ME2012第3章习题答案

ME2012 高级计算机网络 第3章部分习题参考解答 2012-05起蓝色的题目是布置过的习题要求掌握UDP3.1，请说明UDP用户数据报报文段的基本格式。并指出用户数据报是如何实现传输层协议的基本功能的？解答 32位 UDP从发送主机的应用进程得到报文，附加上为复用/分解 源端口号 目的地端口号 服务所需要的源和目的地端口号字段，以及另外两个字段 长度 检验和 （长度和校验和）； 然后把形成的报文段交给网络层。 网络层把该报文段封装到一个IP数据报中（即把该报文应用程序数据 段作为负荷数据），再以尽力而为的方式把IP数据报送交（报文） 到接收主机（依IP地址）。该报文段到达接收主机后， UDP使用”目的端口号”把数据递交到相应的应用进程。3.2，为什么需要UDP？为什么用户不能直接访问IP？UDP协议主要用在哪些场合？解答1与TCP相比，需要使用UDP的原因是：UDP简单（小的段首部，在发送方和接收方无状态变量等）；快捷（无需连接建立的延迟时间，不考虑拥塞控制和发送速率管理等）。应用层还能更好地控制要发送的数据和发送的时间。2仅仅使用IP分组对于应用进程来说是不够的。一个数据段要从源应用进程传送到目的地进程，必须规定目的地地址和应用进程的相应端口PORT（见“套接字”Socket）。IP分组仅包括目的地的地址，分组送到目的地机器后，网络控制程序不能确定把分组递交给哪一个进程。在UDP用户数据报中包含了一个目的地的端口，此信息是必须的，有了它，才能在目的地机器中把数据段递交到正确的应用进程。3目前UDP在因特网中的主要应用有：远程文件服务（NFS）；流式多媒体（专用协议）；IP电话（专用协议）；网络管理（SNMP）；路由选择协议（RIP）；和名址转换（DNS）等。其特征是要求快捷、可以不必考虑在传输中的可靠服务等场合。3.3， UDP和TCP的校验和问题 UDP和TCP采用和的反码来计算16位字的校验和。（1） 本题为了计算简单起见，只采用8位来计算。假定有以下的三个8位字节：01010101，01110000，01001100，请你写出计算其校验和的全过程。（2）UDP为什么要采用和的反码，而不直接采用和本身？（3）采用这类反码方案，接收方如何检测出差错？能够查出1位错？能否查出2位错？ 解答 01010101 1 左算式表明校验和为 11101101；01110000 + (2) 采用反码的主要原因是：在数据即使是全零的情况下，11000101 校验和不再是全零，容易检测差错的发生。11000101 (3)接收方可以把收到的数据再次作检验和，与送来的校验和比较判01001100 + 别差错。00010010加进位1回绕后 ，总能查出1位错； 11101101 反码 还能查出大部分的2位错（存在不能查出的一些场合）。RDT可靠数据传输协议3.4，请简要小结：在可靠数据传输协议rdt2.0、 rdt2.1、rdt2.2和rdt3.0中，分别采用了什么措施来解决相应的传输差错的。解答 这几个版本都在停止等待前提下工作: rdt2.0对付位差错-采用检查和, 使用反馈ACK/NAK，出错时发送方重传分组。rdt2.1和2.2对付ACK/NAK的位差错 - 采用序号(0/1号)机制。rdt3.0对付分组丢失 - 采用超时重传机制。3.5 画出并简要说明rdt3.0接收方的FSM有限状态机。解答不妨认为有两个状态：状态0和状态1。用动作01表示从状态0转向状态1；用动作00表示从状态0仍回到状态0；类似地可有动作10和动作11。状态0：等待来自下层的0号分组事件01：调用rdt3.0接收分组,且收到的数据分组正确未受损并且是SEQ#0分组 rdt_rcv(rcvpkt) & notcorrupt(rcvpkt) & has_seg0(rcvpkt)动作01：从分组中提取出数据 extract(rcvpkt, data) 把数据递交到上层 deliver_data (data) 组成ACK0分组 sndpkt= make_pkt(ACK,0,checksum) 调用下层发送ACK反馈 udt_sent( sndpkt); 转向状态1 等待1号分组事件00：调用rdt3.0接收分组,且收到的数据分组受损或者是SEQ#1分组 rdt_rcv(rcvpkt) & (corrupt(rcvpkt)|has_seq1(rcvpkt)动作00：重复地发送已发送过的ACK0： udt_sent( sndpkt);序号不对, 仍发ACK 发送方不处理ACK； 仍处在状态0不变。状态1：等待来自下层的1号分组；完全类似地有：事件10，动作10；和事件11，动作11。3.6， 请参照rdt2.0rdt3.0指出引起下列差错的可能原因：（1）传输中受损的报文段，（2）丢失的报文段，（3）重复的报文段，（4）乱序的报文段，（5）受损的确认，（6）丢失的确认，（7）重复的确认。解答为了加深理解起见，不妨参照rdt2.0rdt3.0或TCP中的处理方案来回答。1传输中受损的报文段：受损Corrupt指报文中的二进位发生差错（01或者10；个别位或者许多位）；原因是：通信信道上“噪声”（热噪声或冲击噪声）、干扰等导致物理信号的破坏或信号畸变等，从而引起的一类传输差错。2丢失的报文段：丢失Lost的主要可能原因包括传输有关的软硬件故障，或者是在传输途中任何一站（如路由器、主机等）或接收方来不及处理所造成的缓冲站队列溢出等。3重复的报文段：原因之一是：如果某个报文段的发送过程被延迟较长时间但并未丢失，会引起“过早超时”现象，超时重传就会引起接收方收到重复的冗余报文段（多余的副本）；原因之二是：某一个分组已被接收方正确收到但是接收方发向发送方的确认ACK丢失（或者延迟了较长时间），发送方还是认为接收方尚未能收到，于是发送方启动超时重传，引起接收方收到了重复的报文段。4乱序的报文段：在非停等待的流水化连续传送报文的情况下（不论是GBN还是SR），某个报文段的丢失或者较长延迟，都会引起下一报文段被接收方先收到的现象，引起接收方收到乱序的报文段。5丢失的确认：丢失原因相同于丢失的报文段。6受损的确认：受损原因相同于受损的报文段。7重复的确认报文段：分两种情况，一是“过早超时”的重传引起的重复确认（第一次确认来得迟了）；二是对于乱序的报文段，接收方采用最后一次正确确认来回答（通常会丢弃乱序报文）。3.7，请简要说明对于在3.6题中所列出的各类差错，在TCP类的协议中分别采用的相应差错控制方法。（提示：建议用rdt2.0 到rdt3.0中所用的对策简要说明即可）。解答为了加深理解起见，不妨参照rdt2.0rdt3.0或TCP的处理方案来回答。1传输中受损的报文段相对应的差错控制方法：接收方采用“检验和”来发现此类差错，与发送方配合用ARQ自动重传请求来试图纠正该类差错。在rdt3.0中接收方校验后不发确认,由发送方超时重传。2丢失的报文段相对应的差错控制方法：采用确认机制，由发送方发现丢失并重传，发送方采用定时器机制，在超时还未能收到ACK确认时，发送方重传该丢失的报文段。（为了避免过早超时而引起多发重复的报文段，一般应采用序号机制加以辅助，用序号来判别报文段是否重复。）3重复的报文段相对应的差错控制方法：采用序号机制，接收方检查报文段的序号，可发现是否收到了重复的报文段。一旦收到重复报文段，接收方可重发已确认过的ACK，使发送方不产生误解。4乱序的报文段相对应的差错控制方法：用序号和窗口机制来发现和控制。比如GBN场合接收方一般会忽略乱序的报文段；SR场合则会确认接收正确的乱序报文段，在由接收进程真正接收之前交由缓冲区暂时存放，需加上收发窗口的辅助控制。5丢失的确认相对应的差错控制方法：在rdt3.0中由发送方发现与处理。作为丢失报文一样地超时重传。6受损的确认相对应的差错控制方法：在rdt3.0中由发送方发现与处理。作为丢失确认一样地超时重传。7重复的确认报文段：作为重传的策略来实施。比如第一种场合下，发送方可不处理。第二种场合，发送方应按序重发。3.8请简要说明当发送方窗口与接收方窗口的长度都是1时，比特交替协议与GBN协议相同，同样也与SR协议相同。解答注意到在窗口大小是1的场合，GBN、SR与比特交替协议在功能上是等价的。在窗口大小为1时，排除了在窗口内有乱序分组的可能性；一个累积ACK在这个场合下也等同于一个常规的ACK，因为它只可能指向在窗口内的单个分组。3.9 举例说明在SR协议（与GBR协议）中，发送方有可能会收到落在其当前窗口之外的分组的ACK。（为简单起见，不妨可令发送窗口大小为3）解答比如，假定发送方有窗口大小为3，并在t0时刻发送了分组1、2和3； 在t1（t1t0），接收方发ACK1、2、3； 在t2(t2t1) 发送方超时并重新发送分组1、2、3； 在t3，接收方收到了重复的分组1、2和3； 在t4，发送方收到了接收方在t1发送的ACK，并推进其窗口到4、5、6； 在t5，发送方收到了接收方在t2后发送的ACK1、2、3，这些ACK处于其窗口之外了。TCP3.10，为什么一个TCP报文段所携带的用户数据最多为65515B？为什么TCP头部中最多只能有44B的TCP选项？解答 216=65536B, 65535B20B（最小首部）= 65515B。TCP报文段中的“首部长度位”4bits，32位=4B； 244B= 64B。 64B 最小必要首部20B = 44B。3.11考虑从主机A向主机B传输L字节的大文件,假定MSS等于1460字节.1在TCP序号允许的范围内,文件长度L的最大允许值是多少?TCP的序号字段是4个字节.2请估算出该最大文件需要化多长的时间?假定传输层、网络层和数据链路层总共加在没个报文段首部上的长度是66个字节；传输分组的链路速率是10Mbps；不采用流量控制和拥塞控制，因此主机A能够一个接一个地连续不断发送报文段。注: 232= 4,294,967,296解答 232= 4,294,967,296个可能的序号.1在TCP中,序号不是随着每一段增加1,而是需增加该段所发送的数据的字节数;因此序号与MSS无关. 从A到B可发送的最大的文件的大小简单地就是由232= 4,294,967,2964.19G字节可表示出的字节数.2MSS=1460,报文段的个数是232/1460=2,941,758个,首部的66个字节要加到每一报文段上去,即首部引起加上662,041,758= 194,156,028个字节.从而,总的传输字节数是: 232 +194,156,028字节 =3591107位.因此,采用10Mbps链路,要花 3591秒= 59分钟来传输该文件.3.12，如果在建立TCP连接过程中收发双方协商的初始窗口大小是400B，使用1到1000作为分析窗口的基本范围，请你画出发送窗口以下的3个演变场景：（1）在初始时，允许可发送400B；（2）已发送了400B，其中序号1到200的报文已收到了接收方的正确确认；（3）发送方已收到来自于接收方对序号为201到400的报文的确认，并且还收到接收方通知窗口扩大为500B。要求在这三种场景中都标出：1可发送的起始字节的指针箭头；2已发送并确认的范围；3已发送但未被确认的范围；4允许可继续发送的范围；5不可以发送的范围；6发送窗口范围；7收到确认后窗口将要前移的起点处的方向箭头。解答 1发送窗口大小是400B 在初始时，允许可发送400B发送窗口 收到确认后窗口前移1 100 101 200 201 300 301 400 401 500 501 600 601 700 701 800 801 900 901 1000 允许发送 不允许发送 指针 2 已发送了400B，其中序号1到200的报文已收到了接收方的正确确认 收到确认后窗口前移 1 100 101 200 201 300 301 400 401 500 501 600 601 700 701 800 801 900 901 1000 已发送 已发送 允许继续 不允许发送 并被确认 但未确认 指针 发送 3收到的确认序列号为401，窗口增大为500，还可以发送500B 1 100 101 200 201 300 301 400 401 500 501 600 601 700 701 800 801 900 901 1000 已发送并被确认 允许继续发送 不允许 指针 发送3.13，假定序号空间大小为2K，请举例说明GBN方案的滑动窗口的大小W应不大于2K 1；而SR方案的滑动窗口的大小W应不大于2 K 1。解答本题只要求了解一下结论，不作详细推导要求。理解此结论可参阅讲稿3.4小节的片子中“GBN中窗口大小”一页，和SR的最后一张片子（也可见有关的图3.27）。3.14，请说明为什么TCP协议要求对每一个TCP数据字节都要进行编号？顺序号与确认号各有什么用途？解答TCP的基本特征是采用可靠的按序发送的面向字节流的机制。由于报文段到达可能为乱序，因此需要按发送顺序编号各个报文段。TCP按顺序编号 每一个8位二进位组字节，把报文段中第一个字节的编号作为该报文段的编号。TCP把要传输的整个报文（可能包括几个报文段）当作是一个个字节组成的字节流。即TCP采用字节流，允许无“报文段规定长度的边界标记”，提供了组成报文段的长度的很大灵活性。由于可靠传输、流量控制、拥塞控制和连接管理等最好都用报文段序号机制辅助，因此，TCP协议要求对每一个TCP数据字节都要进行编号。在TCP报文段的头部，有发送序号字段：它占4字节，指出报文中数据在发送方的数据流中的位置。用字节编号 也有确认序号字段：它也占4字节，指出接收方希望下一次接收的字节序号。-期待接收的序号。可以非常方便地实现累积确认（TCP的确认是对接收到的数据的最高序号，即收到的数据流中的最后一个序号，表示确认）。 发送顺序号和确认序号 主要用于可靠的数据传输。3.15，请举例说明使用两次握手来建立TCP连接可能会出现的不正常情况。解答考虑主机R和S之间的连接通信的例。假定主机R向S发出一个请求连接的分组，主机S收到后允许连接，并且S发送确认ACK应答分组，如果是两次握手协议，S认为连接已成功，从而主机S也可以开始向R发送数据分组了。 但是，这时如果发生了S向R回应的确认ACK应答分组丢失的情况，主机R就不知道主机S是否已准备好接收或发送数据分组；也不知道S建议采用什么序列号用于S到R的数据通信，同样也不知道S是否同意（确认）由R所建议的R通信用初始序列号；R甚至于怀疑S是否已收到自己发给它的连接请求分组？- 在这种情况下： 主机R只能认为连接尚未建立成功，将会忽略S发来的任何数据分组；只是继续耐心等待接收S同意连接的那个被丢失了的确认ACK应答分组。 而主机S则认为连接已成功，并且S已发出数据分组，一旦发出的数据分组超时（因主机R认为连接未成功，从而忽略S发来的数据分组），S再不断重复地发送同样的数据分组，这时，将会形成了死锁的局面。3.16，考虑从美国西海岸到东海岸的端系统网络中发送数据分组，已知条件：带宽R=1Gbps的链路，15ms端到端的传播时间，1KB大小的分组（L）；如果要求信道利用率大于90%，请大致估算出需要使窗口达到多大？解答从已知条件： 15ms端到端传播时间，即RTT= 30ms；带宽R=1Gbps的链路，L=1KB分组大小； 这时，传输发送时间= L/R= 0.008ms ； 令W为窗口大小，粗糙地看, 信道利用率U = W*(L/R) / (RTT+L/R) 0.9 窗口大小W 0.9*30.008/(0.008)=3376。3.17考虑TCP估算RTT的过程。令X=a=0.1,假定SampleRTT1是最新采样的RTT, SampleRTT2是下一个最新采样的RTT,依此类推。1对于一个给定的TCP连接，假定有4个确认报文相继到达，带有4个对应的RTT值：SampleRTT4、SampleRTT3、SampleRTT2和SampleRTT1。请用这4个采样RTT来表示出EstimateRTT。2把1中的公式推广到n个RTT样本的场合。3在2得到的公式中，令n，说明这个过程可被称为指数移动平均。解答1令EstimateRTT（n）表示第n次采样后估算的RTT；EstimateRTT（1）=SampleRTT1；EstimateRTT（2）= X SampleRTT1+（1-X）SampleRTT2；EstimateRTT（3）=X SampleRTT1+（1-X）X SampleRTT2+（1-X）SampleRTT3；=X SampleRTT1+（1-X）X SampleRTT2+ （1-X）2 SampleRTT3；EstimateRTT（4）= X SampleRTT1+（1-X）EstimateRTT（3）= X SampleRTT1+（1-X）X SampleRTT2+ （1-X）2 X SampleRTT3+ （1-X）3 SampleRTT4；2 EstimateRTT（n）= Xj=1n-1 （1-X）j-1 SampleRTTj +（1-X）n-1 SampleRTTn。3当n时，（1-X）n-10；EstimateRTT（n）= Xj=1n-1 （1-X）j-1 SampleRTTj= X/（1-X）j=1n-1 （1-X）j SampleRTTj。当前X=0.1, EstimateRTT（n）=1/9j=1 n-1 (0.9)j SampleRTTj,表明对采样RTT的权重呈指数衰减。3.18，如果一条TCP连接的当前往返时间RTT=30ms，并且分别在相隔时间量26ms、32ms和28ms后收到确认，请你估算出新的RTT值。（假定=0.1）。解答Estimated RTT= （1）老的估算RTT + 采样RTTEstimated RTT1= 0.930+ 0.126 = 27+2.6 = 29.6ms；Estimated RTT2= 0.929.6+ 0.132=26.64+3.2 = 29.84ms；因此，Estimated RTT= 0.929.84 + 0.1 28 =26.856 + 2.8 = 29.656ms。3.19，如果一条TCP连接当前估算的往返时间RTT=20ms，当前估算RTT的偏差值是2毫秒，此后，分别依次在相隔时间量25ms、30ms和20ms后又收到确认，请你估算出用于超时的时间量设置值。（假定=0.1，=0.2）。解答先估算出新的RTT，每次同时RTT估算偏差值。最后用估算公式估算用于超时的时间量设置值。新的Estimated RTT= （1）老的估算RTT + 采样RTT新的RTT偏差值DevRTT= （1）老的DevRTT + | Estimated RTT采样RTT|；TimeoutInterval= EstimatedRTT + 4DevRTT；因此有，新的Estimated RTT1= （10.1）20 + 0.125=18+2.5=20.5ms;新的RTT偏差值DevRTT1= （1）老的DevRTT + | Estimated RTT采样RTT|；=(1-0.2)2ms+0.2(25-20.5)ms = 1.6+0.9 = 2.5ms;新的Estimated RTT2= （10.1）估算RTT1(20.5) + 0.130=18.45+3=21.45ms;新的RTT偏差值DevRTT2= （10.2）DevRTT1(2.5ms) + 0.2| 21.4530|= 2+1.71=3.71ms；新的Estimated RTT3= （10.1）估算RTT2 (21.45ms)+ 0.1采样RTT(20ms)= 0.9*21.45+2=21.305ms;新的RTT偏差值DevRTT3= （10.2）DevRTT 2(3.71ms)+ 0.2| 21.30520|= 2.968+0.261=3.229ms；超时时间量可设为TimeoutInterval= EstimatedRTT + 4DevRTT=21.305+43.229=21.305+12.916= 34.221ms。3.20，假定在建立TCP连接时，主机A和主机B几乎同时发出连接请求，似乎会发生冲突，请画出如果主机A的请求略快一点点时连接过程发生的场景解答从概念上看，允许有以下三类可能的理解：（1）A与B之间只需要建立一个双向的TCP连接，因此A或B可以拒绝多余的连接；（2）A和B分别请求与另一服务器S作TCP连接；这与一下的（3）类似。（3）主机A和B确实分别有着向对方的不同TCP连接要求；以下将按（3）叙述：1允许两台主机中有多个应用进程分别建立TCP连接和交换数据。2在建立连接期间允许分别采用不同的建议SEQ序号和相应的确认序号ACKN（简记AN）；为了明晰起见，把“ACK标记位”记成ACKF，确认序号记为ACKN（仅当ACKF=1时，ACKN确认序号才有意义）。比如：主机A请求建立连接时第1次握手通告建议的SEQ序号是X0 SYN=1、ACKF=0、SEQ=X0 ， 第2次握手主机B确认时通告的SEQ序号是Y0、AN确认序号=X0+1 SYN=1、ACKF=1、SEQ=Y0、AN=X0+1 ，第3次握手则有主机A确认SEQ=X0+1和AN=Y0+1 SYN=0、ACKF=1、SEQ=X0+1、AN=Y0+1 ；而另一个由主机B发出的请求建立连接其第1次握手通告的SEQ序号是Y1 SYN=1、ACKF=0、SEQ=Y1 ，第2次握手主机A确认时通告的SEQ序号是X1、AN确认序号=Y1+1 SYN=1、ACKF=1、SEQ=X1、AN=Y1+1 ，第3次握手则有主机B确认SEQ=Y1+1和AN=X1+1 SYN=0、ACKF=1、SEQ=Y1+1、AN=X1+1 。如下图所示： 主机A 主机B1 SYN=1，ACKF=0，SEQ=X0 SYN=1，ACKF=0，SEQ=Y1221 SYN=1，ACKF=1，SEQ=Y0，ACKN=X0+1 SYN=1，ACKF=1，SEQ=X1，ACKN=Y1+13 SYN=0，ACKF=1，SEQ=X0+1，ACKN=Y0+1 SYN=0，ACKF=1，SEQ=Y1+1，ACKN=X1+13.21，假定主机A请求释放的报文段序号SEQ=2500，主机B应答释放的报文段序号SEQ=6000，请你详细画出在主机A和主机B之间的进行TCP传输时，连接释放的交互过程。其中也要列出所有的有关的标记位。解答 为了明晰起见，把“ACK标记位”记成ACKF，确认序号记为ACKN（仅当ACKF=1时，ACKN确认序号才有意义）。主机A 主机B FIN=1，ACKF=0，SEQ=2500 ACKF=1，SEQ=6000，ACKN=2501FIN=1，SEQ=6001，ACKF=0ACKF=1，SEQ=2501，ACKN=60023.22请回顾TCP吞吐能力的描述,假定在连接速率从 W/(2RTT)变化到W/RTT的期间内,只丢失了一个分组(在该期间的结束时),1证明丢包率L = 1/ 3/8 W2 + 3/4 W ;(提示先计算出在此期间发送的分组个数)2如果一个连接的丢包率是L,采用1中公式的近似表达式(认为W很大),请证明平均带宽大体上应为 (1.22MSS)/RTTSQR(L); (此公式中指L开平方,提示采用平均吞吐率公式)3假定针对1500字节的分组长度和一个100毫秒的RTT,TCP需要支持10Gbps的连接,所能容忍的丢包率是多少?提示采用(2)中得到的公式解答1丢包率L是分组丢失数与已发送的分组数之比; 在此期间发送的分组个数是:W/2+(W/2 +1)+(W/2 +2) + +W = W/2 n=0 (W/2+ n)= (W/2+1)(W/2)+W/2 n=0 n=W2/4+W/2+(W/2)(W/2+1)/2 = 3W2/8 + 3/4W; 在此期间丢失1个分组, 因此, 丢包率 L = 1/3/8W2+ 3/4W.2对于很大的窗口W, 3/8W23/4 W; L近似于 8/(3W2 ); 即W= SQR8/(3L)(开平方);平均吞吐率 = 3/4W(MSS/RTT) = 3/4SQR8/(3L)MSS/RTT = 1.22MSS/RTTSQR(L);3采用(2)中的公式,10Gbps= 1.22MSS/RTTSQR(L)= 1.22(15008位)/0.1秒SQR(L);SQR(L)= 14640位/10 9位; L= 2.1410 -10 .- 8 -