Computer Networks Part Answers 4

Computer Networks Part Answers 4

1. What is the length of a contention slot in CSMA/CD for
(a) a 2-km twin-lead cable (signal propagation speed is 82% of the signal propagation speed in vacuum)?
(b) a 40-km multimode fiber optic cable (signal propagation speed is 65% of the signal propagation speed in vacuum)?

t1=2τ1=22Km0.82×30×104Km/s=16.16μst_1 = 2 \tau_1 = 2 \frac{2 Km}{0.82 \times 30 \times 10^4 Km/s} = 16.16 \mu s

t2=2τ2=240Km0.65×30×104Km/s=0.41mst_2 = 2 \tau_2 = 2 \frac{40 Km}{0.65 \times 30 \times 10^4 Km/s} = 0.41 ms

本题考查课本的基础知识, 只需要记住采用 CSMA/CD 的网络中, 一个站点在开始发送数据后, 最多需要经过 $ 2 \tau $ 的时间才能发现冲突,
因此 $ 2 \tau $ 称为竞争时隙 (或争用期)


2. Six stations, A through F, communicate using the MACA protocol. Is it possible for two transmissions to take place simultaneously? Explain your answer.

可能. 发送 RTS 的站点只要收到 CTS, 就可以无冲突发送.
假设从 A 到 F 各个站点依次排列在一条直线上 (如下图所示), 其信号覆盖范围只到自己的邻居站点, 即 A 的信号只有 B 能收到 ,
B的信号只有 A 和 C 能收到, 以此类推.
若 A 要发送数据给 B, E 要发送数据给 F, 由于 A 和 E 通过 RTS 和 CTS 都检测出没有冲突, 这两个传输可以同时发生.

graph LR
  A --- B --- C --- D --- E --- F

3. What is the baud rate of classic 10-Mbps Ethernet?

传统的 10Mbps 以太网使用曼彻斯特编码, 它发送的每一位都有两个信号周期, 即信号频率是数据率的2倍.
数据率为 10 Mbps, 因此信号速率是 20M 波特.


4. Sketch the Manchester encoding on a classic Ethernet for the bit stream $ 0001110101 $.

如下图所示:

2023-04-23T12:00:18.788590 image/svg+xml Matplotlib v3.7.0, https://matplotlib.org/

我自己还写了一个 python 小程序, 用来画这种编码.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
import matplotlib.pyplot as plt

data = "0001110101"
basicPoint = [0, 0]
points = [[]]
dirt0 = [(0, 0), (1, 0), (1, 2), (2, 2)]
dirt1 = [(0, 2), (1, 2), (1, 0), (2, 0)]

for bit in data:
    if bit == '0':
        for d in dirt0:
            points.append([basicPoint[0] + d[0], basicPoint[1] + d[1]])
    else:
        for d in dirt1:
            points.append([basicPoint[0] + d[0], basicPoint[1] + d[1]])
    basicPoint[0] = basicPoint[0] + 2

for i in range(1, len(points) - 1):
    if i % 4 != 0:
        plt.plot([points[i][0], points[i + 1][0]], [points[i][1], points[i + 1][1]], color='red')
plt.savefig('.svg', format='svg', dpi=150)  # 输出
plt.show()

其实就是将每个点描出来, 并填充上线段.


5. A 1-km-long, 10-Mbps CSMA/CD LAN (not 802.3) has a propagation speed of 200 m/μsec. Repeaters are not allowed in this system. Data frames are 256 bits long, including 32 bits of header, checksum, and other overhead. The first bit slot after a successful transmission is reserved for the receiver to capture the channel in order to send a 32-bit acknowledgement frame. What is the effective data rate, excluding overhead, assuming that there are no collisions?

单程传播时延 $ \tau =1000 / 200 = 5 \mu s $. 在没有冲突的情况下, 一次成功传输包含下列过程:

  1. 发送站发出一帧, 发送时间为 $ t_1 = 256 / 10M = 25.6 \mu s $
  2. 该数据帧经过 $ t_2 = \tau = 5 \mu s$ 后到达接收站
  3. 接收站用 $ t_3 = 10 \mu s $ 捕获信道, 发送 ACK 帧, 发送时间 $ t_4 = 32 / 10M = 3.2 \mu s $, ACK 经过 $ t_5 = \tau = 5
    \mu s $ 后到达发送站.

因此传输总时间 $ t_总 = 25.6 + 5 + 10 + 3.2 + 5 = 48.8 \mu s $, 有效数据率 $ \eta = (256-32) / 48.8 = 4.59 Mbps $


6. Consider building a CSMA/CD network running at 1 Gbps over a 1-km cable with no repeaters. The signal speed in the cable is 200,000 km/sec. What is the minimum frame size?

对于 1km 电缆,单程传播时延 $ \tau = 1 / 200000 = 5 \mu s $, 往返时延为 $ 2 \tau = 10 \mu s $,
即最短帧的发送时间不能小于 $ 10 \mu s $
对于 1Gbps 的发送速率, $ 10 \mu s $ 可以发送的比特数为 $ 10 \times 10^{-6} \times 10^9 = 10^4 bits $
因此最短帧长是 $ 10000 \; bits $, 即 $ 1250 \; bytes $.


7. An IP packet to be transmitted by Ethernet is 60 bytes long, including all its headers. If LLC is not in use, is padding needed in the Ethernet frame, and if so, how many bytes?

以太网的最短以太帧有 64 bytes, 其中帧头的目的地址, 源地址, 类型, 长度字段和帧尾的校验和字段一共是 18 bytes, 数据部分最少为
46 bytes, 如果不足 46 bytes 则需要填充.
题目中的 IP 包为 60 bytes, 超过了46 bytes. 因此不需要填充.

以太网帧构成:

Preamble Destination Address Source Address Type Data Pad Checksum
8 6 6 2 0~1500 0~46 4

感觉答案没有说 “Preamble” 也不知道为什么.


8. Ethernet frames must be at least 64 bytes long to ensure that the transmitter is still going in the event of a collision at the far end of the cable. Fast Ethernet has the same 64-byte minimum frame size but can get the bits out ten times faster. How is it possible to maintain the same minimum frame size?

标准答案:
快速以太网的速率是传统以太网的 10 倍, 但保留了传统以太网的最短帧长的规定, 这是通过限制电缆最大长度来实现的,
快速以太网的最大电缆长度是传统以太网的 1/10.

我的答案:
方法一: 载波扩充, 让硬件在普通的帧后面增加一些填充位, 将帧的长度扩充到 512 字节, 并由接收方硬件去掉后提交给上层
方法二: 帧突发, 允许发送方将多个待发送帧级连在一起, 一次传输出去.

我的解题思路应该是偏离的题意…


9. How many frames per second can gigabit Ethernet handle? Think carefully and take into account all the relevant cases. Hint: the fact that it is gigabit Ethernet matters.

当使用 “帧突发” 时, 每帧的大小为 64 bytes, 可处理的帧个数为 1953125;
当使用 “载波扩充” 时, 每帧的大小为 512 bytes, 可处理的帧个数为 244140;
最大帧发送时, 每帧大小为 1518 bytes, 可处理的帧个数为 82345.


10. In following figure, four stations, A, B, C, and D, are shown. Which of the last two stations do you think is closest to A and why? 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
     +-----+                 +-----------------------------------------+
A:   | RTS |                 |                   Data                  |
  ---+-----+-----------------+-----------------------------------------+---------------------------
           .
           .   +-----+                                                         +-----+
B:         .   | CTS |                                                         | ACK |
  ---------.---+-----+---------------------------------------------------------+-----+-------------
           .         .                                                               .
           +---------.---------------------------------------------------------------+
C:         |         .                         NAV                                   |
  ---------+---------.---------------------------------------------------------------+-------------
                     .                                                               .
                     +---------------------------------------------------------------+
D:                   |                            NAV                                | 
  -----------------------------------------------------------------------------------+-------------

                                            Time   ------>

站点 C 离 A 更近
因为 C 能收到 A 的 RTS 帧, 并且通过 NAV (网络分配向量) 做出相应. D 的 NAV 不包括 RTS 的时间, 说明 D 没有收到 RTS 帧, 即 D 位于 A 的无线信号覆盖范围之外.

注意: 最后一句的中文翻译应为: 你认为后两个站点中哪一个最接近 A 并解释原因. 而不是哪两个站点最接近 A

11. Give an example to show that the RTS/CTS in the 802.11 protocol is a little different than in the MACA protocol.

由于 NAV, 802.11 的 RTS/CTS 不能解决暴露站的问题.
例如, 在教材图 4-11 的情景 (B), MACA 协议将允许两对主机同时通信, 即 B 发送给到 A 和 C 发送给 D; 但 802.11 中, C 收到 B 发送的 RTS, 根据 NAV, 它将在 B 的数据帧传输的整个过程中 (包括传输 ACK) 退避, 而不能发送给 D.


12. A wireless LAN with one AP has 10 client stations. Four stations have data rates of 6 Mbps, four stations have data rates of 18 Mbps, and the last two stations have data rates of 54 Mbps. What is the data rate experienced by each station when all ten stations are sending data together, and
(a) TXOP is not used?
(b) TXOP is used?

  1. 不使用 TXOP 时, 每个站点在占用信道时只发送一个数据帧, 该帧的发送时间可归一化为 1 / 数据率, 因此每个站点得到相同的平均数据率, 即 $ \frac{1}{\frac{4}{6} + \frac{4}{18} + \frac{2}{54}} = \frac{54}{50} = 1.08 Mbps $

  2. 使用 TXOP 时, 每个站点按照平均分配时间来占用信道, 即每个站点占用 1/10 信道, 所以每个设备的传输速率都变为原来的 1/10.


13. Consider the extended LAN connected using bridges B1 and B2 in Fig. 4-41(b). Suppose the hash tables in the two bridges are empty. List all ports on which a packet will be forwarded for the following sequence of data transmissions:
(a) A sends a packet to C.
(b) E sends a packet to F.
(c) F sends a packet to E.
(d) G sends a packet to E.
(e) D sends a packet to A.
(f) B sends a packet to F.

使用 mermaid 绘制的图, 结果不尽人意, 将就着看一下吧

graph TD
   B1{{B1 Bridge}}
   B2{{B2 Bridge}}
   H1[H1 Hub]
    B2-- 4 ---B1
    
    subgraph 1
        direction LR
        A-- 1 ---B1
        B-- 2 ---B1
        C-- 3 ---B1
    end

    subgraph 2
        direction RL
            D-- 1 ---B2
            H1-- 2 ---B2
            E---H1
            F---H1
            G-- 3 ---B2
    end
  1. B1 将这个数据帧转发到端口 2, 3 和 4, B2 将转发到端口 1, 2 和 3.
  2. B2 将这个数据帧转发到端口 1, 3 和 4, B1 将转发到端口 1, 2 和 3.
  3. B2 不转发该帧, 因此 B1 不会收到这个帧.
  4. B2 将这个数据帧转发到端口 2, B1 不会收到这个帧.
  5. B2 将这个数据帧转发到端口 4, B1 将转发到端口 1.
  6. B1 将这个数据帧转发到端口 1, 3 和 4, B2 将转发到端口 2.

此题考查对于网桥工作原理 (如何转发帧, 如何生成转发表) 的理解.
一般来说, 网桥收到一帧后, 根据帧中的目的地址检查转发表, 如果查到的输出端口与输入端口一致, 则不转发; 如果输出端口与输入端口不一致, 则转发到相应端口; 如果查不到, 则洪泛转发到除输入端口之外的所有端口.
转发表采用 “逆向学习” 的方法生成, 即检查收到的帧中的源地址, 将源地址和输入端口加入转发表.
更加具体的内容, 可以参考课本.


14. Store-and-forward switches have an advantage over cut-through switches with respect to damaged frames. Explain what it is.

存储 - 转发型交换机首先要接收完整的数据帧, 进行校验, 然后再转发. 如果校验出错, 就立即丢弃这个数据帧而不进行转发.
对于直通型方式, 交换机在收到帧头的目的地址之后, 即开始转发该帧, 边转发边校验, 因而即使发现了校验错误, 也为时晚矣, 损坏帧将无法丢弃, 依然在网络中传输.

2023-04-25 
IP属地: 北京
AnswersShare
#ComputerNetworks
Computer Networks Part Answers 4
https://dengwuli.github.io/2023/04/25/ComputerNetworks/ComputerNetworksPartAnswers4/
作者
DengWuLi
发布于
2023年4月25日
更新于
2023年7月14日
许可协议