中南大学数据链路层与介质访问子层讲义(最新)

数据链路层与介质访问子层

（三）数据链路层

1、数据链路层的功能？（1）向网络层提供一个定义良好的接口；（2）处理传输错误；（3）流量控制。

2、通常数据链路层向网络层提供哪些服务？（1）无确认的无连接服务；（2）有确认的无连接服务；（3）有确认的面向连接服务。

3、为什么要成帧？为了确保比特丢失、比特错误等情况能被接收端检测出来，在发送端需要对发送的比特流进行特定处理，通常将比特流分成离散的帧，并计算每帧的校验和。接收端对收到的帧进行相同的校验和计算，若结果为零，则认为未出错，但是并非100％无错误，CRC的生成多项式的合理选择，能确保，若校验和为零，则以很大概率确保未出错。

4、成帧的方法有哪些？（1）字符计数法；（2）含字节填充的分界符法；（3）含位填充的分界符法；（4）物理层编码违例法。

字符计数法：在帧头设置一个域来指定该帧的字符数（整个帧长）。缺点：表示帧长度的计数值出错，将使接收方难以找到下一帧的起始位置（即失去同步）。

含字节填充的分界符法：使用标志字节（FLAG）作为帧的起始和结束的分界符，若在数据中出现FLAG，则在其前面加一个特殊的转义字节（ESC）；若ESC出现在数据中，则在ESC前面加ESC。缺点：依赖于8位字符的模式，而并非所有字符码都使用8位字符，如UNICODE使用16位字符。

含位填充的分界符法：每一帧的开始和结束都使用一个特殊的位模式01111110。避免数据中出现这个位模式的方法：当发送端的数据链路层碰到数据中5个连续的位“1”时，它自动在输出流中填充一个位“0”。当接收方看到5个连续的输入位“1”，并且后面是位“0”时，则自动去掉此“0”位。

物理层编码违例法：只使用于“物理层编码方法中包含冗余信息”的网络。例如，以

太网中，用2个物理位编码1位数据，通常，“1”位是“高-低”电平对，而“0”位是“低-高”电平对。因此，“高-高”和“低-低”两种组合可用于帧的分界。

试题3.1 下面说法正确的有（全部）

（1）在帧之间插入时间间隙也是一种成帧方法，但这些间隙有可能被挤掉或被插入其它间隙；

（2）在字节填充机制中，当发送方看到数据中的标志字节时，会在其前面填充一个转义字节；

（3）在位填充机制中，当遇到01111101时，则位填充后为011111001； （4）PPP协议使用的成帧方法是字节填充方案。

5、常用的流量控制方法？（1）基于反馈的流控制；（2）基于速率的流控制；数据链路层通常使用前者。

6、纠错编码：在每个被发送的数据块中包含足够的冗余信息，以便接收方可以推断出被发送的数据中肯定有哪些内容。

码字：包含数据比特和校验比特的数据单元。

两个码字的海明距离：两个码字中不相同的位的个数。

整个编码方案的海明距离：在一个完整的合法码字列表中，若找到两个合法码字且它们的海明距离最小，则此距离为整个编码方案的海明距离。

通过(m+r+1)2r可以求得用于纠正单个比特错误所需校验位数目的下界，其中m表示数据比特长度，r表示校验比特长度。

试题3.1 下面说法正确的有（全部）

（1）若两个码字的海明距离为d，则需要d个1位错误才能将一个码字转变成另一个码字；

（2）对海明距离为d的两个码字，d个1位错误未必能将一个码字转变成另一个码字； （3）一个编码方案的检错和纠错特性它的海明距离有关； （4）为了检测d个错误，需要海明距离为d＋1的编码方案； （5）若接收方看到无效码字，则知道出错；

（6）一种纠错方法是找到无效码字由哪个有效码字出错而转变来的；

试题3.2 阐述一种纠错编码的思想。可以采用找出错码字的出错源的方法。通常将出错码字（即无效码字）与所有有效码字逐一比较，与出错距离最小者即为出错源。为了达到这个目的，编码方案的距离需要为2d＋1，其中d为需要纠正的错误位数。这是为了确保有效码字间的距离足够远，使得出错码字与其出错源之间的距离永远是最小的。

试题3.3 关于海明码，下面说法正确的有（全部）

（1）从左边开始，对码字进行连续编号，如1，2,„等，编号为2的幂次方的位为校验位； （2）对码字0X10101Y00，7号位为1，校验这个数据位的校验位有“1”、“2”和“4”； （3）将一个数据位的位号展开为校验位位号之和，出现在展开式上的校验位号指出了参与校验此数据位的校验位；

（4）当一个码字到来，接收方初始化计数器为0，然后检查码字的校验位，若都有正确的奇偶性，则计数器不累加校验位号；

（5）当一个码字到来，接收方初始化计数器为0，然后检查码字的校验位，若发现1，2，8位置上校验位不符合预设的奇偶特性，则此时计数器的值为11，即为出错的数据位位号； （6）码字的某个数据位发生错误，将使得校验它的所有校验位的奇偶特性发生变化。

试题3.4 如何利用只能纠正单个错误的海明码来纠正突发性错误？将k个连续的码字排列成一个矩阵，每行一个码字。发送数据时，从左边的列开始，每次发送一列，而接收重构同样的矩阵，每次一列。这样能确保不长于k的突发性错误，至多使得每个码字的1位受到影响。因此，利用海明码，每个码字可以纠正1位错误，整个数据块可以恢复出来。这种方法利用kr个校验位，使得km个数据位能够抵御长度等于或小于k的单个突发性错误。

7、检错编码：在每个被发送的数据块中包含一些的冗余信息，使得接收方能够推断是否发生了错误，但推断不出发生了什么错误。

8、什么CRC（循环冗余校验码）？是一个广泛使用的检错码，也称多项式编码，其基本思想是：将位串看成系统为0或1的多项式，除以一个预先商定的生成多项式，

所得到的余数即为CRC校验和。将此CRC校验和追加在数据串后面，使得追加之后的串能被生成多项式除尽。

试题3.5 下面说法正确的有（全部）

（1）使用了纠错码的技术通常也称前向纠错；

（2）在高度可靠的信道上（如光纤）适合采用检错码； （3）在无线链路上，比较适合采用纠错码； （4）奇偶编码是一种简单的检错编码。

试题3.6 利用错误检测和重传机制在（ 1，2，3 ）链路上更加有效。 （1）偶尔出错的链路；（2）铜线链路；（3）光纤链路；（4）无线链路

试题3.7 考虑一个错误是孤立的信道，其出错率为每位10-4。对于100位的数据块，为了提供纠错功能，需要（ 7 ）位校验位；100个这样的数据块，即10000位，将需要（ 700 ）位校验位。若仅仅为了检测数据块中的单个1位错误，则每个数据块将需要（ 1 ）个奇偶位就足够了，而100个数据块需要（ 100 ）个，并且为出错的哪个块再重传一个（ 101 ）位的块。因此，利用“错误检测＋重传”的方法，每10000位数据只需（ 201 ）位开销，而采用海明码，则需要（ 700 ）位开销。

试题3.8 关于多项式的算术运算，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）采用代数域理论的规则，以2为模来完成； （2）加法没有进位，减法没有借位，都等同于异或；

（3）长除法与二进制中的长除运算一样，只不过减法按模2进行； （4）若被除数与除数有一样多的位，则称该除数“进入到”被除数中。

试题3.9 关于生成多项式，下列说法正确的有（ 全部 ）。

（1）当使用多项式编码时，通信双方必须预先商定一个生成多项式； （2）生成多项式的最高位和最低位必须为1； （3）生成多项式的阶与校验比特串的长度一致；

（4）带CRC的帧能被生成多项式除尽并不能确保帧一定无错误；

（5）使用r阶生成多项式得到的多项式编码可以检测到所有长度小于等于r的突发性错误。

9、基本数据链路层协议：包括“无的单工协议（协议1）”、“单工的停等协议（协议2）”、“有噪声信道的单工协议（协议3）”。这些协议假设机器不会崩溃，即处理通信错误。

协议1：数据链路层之间的通信信道永远不会损坏或丢失帧。发送方可以任意的方式发送。

协议2：仅在协议1的基础上引入了流控制。发送方在发送一帧后，需要等待接收方的确认帧。这个确认帧的到达使得它可以发送下一帧。

协议3：在协议2的基础上，考虑信道会出错。帧可能损坏，也可能丢失。

试题3.10 关于基本数据链路层协议，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）协议1只需要单工的物理信道，而协议2需要半双工的物理信道； （2）对协议2来说，确认帧的到达对发送方很重要，而并不关心其具体内容； （3）在协议3中，增加定时器可以解决数据帧丢失的问题，但不能解决确认帧丢失的问题；

（4）在协议3中，为每个被发送的帧赋予一个序列号，可避免由于确认帧的丢失而导致的重复接收问题。

试题3.11 在停-等协议中，为什么只需要一位序列号？因为在停-等协议中，当前帧未被确认，不可以发送下一帧，因此，它只要能区分当前帧与下一帧即可，即一位序列号足够了。

试题3.12 什么叫PAR或ARQ协议？发送方在准备下一个数据项目之前先等待一个肯定的确认的协议。

试题3.13 关于定时器，下列说法正确的有（ 全部 ）。

（1）若定时器间隔设置过短，则会使发送方重发不必要的帧，会损害性能，但不影响协议正确性；

（2）若定时器间隔设置过长，则会增加传输延时、影响吞吐量；

（3）定时器的间隔设置应保证发送的帧到达接收方，并且按最坏的情形让接收方处理该帧，再允许确认帧传回发送方；

（4）发送方发送一帧后随即启动定时器，若定时器已经在运行，则重置它。

10、数据链路层的滑动窗口协议：包括“1位滑动窗口协议（协议4）”、“使用回退n帧技术的协议（协议5）”、“使用选择性重传的协议（协议6）”。它们都属于双向协议，即每个方法都既有数据帧也有确认帧的传输。在任何时刻，发送方维持着一个发送窗口，接收方维持着一个接收窗口。这三种滑动窗口协议的差别体现在效率、复杂性、缓冲区需求等方面。它们对每个外发的帧都进行编号，其范围从0到某个最大值。最大值通常是2n-1，这样编号（或序列号）正好可以填入一个n位的域中。

发送窗口：由一对上下限指针指示其当前大小。当上下限指针重合，则表明无待确认帧，与窗口最大宽度对应的缓冲区数都未被占用。当发送出去一帧，则此帧的编号进入发送窗口中，即发送窗口上限增1。若收到一个针对发送窗口下限指针所指帧的确认，则此帧的编号退出发送窗口，即发送窗口下限增1。当发送窗口的上下限指针之差达到最大值，发送方不能再发送。这时，发送方缓冲区被占满。

接收窗口：与发送方窗口上下限指针单独改变不同，接收方窗口上下限指针是同时改变的。当接收方收到帧号等于接收窗口下限指示的帧，则整个接收窗口向前移动一个位置。接收窗口大小与接收方缓冲区数量一致。

捎带确定技术：将确认暂时延时以便可以附带在外发的数据帧上的技术。

管道化技术：将发送窗口增大到某个值，使得发送的第一个帧的确认到达之前，发送方仍可发送。

协议4：发送窗口和接收窗口的最大尺寸都为1，相应的缓冲区也都为1。 协议5：发送窗口的最大尺寸大于1，接收窗口的最大尺寸等于1。 协议6：发送窗口的最大尺寸大于1，接收窗口的最大尺寸大于1。

试题3.14 关于发送窗口和接收窗口，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）发送方窗口不必与接收方窗口有同样的上下界，也不必有同样的大小； （2）发送方窗口尺寸的最大值一定不小于接收方窗口；

（3）发送方窗口内的序列号代表了那些已被发送，但未被确认的帧； （4）接收方窗口中帧号指示接收方期待接收的帧。

试题3.15 捎带确定技术带来的好处？更好地利用了信道带宽。数据帧头的ACK域只占用几位的开销，而一个单独的确认帧的比特数要多出不少。

试题3.16 捎带确定技术导致的问题？由于不是每次需要发确认时，都正好有外出的数据帧，于是需要等待一小段时间。若此段时间后，仍无外出的数据帧，则发送单独的确认帧。因此，存在既延长了发送时间又未节省带宽的情况。

试题3.17 下列说法正确的有（ 全部 ）。

（1）对协议4来说，过长的传输时间、高带宽、短的帧长将导致很低的效率； （2）管道化技术可使得发送方不空闲；

（3）可以由协议5或协议6可以处理在不可靠信道上使用管道化技术导致的问题； （4）协议5比较适合用于信道状况较好的情形，而协议6比较适合用于信道状况较差的情形；

（5）在往返延时的变动较大情形下，协议6也可以与否定的确认（NAK）结合使用以提供传输性能。

（6）若不同序列号的个数为MAX_SEQ+1，则协议5的最大发送窗口取值不大于MAX_SEQ，协议6的最大发送窗口取值不大于(MAX_SEQ+1)/2。

11、HDLC（高级数据链路控制）协议：面向位的协议，使用位填充。共有三种帧类型（信息帧、管理帧、无序号的帧），三种帧中的Next是一个捎带的确认（所捎带的是期望接收的下一帧），而信息帧中含序列号域Seq。校验和域是一个循环冗余校验码。 其它面向位的协议：SDLC, ADCCP, LAP, LAPB

12、PPP（点到点协议）提供3类功能：

（1）一种成帧方法，采用字节填充，并使用循环冗余校验码检错。

（2）一个链路控制协议LCP，用于启动线路、测试线路、协商参数、关闭线路。支持同步和异步线路、也支持面向字节的和面向位的编码方法。

（3）一种协商网络层选项的方法NCP，并且协商方法与所使用的网络层协议。 PPP的协议域指明净载荷域中是哪种分组，如LCP, NCP, IP, IPX, AppleTalk等协议的分组。

试题3.18 若滑动窗口协议的发送窗口尺寸为8，帧编号长度为4比特，当发送了6号帧并收到对于 1号帧的确认之后，发送方还可发送几帧？请给出可发送帧的序号。

答：不可能是协议4，由于未指明接收窗口大小，所以可能是协议5也可能是协议6。无论是协议5还是协议6，结果是一样的。

发送窗口中有2，3，4，5，6号帧，由于发送窗口尺寸为8，所以还可以发送3个帧。由于帧号的取值范围是0～15，所有可发送的三个帧的帧号分别是7，8，9。

进一步思考：（1）当发送窗口尺寸为9时，其它条件不变，协议5和协议6都能正常工作吗？协议5能够，协议6不能。

（2）当帧编号长度设置为3比特，其它条件不变，协议5和协议6都能正常工作吗？都不能。

（3）当发送了12号帧，且收到了10号帧的确认，其它条件不变，发送方还可发送几帧？请给出可发送帧的序号。答：6个帧，帧号分别是13，14，15，0，1，2。

试题3.19 计算机网络（Andrew编，第四版）教材第三章的典型习题 P205试题1至12

P205试题11 接收方收到了一个12位的海明码，其16进制值为0xE4F。请问原来的值是多少（用16进制表示）？假设至多只有1位发生了错误。

答：从题意判断，一定不是数据比特出错，因为任意数据比特出错会影响至少两个校验位。在码字0xE4F的校验位1，2，4，8中，2号校验位符合奇校验，其它都符合偶校验，又由题意知，至多一位出错，那么可断定一定是2号校验位出错。

P206试题13，15，16，17，18

P206试题17 一个信道的位速率为4kbps，传输延时为20ms。请问帧的大小在什么范围内，停-等协议才可以获得至少50％的效率？

答：针对两个通信端在单一传输介质上使用停-等协议通信的情况，应首先计算出发送端的发送时间（用比特长度除以位速率），然后，经过一个信号传播时间（即传输

延时）到达接收端，接收端回发的确认帧的发送时间通常被忽略，只计算确认帧的信号传播时间。从发送端发送第1比特开始，到其收到确认，算作一个传输周期，这其中，发送端发送占用的时间越多，则称协议效率越高。

P206试题26 答：根据题意，应为协议5，接收窗口只能为1。 P206试题27 通过此题，应记住协议6中NAK的作用。 P206试题29，30，31，32，36，37

（四）介质访问子层

13、广播式信道的特点？多方争用信道，因此，也称多路访问信道，或随机访问信道。需要有一个属于数据链路层的子层来决定什么时刻由谁来使用信道发送信息，这个子层称为介质访问控制（MAC）子层。

试题3.20 下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）很多LAN使用多路访问信道； （2）WAN通常使用点对点式链路；

（3）卫星网络属于WAN，但它采用多路访问信道；

（4）MAC子层是数据链路层的底下部分，是一个涉及多方的协议，而上面部分是LLC子层，是一个只涉及两方的协议。

14、单个信道分配问题？静态分配和动态分配

静态分配：将单一信道依据多路复用原则固定分配给每个争用信道的用户，常用的分配方案有：频分多址或频分多路接入（FDMA）、时分多址或时分多路接入（TDMA）等。

FDMA：N个争用信道的用户各分得单一信道整个频谱的1/N，每个用户可以在任意时刻使用。

TDMA：在一个时间周期T中，N个争用信道的用户各使用T/N，但在自己使用的时

间段内可以占用单一信道整个频谱。

动态分配：信道不是固定分配给用户，而是按需争用，一旦不用，可随时被其它用户争用。

15、静态分配信道的优缺点？

没有争用信道的时间开销，但在无通信量时分配给用户的频段被浪费了，而不能被其它用户所用。比较适合用户较少且数目固定，每个用户通信量都较大的场合；不适合用户较多且数目经常变化，通信量具有突发性特点的场合。

16、动态分配信道的优缺点？其特点与静态分配相反；计算机系统的数据流具有突发性，因此，比较适合采用动态分配信道的方案。

17、讨论动态信道分配方案涉及的五个关键假设：站模型、单信道假设、冲突假设、连续时间和分槽时间、载波检测和无载波检测。其中，单信道假设是核心。多路访问协议讨论建立在单信道竞争和冲突模型之上。

18、典型多路访问协议——ALOHA

适用于任何具有多个无协调关系的用户竞争单个共享信道使用权的系统。有两个版本：纯ALOHA、分槽ALOHA。两者的区别在于：是否将时间分成离散的时槽以便所有的帧都必须同步到时槽中。纯ALOHA不要求全局的时间同步，而分槽ALOHA则需要。

纯ALOHA：基本思想是：当用户有数据要发送时就让其发送。若帧冲突，发送方随机等待一段时间后再发。

“帧时”的概念：表示传输一个标准的、固定长度的帧所需要的时间（即，帧的长度除以位速率）。若平均每个“帧时”产生N帧，且N>1时，则几乎每一帧都要经受冲突（说明生成帧的速度大于信道的处理速度）。当0在纯ALOHA中，吞吐量S与帧流量G的关系为：S=Ge-2G；当G=0.5时，取得最大吞吐量S=1/2e，即约等于0.184

分槽ALOHA：将时间分成离散的间隔，每个间隔对应于一帧。发送节点只能在时间间隔的起始处发送，一旦错过，则要等待至少一个时间间隔才能发送。

在分槽ALOHA中，吞吐量S与帧流量G的关系为：S=Ge-G；当G=1时，取得最大吞吐量S=1/e，即约等于0.368

从生成新帧的概率服从泊松分布可得出生成零帧的概率为e-G，这时不可能产生冲突，因此，e也是避免冲突的概率。

尝试k次才能成功的概率（即k-1次冲突后才有一次成功的概率）为：Pk=e-G(1-e-G)k-1

-G

于是，每帧传输次数期望为：kPkk1kek1G(1eG)k1eG

试题3.21 下列说法正确的有（ 全部 ）。

（1）在LAN中使用纯ALOHA，发送方可以立刻得到帧冲突的反馈； （2）在卫星信道上使用纯ALOHA，发送方可能不能立刻得到帧冲突的反馈； （3）若在传输时无法监听帧是否传输成功，可采用确认的方法；

（4）等待重发的时间段长度必须是随机的，这是为了避免重发节奏完全一致； （5）在纯ALOHA系统中，采用统一长度的帧比允许可变长度的帧更能达到最大的吞吐量。

19、典型多路访问协议——CSMA

每个站都先监听是否存在载波（即是否有传输），然后采取相应的动作。分为持续CSMA和非持续CSMA。持续CSMA又分为1-持续CSMA和p-持续CSMA。

1-持续CSMA的工作方式：当一个站要发送数据时，它首先监听信道，若信道忙，则等待直达信道空闲时将数据发送出去。若发送的数据发生冲突，则等待一段随机的时间，然后再次检测和发送。因为站一旦发现信道空闲，以概率1发出数据，所以称其为1-持续的。

非持续CSMA的工作方式：当一个站要发送数据时，它首先监听信道，若信道空闲，则发送数据；若信道忙，则并不持续监听信道，以便一旦信道空闲好立即发送。相反，它会等待一段随机的时间，然后再重复上述过程。

p-持续CSMA的工作方式：应用于分槽的信道。当一个站要发送数据时，它首先监听信道，若信道空闲，则按概率p（0上述三者的比较：1-持续CSMA节省时间，但可能使本不同步的站同步，增加了冲突的概率；非持续CSMA可能会浪费一些等待时间，但较难使本不同步的站同步，几乎不会增加冲突概率；p-持续CSMA被在时槽开始处发送，且在发现信道空闲时只以一定发送，因此，使本不同步的站同步的可能性小，但会增加帧真正发送出去的时间。

试题3.22 关于CSMA，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）传播延时越长，协议性能越差；

（2）传播延时越长，一个想发送数据的站侦听不到在它之前刚发送的站的概率越大； （3）即使传输延时为0，也可能发生冲突，如两站同时检测信道，发现无载波而同时发送；

（4）即使在传输延时非常短的情况下，1-持续CSMA、非持续CSMA、p-持续CSMA都存在冲突的可能，但p-持续CSMA发生冲突的可能性更小。

20、典型多路访问协议——CSMA/CD

IEEE 802.3是局域网的主导标准，采用带冲突检测的CSMA，即CSMA/CD。CSMA/CD的基本工作原理和前面提到的CSMA差不多，CSMA/CD的定义特征为一旦冲突发生它就可以检测到，涉及到的每一个发送器一旦检测到冲突就立即停止发送。通过这种方式，分组冲突可以立即停止，这样那些必定会失败的发送就不会进行，使得信道占有时间的浪费被减到最小。CSMA需要一个应答或者无应答来了解分组冲突的状态，与CSMA不同，CSMA/CD不需要这样的反馈信息，因为冲突检测机制已经内置在发送器里了。一旦检测有冲突发生，发送器立即终止发送，发送出一个同步干扰的信号，同时重发后退程序开始运行，这与CSMA

类似。

CSMA/CD可能处于三种状态之一：竞争、传输、空闲。

竞争周期长度的确定：对网络中相距最远的两个站，从其中一个站发送数据开始计时，到另一个站能够侦听到其传输的信号为止，这段时间使得此网络中所有其它站都能侦听到传输信号，但需要2，发送站才能确认已发数据是否冲突。因此，2可以作为竞争周期长度，也称冲突时间片。在实际的协议中，往往加了较大的余量，比如，在以太网中。若将竞争周期建模为一个分槽ALOHA系统，则时槽宽度为2。

21、二进制指数后退算法。

在任何随机接入方案里，适当的回退算法设计在确保网络稳定工作中非常重要。IEEE 802.3以太网标准推荐的后退算法被称为二进制指数后退算法，它结合了1-持续CSMA协议和冲突检测。当某一终端侦听到有发送，它继续侦听直到该发送终止。当此信道被释放之后，终端发送自己的分组。若另一个终端也在等待，则由于采用1-持续两个终端会发生冲突，于是它们经过一个时隙后以1/2的概率试着重发，该时隙持续两个终端之间最大传播延迟的两倍。之所以选择最大传播延迟的两倍是为了确保在最坏情况下一个终端也能够检测到另一个终端的冲突。若再次发生冲突，则各终端以1/4的概率再重发，这是上一次概率的一半。若仍有冲突，终端再次减少自己发送概率一半，最多减少10次，之后不再减少概率再最多尝试6次。若经过16次尝试仍然无法发送，MAC层会向高一层报告网络受到阻塞，传输将终止。这种方案指数地增加后退时间，因此算法叫做二进制指数后退算法。这种算法的缺点在于后来到达的分组有更高的可能性竞争到信道，因此导致一个不公平的先来后服务环境。可以证明指数后退算法的平均的等待时间为5.4T，其中T是等待的时隙。

试题3.22 关于MAC子层协议，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）MAC子层协议不保证可靠递交；

（2）除了冲突，还有其它原因导致不能正确复制到数据帧，如缓冲区不够、中断被遗漏掉。

（3）正在发送的站只有不停地监听，才能监听到可能的噪声尖峰；

（4）单信道的CSMA/CD本质上是一个半双工系统，不可能同时发送和接收。

22、典型多路访问协议——波分多路访问协议

利用FDM、TDM或者两者结合起来，将信道分成多个子信道，然后动态地根据需要分配这些子信道。通常用于光纤LAN中。每个站被分配两个信道。窄的信道用于控制信息传输，宽的信道用作数据通信。每个信道又被分成时槽组，其中，控制信道被分成m个时槽，数据信道被分成n+1时槽（n个用于数据，最后一个被站用于报告自身状态，如两个信道中，哪些时槽是空的）。支持三种类型通信量：（a）恒定速率的、面向连接的通信流量，如视频流；（b）可变速率的、面向连接的通信流量，如文件传输；（c）数据报流量，如UDP分组。每个站都有两个发送器和两个接收器：（a）固定波长的接收器，用于监听自身的控制信道；（b）可调波长的发送器，用于在其它站的控制信道上发送信息；（c）固定波长的发送器，用于发送数据帧；（d）可调波长的接收器，用于选择监听一个数据发送器。

23、无线LAN使用CSMA遇到的问题：隐藏站问题、暴露站问题

ABCD

隐藏站问题：针对上图，站A刚发送，目的地为站B，接着站C准备发送数据给站B，站C首先侦听信道，将听不到站A正在发送，因为站C在站A的发射范围之外。于是，根据CSMA，站B可以发送，一旦发送后，数据在站B处就会冲突。

暴露站问题：针对上图，站B正在向站A发送数据，这是站C有数据要发送给站D，站C首先侦听信道，发现B正在发送，于是放弃发送。其实两个接收站A和D分别在其不相关的发送站C和B的通信范围之外，因此，并不影响其接收。

24、以太网（IEEE 802.3）与无线局域网（IEEE 802.11）的载波侦听的特点比较？

IEEE 802.3的信道侦听机制非常简单，接收器读取线路上的峰值电压并同阈值电压相比较来进行识别。但IEEE 802.11的侦听机制就比较复杂，它既有实际的物理操作也有虚拟的操作。物理层的侦听是通过CCA(信道评价)信号来实现的，CCA信号是由IEEE 802.11的物理层的PLCP 发出的。CCA信号是基于空中接口的实际侦听来产生的，为此，或者通过在空中接口侦听检测的比特，或者载波的接收信号的强度(RSS)超过阈值也会发出CCA信号。除此之外IEEE 802.11还提供了虚拟的物理层载波侦听机制。虚拟载波侦听是基于网络配置矢量(NAV)信号工作的，NAV信号是由MAC层的RTS/CTS(发送请求/清除发送)和PCF(集中控制方式)机制支持的。在这些MAC操作中，系统都会产生一种与一个被侦听到的信道具有相类似作用的NAC信号，这种NAC信号可以防止在预设的时间内数据传输的竞争。

MAC层的length字段被用来确定在传输介质释放之前可以占用的时间长度。

25、常用的无线局域网的多路访问机制？

CSMA/CA协议支持竞争访问机制。无竞争的传输方式有两种，一种是RTS/CTS机制，这种机制可以解决隐藏终端问题；另一种是点协调功能(PCF)的实现机制。

26、无线局域网标准IEEE 802.11推荐了哪三种分组传输的帧内间隔(IFS)？

这三种IFS分别是DCF-IFS(DIFS)、短IFS(SIFS)和PCFIFS(PIFS)。其中DIFS是在基于竞争的数据传输中使用，它的优先级是最低的，周期最长。SIFS具有最高的帧发送优先级如ACK和CTS等，它的间隔时间最短。PIFS主要是为PCF操作设计的，它的帧发送优先级仅次于SIFS而位于第二，帧内间隔周期介于DIFS和SIFS之间。

27、为什么要设置三种分组传输的帧内间隔(IFS)？

为了使不同的MAC层的操作能够相互配合。设置的三种IFS周期为优先级的设置为需要QoS的一些服务，如时间等应用提供了实现的途径。每次传输完成之后，所有需要发送数据的终端都必须根据它们的信息帧的优先级等待三种IFS周期的一种。

28、IEEE 802.11 中采用的CSMA/CA协议的基本工作原理。

当采用CSMA/CA协议进行访问时，只要MAC层有分组需要发送时，就会利用物理和虚拟载波侦听机制监听信道是否空闲。若虚拟载波监听发现NAV信号存在，则表示信道繁忙，就会将操作延时，继续保持侦听直到NAV信号消失。当虚拟载波侦听发现信道空闲(即NAV为0)时，MAC层就侦听信道的物理条件。这时若认为信道是处于空闲状态（见图1），终端等待DIFS后就开始发送数据。

图1

如果信道忙，MAC层将利用随机退让时间控制机制，即产生一个随机数作为退让时间进行等待。在分组发送和相关的DIFS期间，信道的争用停止，但对信道的侦听仍在继续着。

如图1所示，一旦信道可以使用，所有需要发送数据的终端在消耗完它们的退让时间后都试图进行数据发送，这就开始了一个竞争窗口。竞争的结果是第一个用完退让等待时间的端口先开始发送。其他的终端侦听到新的传输后，让它们的时钟都停止运行，等到本次的传输完成后在新的竞争周期里再重新启动。这种机制减小了冲突发生的可能性，但不能从根本上消除冲突。为了减小冲突重复发生的概率，采用了与IEEE 802.3相类似的一种方式（即二进制指数后退算法），退让等待的时间随终端进行的连续发送的次数增加而呈指数增长。IEEE 802.11同时推荐了两种CSMA/CA方式，一种是基于来自物理层的CCA信号所采用的CSMA/CA，另一种是带有ACK(应答)帧和差错恢复的CSMS/CA。值得提出的是以太网在MAC层不具备差错恢复机制，这个功能是IEEE 802.11所独有的。图2表示的就是在一个终端和AP之间进行通信时使用的带有ACK的CSMA/CA的工作过程。

图2

AP端接收到一个分组后等待一个SIFS，再发一个ACK帧，因为SIFS帧要比DIFS帧小得多，所以其他的终端必须要等到从MS到ACK传输完成才能开始一个竞争过程。不过事实上大多数的IEEE 802.11的产品都不进行带有ACK的CSMA，ACK是由协议的其他层来完成的，这些协议主要是由软件来实现。图3是CSMA/CA的演示。

帧内间隔 竞争窗 延迟(分组准备好以后) 后退 保留后退 站 站 站 站 站 帧 帧 帧 帧 帧 时间

图3

29、IEEE 802.11 中采用的RTS/CTS机制的基本工作原理。

准备发送的终端先发送一个20个字节长度的RTS(发送请求)帧，RTS帧的内容包括源地址、目的地址和要发送的数据段的长度。目的终端在收到RTS帧后经过一个SIFS周期后发送一个CTS(清除发送)帧作为响应。源终端收到目的终端的响应帧后再等待一个SIFS周期就开始发送数据。目的终端收到数据后经过一个SIFS周期后再发送一个ACK帧进行确认。网络中其他的终端发现RTS/CTS的地址与它们无关时，就会在它们RTS/CTS识别的通信周期内通过设定NAV值继续保持虚拟载波侦听模式，所以源终端的分组的发送过程是没有竞争的。分组发送结束后，目的终端发送一个确认帧，中止NAV信号，这时其他的用户就可以进行信道竞争。这种方式每次只给一个终端提供访问的权力，因此是没有任何竞争的。图4是RTS/CTS工作机制的演示。

图4

试题3.22 关于无线LAN使用CSMA遇到的问题，下列说法正确的有（全部）。 （1）无线信号传播局限在一个局部范围，不有线网，可以传播到所有站； （2）在无线网中，使用CSMA只能获知检测站周围是否有发射活动；

（3）在开始传输前，一个站需要知道接收方的周围是否有活动，而监听信道时没有发现载波也不能确定上述情况；

（4）检测节点发现存在载波与接收方附近存在活动不一定有关系。

30、IEEE 802.3和IEEE 802.11的比较。

IEEE 802.3是有线局域网——以太网的标准，IEEE 802.11是无线局域网标准。两者有不同的物理层、不同MAC子层，但具有共同的逻辑链路控制子层（定义在IEEE 802.2中）。

10M以太网介质：10Base5（粗同轴电缆）、10Base2（细同轴电缆）、10Base-T（双绞线）、10Base-F（光纤）

100M以太网（IEEE 802.3u）介质：100 Base-T4（双绞线，8B/6T）、100Base-TX（双绞线，4B/5B）、100Base-FX（光纤）

1000M以太网（IEEE 802.3z）介质：1000 Base-T（双绞线）、1000 Base-CX（双绞线）、1000 Base-SX（光纤，8B/10B）、1000 Base-LX（光纤，8B/10B）

尽管速度提高，但以太网MAC帧格式未变，仍采用CSMA/CD。但是在物理层要采用一些措施，如载荷扩充（由硬件填充一些数据）、帧串（由发送方将多个帧连接在一起发送）。

采用双绞线的以太网组网拓扑——星形拓扑，用作星形节点的设备——集线器或交换机（通常为交换机）。

以太网的物理层编码——曼彻斯特编码：每个比特位的周期分成相等的间隔，比特1发送时，前面间隔为高电平，后面间隔为低电平，比特0则相反。优点是便于接收方与发送方同步位边界，缺点是需要直接二进制编码2倍的带宽。

以太网MAC子层协议：帧头三个域（目的地址（6字节）、源地址（6字节）、类型（2字节，DIX以太网）或长度（2字节，IEEE802.3），当为类型域时，其值一定大于0X0600），帧尾为4个字节的校验和。数据域可为0。但要填充46字节以确保帧长不小于字节。数

据域最长不超过1500个字节。

关于以太网地址：48比特长，若最高比特位为0，则为普通地址；若是1，则为组地址；若全部比特为1，则为广播地址；由次最高位来区分局部地址（由每个网络管理员分配）和全局地址（由IEEE统一分配）。

关于以太网帧的最大长度：当时制定DIX标准时，考虑应有足够的内存来存放一个完整的帧，选定1500个字节长度有一定的随意性。当时内存RAM很昂贵，若这个上界值太大，则收发器的造价太高。

关于以太网帧的最小长度：为了确保CSMA/CD能够正常工作，即每个站必须在其发送完数据之前知道其发送的数据是否因冲突而损坏。这里涉及以太网中2是如何确定的问题：它包括发送端的发送时间（帧长除以数据传输率）和确认的回发时间、传播时间（介质长度除以信号传播速度）的2倍、至多4个中继器的延时等。通常以传输一个非常短的帧进行估算，故忽略帧发送时间。对2500m，具有4个中继器的10Mbps的以太网，计算往返传播时间加中继器延时，再加上一些安全余量，所得2的值为51.2s，相应的帧长为512比特，即个字节。

IEEE 802.11物理层常用的技术：802.11 红外线、802.11 FHSS、802.11 DSSS、802.11a OFDM、802.11b HR-DSSS、802.11g OFDM

802.11 红外线1Mbps上使用了一种灰色编码：信息比特流按4位分组，每一组被编码成一个16位的码字，其中包括15个0和一个1。具有的特性：在时间同步中，一个小错误只会导致输出中的一位错误。对2Mbps的编码方案：按2位分组，每一组被编码成一个4位的码字，其中包括3个0和一个1。

IEEE 802.11的MAC子层协议格式：IEEE802.11定义了三种类型的帧：数据帧、控制帧、管理帧。每一种帧的头部既包含用于MAC子层的域，也有一些物理层使用的域。 数据帧的头部包含：帧控制（frame control）、持续时间（duration）、四个地址、一个序列号等域，其中帧控制包括11个子域：版本域、类型域（区分数据帧、控制帧、管理帧）、子类型域（区分RTS, CTS等）、TO DS, FROM DS, MF, RETRY, PWR, MORE, W, O。

与数据帧相比，管理帧少一个基站地址，控制帧要更短一些，只有一个或两个地址，没有数据域和序列号域。对于控制帧，关键的信息在于子类型域，通常为RTS, CTS, ACK等。

31、逻辑链路控制子层（LLC）：位于介质访问控制子层（MAC）之上，提供错误控制（使用确认）和流控制（使用滑动窗口），向网络层提供同一接口。LLC 构成了数据链路层的上半层，下半层是MAC子层。LLC子层只有一个头部，无尾部校验和。LLC头包括三个域：目标访问点、源访问点、控制域。两个访问点指明帧从哪个进程来，到哪个进程去。控制域包含了序列号和确认号。

32、以太网的MAC子层协议和点对点式协议PPP为什么不使用序号和确认机制？ （a）若使用可靠的数据链路层协议（如HDLC），开销就要增大。在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的以太网的MAC子层协议和PPP协议是比较合理的；（b）在因特网环境下，以太网的MAC子层协议和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，然而当数据帧在路由器中从数据链路层上升到网络层后，仍有可能因网络拥塞而被丢弃（IP层提供的是“尽最大努力”的交付）。因此，数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的；（c）以太网的MAC子层协议和PPP协议在帧格式中有帧检验序列FCS字段。对每一个收到的帧，以太网的MAC子层协议和PPP都要使用硬件进行CRC检验。若出现有差错，则丢弃该帧（一定不能把有差错的帧交付给上一层）。端到端的差错检测最后由高层协议负责。因此，以太网的MAC子层协议和PPP协议可保证无差错接受。

33、网桥的概念、透明网桥

运行在数据链路层上，将多个LAN连接起来的设备称为网桥。在网络互联中它起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用，用来实现多个网络系统之间的数据交换。

透明网桥由各个网桥自己来决定路由选择，局域网上的各结点不负责路由选择，网桥对于互连局域网的各结点来说是“透明”的。理想情况下，网桥应该是完全透明的，这意

味着可以将一台机器从网桥的一侧移动到另一侧，而无需改变任何硬件、软件、配置表等，也无需关心网桥连接的LAN类型而可以相互通信。

34、网桥的工作原理

依据MAC子层的地址对收到的帧进行相应处理，遵循如下规则：（a）若收到帧的目的地址与源地址在同一LAN中，则丢弃该帧；（b）若收到帧的目的地址与源地址不在同一LAN中，则转发该帧；（c）若目的地址所在LAN未知（如，无转发表可查，或查转发表时无匹配项），则使用扩散法。此外，若所连接的LAN的MAC子层格式不同，则要进行帧头的更换。

35、网桥转发遇到的困难：（a）不同MAC子层格式间转换可能造成信息丢失和信息比特出错；（b）不同LAN间速率不匹配；（c）不同LAN的帧的最大长度不一致；（d）对安全问题的考虑不一致；（e）对服务质量支持不一致。

36、网桥使用的扩散算法：对于每一个发向未知目的地址的进入帧，网桥将其转发到所有连接的LAN中，除了帧到来的那个LAN外。

37、网桥自学习构造转发表的算法——逆向学习法

要求网桥工作在混杂模式下，可以收到任何到达其接口的帧，从收到的每一帧的头部，可以提出源地址，与此帧来自的LAN信息，一起记入转发表（若原来有此项，则更新时间）。若转发表中表项超过预设时间段而未更新，则删除该表项。

试题3.23 关于网桥，下列说法正确的有（ 全部 ）。 （1）根据网桥的工作原理，可以做到对用户透明；

（2）初始化后，网桥的转发表时空的，只能采用发散法处理收到的数据帧； （3）随着网桥处理帧数目的增加，转发表项数量可能越来越多；

（4）一台机器从网桥一侧移到另一侧，不影响此网桥的正常工作，原因是与此机器相关的表项，在其移动后重新工作前，会因超时而被网桥删除。

38、生成树网桥与生成树算法

LAN之间可以通过多个网桥连通，增加了连通的可靠性，但也引入了一些新问题，比如，它导致拓扑中产生回路，使得网桥的扩散转发动作无限进行下去。将拓扑中网桥看作链路，将所有LAN看作节点，构造覆盖所有节点的最小生成树，让通信沿生成树的边进行，可以从逻辑上消除环路。需要所有网桥都使用同一棵生成树。为了建立这棵生成树，需要选择一个网桥做根，每个网桥广播自己的序列号，最低序列号的网桥成为生成树的根，然后，建立起一棵从根到每个网桥和LAN的最短路径树。构建生成树的分布式算法（Perlman算法）在IEEE802.1D被标准化了。

40、源选径网桥与源选径算法

源选径网桥由发送帧的源结点负责路由选择，并且源路由网桥假定每个结点在发送帧时，都已经清楚地知道发往各个目的结点的路由，因而在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。

源选径算法的基本过程如下：（a）为了发现适合的路由，源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧；（b）发现帧将在整个通过网桥互连的局域网中沿着所有可能的路由传送；（c）当这些发现帧到达目的结点时，就沿着各自的路由返回源结点；（d）源结点在得到这些路由信息之后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。

40、令牌传递协议以及令牌环网的基本原理

令牌传递协议包括令牌总线协议（IEEE 802.4）和令牌环协议（IEEE 802.5）。

令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复和优先级服务。

令牌环网由结点通过环接口连接成物理环形。令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙/闲。令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列顺序相同。如果某结点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据。IEEE802.5标准对以上技术进行了一些改进如下：（a）单令牌协议，即环中只能存在一个有效令牌；（b）支持多优先级方案；（c）设置一个监控站，执行环维护功能；（d）通过预约指示器进行令牌预约。

41、主要网络设备

物理层设备：中继器、集线器

中继器是模拟设备，用于连接两根电缆段，将从一段电缆上接收的信号放大之后放到另一段上，只理解电压等物理量。

集线器是连接多条电缆的星形节点，它将一条输入电缆的信号发送到所有连接的其它线路上。

数据链路层设备：网桥、交换机（二层）

交换机与网桥类似，都是基于帧地址进行路由，但区别是交换机常常被用来连接的计算机。

交换机有“存储-转发”和“直通转发”等交换方式。直通转化通常由硬件实现，接收到帧头获知目的地址即可转发，但存在转发完后发现校验和错的情况，若出现这种情况，则反而浪费带宽和处理时间。

网络层设备：路由器——运行路由软件更新路由表，依据分组头信息寻路、转发分组。

试题3.24 关于无线LAN协议，下列说法正确的有（ 全部 ）。

（1）MACA能确保真正传输数据时不会有冲突，但发送RTS帧时仍可能发生冲突； （2）MACAW是对MACA的改进，它引入了ACK帧以便对成功的数据帧进行确认； （3）MACAW是对MACA的改进，它使用CSMA来避免影响正在发送RTS帧的站； （4）MACAW为每一个单独的数据流（即源-目标对）运行后退算法，而MACA是为每个站运行后退算法；

计算机网络（Andrew编，第四版）教材第四章的典型习题 P286试题2至7 有关ALOHA的习题 P286试题12，14 有关无线LAN的习题 P287试题16至24 有关以太网的习题 P287试题28至29 有关无线LAN的习题 P288试题37至38 有关网桥的习题