥TD+RTT+TA：即在一个发送周期内发不完（或刚好发完）n个分组，对于这种情况，只要不发生差错，发送方可不间断地发送分组，信道利用率为 1。
命题追踪滑动窗口协议的数据传输速率的计算（2009、2010、2014）
        此外，“信道平均（实际）数据传输速率 = 信道利用率 × 信道带宽（最大数据传输速率）”，或者 “信道平均（实际）数据传输速率 = 发送周期内发送的数据量 / 发送周期”。
        本节习题中有不少关于信道利用率和数据传输速率的计算，读者可以结合习题学习。

3.4.3 本节习题精选

一、单项选择题

01. 下列关于停止 - 等待协议的描述中，正确的是（）。

A. 发送窗口和接收窗口的尺寸都为 1
B. 最大的信道利用率有可能达到 100%
C. 适合于往返时间比较长的信道
D. 接收方可以不按序接收

01. A

        停止 - 等待协议采用 1 比特给数据帧编号，发送窗口和接收窗口的尺寸都为 1，选项 A 正确。仅在收到当前窗口内的数据帧后，接收窗口才能向后移动，因此一定是按序接收的。停止 - 等待协议的信道利用率 = 一个数据帧的发送时延 ÷(一个数据帧的发送时延 + RTT + 一个确认帧的发送时延)，其中分子一定是小于分母的，所以信道利用率不可能达到 100%，当 RTT 较大时，会降低信道利用率，因此停止 - 等待协议适合 RTT 较小的信道。

02. 下列情况中，会使停止 - 等待协议的效率变得很低的是（）。

A. 当源主机和目的主机之间的距离很近而且数据传输速率很高时
B. 当源主机和目的主机之间的距离很远而且数据传输速率很高时
C. 当源主机和目的主机之间的距离很近而且数据传输速率很低时
D. 当源主机和目的主机之间的距离很远而且数据传输速率很低时

02. B

        根据信道利用率的计算公式，当数据传输速率很高时，数据帧的发送时间很短；当源主机和目的主机的距离很远时，往返时延很大，此时的信道利用率很低。

03. 在简单的停止 - 等待协议中，当帧出现丢失时，发送方会永远等待下去，解决这种死锁现象的办法是（）。

A. 差错检验
B. 帧序号
C. NAK 机制
D. 超时机制

03. D

        在停止 - 等待协议中，发送方设置了计时器，在发送一个帧后，发送方等待确认，若在计时器满时仍未收到确认，则再次发送相同的帧，以免陷入永久的等待。

04. 在停止 - 等待协议中，为了让接收方能判断所收到的数据帧是否重复，采用（）的方法。

A. 帧编号
B. 检错码
C. 重传计时器
D. NAK 帧

04. A

        在停止 - 等待协议中，使用 1 位来编号即可。若连续出现相同序号的数据帧，则表明发送方进行了超时重传；若连续出现相同序号的确认帧，则表明接收方收到了重复帧。

05. 一个信道的数据传输速率为 4kb/s，单向传播时延为 30ms，若使停止 - 等待协议的信道最大利用率达到 80%，则要求的数据帧长至少为（）。

A. 160 比特
B. 320 比特
C. 560 比特
D. 960 比特

05. D

        设C为数据传输速率，L为帧长，R为单程传播时延。停止 - 等待协议的信道最大利用率为(L/C)/(L/C+2R)=L/(L+2RC)=L/(L+2×30ms×4kb/s)=80%，得出L=960bit。

06. 主机甲采用停止 - 等待协议向主机乙发送数据，数据传输速率是 6kb/s，单向传播时延是 100ms，忽略确认帧的发送时延。若信道的利用率为 40%，则数据帧的长度为（）。

A. 240 比特
B. 320 比特
C. 600 比特
D. 800 比特

06. D

        本题忽略确认帧的发送时延，所以信道利用率 = 数据帧的发送时延 ÷(数据帧的发送时延 + 往返时延) = 0.4，解得数据帧的发送时延为4/30s，所以数据帧的长度为6kb/s×4/30s=800bit。

07. 在停止 - 等待协议中，若发送方发送的数据帧中途丢失，则可能发生的情况是（）。

A. 接收方发送 NAK 帧，请求重发此帧
B. 发送方在经过超时时间后未收到 ACK 帧，自动重发此帧
C. 接收方在经过超时时间后，向发送方发送 ACK 帧，请求重发此帧
D. 发送方继续发送后续帧，直到经过超时时间后未收到 ACK 帧，重发此帧

07. B

        停止 - 等待协议使用确认和重传机制，发送方每发送完一个帧，就要停下来等待接收方发回的确认帧，收到确认帧后才能发送下一帧，经过超时时间后未收到 ACK 帧则自动重传。

08. 下列关于连续 ARQ 的说法中，错误的是（）。

A. 发送方可以连续发送若干数据帧，而不是发完一个数据帧就停下来等待确认帧
B. 发送方收到了接收方发来的确认帧，还可以接着发送数据帧
C. 相比停止 - 等待协议，连续 ARQ 因为减少了等待时间，所以提高了信道利用率
D. 接收方可以不按序接收数据帧

08. D

        连续 ARQ 协议分为 GBN 协议和 SR 协议。SR 的接收窗口大于 1，接收方可以先收下失序但序号仍落在接收窗口内的那些数据帧。GBN 的接收窗口等于 1，接收方必须按序接收数据帧。

09. 数据链路层采用后退 N 帧协议进行流量控制，发送方已发送编号为 0 - 6 的帧，之后收到 5 号数据帧的确认，发送方的滑动窗口向后移动后，发送方可发送的数据帧数量为 6 个，假设整个过程未发生超时，则应采用（）位给数据帧编号。

A. 3
B. 4
C. 5
D. 6

09. A

        发送方收到 5 号帧的确认后，表示 5 号帧及之前的所有帧都被接收方正确接收，因此滑动窗口右移后，新窗口内的第一个帧就是 6 号帧，又因为此时可发送的数据帧数为 6，因此发送窗口的总大小为 7。在 GBN 协议中，若用n位给帧编号，则发送窗口大小为2^n −1，因此n=3。

10. 数据链路层采用后退 N 帧协议，发送方已经发送了编号从 0 到 6 的帧。当计时器超时的时候，只收到对 1、2、4 号帧的确认，发送方需要重传的帧的数量是（）。

A. 1
B. 2
C. 5
D. 6

10. B

        后退 N 帧协议采用累积确认，确认的最后一个帧是 4 号帧，表示 4 号帧及 4 号帧之前的数据帧都已被正确接收，所以只需重传 5 号帧和 6 号帧这两个数据帧。

11. 数据链路层采用了后退 N 帧协议（GBN），若发送窗口的大小是 32，则至少需要（）位的序列号才能保证协议不出错。

A. 4
B. 5
C. 6
D. 7

11. C

        对于滑动窗口协议，序列号个数要大于或等于窗口数（发送窗口大小 + 接收窗口大小），所以在后退 N 帧的协议中，序列号个数不小于 “发送窗口大小 + 1”，题中发送窗口大小是 32，那么序列号个数最少应该是 33 个。所以最少需要 6 位的序列号才能达到要求。

12. 若采用后退 N 帧的 ARQ 协议进行流量控制，帧编号字段为 7 位，则发送窗口的最大长度为（）。

A. 7
B. 8
C. 127
D. 128

12. C

        接收窗口整体向前移动时，新窗口中的序列号和旧窗口的序列号产生重叠，致使接收方无法区别发送方发送的帧是重发帧还是新帧，因此在后退 N 帧的 ARQ 协议中，发送窗口WT≤2^n −1。本题中n=7，因此发送窗口的最大长度是 127。

13. 一个使用选择重传协议的数据链路层，若采用 5 位的帧序列号，则可以选用的最大接收窗口是（）。

A. 15
B. 16
C. 31
D. 32

13. B

        在选择重传协议中，若用n比特对帧编号，则发送窗口和接收窗口的大小关系为1<WR≤WT，还需满足WR+WT≤2n，所以接收窗口的最大尺寸不超过序号范围的一半，即WR≤2^n−1。

14. 对于窗口总大小为n的滑动窗口，最多可以有（）帧已发送但没有确认。

A. 0
B. n−1
C. n
D. n/2

14. B

        在连续 ARQ 协议中，发送窗口大小≤窗口总数 - 1。例如，窗口总数为 8，编号为 0~7，假设这 8 个帧都已发出，下一轮又发出编号 0~7 的 8 个帧，接收方将无法判断第二轮发的 8 个帧到底是重传帧还是新帧，因为它们的序号完全相同。另一方面，对于后退 N 帧协议，发送窗口大小可以等于窗口总数 - 1，因为它的接收窗口大小为 1，所有的帧保证按序接收。因此对于窗口大小为n的滑动窗口，其发送窗口大小最大为n−1，即最多可以有n−1帧已发送但没有确认。

15. 数据链路层采用选择重传协议（SR）传输数据，若帧序号采用 4 比特编号，接收窗口大小为 7，则发送窗口最大是（）。

A. 17
B. 8
C. 9
D. 10

15. C

        在选择重传协议中，若用n比特对帧编号，则发送窗口和接收窗口的大小关系为1<WR≤WT，此外，还要满足WR+WT≤2^n，因此发送窗口的最大尺寸为2^4−7=16−7=9。

16. 对无序接收的滑动窗口协议，若序号位数为n，则接收窗口最大尺寸为（）。

16. D

        本题未直接告知使用的是选择重传协议，而是通过间接方式给出的。题目说无序接收的滑动窗口协议，表示接收窗口大于 1，所以使用的是选择重传协议，接收窗口最大尺寸为2^n−1。

17. 采用滑动窗口机制对两个相邻节点 A 和 B 的通信过程进行流量控制。A 和 B 之间的数据传输速率为 20kb/s，数据帧和确认帧的长度都为 2000B，往返传播时延为 1400ms，采用 3 比特给数据帧编号，测得在 A 和 B 的通信过程中信道利用率大于 80%，则（）。（注：在 SR 协议中，默认发送窗口大小等于接收窗口大小。）

A. 节点 A、B 之间只能采用停止等待协议
B. 节点 A、B 之间只能采用 GBN 协议
C. 节点 A、B 之间只能采用 SR 协议
D. 节点 A、B 之间可以采用 GBN 协议或 SR 协议

17. D

        无论采用哪种滑动窗口协议，信道利用率的计算方法都是：发送窗口内所有数据帧的发送时延 ÷（一个数据帧的发送时延 ^+ RTT + 一个确认帧的发送时延）。分母记为T = 一个数据帧的发送时延 + RTT + 一个确认帧的发送时延，其中数据帧或确认帧的发送时延 = 2000B/(20kb/s)=800ms，RTT=1400ms，即T=800+800+1400=3000ms。假设发送窗口大小为x，则800x/3000>0.8，即发送窗口大小x要大于 3，GBN 协议的发送窗口为2^3−1=7，满足要求；SR 协议的发送窗口为2^2=4，也满足要求。因此，A 和 B 之间可以采用 GBN 协议或 SR 协议。

18. 流量控制是实现发送方和接收方速度一致的机制，实现这种机制所采取的措施是（）。

A. 增大接收方接收速度
B. 减小发送方发送速度
C. 接收方向发送方反馈信息
D. 增加双方的缓冲区

18. C

        实现流量控制的常用方法是滑动窗口协议，它让接收方把自己的接收窗口大小反馈给发送方，以调节发送方的发送窗口大小，避免发送方因发送速度过快而导致接收方来不及接收。

19. 假设两台主机之间采用后退 N 帧协议传输数据，数据传输速率为 16kb/s，单向传播时延为 250ms，数据帧的长度是 128 字节，确认帧的长度也是 128 字节，为使信道利用率达到最高，则帧序号的比特数至少为（）。

A. 2
B. 3
C. 4
D. 5

19. C

        为使信道利用率最高（100%），要让发送方在一个发送周期内持续发送帧，不能出现发送窗口内的帧发完但还未收到第一个帧的确认帧的情况。发送周期 = 发送一个数据帧的时间 + 往返时延 + 发送一个确认帧的时间，发送一个数据帧或确认帧的时间均为128B÷16kb/s=64ms，发送周期 = 64ms+250ms×2+64ms=628ms。为保证发送方持续发送帧，在一个发送周期内至少要发送的帧数为628ms/64ms=10，即发送窗口大小至少为 10，所以帧序号至少采用 4 比特。

20. 在下列滑动窗口机制中，理论上可以达到 100% 信道利用率的是（）。

I. 停止 - 等待协议
II. 后退 N 帧协议
III. 选择重传协议
A. I
B. II
C. III
D. II 和 III

20. D

        信道利用率 = 发送周期内用于发送数据帧的时间 ÷ 发送周期，其中发送周期 = 发送一个数据帧的时间 + 往返时延 + 发送一个确认帧的时间。停止 - 等待协议的发送窗口为 1，不可能达到 100% 的信道利用率；后退 N 帧协议和选择重传协议只要发送窗口够大，都有可能达到 100% 的信道利用率。

21. 数据链路层采用选择重传协议进行流量控制，发送方在收到 0 - 3 号帧的确认后，又收到了 5 号帧的确认，发送窗口内还有其他帧未发送，且未发生超时，则发送方将（）。

A. 重传 4 号帧
B. 重传 5 号帧
C. 接收该确认帧并继续发送剩下的帧
D. 停止发送并等待超时

21. C

        在选择重传协议中，接收方对正确收到的每个数据帧单独进行确认，不要求收到的数据帧是有序的。依题意，接收方已正确收到 0~3 号和 5 号数据帧，但不确定 4 号数据帧是否收到。因为没有发生超时，发送方不进行重传，所以接收该确认帧并继续发送剩下的数据帧。

22.【2009 统考真题】数据链路层采用了后退 N 帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为 0 - 7 的帧。当计时器超时的时候，若发送方只收到 0、2、3 号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是（）。

A. 2
B. 3
C. 4
D. 5

22. C

        在 GBN 协议中，当接收方检测到某个帧出错时，会简单地丢弃该帧及所有的后续帧，发送方超时后需重传该数据帧及所有的后续帧。注意，在 GBN 协议中，接收方一般采用累积确认的方式，即接收方对按序到达的最后一个分组发送确认，因此本题中收到 3 号帧的确认就表示编号为 0、1、2、3 的帧已接收，而此时发送方未收到 1 号帧的确认只能代表确认帧在返回的过程中丢失，而不代表 1 号帧未到达接收方。因此需要重传的帧为编号是 4、5、6、7 的帧。

23.【2011 统考真题】数据链路层采用选择重传协议（SR）传输数据，发送方已发送 0 - 3 号数据帧，现已收到 1 号帧的确认，而 0、2 号帧依次超时，则此时需要重传的帧数是（）。

A. 1
B. 2
C. 3
D. 4

23. B

        在选择重传协议中，接收方逐个确认正确接收的分组，不管接收到的分组是否有序，只要正确接收就发送选择 ACK 分组进行确认，因此 ACK 分组不再具有累积确认的作用。对于这一点，要特别注意与 GBN 协议的区别。此题中只收到 1 号帧的确认，0、2 号帧超时，因为对 1 号帧的确认不具累积确认的作用，所以发送方认为接收方未收到 0、2 号帧，于是重传这两帧。

24.【2012 统考真题】两台主机之间的数据链路层采用后退 N 帧协议（GBN）传输数据，数据传输速率为 16kb/s，单向传播时延为 270ms，数据帧长范围是 128 - 512 字节，接收方总是以与数据帧等长的帧进行确认。为使信道利用率达到最高，帧序号的比特数至少为（）。

A. 5
B. 4
C. 3
D. 2

24. B

连续 ARQ 的信道利用率：

        从上述公式可知，数据帧长越大，信道利用率就越高。数据帧长是不确定的，范围 128~512B，在计算最小窗口数时，为了保证无论数据帧长如何变化，信道利用率都能达到 100%，应以 128B 的帧长计算。因此，当最短的帧长都能达到 100% 的信道利用率时，发送更长的数据帧也都能达到 100% 的信道利用率。若以 512B 的帧长计算，则求得的最小窗口数在 128B 的帧长下，达不到 100% 的信道利用率。首先计算出发送一个帧的时间128×8/(16×10^3)=64ms；发送一个帧到收到确认帧为止的总时间64+270×2+64=668ms；这段时间总共可发送668/64=10.4帧，即发送窗口≥11，而接收窗口 = 1，所以至少需要用 4 位比特进行编号。

25.【2014 统考真题】主机甲与主机乙之间采用后退 N 帧协议（GBN）传输数据，主机甲的发送窗口尺寸为 1000，数据帧长为 1000 字节，信道带宽为 100Mb/s，主机乙每收到一个数据帧，就立即利用一个短帧（忽略其传输延迟）进行确认，若主机甲和主机乙之间的单向传播时延是 50ms，则主机甲可以达到的最大平均数据传输速率约为（）。

A. 10Mb/s
B. 20Mb/s
C. 80Mb/s
D. 100Mb/s

25. C

        考虑制约甲方的数据传输速率的因素。首先，信道带宽能直接制约数据的传输速率，传输速率一定是小于或等于信道带宽的。其次，因为甲方和乙方之间采用后退 N 帧协议传输数据，要考虑发送一个数据到接收到它的确认之前，最多能发送多少数据，甲方的最大传输速率受这两个条件的约束，所以甲方的最大传输速率是这两个值中的小者。甲方的发送窗口尺寸为 1000，而从发送第一个帧到接收到它确认前，最多能发送 1000 个数据帧，即1000×1000B=1MB的内容，而发送第一个帧到接收到它的确认的时间是一个帧的发送时间加上往返时延，即1000B÷100Mb/s+50ms+50ms=0.10008s，此时的最大传输速率为1MB/0.10008s≈10MB/s=80Mb/s。信道带宽为100Mb/s，因此答案为min(80Mb/s,100Mb/s)=80Mb/s。

26.【2015 统考真题】主机甲通过 128kb/s 卫星链路，采用滑动窗口协议向主机乙发送数据，链路单向传播时延为 250ms，帧长为 1000 字节。不考虑确认帧的开销，为使链路利用率不小于 80%，帧序号的比特数至少是（）。

A. 3
B. 4
C. 7
D. 8

26. B

        按发送周期思考，从开始发送帧到收到第一个确认帧为止，用时为T = 第一个帧的发送时延 + 第一个帧的传播时延 + 确认帧的发送时延 + 确认帧的传播时延，这里忽略确认帧的发送时延。因此T=1000B÷128kb/s+RTT=0.5625s，接着计算在T内需要发送多少数据才能满足利用率不小于 80%。设数据大小为L字节，则(L÷128kb/s)/T≥0.8，得到L≥7200B，即在一个发送周期内至少要发7.2个帧才能满足要求，设需要编号的比特数为n，则2^n −1≥7.2，因此n至少为4。

27.【2018 统考真题】主机甲采用停止 - 等待协议向主机乙发送数据，数据传输速率是 3kb/s，单向传播时延是 200ms，忽略确认帧的传输时延。当信道利用率等于 40% 时，数据帧的长度为（）。

A. 240 比特
B. 400 比特
C. 480 比特
D. 800 比特

27. D

        信道利用率 = 传输帧的有效时间 ÷ 传输帧的周期。假设帧的长度为x比特。对于有效时间，应该用帧的大小除以数据传输速率，即x÷3kb/s。对于帧的传输周期，应包含 4 部分：帧在发送方的发送时延、帧从发送方到接收方的单程传播时延、确认帧在接收方的发送时延、确认帧从接收方到发送方的单程传播时延。这 4 个时延中，因为题目中说 “忽略确认帧的传输时延”，所以不计算确认帧的传输时延（传输时延也称发送时延，注意与传播时延区分）。所以帧的传输周期由三部分组成：首先是帧在发送方的发送时延x÷3kb/s，其次是帧从发送方到接收方的单程传播时延200ms，最后是确认帧从接收方到发送方的单程传播时延200ms，三者相加得周期为x÷3kb/s+400ms。代入信道利用率的公式得x=800bit。

28.【2019 统考真题】对于滑动窗口协议，若分组序号采用 3 比特编号，发送窗口大小为 5，则接收窗口最大是（）。

A. 2
B. 3
C. 4
D. 5

28. B

        从滑动窗口的概念来看，停止 - 等待协议：发送窗口大小 = 1，接收窗口大小 = 1；后退 N 帧协议：发送窗口大小 > 1，接收窗口大小 = 1；选择重传协议：发送窗口大小 > 1，接收窗口大小 > 1。在选择重传协议中，还需满足：接收窗口大小≤发送窗口大小；发送窗口大小 + 接收窗口大小≤2n。根据以上规则，采用 3 比特编号，发送窗口大小为 5，接收窗口大小应≤3。

29.【2020 统考真题】假设主机甲采用停止 - 等待协议向主机乙发送数据帧，数据帧长与确认帧均为 1000B，数据传输速率是 10kb/s，单项传播时延是 200ms。则主机甲的最大信道利用率为（）。

A. 80%
B. 66.7%
C. 44.4%
D. 40%

29. D

发送数据帧和确认帧的时间均为t=1000×8b÷10kb/s=800ms。
发送周期为T=800ms+200ms+800ms+200ms=2000ms。
信道利用率为t/T×100%=800/2000=40%。

30.【2023 统考真题】假设通过同一条信道，数据链路层分别采用停止 - 等待协议、GBN 协议和 SR 协议（发送窗口和接收窗口相等）传输数据，三个协议的数据帧长相同，忽略确认帧长，帧序号位数为 3 比特。若对应三个协议的发送方最大信道利用率分别是U1、U2和U3，则U1、U2和U3满足的关系是（）。

A. U1≤U2≤U3
B. U1≤U3≤U2
C. U2≤U3≤U1
D. U3≤U2≤U1

30. B

        信道利用率U=nTD/T，其中n是发送窗口的大小，TD是发送一个数据帧的时间，T是一个数据帧的发送周期。在TD和T确定的情况下，n越大，信道利用率就越大。设帧序号的比特数为k，则停止 - 等待协议的发送窗口WT1=1；GBN 协议的发送窗口WT2=2^k−1；SR 协议的发送窗口WT3总是≤2^k−1，通常取2^k−1，WT1≤WT3≤WT2，因此U1≤U3≤U2。

31.【2024 统考真题】主机甲通过选择重传（SR）滑动窗口协议向主机乙发送帧的部分过程如下图所示，Fx为数据帧，ACKx为确认帧，x是位数为 3 比特的序号。主机乙只对正确接收的数据帧进行独立确认，发送窗口与接收窗口大小相同且均为最大值。主机甲在t1时刻和t2时刻发送的数据帧分别是（）。

31. D

        数据帧编号的范围是 0~7，发送窗口与接收窗口大小相等且均为最大值，因此发送窗口大小 = 接收窗口大小 = 23−1=4。甲发送 F0、F1、F2 和 F3 四个数据帧后，收到 F0 的确认，因此在t1时刻，发送窗口向右滑动，可以继续发送 F4，之后收到 F2 的确认，但由于 F1 丢失，甲无法收到 F1 的确认，发送窗口无法继续向右滑动，直到t2时刻，F1 超时，重传 F1，选项 D 正确。

二、综合应用题

01. 在选择重传协议中，设序号用 3 比特编号，发送窗口WT=6，接收窗口WR=3。试找出一种情况，使得在此情况下协议不能正确工作。

01.【解答】

        对于选择重传协议，接收窗口和发送窗口的尺寸需满足：接收窗口尺寸WR + 发送窗口尺寸WT≤2n，而题中给出的数据是WR+WT=9≥2^3，所以是无法正常工作的。举例如下：

        发送方：0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0

        接收方：0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0
        发送方发送 0~5 号共 6 个数据帧时，因发送窗口已满，发送暂停。接收方收到所有数据帧，对每个帧都发送确认帧，并期待后面的 6、7、0 号帧。若所有的确认帧都未到达发送方，经过发送方计时器控制的超时时间后，发送方再次发送之前的 6 个数据帧，而接收方收到 0 号帧后，无法判断是新的数据帧还是重传的旧的数据帧。

02. 假设一个信道的数据传输速率为 5kb/s，单向传播时延为 30ms，那么帧长在什么范围内，才能使用于差错控制的停止 - 等待协议的效率至少为 50%？（忽略确认帧的发送时延。）

02.【解答】

        设数据帧长为L。在停止 - 等待协议中，发送数据帧的时间为L/B，发送完数据帧后等待确认的时间为2R。要使协议的效率至少为 50%，要求信道利用率U至少为 50%，则

解得L≥2RB=2×5000×0.03bit=300bit。
        因此，当帧长大于或等于300bit时，停止 - 等待协议的效率至少为 50%。

03. 假定信道的数据传输速率为 100kb/s，单程传播时延为 250ms，每个数据帧的长度均为 2000 位，且不考虑确认帧长、首部和处理时间等开销，为了达到最大的传输效率，试问帧的序号应为多少位？此时的信道利用率是多少？

03.【解答】

        RTT=250×2=500ms=0.5s。
        一个帧的发送时间等于2000bit÷100kb/s=20×10^−3s=0.02s。
        一个帧发送完后经过一个单程时延到达接收方，再经过一个单程时延发送方收到确认帧，从而可以继续发送，因此要使传输效率最大，就要让发送方继续地发送帧。设发送窗口等于x，则
                0.02s×x=0.02s+RTT=0.52s
解得x=26，即发送窗口取 26 即可。因为16<26<32，所以帧序号应为 5 位。在使用连续 ARQ 的情况下，发送窗口的最大值是 31，大于 26，可以不间断地发送帧，此时信道利用率是 100%。

04. 在数据传输速率为 50kb/s 的信道上传送长度为 1kbit 的帧，总是采用捎带确认，帧序号长度为 3bit，单向传播延迟为 270ms。对于下面三种协议，信道的最大利用率是多少？

1）停止 - 等待协议。
2）后退 N 帧协议。
3）选择重传协议（假设发送窗口和接收窗口相等）。

04.【解答】

        最大信道利用率即每个传输周期内每个协议可发送的最大帧数。由题意，数据帧的长度为1kbit，信道的数据传输速率为50kb/s，因此信道的发送时延为1/50s=0.02s，另外信道端到端的传播时延 = 0.27s。本题中的确认帧是捎带的（通过数据帧来传送），因此每个数据帧的传输周期为(0.02+0.27+0.02+0.27)s=0.58s，
        1）在停止 - 等待协议中，发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；接收方每接收一帧，都要反馈一个应答信号，表示可接收下一帧。其中用于发送数据帧的时间为0.02s。因此，信道的最大利用率为0.02/0.58=3.4%。
        2）在后退 N 帧协议中，接收窗口尺寸为 1，若采用n比特对帧编号，则其发送窗口的尺寸W满足1<W≤2n−1。发送方可以连续再发送若干数据帧，直到发送窗口内的数据帧都发送完毕。若收到接收方的确认帧，则可以继续发送。若某个帧出错，则接收方只是简单地丢弃该帧及所有的后续帧，发送方超时后需重传该数据帧及所有的后续数据帧。
根据题目条件，在达到最大传输速率的情况下，发送窗口的大小应为2^n −1=7，此时在第一帧的数据传输周期0.58s内，实际发送了 7 帧（考虑极限情况，0.58s后接收方只收到 0 号帧的确认，此时又可以发出一个新帧，这样依次下去，取极限即是每个传输周期0.58s内发送了 7 帧），因此此时的最大信道利用率为7×0.02/0.58=24.1%。
        3）选择重传协议的接收窗口尺寸和发送窗口尺寸都大于 1，可以一次发送或接收多个帧。若采用n比特对帧编号，则窗口尺寸应满足：接收窗口尺寸 + 发送窗口尺寸≤2^n，当发送窗口与接收窗口尺寸相等时，应有接收窗口尺寸≤2^n−1且发送窗口尺寸≤2^n−1。发送方可以连续发送若干数据帧，直到发送窗口内的数据帧都发送完毕。若收到接收方的确认帧，则可以继续发送。若某个帧出错，则接收方只是简单地丢弃该帧，发送方超时后需重传该数据帧。
        和 2）问中的情况类似，唯一不同的是为达到最大信道利用率，发送窗口大小应为2n−1=4，因此，此时最大信道利用率为4×0.02/0.58=13.8%。

05. 对于下列给定条件，不考虑差错重传，停止 - 等待协议的实际数据传输速率是多少？

R = 传输速率（16Mb/s）
S = 信号传播速率（200m/μs）
D = 接收主机和发送主机之间传播距离（200m）
T = 创建帧的时间（2μs）
F = 每帧的长度（500bit）
N = 每帧中的数据长度（450bit）
A = 确认帧 ACK 的帧长（80bit）

05.【解答】

对于停止 - 等待协议，

06. 在数据传输速率为 64kb/s 的卫星信道上，甲方发送长度为 512B 的数据帧，乙方返回一个很短的确认帧（忽略确认帧的发送时延）。信道的单向传播时延为 270ms，对于发送窗口大小分别为 1、7、17 和 117 的情况，甲方的实际数据传输速率分别为多少？

06.【解答】

        要注意题中的单位。数据帧的长度为512B，即512×8bit=4.096kbit，一个数据帧的发送时延为4.096/64=0.064s。因此一个发送周期为0.064+2×0.27=0.604s。

        当发送窗口为 1 时，甲方的实际数据传输速率为1×4.096/0.604=6.8kb/s。

        当发送窗口为 7 时，甲方的实际数据传输速率为7×4.096/0.604=47.5kb/s。
        当发送窗口大于0.604/0.064，即大于或等于 10 时，就能保证甲方在信道上持续发送数据。因此发送窗口为 17 和 117 时，信道的利用率达到 100%，甲方的实际数据传输速率为64kb/s。

07.【2017 统考真题】甲乙双方均采用后退 N 帧协议（GBN）进行持续的双向数据传输，且双方始终采用捎带确认，帧长均为 1000B。Sx,y和Rx,y分别表示甲方和乙方发送的数据帧，其中x是发送序号，y是确认序号（表示希望接收对方的下一帧序号），数据帧的发送序号和确认序号字段均为 3 比特。信道传输速率为 100Mb/s，RTT=0.96ms。下图给出了甲方发送数据帧和接收数据帧的两种场景，其中t0为初始时刻，此时甲方的发送和确认序号均为 0，t1时刻甲方有足够多的数据待发送。

请回答下列问题。
1）对于图 (a)，t0时刻到t1时刻期间，甲方可以断定乙方已正确接收的数据帧数是多少？正确接收的是哪几个帧（请用Sx,y形式给出）？
2）对于图 (a)，从t1时刻起，甲方在不出现超时且未收到乙方新的数据帧之前，最多还可以发送多少个数据帧？其中第一个帧和最后一个帧分别是哪个（请用Sx,y形式给出）？
3）对于图 (b)，从t1时刻起，甲方在不出现新的超时且未收到乙方新的数据帧之前，需要重发多少个数据帧？重发的第一个帧是哪个帧（请用Sx,y形式给出）？
4）甲方可以达到的最大信道利用率是多少？

07.【解答】

1）t0时刻到t1时刻期间，甲方可以断定乙方已正确接收 3 个数据帧，分别是S0,0、S1,0、S2,0。R3,3说明乙方发送的数据帧序号是 3，即希望甲方发送序号 3 的数据帧，说明乙方已经接收序号为 0~2 的数据帧（注意，这个确认序号是期望接收对方的下一帧的序号）。
2）从t1时刻起，甲方最多还可以发送 5 个数据帧，其中第一个帧是S5,2，最后一个数据帧是S1,2。发送序号 3 位，有 8 个序号，在 GBN 协议中，发送窗口 + 1≤序号总数，所以这里发送窗口取最大值 7。此时已发送S3,0和S4,1，所以最多还可以发送 5 个帧（数据帧以序号 01234567, 01234567, … 的规律发送，但初始时只有 0123456 落在发送窗口内，之后随着发送方不断收到确认，发送窗口也不断向前滑动）。
3）甲方需要重发 3 个数据帧，重发的第一个帧是S2,3。在 GBN 协议中，发送方发送N帧后，检测出错，则需要发送出错帧及其之后的帧。S2,0超时，所以重发的第一帧是S2。已收到乙方的R2帧，所以帧号应为 3。
4）甲方可以达到的最大信道利用率U是

        信道利用率U = 发送数据帧的时间 ÷ 从开始发送第一个数据帧到收到第一个确认帧的时间 = NTD/(TD+RTT+Ta)。其中，N取发送窗口的最大值，TD是发送一个数据帧的时间，RTT是往返时延，Ta是发送一个确认帧的时间。这里采用捎带确认，Td=Ta。

3.5 介质访问控制

        介质访问控制所要完成的主要任务是，为使用介质的每个节点隔离来自同一信道上其他节点所传送的信号，以协调活动节点的传输。图 3.15 是广播信道的通信方式，节点 A、B、C、D、E 共享广播信道，假设 A 要与 C 通信，B 要与 D 通信，因为它们共用一条信道，若不加控制，则两对节点之间的通信可能会因互相干扰而失败。用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制（Medium Access Control，MAC）子层。

        常见的介质访问控制方法有信道划分介质访问控制、随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制。其中前者是静态划分信道的方法，而后两者是动态分配信道的方法。

3.5.1 信道划分介质访问控制

        信道划分介质访问控制将使用同一传输介质的多个设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给这些设备。信道划分介质访问控制通过复用技术实现。所谓复用，是指在发送端把多个发送方的信号组合在一条物理信道上进行传输，在接收端把收到的复用信号分离出来，并发送给对应的接收方，如图 3.16 所示。当传输介质的带宽超过传输单个信号所需的带宽时，通过在一条介质上传输多个信号，还能提高传输系统的利用率。

        信道划分的实质是通过分时、分频、分码等方法，将原来的一个广播信道，逻辑上分为几个用于在两个节点之间进行通信的互不干扰的子信道，即将广播信道转变为若干个点对点信道。

        信道划分介质访问控制分为以下 4 种。

1. 频分复用（FDM）

        频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是指将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信，如图 3.18 所示。所有用户在同一时间占用不同的频带资源。每个子信道分配的频带可不相同，但它们的总和不能超过信道的总频带。在实际应用中，为了防止子信道之间互相干扰，相邻信道间还要加入 “隔离频带”。

频分复用的优点在于充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，实现也较容易。

2. 时分复用（TDM）

        时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）是指将信道的传输时间划分为一段段等长的时间片，称为 TDM 帧，每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙，每个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是 TDM 的长度），所有用户在不同的时间占用同样的信道资源，如图 3.17 所示。TDM 帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层的帧不是同一个概念。

        从某个时刻来看，时分复用信道上传送的仅是某对用户之间的信号；从某段时间来看，传送的是按时间分割的复用信号。因为时分复用是按固定次序给用户分配时隙的，当用户在某段时间暂无数据传输时，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源，所以时分复用后的信道利用率不高。统计时分复用（Statistic TDM，STDM）也称异步时分复用，它是对 TDM 的一种改进。STDM 帧与 TDM 帧不同，它并不固定分配时隙，而按需动态分配时隙，当用户有数据要传送时，才会分配到 STDM 帧中的时隙，因此可以提高线路的利用率。例如，假设线路的数据传输速率为 6000b/s，3 个用户的平均速率都为 2000b/s，当采用 TDM 方式时，每个用户的最高速率为 2000b/s，而在 STDM 方式下，每个用户的最高速率可达 6000b/s。

3. 波分复用（WDM）

        波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）即光的频分复用，它在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，因为波长不同，各路光信号互不干扰，最后用光分用器将各路波长分解出来。因为光波处于频谱的高频段，有很大的带宽，所以可以实现多路的波分复用。

4. 码分复用（CDM）

        码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。与 FDM 和 TDM 不同，它既共享信道的频率，又共享时间。

        实际上，更常用的名词是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），其原理是将每个比特时间再划分成m个短的时间槽，称为码片（Chip），通常m的值是 64 或 128，下例中为简单起见，设m为 8。每个站点被指派一个唯一的m位码片序列。发送 1 时，站点发送它的码片序列；发送 0 时，站点发送该码片序列的反码。当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中线性相加。为了从信道中分离出各路信号，要求各个站点的码片序列相互正交。

        简单理解就是，A 站向 C 站发出的信号用一个向量来表示，B 站向 C 站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交。向量中的分量，就是所谓的码片。



        规格化内积是线性代数中的内容，它在得到两个向量的内积后，再除以向量的分量的个数。

        下面举一个直观的例子来理解频分复用、时分复用和码分复用。
        假设 A 站要向 C 站运送黄豆，B 站要向 C 站运送绿豆，A 站和 B 站与 C 站之间有一条公共道路，可类比为广播信道。在频分复用方式下，公共道路被划分为两个车道，分别提供给 A 站到 C 站、B 站到 C 站的车通行，两类车可同时通行，但都只分到了道路的一半，因此频分复用（波分复用也一样）共享时间而不共享空间。在时分复用方式下，先让 A 站到 C 站的车走一趟，再让 B 站到 C 站的车走一趟，两类车交替地使用道路，因此时分复用共享空间，但不共享时间。码分复用与另外两种信道划分方式极为不同，在这种方式下，黄豆与绿豆放在同一辆车上运送，到达 C 站后，由 C 站负责把车上的黄豆和绿豆分开，因此码分复用既共享空间，又共享时间。

        码分复用技术具有频谱利用率高、抗干扰能力强、保密性强、语音质量好等优点，还可以减少投资及降低运行成本，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。

3.5.2 随机访问介质访问控制

命题追踪信道划分与随机访问介质访问控制的特点（2014）

        在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户都能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道的全部速率。在总线形网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧冲突（也称碰撞），导致所有冲突用户的发送均以失败告终。为了解决随机访问发生的冲突，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无冲突地通过，这些规则就是随机访问介质访问控制协议，其核心思想是：胜利者通过争用获得信道，进而获得信息的发送权。因此，随机访问介质访问控制协议也称争用型协议。

        可见，若采用信道划分机制，则节点之间的通信要么共享空间，要么共享时间，要么共享空间和时间；而若采用随机访问控制机制，则节点之间的通信既不共享时间，又不共享空间。因此，随机介质访问控制实质上是一种将广播信道转换为点对点信道的机制。

1. ALOHA 协议

ALOHA 协议分为纯 ALOHA 协议和时隙 ALOHA 协议两种。

（1）纯 ALOHA 协议

        纯 ALOHA 协议的基本思想是，当总线形网络中的任何站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据。若在一段时间内未收到确认，则该站点就认为传输过程中发生了冲突。发送站点需要等待一段随机的时间后再发送数据，直至发送成功。

        图 3.19 表示一个纯 ALOHA 协议的工作原理。每个站均可自由地发送数据帧，假定所有帧都是定长的，帧长不用比特而用发送这个帧所需的时间来表示，图中用T0表示这段时间。

        在图 3.19 的例子中，当站 1 发送帧 1 时，其他站都未发送数据，所以站 1 的发送必定是成功的。但随后站 2 和站N−1发送的帧 2 和帧 3 在时间上重叠了一部分（发生了冲突）。发生冲突的各站都必须进行重传，但并不能马上进行重传，因为这样做必然导致继续发生冲突。因此，让各站等待一段随机的时间，然后进行重传。若再次发生冲突，则需要再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。图中其余一些帧的发送情况是，帧 4 发送成功，而帧 5 和帧 6 发生冲突。

        纯 ALOHA 网络的吞吐量很低，为了克服这个缺点，便产生了时隙 ALOHA 协议。

        （2）时隙 ALOHA 协议

        时隙 ALOHA 协议同步各站点的时间，将时间划分为一段段等长的时隙（Slot），规定站点只能在每个时隙开始时才能发送帧，发送一帧的时间必须小于或等于时隙的长度。这样就避免了用户发送数据的随意性，降低了产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。

        图 3.20 表示两个站的时隙 ALOHA 协议的工作原理。每个帧到达后，一般都要在缓存中等待一段小于时隙T0的时间，才能发送出去。当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，在下一个时隙将产生冲突。冲突后重传的策略与纯 ALOHA 协议的情况相似。

2. CSMA 协议

        ALOHA 网络发生冲突的概率很大。若每个站点在发送前都先监听公用信道，发现信道空闲后再发送，则会大大降低冲突的可能性，从而提高信道的利用率，载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）协议依据的正是这一思想。CSMA 协议是在 ALOHA 协议基础上提出的一种改进协议，它与 ALOHA 协议的主要区别是多了一个载波监听装置。

        根据监听方式和监听到信道忙后的处理方式的不同，CSMA 协议分为三种。

（1）1 - 坚持 CSMA

        1 - 坚持 CSMA 的基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙，则继续监听直至信道空闲。“坚持” 的含义是监听到信道忙时，继续坚持监听信道；“1” 的含义是监听到信道空闲时，立即发送帧的概率为 1。

（2）非坚持 CSMA

        非坚持 CSMA 的基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙，则放弃监听，等待一个随机的时间后，再重新监听。

        非坚持 CSMA 协议在监听到信道忙时就放弃监听，因此降低了多个站点等待信道空闲后同时发送数据导致冲突的概率，但也增加了数据在网络中的平均时延。

（3）p−坚持 CSMA

        p−坚持 CSMA 只适用于时分信道，其基本思想是：当站点要发送数据时，首先监听信道；若信道忙，则持续监听（等到下一个时隙再监听），直至信道空闲；若信道空闲，则以概率p发送数据，以概率1−p推迟到下一个时隙再继续监听；直到数据发送成功。

        p−坚持 CSMA 检测到信道空闲后，以概率p发送数据，以概率1−p推迟到下一个时隙继续监听，目的是降低 1 - 坚持 CSMA 中多个站点检测到信道空闲时同时发送帧的冲突概率；采用坚持 “监听” 的目的是，克服非坚持 CSMA 中因随机等待造成的延迟时间较长的缺点。因此，p−坚持 CSMA 协议是非坚持 CSMA 协议和 1 - 坚持 CSMA 协议的折中。

三种不同类型的 CSMA 协议比较如表 3.1 所示。

表 3.1   三种不同类型的 CSMA 协议比较

信道状态

1 - 坚持

非坚持

p−坚持

空闲

立即发送数据

立即发送数据

以概率p发送数据，以概率1−p推迟到下一个时隙

忙

继续坚持监听

放弃监听，等待一个随机的时间后再监听

持续监听（等到下一时隙再监听），直至信道空闲

3. CSMA/CD 协议

命题追踪 CSMA/CD 协议的特点（2015）

        载波监听多路访问 / 冲突检测（CSMA/CD）协议是 CSMA 协议的改进方案，适用于总线形网络或半双工网络环境。对于全双工网络，因为全双工采用两条信道，分别用来发送和接收，在任何时候，收发双方都可以发送或接收数据，不可能产生冲突，所以不需要 CSMA/CD 协议。

        载波监听是指每个站点在发送前和发送过程中都必须不停地检测信道，在发送前检测信道是为了获得发送权，在发送过程中检测信道是为了及时发现发送的数据是否发生冲突。站点要在发送数据前先监听信道，只有信道空闲时才能发送。冲突检测（Collision Detection）就是边发送边检测，适配器边发送数据边检测信道上电压的变化情况，当检测到电压的变化幅度超过一定的门限值时，表明发生了冲突，适配器要立即停止发送数据，等待一段随机时间后再次发送。

        CSMA/CD 的工作流程可简单地概括为 “先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。

        命题追踪信道发生冲突的最短、最长时间的分析（2010）

        电磁波在总线上的传播速率总是有限的。因此，当某时刻发送站检测到信道空闲时，信道不一定空闲。如图 3.21 所示，设τ为单程传播时延。当t=0时，A 站发送数据。当t=τ−δ时，A 站发送的数据还未到达 B 站，因为 B 站检测到信道空闲而发送数据。经过时间δ/2后，即当t=τ−δ/2时，A 站发送的数据和 B 站发送的数据发生冲突，但这时 A 站和 B 站都不知道。当t=τ时，B 站检测到冲突，于是停止发送数据。当t=2τ−δ时，A 站检测到冲突，也停止发送数据。至此，A 站和 B 站发送数据均失败，都要推迟一段时间后重新发送。

        从图 3.21 不难看出，A 站在开始发送数据后最多经过时间2τ（端到端传播时延的 2 倍）就能知道有没有发生冲突（当δ→0时）。因此，把以太网的端到端往返传播时延2τ称为争用期（也称冲突窗口）。每个站在自己发送数据后的一小段时间内，存在发生冲突的可能性，只有经过争用期这段时间还未检测到冲突时，才能确定这次发送不会发生冲突。

        命题追踪 CSMA/CD 最短帧长的理解和相关计算（2009、2016、2019、2022）

        现在考虑一种情况：某站发送一个很短的帧，但在发送完之前并未检测出冲突。假定这个帧在继续向前传播到达目的站之前和别的站发送的帧发生了冲突，因此目的站将收到有差错的帧（当然会把它丢弃）。然而，发送站却不知道发生了冲突，因此不会重传这个帧。为了避免发生这种情况，以太网规定了一个最短帧长（争用期内可发送的数据长度）。在争用期内若检测到冲突，就停止发送，此时已发送出去的数据一定小于最短帧长，因此凡长度小于这个最短帧长的帧，就都是因为冲突而异常中止的无效帧。最短帧长的计算公式为
                        最短帧长=最大单向传播时延×数据传输速率×2

        例如，以太网规定51.2μs为争用期的长度。对于10Mb/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64B。当以太网发送数据时，若前64B未发生冲突，则后续数据也不会发生冲突（表示已成功抢占信道）。换句话说，若发生冲突，则一定在前64B。因为一旦检测到冲突就立即停止发送，所以这时发送出去的数据一定小于64B。于是，以太网规定最短帧长为64B，凡长度小于64B的帧，就都是因为冲突而异常中止的无效帧，收到这种无效帧时应立即丢弃。

        若只发送小于64B的帧，如40B的帧，则需要在 MAC 子层中于数据字段的后面加一个整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧的长度不小于64B。

        命题追踪二进制指数退避算法的应用（2023）

        一旦发生冲突，参与冲突的两个站点紧接着再次发送就没有意义，若坚持这样做，则将导致无休止的冲突。CSMA/CD 采用截断二进制指数退避算法来确定冲突后重传的时机，它让发生冲突的站点在停止发送后，推迟一个随机的时间再重新发送。算法精髓如下：
        1）确定基本退避时间，一般取 2 倍的总线端到端的传播时延2τ（争用期）。
        2）从离散的整数集合[0,1,⋯,(2k−1)]中随机取出一个数，记为r，重传所需推迟的时间就是r倍的争用期，即r⋅2τ。参数k的取值与重传次数有关，当重传次数不超过10时，参数k等于重传次数；但当重传次数超过10时，k就不再增大，而一直等于10。
        3）当重传达16次仍不成功时，说明网络太拥挤，认为该帧永远无法正确发出，抛弃该帧并向高层报告出错（这个条件容易忽略，请读者注意）。

        假设适配器首次试图传送一帧，且在传送过程中检测到冲突。第1次重传时，k=1，随机数r从整数集合{0,1}中选择，可选的重传推迟时间是0或2τ。若再次发生冲突，则第二次重传时，随机数r从整数集合{0,1,2,3}中选择，因此重传推迟时间是在0,2τ,4τ,6τ这四个时间中随机选取的一个，以此类推。使用截断二进制指数退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大（也称动态退避），因此能降低发生冲突的概率，有利于整个系统的稳定。

        以太网还规定帧间最小间隔为9.6μs，相当于发送96比特的时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，为接收下一帧做好准备。

CSMA/CD 协议的归纳如下：
① 准备发送：适配器从网络层获得一个分组，封装成帧，放入适配器的缓存。
② 检测信道：若信道忙，则持续检测，直至信道转为空闲；若在9.6μs的时间内信道保持空闲（保证帧间最小间隔），则发送这个帧。
③ 在发送过程中，适配器仍然持续检测信道。这里只有如下两种可能。

        发送成功：在争用期内一直未检测到冲突，该帧肯定能发送成功。

        发送失败：在争用期内检测到冲突，此时立即停止发送，适配器执行退避算法，等待一段随机时间后返回步骤②。若重传16次仍不能成功，则停止重传并向上报错。

4. CSMA/CA 协议

        CSMA/CD 协议已成功用于有线连接的局域网，但无线局域网不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。无线局域网仍然使用 CSMA，但无法使用冲突检测，主要有两个原因：
        1）适配器接收到的信号强度往往远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现冲突检测，则硬件上的花费会过大。
        2）在无线通信中，并非所有站点都能够听见对方（但能产生冲突），即存在 “隐蔽站” 问题，从而使得冲突检测机制并不能检测到所有的冲突。

        为此，802.11 标准定义了广泛用于无线局域网的 CSMA/CA 协议，它对 CSMA/CD 协议进行修改，将冲突检测改为冲突避免（Collision Avoidance，CA）。“冲突避免” 并不是指协议可以完全避免冲突，而是指协议的设计要尽量降低冲突发生的概率。因为 802.11 无线局域网不使用冲突检测，一旦站点开始发送一个帧，就会完全发送该帧，但冲突存在时仍发送整个帧（尤其是长数据帧）会严重降低网络的效率，所以要采用冲突避免技术来降低冲突的概率。

        命题追踪 CSMA/CA 协议的确认机制（2011）

        因为无线信道的通信质量远不如有线信道，所以 802.11 标准使用链路层确认 / 重传（ARQ）方案，即站点每通过无线局域网发送完一帧，就要在收到对方的确认帧后才能继续发送下一帧。可见，802.11 标准无线局域网采用的停止 - 等待协议是一种可靠传输协议。

        为了尽量避免冲突，802.11 标准规定，所有站检测到信道空闲后，还要等待一段很短的时间（继续监听）才能发送帧。这段时间称为帧间间隔（InterFrame Space，IFS）。帧间间隔的长短取决于站点要发送的帧的类型。802.11 标准使用了下列三种 IFS。

        命题追踪 CSMA/CA 协议的帧间间隔（2020）
1）SIFS（短 IFS）：最短的 IFS，用来分隔属于一次对话的各帧，使用 SIFS 的帧类型有 ACK 帧、CTS 帧、分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧等。
2）PIFS（点协调 IFS）：中等长度的 IFS，在 PCF 方式中使用。

3）DIFS（分布式协调 IFS）：最长的 IFS，在 DCF 方式下用来发送数据帧和管理帧。

         802.11 标准规定各站在发送数据之前，必须监听信道，只要监听到信道忙，就不能发送数据。802.11 标准还规定各站采用虚拟载波监听机制，即让源站将它要占用信道的持续时间（包括目的站发回 ACK 帧所需的时间）及时通知给所有其他站，以便使所有其他站在这段时间内都停止发送，这样就大大减少了冲突的概率。“虚拟载波监听” 表示其他站并未监听信道，而是因收到了源站的通知才不发送数据，这种效果就像是其他站都监听了信道。

        当信道从忙态转为空闲时，任何一个站要发送数据帧，不仅要等待一个 DIFS 的间隔，还要进入争用窗口，计算随机退避时间以便再次试图访问信道（避免多个站同时发送），因此降低了冲突发生的概率。当且仅当检测到信道空闲且这个数据帧是要发送的第一个数据帧时，才不使用退避算法，其他所有情况都必须使用退避算法，具体为：①在发送第一个帧之前检测到信道忙；②每次重传；③每次成功发送后要发送下一帧。CSMA/CA 的退避算法与 CSMA/CD 稍有不同，第i次退避在[0⋯,(22+k−1)]个时隙中随机选择一个，扩大了随机选择退避时间的范围。当时隙范围最大达到 255 时（对应于第 6 次退避），就不再增加，不同于 CSMA/CD 的 1023。

        CSMA/CA 算法的归纳如下：
        1）若站点最初有数据要发送（而非发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，那么在等待时间 DIFS 后，就发送整个数据帧。
        2）否则，站点执行 CSMA/CA 退避算法，选取一个随机退避值。一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变。只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时。
        3）当退避计时器减至 0 时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。
        4）发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收。这时要发送第二帧，就要从步骤 2）开始，执行 CSMA/CA 退避算法，随机选定一段退避时间。

        若发送站在规定时间（由重传计时器控制）内未收到确认帧 ACK，就必须重传该帧，再次使用 CSMA/CA 协议争用该信道，直到收到确认，或经过若干次重传失败后放弃发送。

        处理隐蔽站问题：RTS 和 CTS

        在图 3.22 中，站 A 和站 B 都在 AP 的覆盖范围内，但站 A 和站 B 相距较远，彼此都听不见对方。当站 A 和站 B 检测到信道空闲时，都向 AP 发送数据，导致冲突发生，这就是隐蔽站问题。

命题追踪 CSMA/CA 协议的信道预约方法（2018）

        为了避免该问题，802.11 标准允许发送站对信道进行预约，如图 3.23 所示。

       1）源站发送数据之前，先监听信道，若信道空闲，则等待时间 DIFS 后，广播一个请求发送 RTS（Request To Send）控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间。
      2）若 AP 正确收到 RTS 帧，且信道空闲，则等待时间 SIFS 后，广播一个允许发送 CTS（Clear To Send）控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间。
       3）源站收到 CTS 帧后，再等待时间 SIFS，就可发送数据帧。
       4）若 AP 正确收到了源站发来的数据，则等待时间 SIFS 后就向源站发送确认帧 ACK。

        AP 覆盖范围内的其他站听到 CTS 帧后，将在 CTS 帧中指明的时间内抑制发送。CTS 帧有两个目的：①给源站明确的发送许可；②指示其他站在预约期内不要发送。

        命题追踪 NAV 值的分析（2024）

        需要说明的是，源站在 RTS 帧中填写的所需占用信道的持续时间，是从收到 RTS 帧后，到目的站最后发送完 ACK 帧为止的时间，即 “SIFS + CTS + SIFS + 数据帧 + SIFS + ACK”。而 AP 在 CTS 帧中填写的所需占用信道的持续时间，是从收到 CTS 帧后，到目的站最后发送完 ACK 帧为止的时间，即 “SIFS + 数据帧 + SIFS + ACK”。

        在图 3.22 中，虽然站 B 检测不到站 A 发送给 AP 的 RTS 帧，但却能检测到 AP 发送给站 A 的 CTS 帧，站 B 根据 CTS 帧中的持续时间设置自己的网络分配向量（NAV），NAV 指出了信道忙的持续时间，意味着站 A 和 AP 以外的站点都不能在这段时间内发送数据。

        使用 RTS 帧和 CTS 帧会使网络的通信效率有所下降，但这两种控制帧都很短，与数据帧相比开销不算大。相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，浪费的时间会更多。信道预约不是强制性规定，各站可自行决定使用或不使用。或只有当数据帧长超过某个数值时才使用 RTS 帧和 CTS 帧，这样就更为划算。

        此外，数据帧也可携带本次通信所需的持续时间，这些都属于虚拟载波监听机制。站点只要监听到 RTS 帧、CTS 帧或数据帧中的任何一个，就能知道信道将被占用的持续时间，而不需要真正监听信道上的信号，因此虚拟载波监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题。

        CSMA/CD 与 CSMA/CA 主要有如下区别：
        1）CSMA/CD 可以检测冲突，但无法避免；CSMA/CA 发送数据的同时不能检测信道上有无冲突，本节点处没有冲突并不意味着在接收节点处就没有冲突，只能尽量避免。
     2）传输介质不同。CSMA/CD 用于总线形以太网，CSMA/CA 用于无线局域网 802.11a/b/g/n 等。
       3）检测方式不同。CSMA/CD 通过电缆中的电压变化来检测；而 CSMA/CA 采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。

        总结：CSMA/CA 在发送数据帧之前先广而告知其他站点，让其他站点在某段时间内不要发送数据帧，以免发生冲突。CSMA/CD 在发送数据帧之前监听，边发送边监听，一旦发生冲突，就立即停止发送。

3.5.3 轮询访问：令牌传递协议

        在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个节点，再决定信道的分配。典型的轮询访问协议是令牌传递协议。

        在令牌传递协议中，一个令牌（Token）沿着环形总线在各站之间依次传递。令牌是一个特殊的控制帧，它本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保同一时刻只有一个站独占信道。当环上的一个站希望发送帧时，必须等待令牌。站点只有取得令牌后才能发送帧，因此令牌环网络不会发生冲突（因为令牌只有一个）。站点发送完一帧后，应释放令牌，以便让其他站使用。因为令牌在网环上是按顺序依次传递的，所以对所有联网计算机而言，访问权是公平的。

        令牌环网络中令牌和数据的传递过程如下：

1）当网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。
        2）当令牌传递到有数据要发送的站点时，该站点就修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附加自己需要传输的数据，将令牌变成一个数据帧，然后将这个数据帧发送出去。
        3）数据帧沿着环路传输，接收到的站点一边转发数据，一边查看帧的目的地址。若目的地址和自己的地址相同，则接收站就复制该数据帧，以便进一步处理。
        4）数据帧沿着环路传输，直到到达该帧的源站点，源站点收到自己发出去的帧后便不再转发。同时，通过检验返回的帧来查看数据传输过程中是否出错，若出错，则重传。
        5）源站点传输完数据后，重新产生一个令牌，并传递给下一站点，交出信道控制权。

        令牌传递协议非常适合负载很高（多个节点在同一时刻发送数据的概率很大）的广播信道，若采用随机介质访问控制，则发生冲突的概率很大。令牌传递协议既不共享时间，又不共享空间；它实际上在随机访问介质访问控制的基础上，限定了有权发送数据的节点只能有一个。

        即使是广播信道也可通过介质访问控制机制，使广播信道变为逻辑上的点对点信道，所以说数据链路层研究的是 “点到点” 之间的通信。

3.5.4 本节习题精选

一、单项选择题

01.信道划分介质访问控制的核心思想是（）。
A. 通过分时、分频、分码等方法，将广播信道变为若干点对点信道
B. 胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权
C. 通过集中控制方式解决发送信息的次序问题
D. 通过轮询的方式依次询问每个站点是否有数据要发送

01.A
选项 B 是随机访问介质访问控制的特点，如 CSMA/CD 协议。选项 C 是集中式介质访问控制的特点，如主从式协议，它由一个主站控制所有从站的发送顺序，从站只能在主站允许时才能发送数据。选项 D 是轮询访问介质访问控制的特点，如令牌传递协议。

02.将物理信道的总频带宽分割成若干子信道，每个子信道传输一路信号，这种信道复用技术是（）。
A. 码分复用
B. 频分复用
C. 时分复用
D. 空分复用

02.B
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一种信号，这就是频分复用。

03.TDM 所用传输介质的性质是（）。（注，本题选项中的带宽是指信号的频率范围。）
A. 介质的带宽大于结合信号的位速率
B. 介质的带宽小于单个信号的带宽
C. 介质的位速率小于最小信号的带宽
D. 介质的位速率大于单个信号的位速率

03.D
本题的关键是理解 TDM（时分复用）的原理和特点。TDM 在发送端将不同用户的信号相互交织在不同的时间片内，沿同一个信道传输，在接收端再将各个时间片内的信号提取出来，还原成原始信号。为了实现 TDM，必须满足如下条件：①介质的位速率（每秒传输的二进制位数）大于单个信号的位速率；②介质的带宽（所能传输信号的最高频率与最低频率之差）大于结合信号的带宽（所有信号经过调制后形成的复合信号的带宽）。

04.从表面上看，FDM 比 TDM 能更好地利用信道的传输能力，但现在计算机网络更多地使用 TDM 而非 FDM，其原因是（）。
A. FDM 实际能力更差
B. TDM 可用于数字传输而 FDM 不行
C. FDM 技术不成熟
D. TDM 能更充分地利用带宽

04.B
TDM 与 FDM 相比，抗干扰能力强，可以逐级再生整形，避免干扰的积累，而且数字信号比较容易实现自动转换，所以根据 FDM 和 TDM 的工作原理，FDM 适合传输模拟信号，TDM 适合传输数字信号。

05.在下列复用技术中，（）具有动态分配时隙的功能。
A. 同步时分复用
B. 统计时分复用
C. 频分复用
D. 码分复用

05.B
时分复用（TDM）分为同步时分复用和异步时分复用（也称统计时分复用）。同步时分复用是一种静态时分复用技术，它预先分配时间片（时隙），而异步时分复用则是一种动态时分复用技术，它动态地分配时间片（时隙）。

06.在下列协议中，不会发生冲突的是（）。
A. TDM
B. ALOHA
C. CSMA
D. CSMA/CD

06.A
TDM 属于静态划分信道的方法，各节点分时使用信道，不发生冲突。而 ALOHA、CSMA 和 CSMA/CD 都属于动态分配信道的方法，都采用检测冲突的策略来应对冲突，因此都可能发生冲突。注意，随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制，都属于动态分配信道的方法，但是随机访问介质访问控制可能发生冲突，而轮询访问介质访问控制不发生冲突。

07.在纯 ALOHA 协议中，一个站点想要发送数据时（）。
A. 必须等待信道空闲
B. 必须等待下一个时间槽开始
C. 可以立即发送
D. 必须先发送 RTS 帧

07.C
在纯 ALOHA 协议中，一个站点想要发送数据时可以立即发送，而不需要等待信道空闲或下一个时间槽开始，也不需要先发送 RTS 帧。

08.下列几种 CSMA 协议中，（）协议在监听到信道空闲时仍可能不发送。
A. 1 - 坚持 CSMA
B. 非坚持 CSMA
C. p−坚持 CSMA
D. 以上都不是

08.C
p - 坚持 CSMA 协议是 1 - 坚持 CSMA 协议和非坚持 CSMA 协议的折中。p - 坚持 CSMA 检测到信道空闲后，以概率 p 发送数据，以概率 1 - p 推迟到下一个时隙，目的是降低 1 - 坚持 CSMA 中多个节点检测到信道空闲后同时发送数据的冲突概率；采用坚持 “监听” 的目的，是克服非坚持 CSMA 中因随机等待造成延迟时间较长的缺点。

09.在 CSMA 的非坚持协议中，当信号忙时，则（）直到介质空闲。
A. 延迟一个固定的时间单位再监听
B. 继续监听
C. 延迟一个随机的时间单位再监听
D. 放弃监听

09.C

非坚持 CSMA：站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲，则发送数据。

10.在 CSMA 的非坚持协议中，当站点监听到总线信道空闲时，它（）。
A. 以概率p传送
B. 马上传送
C. 以概率1−p传送
D. 以概率p延迟一个时间单位后传送

10.B

非坚持 CSMA：站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲，则发送数据。

11.在 CSMA/CD 协议的定义中，“争用期” 指的是（）。
A. 信号在最远两个端点之间往返传输的时间
B. 信号从线路一端传输到另一端的时间
C. 从发送开始到收到应答的时间
D. 从发送完毕到收到应答的时间

11.A
CSMA/CD 协议中定义的争用期是指信号在最远两个端点之间往返传输的时间。

12.在 CSMA/CD 协议中，若不对帧的长度加以限制，当一个站在发送完毕之前没有检测到冲突，则该站所发送的帧（）和其他站发送的帧发生冲突。
A. 肯定不会
B. 可能会
C. 肯定会
D. 无法判断

12.B
        即使一个站在发送完帧之前没有检测到冲突，也不能肯定该站所发送的帧不会和其他站发送的帧发生冲突。因为存在这样的可能：当一个站发送完后，另一个站刚好开始发送，而两个站之间的往返传播时延大于帧的发送时间，使得第一个站无法及时检测到冲突。

13.在以太网中，当数据传输速率提高时，帧的发送时间相应地缩短，这样可能会影响到冲突的检测。为了能有效地检测冲突，可以使用的解决方案有（）。
A. 减少电缆介质的长度或减少最短帧长
B. 减少电缆介质的长度或增加最短帧长
C. 增加电缆介质的长度或减少最短帧长
D. 增加电缆介质的长度或增加最短帧长

13.B
        CSMA/CD 协议要求：发送帧的时间≥争用期的时间（信号在最远两个端点之间往返传输的时间）。因此，当数据传输速率提高时，发送帧的时间就缩短，此时可通过增加最短帧长来增加发送帧的时间，或缩短电缆的长度来减少争用期的时间，以便仍然满足 “发送帧的时间≥争用期的时间” 这个要求。掌握 CSMA/CD 最短帧长的原理是解决这类问题的关键。

14.长度为 10km、数据传输速率为 10Mb/s 的 CSMA/CD 以太网，信号传播速率为 200m/μs。那么该网络的最小帧长为（）。
A. 20bit
B. 200bit
C. 100bit
D. 1000bit

14.D
来回路程 = 10000×2m，RTT = 10000×2/(200×10⁶) = 10⁻⁴s，最小帧长 = W×RTT = 1000bit。

15.以太网中若发生信道访问冲突，则按照二进制指数退避算法决定下一次重发的时间。使用二进制指数退避算法的理由是（）。
A. 这种算法简单
B. 这种算法执行速度快
C. 这种算法考虑了网络负载对冲突的影响
D. 这种算法与网络的规模大小无关

15.C
        以太网采用 CSMA/CD 技术，网络上的流量越大、负载越多时，发生冲突的概率也越大。当工作站发送的数据帧因冲突而传输失败时，将采用二进制指数退避算法后退一段时间再重新发送数据帧。二进制指数退避算法可以动态地适应发送站点的数量，后退时延的取值范围与重发次数 n 形成二进制指数关系。当网络负载小时，后退时延的取值范围也小；当网络负载大时，后退时延的取值范围也随着增大。二进制指数退避算法的优点是，它将后退时延的平均取值与负载的大小联系起来了。因此，二进制指数退避算法考虑了负载对冲突的影响。

16.以太网中采用二进制指数退避算法处理冲突问题。下列数据帧重传时再次发生冲突的概率最低的是（）。
A. 首次重传的帧
B. 发生两次冲突的帧
C. 发生三次重传的帧
D. 发生四次重传的帧

16.D
        根据 IEEE 802.3 标准的规定，以太网采用二进制指数退避算法处理冲突问题。当检测到冲突而停止发送后，一个站必须等待一个随机时间段才能重新尝试发送。这一随机等待时间的目的是减少再次发生冲突的可能性。等待的时间长度按下列步骤计算：
1）取均匀分布在 0 至 2^min (k, 10) - 1 之间的一个随机整数 r，k 是冲突发生的次数。
2）发送站等待 r×2t 长度的时间后才能尝试重新发送，其中 t 为以太网的端到端延迟。
从这个计算步骤可以看出，k 值越大，帧重传时再次发生冲突的概率越低。

17.某 100Mb/s 以太网使用 CSMA/CD 协议，该以太网中的某个站在发送帧时检测到冲突，并准备进行第二次重传，则所需等待的最大退避时间是（）。
A. 5.12μs
B. 15.36μs
C. 25.6μs
D. 51.2μs

17.B
        与10Mb/s 以太网相同，100Mb/s 以太网的争用期仍是 512bit 的发送时间，即 512b÷100Mb/s = 5.12μs。根据 CSMA/CD 协议的退避算法，第 k 次重传需要退避的时间为：从整数集合 {0, 1, …, 2^k - 1} 中随机取出一个数 r，退避时间就是 r 倍的争用期。当重传次数大于 10 时，k 不再增大，而一直等于 10。本题中 k = 2，问的是最大退避时间，所以取 r = 3，最大退避时间为 15.36μs。

18.在以太网的二进制指数退避算法中，在 11 次冲突之后，站点会在 0~（）之间选择一个随机数。
A. 255
B. 511
C. 1023
D. 2047

18.C
一般来说，在第 i（i < 10）次冲突后，站点会在 0 到 2^i - 1 之间随机选择一个数 M，然后等待 M 倍的争用期再发送数据。达到 10 次冲突后，随机数的区间固定在最大值 1023 上，以后不再增加。若连续超过 16 次冲突，则丢弃相应的数据帧。

19.与 CSMA/CD 网络相比，令牌环网络更适合的环境是（）。
A. 负载轻
B. 负载重
C. 距离远
D. 距离近

19.B
CSMA/CD 网络中各站随机发送数据，有冲突产生。当负载很多时，冲突加剧。而令牌环网络各站轮流使用令牌发送数据，无论网络负载如何，都无冲突产生，这是它的突出优点。

20.根据 CSMA/CD 协议的工作原理，需要提高最短帧长的是（）。
A. 网络传输速率不变，冲突域的最大距离变短
B. 冲突域的最大距离不变，网络传输速率提高
C. 上层协议使用 TCP 的概率增加
D. 在冲突域不变的情况下减少线路中的中继器数量

20.B
CSMA/CD 协议要求：发送帧的时间≥争用期的时间，当等号成立时，即最短帧长 = 数据传输速率 × 争用期。对于选项 A，最大距离变短会使争用期（最大距离的往返时间）变短，最短帧长变短。对于选项 B，数据传输速率提高，最短帧长变长。选项 C 对最短帧长没有影响。对于选项 D，在冲突域不变的情况下减少线路中的中继器数量会降低传播时延，争用期变短，最短帧长变短。

21.在某 CSMA/CD 局域网中，使用一个 Hub 连接所有站点，且限定站点到 Hub 的最长距离为 100m，信号的传播速率为 200000km/s，则站点的最长冲突检测时间是（）。
A. 2μs
B. 2ms
C. 1μs
D. 1ms

21.A
限定站点到集线器（Hub）的最长距离为 100m，则两个站点之间的最长距离为 200m，最长冲突检测时间等于信号在两个最远站点之间的往返传输时间，即 2×200m÷200000km/s = 2μs。

22.无线局域网不使用 CSMA/CD 而使用 CSMA/CA 的原因是，无线局域网（）。
A. 不能同时收发，无法在发送时接收信号
B. 难以实现冲突检测，存在隐蔽站和暴露站问题
C. 无线信号的广播特性，使得不会出现冲突
D. 覆盖范围很小，不进行冲突检测不影响正确性

22.B
无线局域网不能简单地使用 CSMA/CD 协议，特别是冲突检测部分，原因如下：第一，在无线局域网的适配器上，接收信号的强度往往远小于发送信号的强度，因此要实现冲突检测，硬件费用就会过大；第二，在无线局域网中，并非所有站点都能听见对方，即存在隐蔽站和暴露站问题（暴露站问题举例：在下图中，假设 B 站向 A 站发送数据，而 C 站又想和 D 站通信，但 C 站检测到信道忙，于是就不向 D 站发送数据，其实 B 站向 A 站发送数据并不影响 C 站向 D 站发送数据。在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，允许同时有多个移动站进行通信，这一点与有线局域网有很大的差别）。而 “所有站点都能听见对方” 正是实现 CSMA/CD 协议的前提。选项 A 是 CSMA/CD 和 CSMA/CA 的特点，但不是无线局域网使用 CSMA/CA 的原因。

23.下列关于 CSMA/CA 的叙述中，正确的是（）。
A. 接收方收到数据帧后，需要向发送方返回确认帧
B. CA 表示 Collision Avoidance，即冲突避免，因而此类网络中不会出现冲突
C. 按照载波监听的工作原理，发送站点在检测到信道空闲后立即启动发送
D. CSMA/CA 和 CSMA/CD 的区别之一是 CSMA/CA 不需要使用退避算法

23. A

CSMA/CA 只能尽量降低冲突发生的概率，在无线信道中冲突是无法完全避免的。检测到信道空闲后，CSMA/CA 规定还必须等待 DIFS 的时间才能开始发送。无线信道中可能发生冲突，所以 CSMA/CA 也需要退避算法，但是和 CSMA/CD 的退避算法有一定的区别。

24.CSMA/CA 协议的主要特点是（）。
A. 发送前先检测信道，信道空闲就立即发送，信道忙就随机推迟发送
B. 边发送边检测信道，一旦发现冲突就立即停止发送
C. 发送前先预约信道，获得信道授权后再发送
D. 发送后等待确认帧，在规定时间内未收到确认帧就重传

24. D

若检测到信道空闲，则 CSMA/CA 规定还必须等待 DIFS 的时间才能开始发送。CSMA/CA 不会进行冲突检测。预约信道并不是 CSMA/CA 的强制规定，在普通模式下不进行预约信道。

25.在 CSMA/CA 协议中，有三种不同的时间参数：短帧间间隔 SIFS、分布式协调帧间间隔 DIFS 和点协调帧间间隔 PIFS。它们之间的长度关系是（）。
A. SIFS < PIFS < DIFS
B. SIFS < DIFS < PIFS
C. PIFS < SIFS < DIFS
D. PIFS < DIFS < SIFS

25. A

SIFS 最短，网络中的控制帧和确认帧都采用 SIFS 作为发送之前的等待时延。DIFS 最长，所有的数据帧都采用 DIFS 作为等待时延。PIFS 中等，用于 AP 发送管理帧或探测帧的等待时延。当源站要发送数据时，先检测信道，在持续检测到信道空闲达到 DIFS 时间后就开始发送。目的站正确收到数据帧后，等待 SIFS 时间后发出对应的确认帧。若源站在规定时间内未收到确认帧，就必须重传此帧，直到收到确认帧为止，或经过若干重传失败后放弃发送。

26.下列关于令牌环网络的描述中，错误的是（）。
A. 令牌环网络存在冲突的可能
B. 同一时刻，环上只有一个节点的数据在传输
C. 网上所有节点共享网络带宽
D. 数据从一个节点到另一节点的时间可以计算

26. A

令牌环网络的拓扑结构为环状，有一个令牌不停地在环中流动，只有获得了令牌的节点才能发送数据，因此不存在冲突，选项 A 错误。令牌环网络是一种半双工通信方式，同一时刻只能有一个节点发送数据，其他节点只能接收或转发数据，选项 B 正确。令牌环网络中的所有节点都连接到同一个信道上，共享整个信道的带宽，选项 C 正确。在令牌环网络中，数据从一个节点到另一节点的时间可根据环上经过的节点数、传输速率和数据帧长来计算，选项 D 正确。

27.下列关于令牌环网络的说法中，错误的是（）。
I. 信道的利用率比较公平
II. 重负载下信道利用率高
III. 节点可以一直持有令牌，直至所要发送的数据传输完毕
IV. 节点只能持有令牌一段固定的时间，对于没有数据要发送的节点也是如此
A. I、II 和 III
B. III
C. III 和 IV
D. IV

27. C

令牌环网络使用令牌在各个节点之间传递来分配信道的使用权，每个节点都可在一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权限，而并非无限制地持有令牌。在令牌传递过程中，没有数据要发送的节点收到令牌后将立刻传递下去而不能持有。选项 I 和 II 均为令牌环网络的特点。

28.在令牌环网络中，当网络空闲时，环路中（）。
A. 只有令牌帧在循环传递
B. 只有数据帧在循环传递
C. 令牌帧和数据帧都在循环传递
D. 令牌帧和数据帧都不在循环传递

28. A

在令牌环网络中，当网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递。当某个站点要发送数据时，必须等待令牌到达，然后修改令牌中的标志位，并附加数据，将令牌变成一个数据帧。

29.在令牌环网络中，当一个站点收到自己发出去的数据帧后，它将（）。
A. 不再转发该帧，并重新产生一个令牌
B. 不再转发该帧，并等待下一个令牌
C. 继续转发该帧，并重新产生一个令牌
D. 继续转发该帧，并等待下一个令牌

29. A

在令牌环网络中，一个站点收到自己发出去的数据帧后，不再转发该帧，而重新产生一个令牌，然后将该令牌发送给下一个站点。这样可以回收数据帧，避免环路上的冗余，并释放传输权限。

30.在令牌环网络中，当所有站点都有数据帧要发送时，一个站点在最坏情况下等待获得令牌和发送数据帧的时间等于（）。
A. 所有站点传送令牌的时间总和
B. 所有站点传送令牌和发送帧的时间总和
C. 所有站点传送令牌的时间总和的一半
D. 所有站点传送令牌和发送帧的时间总和的一半

30. B

令牌环网络在逻辑上采用环状控制结构。因为令牌总沿逻辑环单向逐站传送，所以节点总可在确定的时间内获得令牌并发送数据。在最坏情况下，即在所有节点都要发送数据的情况下，一个节点获得令牌的等待时间等于逻辑环上所有其他节点依次获得令牌，并在令牌持有时间内发送数据的时间之和。

31.在一条广播信道上连有 4 个站点 a、b、c、d，采用码分复用技术，当 a、b、c 要向 d 发送数据时，设 a 的码片序列为（1, -1, 1, -1），则 b 和 c 的码片序列可以为（）。
A. （-1, 1, 1, 1）和（-1, -1, -1, 1）
B. （-1, -1, 1, 1）和（-1, 1, -1, 1）
C. （-1, 1, 1, -1）和（1, 1, -1, -1）
D. （-1, -1, -1, -1）和（1, 1, 1, 1）

31. C

要实现码分复用，a、b、c 三个站点的码片序列必须满足正交性，即两两之间的规格化内积等于 0，分别计算各选项与（1, -1, 1, -1）两两之间的规格化内积，只有选项 C 满足要求。

32.站 A、B、C、D 通过 CDMA 共享链路，A、B、C 要向 D 发送数据，A、B、C 的码片序列分别是（+1, -1, -1, +1）、（-1, +1, -1, +1）和（+1, +1, +1, +1）。若 D 从链路上收到的序列是（3, -1, 1, 1），则 A、B、C 发送的数据分别是（）。
A. 1, 0, 1
B. 0, 0, 1
C. 1, 0, 0
D. 0, 1, 0

32. A

将收到的序列和各站点的码片序列进行规格化内积，得到 A 站的规格化内积为 1，B 站的规格化内积为 - 1，C 站的规格化内积为 1，故 A 站、B 站、C 站发送的数据分别是 1, 0, 1。

33.【2009 统考真题】在一个采用 CSMA/CD 协议的网络中，传输介质是一根完整的电缆，传输速率为 1Gb/s，电缆中的信号传播速率是 200000km/s。若最小数据帧长减少 800 比特，则最远的两个站点之间的距离至少需要（）。
A. 增加 160m
B. 增加 80m
C. 减少 160m
D. 减少 80m

33. D

有关最短帧长的题要抓住两个公式来分析：①发送帧的时间≥争用期的时间；②最短帧长 = 数据传输速率 × 争用期时间。题中，最短帧长减少 800 比特，则发送帧的时间减少 0.8μs，要使①和②依然成立，就需要至少将争用期（信号的往返时间）的时间减少 0.8μs，所以往返传播的总距离至少需要减少 200000km/s×0.8μs = 160m，即单程距离至少需要减少 80m。

34.【2011 统考真题】下列选项中，对正确接收到的数据帧进行确认的 MAC 协议是（）。
A. CSMA
B. CDMA
C. CSMA/CD
D. CSMA/CA

34. D

CSMA/CA 是无线局域网标准 802.11 中的协议，它在 CSMA 的基础上增加了冲突避免的功能。ACK 帧是 CSMA/CA 避免冲突的机制之一，也就是说，只有当发送方收到接收方发回的 ACK 帧时，才确认发出的数据帧已正确到达目的地。

35.【2013 统考真题】下列介质访问控制方法中，可能发生冲突的是（）。
A. CDMA
B. CSMA
C. TDMA
D. FDMA

35. B

选项 A、C 和 D 都是信道划分协议，信道划分协议是静态划分信道的方法，肯定不会发生冲突。CSMA 的全称是载波监听多路访问协议，其原理是站点在发送数据前先监听信道，发现信道空闲后再发送数据，但在发送过程中可能会发生冲突。

36.【2014 统考真题】站 A、B、C 通过 CDMA 共享链路，A、B、C 的码片序列分别是 (1, 1, 1, 1)、(1, -1, 1, -1) 和 (1, 1, -1, -1)。若 C 从链路上收到的序列是 (2, 0, 2, 0, 0, -2, 0, -2, 0, 2, 0, 2)，则 C 收到 A 发送的数据是（）。
A. 000
B. 101
C. 110
D. 111

36. B

将收到的序列分成每 4 个数一组，即 (2, 0, 2, 0), (0, -2, 0, -2), (0, 2, 0, 2)，因为题目求的是 A 站发送的数据，因此将这三组数据与 A 站的码片序列 (1, 1, 1, 1) 做内积运算，结果分别是 (2, 0, 2, 0)・(1, 1, 1, 1)/4 = 1，(0, -2, 0, -2)・(1, 1, 1, 1)/4 = - 1，(0, 2, 0, 2)・(1, 1, 1, 1)/4 = 1，所以 C 站接收到的 A 站发送的数据是 101。

37.【2015 统考真题】下列关于 CSMA/CD 协议的叙述中，错误的是（）。
A. 边发送数据帧，边检测是否发生冲突
B. 适用于无线网络，以实现无线链路共享
C. 需要根据网络跨距和数据传输速率限定最小帧长
D. 当信号传播延迟趋近 0 时，信道利用率趋近 100%

37. B

CSMA/CD 适用于有线网络，CSMA/CA 广泛应用于无线局域网。选项 A、C 关于 CSMA/CD 的描述都是正确的。对于选项 D，因为在 CSMA/CD 协议中，信号传播时延会影响冲突检测的效率，若信号传播时延趋于零，则冲突检测就会非常及时，从而减少重传的时间和次数，提高信道利用率。当信号传播时延趋于零时，信道利用率也趋于 100%。

38.【2016 统考真题】如下图所示，在 Hub 再生比特流的过程中会产生 1.535μs 的时延（Switch 和 Hub 均为 100Base-T 设备），信号传播速率为 200m/μs，不考虑以太网帧的前导码，则 H3 和 H4 之间理论上可以相距的最远距离是（）。
A. 200m
B. 205m
C. 359m
D. 512m

38. B

有关最短帧长的题要抓住两个公式来分析：①发送帧的时间≥争用期的时间；②最短帧长 = 数据传输速率 × 争用期时间。要使公式①恒成立，就要考虑在最短帧长的情况下公式①仍成立。对于本题，发送最短帧的时间为 64B÷100Mb/s = 5.12μs，根据公式①可知，该时间即为争用期时间（往返时延）的最大值。本题的特点在于往返时延由两部分组成，即传播时延和 Hub 产生的转发时延。单程总时延为 2.56μs，Hub 产生的转发时延为 1.535μs，所以传播时延为 2.56 - 1.535 = 1.025μs，从而 H3 与 H4 之间理论上可以相距的最大距离为 200m/μs×1.025μs = 205m。

39.【2018 统考真题】IEEE 802.11 无线局域网的 MAC 协议 CSMA/CA 进行信道预约的方法是（）。

A. 发送确认帧
B. 采用二进制指数退避
C. 使用多个 MAC 地址
D. 交换 RTS 与 CTS 帧

39. D

当 CSMA/CA 进行信道预约时，主要使用的是请求发送 RTS 帧和清除发送 CTS 帧。当一台主机想要发送信息时，先向无线站点发送一个 RTS 帧，说明要传输的数据及相应的时间。无线站点收到 RTS 帧后，将广播一个 CTS 帧作为对此的响应，既给发送方发送许可，又指示其他主机不要在这个时间内发送数据，从而预约信道，避免冲突。发送确认帧的目的主要是保证信息的可靠传输。二进制指数退避算法是 CSMA/CD 中的一种冲突处理方法。选项 C 与预约信道无关。

40.【2019 统考真题】假设一个采用 CSMA/CD 协议的 100Mb/s 局域网，最小帧长是 128B，则在一个冲突域内两个站点之间的单向传播时延最多是（）。

A. 2.56μs
B. 5.12μs
C. 10.24μs
D. 20.48μs

40. B

有关最短帧长的题要抓住两个公式来分析：①发送帧的时间≥争用期的时间；②最短帧长 = 数据传输速率 × 争用期时间。对于本题，数据传输速率为 100Mb/s，最短帧长为 128B，根据公式②可得争用期时间（往返时延）为 128B÷100Mb/s = 10.24×10⁻⁶s，所以单向传播时延为 5.12μs。

41.【2020 统考真题】在某个 IEEE 802.11 无线局域网中，主机 H 与 AP 之间发送或接收 CSMA/CA 帧的过程如下图所示。在 H 或 AP 发送帧前等待的帧间间隔时间（IFS）中，最长的是（）。

A. IFS1        B. IFS2        C. IFS3        D. IFS4

41. A

为了尽量避免冲突，IEEE 802.11 标准规定，所有站完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧，这段时间称为帧间间隔（IFS），有三种 IFS：DIFS、PIFS 和 SIFS。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的类型。网络中的控制帧以及对所接收数据的确认帧都采用 SIFS 作为发送之前的等待时延。当站点要发送数据时，若载波监听到信道空闲，则需等待 DIFS 后发送 RTS 预约信道，图中 IFS1 对应 DIFS，时间最长，图中 IFS2、IFS3、IFS4 对应 SIFS。

42.【2023 统考真题】已知 10BaseT 以太网的争用时间片为 51.2μs。若网卡在发送某帧时发生了连续 4 次冲突，则基于二进制指数退避算法确定的再次尝试重发该帧前等待的最长时间是（）。

A. 51.2μs
B. 204.8μs
C. 768μs
D. 819.2μs

42. C

10BaseT 以太网采用 CSMA/CD 协议，CSMA/CD 采用截断二进制指数退避算法来确定冲突后重传的时机。从整数集合 [0, 1, …, 2^k - 1] 中随机取出一个数 r，参数 k = min [重传次数，10]，站点重传所需等待的时间 = r× 争用期，因此等待的最长时间为 (2⁴ - 1)×51.2μs = 768μs。

43.【2024 统考真题】在采用 CSMA/CA 的 802.11 无线局域网中，DIFS = 128μs，SIFS = 28μs，RTS、CTS 和 ACK 帧的传输时延分别是 3μs、2μs 和 2μs，忽略信号传播时延。若主机 A 要向 AP 发送一个总长度为 1998B 的数据帧，无线链路带宽为 54Mb/s，则隐蔽站 B 收到 AP 发送的 CTS 帧时，设置的网络分配向量 NAV 的值是（）。

A. 326μs
B. 354μs
C. 385μs
D. 513μs

43. B

数据帧的长度为 1998B，链路带宽为 54Mb/s，因此数据帧的发送时延为 1998B÷54Mb/s = 296μs。网络分配向量（NAV）指出了信道忙的持续时间，含义是 “正在通信的两个站点以外的站点都不能在这段时间内发送数据” 。CSMA/CA 协议中的 RTS 帧、CTS 帧和数据帧都携带占用信道的持续时间，当 A 站广播一个 RTS 帧时，将占用信道的持续时间（SIFS + CTS + SIFS + DATA + SIFS + ACK）写入 RTS 帧的首部；当 AP 收到 RTS 帧后，广播一个 CTS 帧，将占用信道的持续时间（SIFS + DATA + SIFS + ACK）写入 CTS 帧的首部；之后传送的数据帧的首部也携带本次通信所需的持续时间。其他站收到这些帧后，根据帧中的持续时间设置自己的 NAV 值，因此隐蔽站 B 收到 AP 发送的 CTS 帧时，设置自己的 NAV 值为 SIFS + DATA + SIFS + ACK = 28μs + 296μs + 28μs + 2μs = 354μs。

二、综合应用题

01.以太网使用的 CSMA/CD 协议是以争用方式接入共享信道的，与传统的时分复用（TDM）相比，其优缺点如何？

01.【解答】

CSMA/CD 是一种动态的介质随机接入共享信道方式，而 TDM 是一种静态的信道划分方式，从对信道的利用率来说，CSMA/CD 用户共享信道，更灵活，信道利用率更高。
TDM 不同，它为用户按时隙固定分配信道，当用户没有数据传送时，信道在用户时隙就浪费了；因为 CSMA/CD 让用户共享信道，所以当同时有多个用户需要使用信道时，就会发生冲突，从而降低信道的利用率；而在 TDM 中，用户在分配的时隙中不与其他用户发生冲突。对局域网来说，连入信道的是相距较近的用户，通常信道带宽较大。当使用 TDM 方式时，用户在自己的时隙中没有发送的情况更多，不利于信道的充分利用。
对于计算机通信来讲，突发式的数据更不利于使用 TDM 方式。

02.长度为 1km、数据传输速率为 10Mb/s 的 CSMA/CD 以太网，信号在电缆中的传播速率为 200000km/s。试求能够使该网络正常运行的最小帧长。

02.【解答】

对于 1km 长的电缆，单程传播时间为 1/200000 = 5μs，来回路程传播时间为 10μs = 10⁻⁵s。
为了使该网络能按照 CSMA/CD 工作，最小的发送时间不能小于 10μs。当以 10Mb/s 速率工作时，10⁻⁵s 内可发送的比特数为 (10×10⁶b/s)×10⁻⁵s = 100，因此最小帧长为 100bit。

03.考虑建立一个 CSMA/CD 网，电缆长 1km，运行速率为 1Gb/s，电缆中的信号速率是 200000km/s，最小帧长是多少？

03.【解答】

对于 1km 的电缆，单程传播时延是 1/200000 = 5×10⁻⁶s，即 5μs，往返传播时延是 10μs。要能按照 CSMA/CD 工作，最小帧的发送时间不能小于 10μs。当以 1Gb/s 速率工作时，10μs 内可以发送的比特数为 (10×10⁹)/(1×10⁻⁶) = 10000，因此最小帧长为 10000bit。
注意∶
假设现在传了一个帧，还未到往返时延就发送完毕，而且在中途出现冲突，这样就检测不出错误；若中途发生冲突，且这个帧还未发送完，则可检测出错误。因此，要保证 CSMA/CD 正常工作，就必须使发送时间大于或等于来回往返时延（争用期）。

04.构造一个 CSMA/CD 总线网，速率为 100Mb/s，信号在电缆中的传播速率为 2×10⁵km/s，数据帧的最小长度为 125 字节。试求总线电缆的最大长度（假设总线电缆中无中继器）。

04.【解答】

设总线电缆的长度为 L，则

05.【2010 统考真题】某局域网采用 CSMA/CD 协议实现介质访问控制，数据传输速率为 10Mb/s，主机甲和主机乙之间的距离是 2km，信号传播速率是 200000km/s。请回答下列问题，要求说明理由或写出计算过程。
        1）若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据的时刻起，到两台主机均检测到冲突为止，最短需要经过多长时间？最长需要经过多长时间（假设主机甲和主机乙在发送数据的过程中，其他主机不发送数据）？
        2）若网络不存在任何冲突与差错，主机甲总以标准的最长以太网数据帧（1518 字节）向主机乙发送数据，主机乙成功收到一个数据帧后，就立即向主机甲发送一个 64 字节的确认帧，主机甲收到确认帧后方可发送下一个数据帧。此时主机甲的有效数据传输速率是多少（不考虑以太网的前导码）？

05.【解答】

        1）题目问的是当两台主机均检测到冲突时的最短时间和最长时间。首先要理解一个概念，即什么叫 “主机检测到冲突”。假设主机甲和主机乙通信，双方发送的数据帧在中途相遇，此时发生了冲突，但甲方要检测到此次冲突，就必须收到乙方发送来的数据帧；同理，乙方要检测到此次冲突，就必须收到甲方发送来的数据帧。若仅考虑一方，则最短时间显然趋于 0（一方在发送数据时，对方的数据即将到达），最长时间显然是往返时延（争用期）。若同时考虑两台主机，则不难发现，从开始发送数据的时刻起，假设甲方检测到冲突发生的时间为 T1，乙方检测到冲突发生的时间为 T2，则 T1 + T2 = 往返时延。
显然，当甲方和乙方同时向对方发送数据时，信号在信道中间发生冲突后，冲突信号继续向两个方向传播。这种情况下两台主机均检测到冲突的时间最短：

设甲方（或乙方）先发送数据，当数据即将到达乙方（或甲方）时，乙方（或甲方）才开始发送数据。此时，乙方（或甲方）将立即检测到冲突，而甲方（或乙方）要检测到冲突，还需等待冲突信号从乙方（或甲方）传播到甲方（或乙方）。两台主机均检测到冲突的时间最长：

2）甲方发送一个数据帧的时间即发送时延 t1 = 1518×8bit÷10Mb/s = 1.2144ms；乙方每成功收到一个数据帧，就向甲方发送一个确认帧，确认帧的发送时延 t2 = 64×8bit÷10Mb/s = 0.0512ms；甲方收到确认帧后，即发送下一数据帧，因此甲方的发送周期 T = 数据帧发送时延 t1 + 确认帧发送时延 t2 + 双程传播时延 2t0 = t1 + t2 + 2t0 = 1.2856ms。
有效数据传输速率 = 信道利用率 × 信道带宽（最大数据传输速率）；或者有效数据传输速率 = 发送周期内发送的数据量 / 发送周期。因此，甲方的有效数据传输速率为 1500×8/T = 12000bit/1.2856ms ≈ 9.33Mb/s（以太网帧的数据部分为 1500B）。

3.6 局域网

3.6.1 局域网的基本概念和体系结构

        局域网（Local Area Network，LAN）是指在一个较小的地理范围（如一所学校）内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。主要特点如下：
        1）为一个单位所拥有，且地理范围和站点数量均有限。
        2）所有站点共享较高的总带宽（较高的数据传输速率）。
        3）较低的时延和较低的误码率。
        4）各站为平等关系而非主从关系。
        5）能进行广播和多播。
        局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性。
        常见的局域网拓扑结构主要有以下 4 大类：①星形结构；②环形结构；③总线形结构；④星形和总线形结合的复合型结构。
        局域网可以使用铜缆、双绞线和光纤等多种传输介质，其中双绞线为主流传输介质。
        局域网的介质访问控制方法主要有 CSMA/CD 协议、令牌总线协议和令牌环协议，其中前两种协议主要用于总线形局域网，令牌环协议主要用于环形局域网。

        三种特殊的局域网拓扑实现如下：

        以太网（目前使用范围最广）。逻辑拓扑是总线形结构，物理拓扑是星形结构。

        令牌环（Token Ring，IEEE 802.5）。逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构。

        FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）。逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是双环结构。

        IEEE 802 标准定义的局域网参考模型只对应于 OSI 参考模型的数据链路层和物理层，并将数据链路层拆分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。与接入传输介质有关的内容都放在 MAC 子层，它向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，主要功能包括：组帧和拆帧、比特传输差错检测、透明传输。LLC 子层与传输介质无关，它向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送四种不同的连接服务类型。

        因为在局域网市场中的垄断地位，以太网几乎成为局域网的代名词，而 802 委员会制定的 LLC 子层作用已经不大，所以现在许多网卡仅装 MAC 协议而不装 LLC 协议。IEEE 802 协议层与 OSI 参考模型的比较如图 3.24 所示。

3.6.2 以太网与 IEEE 802.3

        以太网是目前最流行的有线局域网技术。

        以太网规约的第一个版本是 DIX V1，它由 DEC、Intel 和 Xerox 联合提出。之后，它被修改为第二版规约 DIX Ethernet V2，是世界上第一个局域网产品的规约。在此基础上，IEEE 802 委员会的 IEEE 802.3 工作组制定了第一个 IEEE 的以太网标准 IEEE 802.3。

        严格来说，以太网是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网，但 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 802.3 标准的差别很小，因此通常将 802.3 局域网简称为以太网。

命题追踪以太网 MAC 协议提供的服务类型（2012）

        以太网采用两项措施来简化通信：
① 采用无连接的工作方式，既不对发送的数据帧编号，又不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对差错的纠正则由高层完成；
② 发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收方利用这种电压转换方便地将位同步信号提取出来。

1. 以太网的传输介质与网卡

以太网常用的传输介质有 4 种：粗缆、细缆、双绞线和光纤，它们的适用情况见表 3.2。

表 3.2 各种传输介质的适用情况

标准名称

10BASE5

10BASE2

10BASE - T

10BASE - F

传输介质

同轴电缆（粗缆）

同轴电缆（细缆）

非屏蔽双绞线

光纤对（850nm）

编码

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码

拓扑结构

总线形

总线形

星形

点对点

最大段长

500m

185m

100m

2000m

最多节点数量

100

30

2

2

注意：在上述标准中，10 指标准的速率为 10Mb/s；Base 指基带以太网；早期标准 Base 之后的 5 或 2 指单段最大传输距离不超过 500m 或 185m，Base 之后的 T 指双绞线，F 指光纤。

        计算机与外界局域网的连接是通过主板上嵌入的一块网络适配器（Adapter）[也称网络接口卡（Network Interface Card，NIC）] 实现的。适配器上装有处理器和存储器，工作在数据链路层。适配器和局域网的通信是通过电缆或双绞线以串行方式进行的，而适配器和计算机的通信则是通过计算机的 I/O 总线以并行方式进行的。因此，适配器的重要功能就是进行数据的串并转换。

        适配器不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存等功能。当适配器收到正确的帧时，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 IP 数据报时，就由协议栈把 IP 数据报向下交给适配器，组帧后发送到局域网。

2. 以太网的 MAC 地址

        IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址，是指局域网上的每台计算机中固化在网络适配器的 ROM 中的地址，称为物理地址或 MAC 地址（因为这种地址用在 MAC 帧中），这个地址用于控制主机在网络上的数据通信。全世界所有的局域网适配器都具有不同的地址，一台计算机只要没有更换适配器，不管其地理位置如何变化，其 MAC 地址都不会变化。

命题追踪以太网 MAC 地址的长度（2013）

        MAC 地址长 6 字节，一般用由连字符（或冒号）分隔的 12 个十六进制数表示，如 02 - 60 - 8c - e4 - b1 - 21。高 24 位为厂商代码，低 24 位为厂商自行分配的适配器序列号。

        当路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的 MAC 地址就用来标志路由器的某个接口。路由器若同时连接到两个网络上，则它需要两个适配器和两个 MAC 地址。

        适配器从网络上每收到一个 MAC 帧，首先都要用硬件检查 MAC 帧中的目的地址。若是发往本站的帧，则收下，否则丢弃该帧。这里 “发往本站的帧” 包括以下三种帧：
        1）单播帧（一对一），即收到的帧的目的地址与本站的 MAC 地址相同。
        2）广播帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的（全 1 地址）。
        3）多播帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

3. 以太网的 MAC 帧

        以太网 MAC 帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2 标准（以太网 V2 标准）和 IEEE 802.3 标准。这里只介绍最常用的以太网 V2 的 MAC 帧格式，如图3.25所示。

命题追踪以太网帧的内容、首部和尾部的长度（2010、2011）

        在帧前面插入的 8 字节前导码分为两个字段：第一个字段是 7 字节的前同步码，用来实现 MAC 帧的比特同步；第二个字段是 1 字节的帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。

注意：
        以太网帧不需要帧结束定界符，因为当以太网传送帧时，各帧之间必须有一定的间隙。因此，接收方只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一帧。实际上，以太网采用了违规编码法的思想，因为以太网使用曼彻斯特编码，所以每个码元中间都有一次电压的跳变。发送方发完一帧后，发送方网络接口上的电压不再变化，这样接收方就能很容易地找到帧的结束位置，这个位置往前数 4 字节就是 FCS 字段，于是就能确定数据字段的结束位置。

命题追踪以太网帧中目的地址和源地址的含义（2018）

目的地址：6 字节，帧在局域网上的目的适配器的 MAC 地址。

源地址：6 字节，传输帧到局域网上的源适配器的 MAC 地址。

类型：2 字节，指出数据字段中的数据应交给哪个上层协议处理，如网络层的 IP。

命题追踪分析 IP 首部并判断其以太网帧是否需要填充（2012）

        数据：46～1500 字节，承载上层的协议数据单元（如 IP 数据报）。以太网的最大传输单元是 1500 字节，若 IP 数据报超过 1500 字节，则必须将该 IP 数据报分片。此外，由于 CSMA/CD 算法的限制，以太网帧必须满足最小长度是 64 字节，当 IP 数据报少于 46 字节时，MAC 子层就在数据字段的后面加一个整数字节的填充字段，以确保帧长不小于 64 字节。

注意：
        46 是怎么来的？由 CSMA/CD 可知以太网帧的最短帧长为 64B，而 MAC 帧的首部和尾部的长度为 18 字节，所以数据字段最短为 64 - 18 = 46 字节。

        检验码（FCS）：4 字节，检验范围从目的地址段到数据字段，算法采用 32 位 CRC 码，不但要检验 MAC 帧的数据部分，而且要检验目的地址、源地址和类型字段，但不检验前导码。

        802.3 帧格式与以太网 V2 帧格式的不同之处是，用长度域替代了 V2 帧中的类型域，指出了数据域的长度。在实践中，前述长度 / 类型两种机制可以并存，因为 IEEE 802.3 数据段的最大字节数是 1500，所以长度段的最大值是 1500，于是从 1501 到 65535 的值可用于类型段标识符。

4. 高速以太网

速率达到或超过 100Mb/s 的以太网称为高速以太网，表 3.3 列出了几种高速以太网技术。

表 3.3 几种高速以太网技术

标准名称

100Base - T 以太网

吉比特以太网

10 吉比特以太网

传输速率

100Mb/s

1Gb/s

10Gb/s

传输介质

双绞线

双绞线或光纤

双绞线或光纤

通信方式

支持半双工和全双工方式

-

只有全双工方式

介质访问控制协议

半双工方式下使用 CSMA/CD 协议

-

无

（1）100BASE - T 以太网

命题追踪 100BaseT 以太网使用的传输介质（2019）

        100BASE - T 是在双绞线上传送 100Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网，它仍然使用 CSMA/CD 协议，也称快速以太网。100BASE - T 既支持全双工方式，又支持半双工方式，可在全双工方式下工作而无冲突发生，因此在全双工方式下不使用 CSMA/CD 协议。

        100BASE - T 的 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的帧格式。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大长度减小到 100m。帧间最小间隔从原来的 9.6μs 改为 0.96μs。

（2）吉比特以太网

        吉比特以太网也称千兆以太网，允许在 1Gb/s 速率下以全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。使用双绞线或光纤作为传输介质。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，而在全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。与 10BASE - T 和 100BASE - T 技术向后兼容。

（3）10 吉比特以太网

        10 吉比特以太网的帧格式与 10Mb/s、100Mb/s 和 1Gb/s 以太网的帧格式完全相同，还保留了 802.3 标准规定的以太网最小帧长和最大帧长，以便升级和向后兼容。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，不存在争用问题，当然也不使用 CSMA/CD 协议。

        以太网从 10Mb/s 到 10Gb/s 的演进证明了以太网是可扩展的（从 10Mb/s 到 10Gb/s）、灵活的（多种传输介质、全 / 半双工、共享 / 交换），且易于安装，稳健性好。

3.6.3 IEEE 802.11 无线局域网

1. 无线局域网的组成

        无线局域网可分为两大类：有固定基础设施的无线局域网和无固定基础设施的移动自组织网络。所谓 “固定基础设施”，是指预先建立的、能覆盖一定地理范围的固定基站。

（1）有固定基础设施无线局域网
        对于有固定基础设施的无线局域网，IEEE 制定了无线局域网的 802.11 系列协议标准，包括 802.11a/b/g/n 等。802.11 标准使用星形拓扑，其中心称为接入点（Access Point，AP），在 MAC 层使用 CSMA/CA 协议。使用 802.11 系列协议的局域网也称 Wi - Fi。

        802.11 标准规定无线局域网的最小构件是基本服务集（Basic Service Set，BSS）。一个基本服务集包括一个接入点和若干移动站。各站在本 BSS 内的通信，或与本 BSS 外部站的通信，都必须通过本 BSS 的 AP。上面提到的 AP 就是基本服务集中的基站（base station）。安装 AP 时，必须为其分配一个不超过 32 字节的服务集标识符（Service Set IDentifier，SSID）和一个信道。SSID 是指使用该 AP 的无线局域网的名称。基本服务集覆盖的地理范围称为基本服务区（Basic Service Area，BSA），无线局域网的基本服务区的直径一般不超过 100m。

        基本服务集可以是孤立的，也可通过 AP 连接到一个分配系统（Distribution System，DS），然后连接到另一个基本服务集，构成一个扩展的服务集（Extended Service Set，ESS）。分配系统的作用是使扩展的服务集对上层的表现就像一个基本服务集。ESS 还可通过一种称为 Portal（门户）的设备为无线用户提供到有线连接的以太网接入。门户的作用相当于网桥。在图 3.26 中，移动站 A 若要和另一个基本服务集中的移动站 B 通信，则必须经过两个接入点 AP1 和 AP2，即 A→AP1→AP2→B，注意 AP1 到 AP2 的通信是使用有线传输的。

        当移动站 A 从某个基本服务集漫游到另一个基本服务集时（图 3.26 中的 A’），仍可保持与另一个移动站 B 的通信。但 A 在不同的基本服务集中使用的 AP 改变了。

（2）无固定基础设施移动自组织网络

        另一种无线局域网是无固定基础设施的无线局域网，也称自组网络（ad hoc network）。自组网络没有上述基本服务集中的 AP，而由有一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络（见图 3.27）。各节点之间地位平等，中间节点都为转发节点，因此都具有路由器的功能。

        自组网络通常是这样构成的：一些可移动设备发现在它们附近还有其他的可移动设备，且要求和其他移动设备进行通信。自组网络中的每个移动站都要参与网络中其他移动站的路由发现和维护，同时由移动站构成的网络拓扑可能随时间变化很快，因此在固定网络中行之有效的一些路由选择协议对移动自组网络已不适用，需引起特别的关注。

        自组网络和移动 IP 并不相同。移动 IP 技术使漫游的主机可用多种方法连接到因特网，其核心网络功能仍然基于固定网络中一直使用的各种路由选择协议。而自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，具有自己特定的路由选择协议，且可以不和因特网相连。

2. 802.11 局域网的 MAC 帧

802.11 帧共有三种类型，即数据帧、控制帧和管理帧。802.11 局域网的数据帧的格式如图 3.28 所示。

802.11 数据帧由以下三部分组成：
1）MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在 MAC 首部。
2）帧主体，即帧的数据部分，不超过 2312 字节。它比以太网的最大长度长很多。
3）帧检验序列 FCS 是 MAC 尾部，共 4 字节。

命题追踪 802.11 数据帧前三个地址的含义（2017、2022）

        802.11 帧的 MAC 首部中最重要的是 4 个地址字段（都是 MAC 地址）。这里仅讨论前三个地址（地址 4 用于自组网络）。这三个地址的内容取决于帧控制字段中的 “去往 AP” 和 “来自 AP” 这两个字段的数值。表 3.4 中给出了 802.11 帧的地址字段最常用的两种情况。

表 3.4 802.11帧的地址字段最常用的两种情况

去往 AP

来自 AP

地址 1

地址 2

地址 3

地址 4

0

1

接收地址 = 目的地址

发送地址 = AP 地址

源地址

-

1

0

接收地址 = AP 地址

发送地址 = 源地址

目的地址

-

        地址 1 是直接接收数据帧的节点地址，地址 2 是实际发送数据帧的节点地址。
        1）现在假定从一个 BSS 中的 A 站向 B 站发送数据帧。在 A 站发往 AP 的数据帧的帧控制字段中，“去往 AP = 1” 而 “来自 AP = 0”；地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是 A 站的 MAC 地址，地址 3 是 B 站的 MAC 地址。注意，“接收地址” 与 “目的地址” 并不等同。
        2）AP 接收到数据帧后，转发给 B 站，此时在数据帧的帧控制字段中，“去往 AP = 0” 而 “来自 AP = 1”；地址 1 是 B 站的 MAC 地址，地址 2 是 AP 的 MAC 地址，地址 3 是 A 站的 MAC 地址。注意，“发送地址” 与 “源地址” 也不等同。

        对这三个地址的理解方法如下：地址 1 和地址 2 分别是无线通信中信道两端的接收地址和发送地址。当主机发往 AP 时，接收地址不是实际的目的地址，因此用地址 3 来存放实际的目的地址；当 AP 发往主机时，发送地址不是实际的源地址，因此用地址 3 来存放实际的源地址。

        下面讨论一种更复杂的情况。在图 3.29 中，两个 AP 有线连接到路由器，现在路由器要向 A 站发送数据。路由器是网络层设备，它看不见链路层的 AP，只认识 A 站的 IP 地址。而 AP 是链路层设备，它只认识 MAC 地址，而不认识 IP 地址。
        1）路由器从 IP 数据报获知 A 站的 IP 地址，并用 ARP 获取 A 站的 MAC 地址。获取 A 站的 MAC 地址后，路由器接口 R1 将该 IP 数据报封装成 802.3 帧（802.3 帧只有两个地址），该帧的源地址字段是 R1 的 MAC 地址，目的地址字段是 A 站的 MAC 地址。
        2）AP 收到该 802.3 帧后，将该 802.3 帧转换为 802.11 帧，在帧控制字段中，“去往 AP = 0” 而 “来自 AP = 1”；地址 1 是 A 站的 MAC 地址，地址 2 是 AP 的 MAC 地址，地址 3 是 R1 的 MAC 地址。这样，A 站就可以确定（从地址 3）将数据报发送到子网中的路由器接口的 MAC 地址。

        现在考虑从 A 站向路由器接口 R1 发送数据的情况。
        1）A 站生成一个 802.11 帧，在帧控制字段中，“去往 AP = 1” 而 “来自 AP = 0”；地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是 A 站的 MAC 地址，地址 3 是 R1 的 MAC 地址。
        2）AP 收到该 802.11 帧后，将其转换为 802.3 帧。该帧的源地址字段是 A 站的 MAC 地址，目的地址字段是 R1 的 MAC 地址。

        由此可见，地址 3 在 BSS 和有线局域网互联中起关键作用，它允许 AP 在构建以太网帧时确定目的 MAC 地址。

        下面介绍 802.11 中的持续期字段和帧控制字段。
        1）持续期字段。在 3.5.2 节的 CSMA/CA 协议中介绍过允许发送数据的站点对信道预约一段时间，并将这个时间写入持续期字段。
        2）帧控制字段。这里只介绍比较重要的类型字段和子类型字段，这两个字段用来区分帧的功能。802.11 帧共有三种类型：控制帧、数据帧和管理帧，每种帧又分为若干子类型。例如，控制帧有 RTS、CTS 和 ACK 等不同的子类型。

3.6.4 VLAN 基本概念与基本原理

        一个以太网是一个广播域，当一个以太网中包含的计算机太多时，往往会导致：

        以太网中出现大量的广播帧，特别是经常使用的 ARP 和 DHCP（第 4 章）。
        一个单位的不同部门共享一个局域网，对信息保密和安全不利。

        通过虚拟局域网（Virtual LAN，VLAN），可将一个较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的 VLAN，而每个 VLAN 是一个较小的广播域。属于同一个 VLAN 的计算机之间可以直接通信，而不同 VLAN 的计算机之间不能直接通信。

        有以下三种划分 VLAN 的方式：
        1）基于接口。将交换机的若干接口划为一个逻辑组，这种方法最简单、最有效，若主机离开了原来的接口，则可能进入一个新的子网。
        2）基于 MAC 地址。按 MAC 地址将一些主机划分为一个逻辑子网，当主机的物理位置从一个交换机移动到另一个交换机时，它仍属于原来的子网。
        3）基于 IP 地址。根据网络层地址或协议划分 VLAN，这样的 VLAN 可以跨越路由器进行扩展，将多个局域网的主机组成一个 VLAN。

        802.3ac 标准定义了支持 VLAN 的以太网帧格式的扩展。它在以太网帧中插入一个 4 字节的标识符（插在源地址字段和类型字段之间），称为 VLAN 标签，用来指明发送该帧的计算机属于哪个虚拟局域网。插入 VLAN 标签的帧称为 802.1Q 帧，如图 3.30 所示。因为 VLAN 帧的首部增加了 4 字节，所以以太网帧的数据字段的最小长度从原来的 46 字节变为 42 字节，最大长度保持不变，因此以太网帧的最大帧长从原来的 1518 字节变为 1522 字节。

        VLAN 标签的前两个字节总是置为 0x8100，表示这是一个 802.1Q 帧。在 VLAN 标签的后两个字节中，前 4 位实际上并没什么作用，这里不讨论，后 12 位是该 VLAN 的标识符 VID，它唯一地标识该 802.1Q 帧属于哪个 VLAN。12 位的 VID 可识别 4096 个不同的 VLAN。插入 VLAN 标签后，802.1Q 帧最后的 FCS 必须重新计算。

        如图 3.31 所示，交换机 1 连接 7 台计算机，该局域网划分为两个虚拟局域网 VLAN-10 和 VLAN-20，这里的 10 和 20 就是 802.1Q 帧中的 VID 字段的值，由交换机管理员设定。各主机并不知道自己的 VID 值（但交换机必须知道），主机与交换机之间交互的都是标准以太网帧。一个 VLAN 的范围可以跨越不同的交换机，前提是所用的交换机能够识别和处理 VLAN。交换机 2 连接 5 台计算机，并与交换机 1 相连。交换机 2 中的 2 台计算机加入 VLAN-10，另外 3 台计算机加入 VLAN-20。这两个 VLAN 虽然都跨越了两个交换机，但各自都是一个广播域。

        连接两个交换机接口之间的链路称为汇聚链路或干线链路。

命题追踪虚拟局域网的特点（2024）

        假定 A 站向 B 站发送帧，交换机 1 根据帧首部的目的 MAC 地址，识别 B 属于本交换机管理的 VLAN-10，因此就像在普通以太网中那样直接转发帧。假定 A 站向 E 站发送帧，交换机 1 必须把帧转发到交换机 2，但在转发前，要插入 VLAN 标签，否则交换机 2 就不知道应把帧转发给哪个 VLAN。因此，在干线链路上传送的帧是 802.1Q 帧。交换机 2 在向 E 站转发帧之前，要删除已插入的 VLAN 标签，因此 E 站收到的帧是 A 站发送的标准以太网帧，而不是 802.1Q 帧。若 A 站向 C 站发送帧，则情况就复杂了，因为这是在不同网络之间的通信，虽然 A 站和 C 站都连接到同一个交换机，但是它们已处在不同的网络中（VLAN-10 和 VLAN-20），需要通过上层的路由器来解决，也可在交换机中嵌入专用芯片进行转发，以便在交换机中实现第 3 层的转发功能。

        虚拟局域网只是局域网为用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。

3.6.5 本节习题精选

单项选择题

01.下列关于用集线器连接的共享式以太网的说法中，正确的是（）。
A. 以太网的物理拓扑是总线形结构
B. 以太网提供有确认的无连接服务
C. 以太网参考模型一般只包括物理层和数据链路层
D. 以太网不一定使用 CSMA/CD 协议

01.C
        用集线器连接的以太网逻辑上是总线形结构，物理上是星形结构，选项 A 错误。以太网设计的原则是简化通信，因此采用的是无确认、无连接的服务，选项 B 错误。以太网属于局域网的一种设计标准，只包括物理层和数据链路层，比如在物理层以太网规定采用曼彻斯特编码，在数据链路层规定采用 CSMA/CD 协议，选项 C 正确。用集线器连接的以太网一定工作在半双工方式下，因此一定要采用 CSMA/CD 协议，选项 D 错误。

02.下列以太网中，采用双绞线作为传输介质的是（）。
A. 10BASE-2
B. 10BASE-5
C. 10BASE-T
D. 10BASE-F

02.C
        这里 BASE 前面的数字代表数据率，单位为 Mb/s；BASE 指介质上的信号为基带信号（基带传输，采用曼彻斯特编码）；后面的 5 或 2 表示每段电缆的最长长度为 500m 或 200m（实际上为 185m），T 表示双绞线，F 表示光纤。

03.下列关于广播式网络的说法中，错误的是（）。
A. 共享广播信道
B. 不存在路由选择问题
C. 可以不要网络层
D. 不需要服务接入点

03.D
        广播式网络使用共享的广播信道进行通信，通常是局域网的一种通信方式（局域网工作在数据链路层），因此可以不需要网络层，也就不存在路由选择问题。但数据链路层使用物理层的服务必须通过服务接入点，数据链路层向高层提供服务也必须通过服务接入点。

04.10BaseT 以太网采用的传输介质是（）。
A. 双绞线
B. 同轴电缆
C. 光纤
D. 微波

04.A
        局域网通常采用类似 10BaseT 的方式来表示，其中第 1 部分的数字表示数据传输速率，如 10 表示 10Mb/s、100 表示 100Mb/s；第 2 部分的 Base 表示基带传输。第 3 部分若是字母，则表示传输介质，如 T 表示双绞线、F 表示光纤；若是数字，则表示所支持的最大传输距离。

05.就交换技术而言，以太网采用的是（）。
A. 分组交换技术
B. 电路交换技术
C. 报文交换技术
D. 混合交换技术

05.A
        在以太网中，数据以帧的形式传输。源端用户的较长报文需要分为若干数据块，这些数据块在各层中还要加上相应的控制信息，在网络层中是分组，在数据链路层中是以太网的帧。

06.网卡实现的主要功能在（）。
A. 物理层和数据链路层
B. 数据链路层和网络层
C. 物理层和网络层
D. 数据链路层和应用层

06.A
通常情况下，网卡是用来实现以太网协议的。网卡不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码及数据缓存等功能，因此实现的功能主要在物理层和数据链路层。

07.每个以太网卡都有自己的时钟，每个网卡在互相通信时为了知道什么时候一位结束、下一位开始，即具有同样的频率，它们采用了（）。
A. 量化机制
B. 曼彻斯特机制
C. 奇偶检验机制
D. 定时令牌机制

07.B
        10BASE-T 以太网使用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码提取每个比特中间的电平跳变作为收发双方的同步信号，不需要额外的同步信号，是一种 “自含时钟编码” 的编码方式。

08.以下关于以太网地址的描述，错误的是（）。
A. 以太网地址就是通常所说的 MAC 地址
B. MAC 地址也称局域网硬件地址
C. MAC 地址是通过域名解析查得的
D. 以太网地址通常存储在网卡中

08.C
        域名解析用于将主机名解析成对应的 IP 地址，它不涉及 MAC 地址。实际上，MAC 地址通常是通过 ARP 查得的。

09.下列关于用光纤连接的以太网和用双绞线连接的以太网的说法中，错误的是（）。
A. 用集线器连接的双绞线以太网一定工作在半双工状态
B. 用交换机连接的双绞线以太网可以工作在全双工状态
C. 光纤以太网主要用于支持点对点通信，目的是扩大以太网的覆盖范围
D. 光纤以太网也可以选用 CSMA/CD 协议

09.D
        用集线器连接的以太网一定工作在半双工状态，用交换机连接的以太网既可以工作在半双工状态，又可以工作在全双工状态，选项 A、B 正确。光纤主要是为了扩大以太网的覆盖范围，用于支持点对点通信（中继设备之间的传输），通常不会直接连接终端设备，选项 C 正确。一根光纤线内部至少包含两条光纤，用以实现全双工通信，因此用光纤连接的以太网不采用 CSMA/CD 协议，选项 D 错误。

10.一个长度为 40 字节的 IP 数据报需要封装成 802.1Q 帧进行传输，则此 802.1Q 帧的数据载荷部分需要填充的字节数是（）。
A. 2
B. 4
C. 6
D. 8

10.A
        以太网 MAC 帧的最小帧长为 64B，数据字段的长度至少为 46B，但 802.1Q 帧会额外插入 4B 的 VLAN 标签，所以 802.1Q 帧的数据字段的长度至少为 42B，因此需要额外填充 2 字节。

11.介质访问控制（MAC）子层的主要功能是（）。
A. 提供可靠的数据传输
B. 控制和协调所有站点对共享介质的访问
C. 实现数据链路层和物理层之间的接口
D. 为上层协议提供服务

11.B
        介质访问控制（MAC）子层的主要功能是控制和协调所有站点对共享介质的访问。能否实现带确认的可靠传输服务与介质访问控制子层无关。

12.在以太网中，若网卡发现某个帧的目的 MAC 地址不是自己的，则（）。
A. 它将该帧递交给网络层，由网络层决定如何处理
B. 它将丢弃该帧，并向网络层报告错误消息
C. 它将丢弃该帧，不向网络层报告错误消息
D. 它将向发送主机发回一个 NAK 帧

12.C
        当网卡收到一个帧时，首先检查该帧的目的 MAC 地址是否与当前网卡的物理地址相同，若相同，则做下一步处理；若不同，则直接丢弃，并不需要向网络层报告错误消息。

13.在 CSMA/CD 以太网中，站点（）进行全双工通信，（）进行半双工通信。
A. 可以，不可以
B. 可以，可以
C. 不可以，可以
D. 不可以，不可以

13.C
        CSMA/CD 协议是一种用于解决共享介质上的冲突问题的方法，它在半双工通信中使用，而在全双工通信中无须用到 CSMA/CD 协议。因此站点可以进行半双工通信，不可以进行全双工通信。

14.IEEE 802.3 标准规定，若采用同轴电缆作为传输介质，在无中继的情况下，传输介质的最大长度不能超过（）。
A. 500m
B. 200m
C. 100m
D. 50m

14.A
        以太网常用的传输介质有 4 种：粗缆、细缆、双绞线和光纤。同轴电缆分 50Ω 基带电缆和 75Ω 宽带电缆两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。
        10Base5：粗缆以太网，数据率为 10Mb/s，每段电缆最大长度为 500m；使用特殊的收发器连接到电缆上，收发器完成载波监听和冲突检测的功能。

        10Base2：细缆以太网，数据率为 10Mb/s，每段电缆最大长度为 185m；使用 BNC 连接器形成 T 形连接，无源部件。

15.下列几种以太网中，只能工作在全双工模式下的是（）。
A. 10BASE-T 以太网
B. 100BASE-T 以太网
C. 吉比特以太网
D. 10 吉比特以太网

15.D
        10BASE-T 以太网、100BASE-T 以太网、吉比特以太网都使用 CSMA/CD 协议，因此可以工作在半双工模式。10 吉比特以太网只工作在全双工方式，没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议，使用光纤或双绞线作为传输介质。

16.IEEE 802 局域网标准对应 OSI 参考模型的（）。
A. 数据链路层和网络层
B. 物理层和数据链路层
C. 物理层
D. 数据链路层

16.B
        IEEE 802 为局域网制定的标准相当于 OSI 参考模型的数据链路层和物理层，其中的数据链路层又被进一步分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个子层。

17.高速以太网使用的 MAC 帧格式与标准以太网的帧格式（）。
A. 完全相同
B. 完全不同
C. 部分相同
D. 不确定

17.A
高速以太网的 MAC 帧格式与标准以太网的帧格式完全相同，以便升级和向后兼容。

18.下列关于吉比特以太网的说法中，错误的是（）。
A. 支持流量控制机制
B. 采用曼彻斯特编码，利用光纤进行数据传输
C. 数据的传输时间主要受线缆传输延迟的制约
D. 同时支持全双工模式和半双工模式

18.B
吉比特以太网的物理层有两个标准：IEEE 802.3z 和 IEEE 802.3ab，前者采用光纤通道，后者采用 4 对 UTP5 类线。

19.下列关于 802.1Q 帧的描述中，错误的是（）。
A. 在原始的以太网帧中加入一个 4 字节的标签字段，就构成 802.1Q 帧
B. 插入 VLAN 标签后，以太网的最大帧长也需要保持不变
C. VLAN 标签中有标识符字段，称为 VID，标志该帧属于哪个 VLAN
D. 设置 VLAN 后，两台主机之间通信也不一定使用 802.1Q 帧

19.B
        A 和 C 是 VLAN 的规定。插入 VLAN 标签后，以太网的最大帧长变为 1522 字节。802.1Q 帧用于干线链路，若同一个交换机下的同一个 VLAN 的两台主机通信，则不使用 802.1Q 帧。

20.下列关于虚拟局域网的叙述中，错误的是（）。
A. VLAN 使用的 802.1Q 帧的最大长度是 1522 字节
B. 属于不同 VLAN 的主机，若连在同一台交换机上，则可进行数据链路层的通信
C. VLAN 是为局域网用户提供的一种服务，而不是一种新型的局域网
D. 同一个 VLAN 的主机可以处于不同的局域网中

20.B
        802.1Q 帧在以太网帧的基础上增加了 4B 的 VLAN 标签，因此最大长度也增加了 4B。属于同一 VLAN 的主机无论是否连接到同一台交换机上，都能互相通信。而属于不同 VLAN 的主机即使连接到同一台交换机上，也不能直接在数据链路层进行通信。交换机会使用 VLAN 标签来区分不同的 VLAN。同一个 VLAN 的主机不一定连接到相同的局域网，它们可以连接到相同的交换机，也可以连接到不同的交换机，只要这些交换机互连即可。

21.下列关于虚拟局域网（VLAN）的说法中，错误的是（）。
A. 虚拟局域网建立在交换技术的基础上
B. 虚拟局域网通过硬件方式实现逻辑分组与管理
C. 虚拟网的划分与计算机的实际物理位置无关
D. 不同虚拟局域网的主机之间无法直接进行数据链路层的通信

21.B
        VLAN 建立在交换技术的基础上，以软件方式实现逻辑分组与管理，VLAN 中的计算机不受物理位置的限制。当计算机从一个 VLAN 转移到另一个 VLAN 时，只需简单地通过软件设定，而无须改变它在网络中的物理位置。要进行跨 VLAN 的通信，必须通过上层的路由器解决，不同 VLAN 的主机处于不同的广播域，因此不能直接在数据链路层进行通信。

22.划分虚拟局域网（VLAN）有多种方式，（）不是正确的划分方式。
A. 基于交换机接口划分
B. 基于网卡地址划分
C. 基于用户名划分
D. 基于网络层地址划分

22.C
一般有三种划分 VLAN 的方法：①基于接口；②基于 MAC 地址；③基于 IP 地址。

23.下列选项中，（）不是虚拟局域网（VLAN）的优点。
A. 有效共享网络资源
B. 简化网络管理
C. 链路聚合
D. 提高网络安全性

23.C
        带 “虚拟” 两个字的基本上都有一个优点，即有效共享资源。通过虚拟局域网，可将一个较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的虚拟局域网，而每个虚拟局域网都是一个较小的局域网，因此简化了网络管理，提高了信息的保密性和网络的安全性。链路聚合是解决交换机之间的宽带瓶颈问题的技术，而不是虚拟局域网的技术。

24.在 802.11 协议中，MAC 帧首部中的地址字段的含义和作用取决于（）。
A. 帧的类型和子类型
B. 帧的源和目的站点
C. 帧的 To AP 和 From AP 位
D. 帧的 BSSID 和 SSID 位

24.C
802.11 帧首部中的地址字段的含义和作用取决于帧的 To DS 和 From DS 位。

25.在下图所示的网络中，假定主机 A 给主机 B 发送数据，在 MAC 帧从接入点 AP2 转发到目的主机 B 的这段链路上，MAC 帧的地址 1、地址 2 和地址 3 分别是（）。

A. BSSID2，BSSID1，MACB
B. MACB，BSSID2，BSSID1
C. BSSID2，MACB，MACA
D. MACB，BSSID2，MACA

25.D
        MAC 帧是从 AP 发送到主机 B 的，即 “去往 AP = 0” 而 “来自 AP = 1”。因此，地址 1 是 B 的 MAC 地址，即 MACB；地址 2 是 AP2 的 BSSID，即 BSSID2；地址 3 是源地址，即 MACA。

26.【2012 统考真题】以太网的 MAC 协议提供的是（）。
A. 无连接的不可靠服务
B. 无连接的可靠服务
C. 有连接的可靠服务
D. 有连接的不可靠服务

26.A

        考虑到局域网信道质量好，以太网采取了两项重要的措施来使通信更简单：①采用无连接的工作方式；②不对发送的数据帧进行编号，也不要求对方发回确认。因此，以太网提供的服务是不可靠的服务，即尽最大努力的交付。差错的纠正由高层完成。

27.【2017 统考真题】在下图所示的网络中，若主机 H 发送一个封装访问 Internet 的 IP 分组的 IEEE 802.11 数据帧 F，则帧 F 的地址 1、地址 2 和地址 3 分别是（）。

A. 00-12-34-56-78-9a，00-12-34-56-78-9b，00-12-34-56-78-9c
B. 00-12-34-56-78-9b，00-12-34-56-78-9a，00-12-34-56-78-9c
C. 00-12-34-56-78-9b，00-12-34-56-78-9c，00-12-34-56-78-9a
D. 00-12-34-56-78-9a，00-12-34-56-78-9c，00-12-34-56-78-9b

27.B
802.11 帧首部的地址字段最常用的两种情况如下表所示。

        帧 F 是由 H 站发送到 AP 的，即 “去往 AP = 1” 而 “来自 AP = 0”。因此，地址 1 是 AP 的 MAC 地址，地址 2 是 H 站的 MAC 地址，地址 3 是 R 站的 MAC 地址。

28.【2019 统考真题】100BaseT 快速以太网使用的导向传输介质是（）。
A. 双绞线
B. 单模光纤
C. 多模光纤
D. 同轴电缆

28.A
        100Base-T 是一种以速率 100Mb/s 工作的快速以太网标准，且使用 UTP（非屏蔽双绞线）铜质电缆。100Base-T：100 标识传输速率为 100Mb/s；base 标识采用基带传输；T 表示传输介质为双绞线（包括 5 类 UTP 或 1 类 STP），为 F 时表示光纤。

3.7 广域网

3.7.1 广域网的基本概念

        广域网（Wide Area Network，WAN）通常是指覆盖范围很广（远超一个城市的范围）的长距离网络，任务是长距离运送主机所发送的数据。连接广域网各节点交换机的链路都是高速链路，广域网首要考虑的问题是通信容量必须足够大，以便支持日益增长的通信量。

        广域网不等于互联网。互联网可以连接不同类型的网络，通常使用路由器来连接。图 3.32 显示了由相距较远的局域网通过路由器与广域网相连而成的一个覆盖范围很广的互联网。因此，局域网可以通过广域网与另一个相隔很远的局域网通信。

        广域网由一些节点交换机（注意不是路由器，节点交换机和路由器都用来转发分组，它们的工作原理也类似。节点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组）及连接这些节点交换机的链路组成。节点交换机的功能是存储并转发分组。节点之间都是点对点连接，但为了提高网络的可靠性，一个节点交换机往往与多个节点交换机相连。

        广域网和局域网的区别与联系见表 3.5。

表 3.5 广域网和局域网的区别与联系

广域网

局域网

覆盖范围

很广，通常跨区域

较小，通常在一个区域内

连接方式

通常采用点对点连接

普遍使用广播信道

OSI 参考模型层次

三层：物理层，数据链路层，网络层

两层：物理层，数据链路层

联系与相似点

1. 广域网和局域网都是互联网的重要构件，从互联网的角度看，二者平等（不是包含关系）
2. 当连接到一个广域网或一个局域网上的主机在该网上进行通信时，只需要使用其网络的物理地址

着重点强调资源共享强调数据传输

        在通信线路质量较差的年代，能实现可靠传输的高级数据链路控制（HDLC）成为当时比较流行的数据链路层协议。但对现在误码率很低的点对点有线链路，更简单的点对点协议则是目前使用最广泛的数据链路层协议。最新大纲已将 HDLC 删除，因此本书不再介绍。

3.7.2 点对点协议

        点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）是现在最流行的点对点链路控制协议。主要有两种应用：① 用户通常都要连接到某个 ISP 才能接入互联网，PPP 就是用户计算机与 ISP 通信时所用的数据链路层协议；② 两台网络设备之间的直连专用线路。

        PPP 有三个组成部分：
        1）一个链路控制协议（LCP）。用来建立、配置、测试数据链路连接，以及协商一些选项。
        2）一套网络控制协议（NCP）。PPP 允许采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的 NCP 来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
        3）一种将 IP 数据报封装到串行链路的方法。IP 数据报在 PPP 帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元（MTU）的限制。

        PPP 帧的格式如图 3.33 所示，首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。

        首部和尾部各有一个标志字段（F），规定为 0x7E（01111110），它表示一个帧的开始和结束，即 PPP 帧的定界符。当标志字段出现在信息段中时，就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息段中。当 PPP 使用异步传输时，采用字节填充法，使用的转义字符是 0x7D（01111101）。当 PPP 使用同步传输时，采用零比特填充法来实现透明传输。

        地址字段（A）占 1 字节，规定为 0xFF，控制字段（C）占 1 字节，规定为 0x03，这两个字段的意义暂未定义。PPP 是面向字节的，因此所有 PPP 帧的长度都是整数个字节。

        第四个字段是协议段，占 2 字节，它表示信息段运载的是什么种类的分组。若为 0x0021，则信息字段是 IP 数据报。若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制协议（LCP）的数据。

        第五段信息段的长度是可变的，长度为 0～1500 字节。

注意：
        因为 PPP 是点对点的，并不是总线形，所以无须使用 CSMA/CD 协议，自然就不会有最短帧长的限制，所以信息段占 0～1500 字节，而不是 46～1500 字节。

        第六个字段是帧检验序列（FCS），占 2 字节，是使用 CRC 检验的冗余码。

        以用户拨号接入 ISP 的过程为例。当用户拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户到 ISP 的物理连接。这时，用户向 ISP 发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以便建立 LCP 连接。接着进行网络层配置，NCP 给新接入的用户分配一个临时 IP 地址。通信结束后，依次释放网络层、数据链路层和物理层连接。PPP 的状态如图 3.34 所示，具体解释如下：

1）PPP 链路的起始和终止都是链路静止状态，这时用户与 ISP 之间不存在物理层的连接。
2）当检测到调制解调器的载波信号并建立物理层连接后，PPP 就进入链路建立状态。
3）在链路建立状态下，链路控制协议（LCP）开始协商一些配置选项（包括最大帧长、鉴别协议等）。若协商成功，则进入鉴别状态。若协商失败，则退回到链路静止状态。
4）协商成功后，双方就建立了 LCP 链路，然后进入鉴别状态。若通信双方无须鉴别或鉴别身份成功，则进入网络层协议状态。若鉴别失败，则进入链路终止状态。
5）进入网络层协议状态后，双方采用网络控制协议（NCP）配置网络层。网络层配置完毕后，就进入链路打开状态，双方就可以进行数据通信。
6）数据传输结束后，链路一方发出终止请求且在收到对方发来的终止确认后，或者链路出现故障时，进入链路终止状态。载波停止后，回到链路静止状态。

PPP 的特点如下：
1）PPP 虽然在连接建立的过程中使用了确认机制，但在数据帧的发送过程中只保证无差错接收（通过 CRC 检验），不使用序号和确认机制，因而是不可靠服务。
2）PPP 只支持全双工的点对点链路，不支持多点线路。
3）PPP 的两端可以运行不同的网络层协议，但仍可使用同一个 PPP 进行通信。
4）PPP 是面向字节的，所有 PPP 帧的长度都是整数个字节。

3.7.3 本节习题精选

单项选择题

01.局域网和广域网的差异不仅在于它们所覆盖的范围不同，还主要在于它们（）。
A. 所使用的介质不同
B. 所使用的协议不同
C. 所能支持的通信量不同
D. 所提供的服务不同

01.B
        广域网和局域网之间的差异不仅在于它们所覆盖范围的不同，还在于它们所采用的协议和网络技术的不同，广域网使用点对点等技术，局域网使用广播技术。

02.广域网覆盖的地理范围从几十千米到几千千米，它的通信子网主要使用（）。
A. 报文交换技术
B. 分组交换技术
C. 文件交换技术
D. 电路交换技术

02.B
        广域网的通信子网主要使用分组交换技术，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。

03.广域网所使用的传输方式是（）。
A. 广播式
B. 存储转发式
C. 集中控制式
D. 分布控制式

03.B
        广域网通常指覆盖范围很广的长距离网络，它由一些节点交换机及连接这些交换机的链路组成，其中节点交换机执行分组存储、转发功能。

04.广域网的拓扑结构通常采用（）。
A. 星形
B. 总线形
C. 网状
D. 环形

04.C
        广域网覆盖范围较广、节点较多，为了保证可靠性和可扩展性，通常需采用网状结构。

05.现在大量的计算机是通过诸如以太网这样的局域网连入广域网的，而局域网与广域网的互联是通过（）实现的。
A. 路由器
B. 资源子网
C. 桥接器
D. 中继器

05.A
        中继器和桥接器通常是指用于局域网的物理层和数据链路层的联网设备。目前局域网接入广域网主要是通过称为路由器的互联设备实现的。

06.下列协议中不属于 TCP/IP 族的是（）。
A. ICMP
B. TCP
C. FTP
D. HDLC

06.D
        TCP/IP 族主要包括 TCP、IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP、UDP、DNS、FTP、HTTP 等。HDLC 是 ISO 提出的一个面向比特型的数据链路层协议，它不属于 TCP/IP 族。

07.为实现透明传输（默认为异步线路），PPP 使用的填充方法是（）。
A. 位填充
B. 字符填充
C. 对字符数据使用字符填充，对非字符数据使用位填充
D. 对字符数据使用位填充，对非字符数据使用字符填充

07.B
        PPP 是一种面向字节的协议，所有的帧长都是整数个字节。在异步线路中，PPP 采用字节填充法实现透明传输；在同步线路中，PPP 采用零比特填充法实现透明传输。

08.以下对 PPP 的描述中，错误的是（）。
A. 具有差错控制能力
B. 仅支持 IP
C. 支持动态分配 IP 地址
D. 支持身份验证

08.B
        PPP 提供差错检测功能，但不提供纠错功能。PPP 两端的网络层可以运行不同的网络层协议，但仍能使用同一个 PPP 进行通信。PPP 可用于拨号连接，因此支持动态分配 IP 地址。PPP 双方建立 LCP 链路后，接着进入身份鉴别状态（可选）。

09.PPP 提供的功能有（）。
A. 一种组帧方法
B. 链路控制协议（LCP）
C. 网络控制协议（NCP）
D. A、B 和 C 都是

09.D
PPP 协议主要由三部分组成：① 链路控制协议（LCP）；② 网络控制协议（NCP）；③ 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。因此，选项 A、B、C 都正确。

10.PPP 中的 LCP 帧的作用是（）。
A. 在建立状态阶段协商数据链路协议的选项
B. 配置网络层协议
C. 检查数据链路层的错误，并通知错误信息
D. 安全控制，保护通信双方的数据安全

10.A
PPP 帧在默认配置下，地址和控制域总是常量，所以 LCP 提供了必要的机制，允许双方协商一个选项。在建立状态阶段，LCP 协商数据链路协议中的选项，它并不关心这些选项本身，只提供一个协商选择的机制。

11.下列关于 PPP 的叙述中，正确的是（）。
A. PPP 是网络层协议
B. PPP 支持半双工或全双工通信
C. PPP 两端的网络层必须运行相同的网络层协议
D. PPP 是面向字节的协议

11.D
PPP 是数据链路层协议，A 错误。根据 PPP 的特点可知 B、C 错误，D 正确。

12.PPP 提供的是（）。
A. 无连接的不可靠服务
B. 无连接的可靠服务
C. 有连接的不可靠服务
D. 有连接的可靠服务

12.C
        PPP 是一种面向连接的点对点数据链路层协议，虽然它在连接建立的过程中使用了确认机制，但在数据帧的发送过程中只保证无差错接收（CRC 检验），检验正确就接收这个帧，否则丢弃这个帧，其他什么也不做。因此 PPP 提供的是有连接的不可靠服务。

3.8 数据链路层设备

*3.8.1 网桥的基本概念

        使用集线器在物理层扩展以太网会形成更大的冲突域①。为了避免这个问题，可以使用网桥在数据链路层扩展以太网，而原来的每个以太网称为一个网段。使用网桥进行扩展时，不会将原本独立的两个冲突域合并成一个更大的冲突域，这是因为网桥具有识别帧和转发帧的能力，根据帧首部中的目的 MAC 地址和网桥的帧转发表来转发或丢弃所收到的帧，起到了过滤通信量的功能。因为各个网段是相对独立的，所以一个网段的故障不影响另一个网段的运行。

        网络 1 和网络 2 通过网桥连接后，网桥接收网络 1 发送的数据帧，检查数据帧中的地址，若是网络 2 的地址，则转发给网络 2；若是网络 1 的地址，则将其丢弃，因为源站和目的站处在同一个网段，目的站能够直接收到这个帧，而不需要借助网桥转发。

        网桥是早期的数据链路层设备，现已被以太网交换机取代，最新大纲中已将其删除。

3.8.2 以太网交换机

1.交换机的原理和特点
        以太网交换机也称二层交换机，二层是指以太网交换机工作在数据链路层。以太网交换机实质上是一个多接口的网桥，它能将网络分成小的冲突域，为每个用户提供更大的带宽。对于传统使用集线器的共享式 10Mb/s 以太网，若共有 N 个用户，则每个用户的平均带宽为总带宽（10Mb/s）的 1/N。使用以太网交换机（全双工方式）连接这些主机时，虽然从每个接口到主机的带宽还是 10Mb/s，但是因为一个用户通信时是独占带宽的（而不是和其他网络用户共享传输介质带宽的），所以 N 个接口的交换机的总容量为 N×10Mb/s。这正是交换机的最大优点。

命题追踪以太网交换机的特点（2015）
以太网交换机的特点：
1）当交换机的接口直接与主机或其他交换机连接时，通常都工作在全双工方式。
2）交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使每对相互通信的主机都能像独占通信介质那样，无冲突地传输数据，这样就不需要使用 CSMA/CD 协议。
3）当交换机的接口连接集线器时，只能使用 CSMA/CD 协议且只能工作在半双工方式。当前的交换机和计算机中的网卡都能自动识别上述两种情况。
4）交换机是一种即插即用设备，其内部的帧转发表是通过自学习算法，基于网络中各主机间的通信，自动地逐渐建立的。
5）交换机因为使用专用交换结构芯片，交换速率较高。

命题追踪直通交换方式的转发时延的分析（2013）
以太网交换机主要采用两种交换模式：
1）直通交换方式。接收到帧的同时就立即按该帧的目的 MAC 地址决定转发接口。这种方式的转发时延非常小，缺点是不检查差错就直接转发，因此可能将一些无效帧转发给其他站。直通交换方式不适用于需要速率匹配、协议转换或差错检测的线路。
2）存储转发交换方式。首先缓存接收到的帧，然后检查帧是否正确（可能还需要进行速率匹配或协议转换），确认无误后，根据目的 MAC 地址决定转发接口；若帧出错，则将其丢弃。优点是可靠性高，且支持不同速率接口间的转换，缺点是时延较大。

        交换机一般都具有多种速率的接口，如 10Mb/s、100Mb/s 的接口，以及多速率自适应接口。

2.交换机的自学习功能
命题追踪以太网交换机转发决策时使用的 PDU 地址（2009）
        决定一个帧是转发到某个接口还是丢弃它称为过滤。决定一个帧应被移至哪个接口称为转发。交换机的过滤和转发借助交换表（switch table）完成。交换表中的一个表项至少包含：① 一个 MAC 地址；② 连通该 MAC 地址的接口。例如，在图 3.35 中，以太网交换机有 4 个接口，各连接一台计算机，MAC 地址分别为 A、B、C 和 D，交换机的交换表初始为空。

命题追踪交换机自学习的过程（2014、2016、2021）
        假定 A 先向 B 发送一帧，从接口 1 进入交换机。交换机收到帧后，先查找交换表，找不到 MAC 地址为 B 的表项。于是，交换机将该帧的源地址 A 和接口 1 写入交换表，并向除接口 1 外的所有接口广播这个帧（该帧是从接口 1 进入的，因此不应将它再从接口 1 转发出去）。C 和 D 丢弃该帧，因为目的地址不匹配。只有 B 才收下这个目的地址正确的帧。交换表中写入（A, 1）后，从任何接口收到目的地址为 A 的帧都应从接口 1 转发出去。这是因为，既然 A 发出的帧从接口 1 进入交换机，那么从接口 1 转发出去的帧也应能到达 A。

        接下来，假定 B 通过接口 3 向 A 发送一帧，交换机查找交换表后，发现有表项（A, 1），将该帧从接口 1 转发给 A。显然，此时已没有必要再广播收到的帧。将该帧的源地址 B 和接口 3 写入交换表，表明以后若有发送给 B 的帧，则应从接口 3 转发出去。

        经过一段时间后，只要 C 和 D 也向其他主机发送帧，交换机就把 C 和 D 及对应的接口号写入交换表。这样，转发给任何主机的帧，就都能很快地在交换表中找到相应的转发接口。

        因为交换机所连的主机随时会变化，所以需要更新交换表中的表项。为此，交换表的每个表项都设有一定的有效时间，过期表项会被自动删除。这就保证了交换表中的数据符合当前网络的实际状况。这种自学习算法使得交换机能即插即用，而不必手工配置，非常方便。

3.共享式以太网和交换式以太网的对比

命题追踪集线器与交换机连接的网段的区别（2016）
        假设交换机已通过自学习算法逐步建立了完整的转发表，下面举例说明使用集线器的共享式以太网与全部使用交换机的交换式以太网的区别。
1）主机发送普通帧。对于共享式以太网，集线器将帧转发到其他所有接口，其他各主机中的网卡根据帧的目的 MAC 地址决定接收或丢弃该帧。对于交换式以太网，交换机收到帧后，根据帧的目的 MAC 地址和自身的交换表将帧明确地转发给目的主机。
2）主机发送广播帧。对于共享式以太网，集线器将帧转发到其他所有接口，其他各主机中的网卡检测到帧的目的 MAC 地址是广播地址时，就接收该帧。对于交换式以太网，交换机检测到帧的目的 MAC 地址是广播地址，于是从其他所有接口转发该帧，其他各主机收

3.8.3 本节习题精选

单项选择题

01.下列网络连接设备都工作在数据链路层的是（）。
A. 中继器和集线器
B. 集线器和网桥
C. 网桥和局域网交换机
D. 集线器和局域网交换机

01.C
中继器和集线器都属于物理层设备，网桥和局域网交换机属于数据链路层设备。

02.下列关于数据链路层设备的叙述中，错误的是（）。
A. 交换机可将网络划分成多个网段，一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行
B. 交换机可互连不同的物理层、不同的 MAC 子层及不同速率的以太网
C. 交换机的每个接口节点所占用的带宽不会因为接口节点数量的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着接口节点的增加而增加
D. 利用交换机可以实现虚拟局域网（VLAN），VLAN 可以隔离冲突域，但不能隔离广播域

02.D
        交换机的优点是每个接口节点所占用的带宽不会因为接口节点数量的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着接口节点的增加而增加。另外，利用交换机可以实现虚拟局域网（VLAN），VLAN 不仅可以隔离冲突域，还可以隔离广播域。因此 C 正确，D 错误。

03.下列（）不是使用交换机分割网络所带来的好处。
A. 减少冲突域的范围
B. 在一定条件下增加了网络的带宽
C. 过滤网段之间的数据
D. 缩小了广播域的范围

03.D
        交换机可以隔离信息，将网络划分成多个网段，隔离出安全网段，防止其他网段内的用户非法访问。因为网络分段，各网段相对独立，所以一个网段的故障不影响另一个网段的运行。因此 B、C 正确。根据交换机的特点可知 A 正确，D 错误。

04.下列不能分割冲突域的设备是（）。
A. 集线器
B. 交换机
C. 路由器
D. 网桥

04.A
        冲突域是指共享同一信道的各个站点可能发生冲突的范围，也称冲突域。物理层设备集线器不能分割冲突域，数据链路层设备交换机和网桥可以分割冲突域，但不能分割广播域，而网络层设备路由器既可分割冲突域，又可分割广播域。

05.局域网交换机实现的主要功能在（）。
A. 物理层和数据链路层
B. 数据链路层和网络层
C. 物理层和网络层
D. 数据链路层和应用层

05.A
局域网交换机是数据链路层设备，能实现数据链路层和物理层的功能。

06.交换机比集线器提供更好的网络性能的原因是（）。
A. 交换机支持多对用户同时通信
B. 交换机使用差错控制减少出错率
C. 交换机使网络的覆盖范围更大
D. 交换机无须设置，使用更方便

06.A
交换机能隔离冲突域，在全双工方式下支持多对节点同时通信，从而提高了网络的效率。

07.通过交换机连接的一组工作站（）。
A. 组成一个冲突域，但不是一个广播域
B. 组成一个广播域，但不是一个冲突域
C. 既是一个冲突域，又是一个广播域
D. 既不是冲突域，又不是广播域

07.B
        交换机是数据链路层的设备，数据链路层的设备可以隔离冲突域，但不能隔离广播域，因此本题选 B。另外，物理层设备（集线器等）既不能隔离冲突域，又不能隔离广播域；网络层设备（路由器）既可以隔离冲突域，又可以隔离广播域。

08.一个 16 接口的集线器的冲突域和广播域的个数分别是（）。
A. 16, 1
B. 16, 16
C. 1, 1
D. 1, 16

08.C
物理层设备（中继器和集线器）既不能分割冲突域，又不能分割广播域。

09.一个 16 接口的以太网交换机，冲突域和广播域的个数分别是（）。
A. 1, 1
B. 16, 16
C. 1, 16
D. 16, 1

09.D
        以太网交换机的各接口之间都是冲突域的终止点，但 LAN 交换机不隔离广播，所以冲突域的个数是 16，广播域的个数是 1。

10.对于由交换机连接的 10Mb/s 以太网，若有 10 个用户，则每个用户能占有的带宽为（）。
A. 1Mb/s
B. 2Mb/s
C. 10Mb/s
D. 100Mb/s

10.C
        对于集线器连接的 10Mb/s 共享式以太网，若有 N 个用户，则每个用户的平均带宽仅为总带宽的 1/N。当采用交换机连接时，虽然从每个接口到主机的带宽还是 10Mb/s，但因为一个用户在通信时是独占带宽，而不是和其他用户共享带宽，所以每个用户仍可得到 10Mb/s 的带宽。

11.如下图所示，某学院的以太网交换机有 3 个接口分别和 3 个系的以太网相连，另外 3 个接口分别和万维网服务器、电子邮件服务器以及一个连接互联网的路由器相连，A、B 和 C 都是 100Mb/s 以太网交换机。假设所有链路的速率都是 100Mb/s，且图中 9 台主机中的任何一台都可以与任何一台服务器或主机通信。这 9 台主机和 2 台服务器产生的总吞吐量最大为（）。若把 3 个系的以太网交换机都换成 100Mb/s 集线器，则这 9 台主机和 2 台服务器产生的总吞吐量最大为（）。若把所有以太网交换机都换成 100Mb/s 集线器，则这 9 台主机和 2 台服务器产生的总吞吐量最大为（）。

A. 1100Mb/s, 500Mb/s, 100Mb/s        B. 500Mb/s, 500Mb/s, 100Mb/s
C. 1100Mb/s, 1100Mb/s, 500Mb/s        D. 500Mb/s, 1100Mb/s, 500Mb/s

11.A
        9 台主机和 2 台服务器都全速工作时的总吞吐量为 900 + 200 = 1100Mb/s。若把 3 个系的以太网交换机都换成 100Mb/s 集线器，则每个系是一个碰撞域，最大吞吐量为 100Mb/s，加上每台服务器 100Mb/s 的吞吐量，得出总吞吐量最大为 500Mb/s。若把所有的以太网交换机都换成 100Mb/s 集线器，则整个网络是一个碰撞域，因此吞吐量最大为 100Mb/s。

12.假设以太网 A 中 80% 的通信量在本局域内进行，其余 20% 在本局域网与因特网之间进行，而以太网 B 正好相反。在这两个局域网中，一个使用集线器，另一个使用交换机，则交换机应放置的局域网是（）。
A. 以太网 A
B. 以太网 B
C. 任意以太网
D. 都不合适

12.A
        交换机能将网络分成较小的冲突域，而集线器连接的设备属于同一个冲突域。当一个局域网中 80% 的通信量在本局域内进行时，若使用集线器，则会增加冲突和延迟，降低整个网络的效率，而若使用交换机将不同网段的通信隔开，则可以提高网络性能。

13.在使用以太网交换机的局域网中，以下（）是正确的。
A. 局域网中只包含一个冲突域
B. 交换机的多个接口可以并行传输
C. 交换机可以隔离广播域
D. 交换机根据 LLC 目的地址转发

13.B
        交换机可以隔离冲突域，因此它的每个接口所连接的网段都属于不同的冲突域，选项 A 错误。交换机可在同一时段内支持多个接口之间的并行通信，而不会相互干扰，这是因为交换机内部有一条高带宽的背部总线和一个内部交换矩阵，可以根据帧的目的 MAC 地址快速地将帧转发到相应的接口。交换机不能隔离广播域，选项 C 错误。LLC 是逻辑链路控制，它在 MAC 层上，用于向网络提供一个接口，以隐藏各种 802 网络之间的差异，交换机是按 MAC 地址转发的，选项 D 错误。

14.以太网交换机的自学习功能是指（）。
A. 记录帧的源 MAC 地址与该帧进入交换机的接口号
B. 记录帧的目的 MAC 地址与该帧进入交换机的接口号
C. 记录分组的源 IP 地址与该分组进入交换机的接口号
D. 记录分组的目的 IP 地址与该分组进入交换机的接口号

14.A
以太网交换机的自学习功能是指记录帧的源 MAC 地址与该帧进入交换机的接口号，并将这些信息存储在交换机的交换表中，以便于后续的转发决策。

15.当以太网交换机某接口收到帧时，若在交换表中未找到目的 MAC 地址，则（）。
A. 将帧发送到特定接口进行 ARP 查询
B. 丢弃该帧
C. 将帧发送到除本接口外的所有接口
D. 将帧发送给 DHCP 服务器

15.C

        当以太网交换机的某个接口收到帧时，若在交换表中未找到目的 MAC 地址，则将该帧从除本接口外的所有接口发送出去，这种发送方法也称洪泛法。

16.某以太网如下图所示，假设交换机 1 和交换机 2 的交换表初始为空，各主机之间依次进行以下通信：A→B、H→A、E→X、X→E，关于上述通信过程叙述错误的是（）。

A. 当 A→B 时，除 A 外的全部主机都能收到 A 发送的帧
B. 当 H→A 时，仅 A 能收到 H 发送的帧
C. 当 E→X 时，仅 X 能收到 E 发送的帧
D. 当 X→E 时，交换机 2 收不到 X 发送的帧

16.C

        当 A→B 时，交换表都为空，交换机 1 和交换机 2 都进行洪泛发送，因此除 A 外的全部主机都能收到 A 发送的帧。当 H→A 时，因为交换机 2 已登记 A 所在的接口为 3，所以只向接口 3 转发，交换机 1 收到帧后，因为交换机 1 已登记 A 所在的接口为 1，所以只向接口 1 转发，因此仅 A 能收到 H 发送的帧。当 E→X 时，集线器向除输入接口外的所有接口转发该帧，交换机 1 和交换机 2 也进行洪泛发送，因此除 E 外的全部主机都能收到 A 发送的帧。当 X→E 时，因为交换机 1 已登记 E 所在的接口为 2，所以仅登记 X 所在的接口，并丢弃该帧。

17.【2009 统考真题】以太网交换机进行转发决策时使用的 PDU 地址是（）。
A. 目的物理地址
B. 目的 IP 地址
C. 源物理地址
D. 源 IP 地址

17.A

交换机实质上是一个多接口网桥，工作在数据链路层，数据链路层使用物理地址进行转发，而转发到目的地需要使用目的地址。因此 PDU 地址是目的物理地址。

18.【2013 统考真题】对于 100Mb/s 的以太网交换机，当输出端口无排队，以直通交换方式转发一个以太网帧（不包括前导码）时，引入的转发时延至少是（）。
A. 0μs
B. 0.48μs
C. 5.12μs
D. 121.44μs

18.B

        直通交换方式的输入接口接收到一个帧时，只检查帧的目的 MAC 地址决定输出接口，引入的转发时延至少为读取目的 MAC 地址所需的时间。目的 MAC 地址共 6B，引入的转发时延至少为 6×8bit÷100Mb/s = 0.48μs。存储转发方式引入的转发时延则至少为读取整个帧的时间。

19.【2014 统考真题】某以太网拓扑及交换机的当前转发表如下图所示，主机 00-e1-d5-00-23-a1 向主机 00-e1-d5-00-23-c1 发送一个数据帧，主机 00-e1-d5-00-23-c1 收到该帧后，向主机 00-e1-d5-00-23-a1 发送一个确认帧，交换机对这两个帧的转发端口分别是（）。

19.B

        当 00-e1-d5-00-23-a1 向 00-e1-d5-00-23-c1 发送数据帧时，交换机转发表中没有 00-e1-d5-00-23-c1 这一项，所以向除接口 1 外的所有接口广播这个帧，即接口 2、3 会转发这个帧，同时交换机会把（目的地址 00-e1-d5-00-23-a1，接口 1）这一项加入转发表。而当 00-e1-d5-00-23-c1 向 00-e1-d5-00-23-a1 发送确认帧时，因为转发表中已有 00-e1-d5-00-23-a1 这一项，所以交换机只向接口 1 转发。

20.【2015 统考真题】下列关于交换机的叙述中，正确的是（）。
A. 以太网交换机本质上是一种多端口网桥
B. 通过交换机互连的一组工作站构成一个冲突域
C. 交换机每个接口所连的网络构成一个独立的广播域
D. 以太网交换机可实现采用不同网络层协议的网络互连

20.A

        本质上说，交换机就是一个多接口的网桥（选项 A 正确），工作在数据链路层（因此不能实现不同网络层协议的网络互连，选项 D 错误），交换机能经济地将网络分成小的冲突域（选项 B 错误）。广播域属于网络层概念，只有网络层设备（如路由器）才能分割广播域（选项 C 错误）。

21.【2016 统考真题】若主机 H2 向主机 H4 发送一个数据帧，主机 H4 向主机 H2 立即发送一个确认帧，则除 H4 外，从物理层上能够收到该确认帧的主机还有（）。

A. 仅 H2
B. 仅 H3
C. 仅 H1、H2
D. 仅 H2、H3

21.D

        交换机（Switch）可以隔离冲突域。若 H2 向 H4 发送数据帧，则 H2 及其对应接口就写入交换表。当 H4 向 H2 发送确认帧时，交换机查找交换表后，将该确认帧从 H2 对应的接口转发出去。集线器（Hub）无法隔离冲突域，因此 Hub 会向所有接口（除输入接口外）广播该确认帧的数据信号。因此，从物理层上能够收到该确认帧的主机有 H2 和 H3。

3.9 本章小结及疑难点

1.说明用 n 比特进行编号时，若接收窗口的大小为 1，则仅在发送窗口的大小WT≤2n−1时，连续 ARQ 协议才能正确运行.
        假设用 3 比特进行编号，可表示 8 个不同的序号，发送窗口的最大值似乎可以为 8。但是，实际上，发送窗口的大小设为 8 将使协议在某些情况下无法工作。下面来证明这一点。
        设发送窗口为 8，发送方发送完 0~7 号共 8 个数据帧后，暂停发送。假定这 8 个数据帧均已正确到达接收方，且接收方对每个数据帧都发回了确认帧。下面考虑两种不同的情况。

        第一种情况：所有确认帧都正确地到达发送方，因此发送方接着又发送 8 个新的数据帧，其编号应是 0~7。注意，序号是循环使用的。因此序号虽然相同，但 8 个帧都是新的帧。

        第二种情况：所有确认帧都丢失。经过一段超时计时器控制的时间后，发送方重传这 8 个旧数据帧，其编号仍为 0~7。
        于是，当接收方第二次收到编号为 0~7 的 8 个数据帧时，就无法判定这是 8 个新数据帧还是 8 个重传的旧数据帧。因此，将发送窗口设为 8 显然是不行的。

2.为什么 PPP 不使用帧的编号和确认机制来实现可靠传输？
        PPP 不使用序号和确认机制是出于以下考虑：

        若使用能够实现可靠传输的数据链路层协议（如 HDLC），开销就会增大。当数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 较为合理。

        在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。假定我们采用了能实现可靠传输但十分复杂的数据链路层协议，当数据帧在路由器中从数据链路层上升到网络层时，仍有可能因网络拥塞而被丢弃。因此，数据链路层的可靠传输并不能保证网络层的传输也是可靠的。
        PPP 在帧格式中有帧检验序列 FCS 字段。对于每个收到的帧，PPP 都要使用硬件进行 CRC 检验。若发现差错，则丢弃该帧（一定不能把有差错的帧交给上一层）。端到端的差错控制最后由高层协议负责。因此，PPP 可以保证无差错接收。

3.在标准以太网中，为什么说若有冲突，则冲突一定发生在冲突窗口内；或者说一个帧若在冲突窗口内没有发生冲突，则该帧不会再发生冲突？
        节点在发送数据之前，先监听信道是否有载波，若有，表示信道忙，则继续监听，直至检测到信道空闲为止。一个数据帧在从节点 A 向最远节点的传输过程中，若有其他节点也在发送数据，则会发生冲突，冲突后的信号经过冲突窗口时间后传回节点 A，节点 A 会检测到冲突，所以说若有冲突，则一定发生在冲突窗口内，若在冲突窗口内没有发生冲突，之后若其他节点再要发送数据，则会监听到信道忙，而不会发送数据，从而不会再发生冲突。

4.一个以太网的速率从 10Mb/s 升级到 100Mb/s，满足 CSMA/CD 冲突条件。为使其正常工作，需做哪些调整？

        100BaseT 以太网与 10Mb/s 以太网的帧格式相同，唯一不同的参数是帧间最小间隔时间，10Mb/s 以太网的帧间最小间隔时间是 9.6μs，100BaseT 以太网的帧间最小间隔时间是 0.96μs。此外，为了保持最短帧长不变，将一个网段的最大长度减小到 100m。

5.关于物理层、数据链路层、网络层设备对于隔离冲突域和广播域的总结

查看全文

http://www.mrgr.cn/news/100530.html

判断符号??，?. ，! ，!! ，|| ，，?: 意思以及举例

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信道状态	1 - 坚持	非坚持	p−坚持
空闲	立即发送数据	立即发送数据	以概率p发送数据，以概率1−p推迟到下一个时隙
忙	继续坚持监听	放弃监听，等待一个随机的时间后再监听	持续监听（等到下一时隙再监听），直至信道空闲

标准名称	10BASE5	10BASE2	10BASE - T	10BASE - F
传输介质	同轴电缆（粗缆）	同轴电缆（细缆）	非屏蔽双绞线	光纤对（850nm）
编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码
拓扑结构	总线形	总线形	星形	点对点
最大段长	500m	185m	100m	2000m
最多节点数量	100	30	2	2

标准名称	100Base - T 以太网	吉比特以太网	10 吉比特以太网
传输速率	100Mb/s	1Gb/s	10Gb/s
传输介质	双绞线	双绞线或光纤	双绞线或光纤
通信方式	支持半双工和全双工方式	-	只有全双工方式
介质访问控制协议	半双工方式下使用 CSMA/CD 协议	-	无

去往 AP	来自 AP	地址 1	地址 2	地址 3	地址 4
0	1	接收地址 = 目的地址	发送地址 = AP 地址	源地址	-
1	0	接收地址 = AP 地址	发送地址 = 源地址	目的地址	-

	广域网	局域网
覆盖范围	很广，通常跨区域	较小，通常在一个区域内
连接方式	通常采用点对点连接	普遍使用广播信道
OSI 参考模型层次	三层：物理层，数据链路层，网络层	两层：物理层，数据链路层
联系与相似点	1. 广域网和局域网都是互联网的重要构件，从互联网的角度看，二者平等（不是包含关系） 2. 当连接到一个广域网或一个局域网上的主机在该网上进行通信时，只需要使用其网络的物理地址
着重点	强调资源共享	强调数据传输

第 1 章 计算机网络体系结构

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

1.1.2 计算机网络的组成

1.1.3 计算机网络的功能

1.1.4 电路交换、报文交换与分组交换

1.电路交换

2. 报文交换

3. 分组交换

1.1.5 计算机网络的分类

1.按分布范围分类

2.按传输技术分类

1.1.6 计算机网络的性能指标

1.1.7 本节习题精选

一、单项选择题

二、综合应用题

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1 计算机网络分层结构

1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念

1.2.3 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

1.2.4 本节习题精选

1.3 本章小结及疑难点

第 2 章 物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

2.1.2 信道的极限容量

2.1.3 编码与调制

2.1.4 本节习题精选

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

2.2.2 物理层接口的特性

2.2.3 本节习题精选

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器

2.3.2 集线器

2.3.3 本节习题精选

2.4 本章小结及疑难点

第 3 章 数据链路层

3.1 数据链路层的功能

3.1.1 数据链路层所处的地位

3.1.2 链路管理

3.1.3 封装成帧与透明传输

3.1.4 流量控制

3.1.5 差错检测

3.1.6 本节习题精选

3.2 组帧

3.2.1 字符计数法

3.2.2 字节填充法

3.2.3 零比特填充法

3.2.4 违规编码法

3.2.5 本节习题精选

3.3 差错控制

3.3.1 检错编码

3.3.2 纠错编码

3.3.3 本节习题精选

3.4 流量控制与可靠传输机制

3.4.1 流量控制与滑动窗口机制

3.4.2 可靠传输机制

3.4.3 本节习题精选

3.5 介质访问控制

3.5.1 信道划分介质访问控制

3.5.2 随机访问介质访问控制

3.5.3 轮询访问：令牌传递协议

3.5.4 本节习题精选

3.6 局域网

3.6.1 局域网的基本概念和体系结构

3.6.2 以太网与 IEEE 802.3

3.6.3 IEEE 802.11 无线局域网

3.6.4 VLAN 基本概念与基本原理

3.6.5 本节习题精选

3.7 广域网

3.7.1 广域网的基本概念

3.7.2 点对点协议

3.7.3 本节习题精选

3.8 数据链路层设备

*3.8.1 网桥的基本概念

3.8.2 以太网交换机

3.8.3 本节习题精选

3.9 本章小结及疑难点

相关文章：

第 1 章计算机网络体系结构

第 2 章物理层

第 3 章数据链路层