计算机网络 问题系列一

计算机网络 问题系列一

2020-04-06

R1. “主机”和“端系统” ？

计算机设备多数是传统的桌面PC、Linux工作站以及服务器，同时包含“非传统”因特网（通常称计算机网络 computer network）产品，如智能手机、平板电脑、电视、游戏机等。所有这些设备被称为主机(host)**或者端系统(end system)**。

R2. 协议是什么？

**协议(protocol)**定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及发送或接收一条报文或其它事件所采取的动作。

R3. 标准对于协议为什么重要？

标准对于协议非常重要，网络系统基于标准协议来实现。

R4. 列举几种接入技术及其传输速率？

首先需要知道接入网和边缘路由器的概念。接入网是指将端系统物理连接到其**边缘路由器(edge router)**的网络，边缘路由器是指端系统到任何远程网络接入的第一台路由器。

  1. 家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星。

    • **数字用户线(Digital Subscriber Line, DSL)**。DSL利用了现有的本地电话基础设施，DSL定义了多个传输速率标准，如下行55Mbps、上行15Mbps。
    • 电缆(cable)**。电缆因特网接入(cable Internet access)则是利用了现有的有线电视基础设施。多个家庭的同轴电缆连到地区枢纽，再通过光缆连接到电缆调制解调器端系统(Cable Modem Termination System, CMTS)，将来自下游家庭调制解调器发送的模拟信号转换为数字信号，这种接入方式称为混合光纤同轴(Hybrid Fiber Coax, HFC)**。接入通常是不对称的，HFC 定义了 42.8 Mbps 的下行速率和 30.7 Mbps 的上行速率。
    • 光纤到户(Fiber To The Home, FTTH)**。最简单的光纤分布网络称为直接光纤，从本地中心局每户设置一根光纤。更为一般的是，从中心局出来的每根光纤由许多家庭共享，直到接近这些家庭的位置才分成每户一根光纤。进行这种分配的有两种竞争性的光纤分布体系结构：主动光纤网络(Active Optical Network, AON)和被动光纤网络(Passive Optical Network, PON)。简单介绍一下PON：每个家庭具有一个光纤网络端接收器(Optical Network Terminator, ONT)，它们通过光纤接到邻近的分配器(splitter)。该分配器把一些家庭（通常少于100个）集结到一根共享的光纤，该光纤接到本地电话和公司的中心局的光纤端接收器(Optical Line Terminator, OLT)**，该OLT提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网互联。2011年美国FTTH用户平均下行速率为 20Mbps （不是吧……）。

  2. 企业（和家庭）接入：以太网和WiFi

    • 以太网用户使用双绞铜线与一台以太网交换机相连，交换机再与更大的因特网相连。速率常为 100Mbps 或 1GMbps 。
    • 基于 IEEE 802.11 技术的无线 LAN 接入，更通俗地称为 WiFi。802.11 提供了高达 100Mbps 的传输速率。（WiFi 6 高达 9.6 Gbps）

  3. 广域无线接入：3G和LTE

    • 3G 第三代无线技术，3G为分组交换广域无线因特网接入提供了超过 1Mbps 的速率。（现在已经有 5G 了）
    • LTE(Long-Term Evolution)长期演进，来源于3G技术。高达 10Mbps 的速率。

再介绍一下这些技术使用的**物理媒体(physical medium)**，分为两种：

  • **导引型媒体(guided media)**：电波沿着固体媒体前行，如光纤、双绞线和铜轴电缆。
  • **非导引型(unguided media)**：电波在空气或外层空间中传播，例如无线局域网或数字卫星频道中。

具体如下：

  1. 双绞铜线

    **无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair, UTP)**，双绞线已经作为高速LAN主导性解决方案。

  2. 同轴电缆

    同轴电缆能被用作**导引型共享媒体(sahred medium)**。

  3. 光纤

    光纤是一种细而柔软的、能够引导光脉冲的媒体，每个脉冲表示一个比特，一根光纤可以支持极高的比特速率，高达数十甚至数百Gbps 。它们不受电子干扰，长达100km的光纤信号衰减极低，并且很难窃听。高成本的光设备如发射器、接收器和交换机阻碍光线在短途传输中的应用，如在LAN或家庭接入网中就不使用它们。

  4. 陆地无线电信道

    陆地无线电信道分为三类：

    1. 很短距离（1米或2米），无线耳机、键盘。
    2. 运行在局域（数十米到百米），无线LAN。
    3. 运行在广域（跨越数万米），蜂窝接入技术使用了广域无线电信道。

  5. 卫星无线电信道

    通信中常使用两种卫星：

    1. 同步卫星(geostationary satellite)：同步卫星永久地停留在地球上方的相同点上。
    2. 近地轨道(Low-Earth Orbiting, LEO)卫星：近地轨道卫星距离地球非常近，它们会围绕地球旋转，彼此之间可以通信。为了提供连续的覆盖，需要在轨道上放置多个卫星。

R5. HFC 传输速率在用户间是共享还是专用？在下行 HFC 信道中可能会出现碰撞吗？

HFC 的一个重要特征是共享广播媒体。上行信道使用一个分布式多路访问协议来协调传输和避免碰撞。在下行信道中所有数据包都来自单一的源(即head end)，所以不会发生碰撞。

R6. 所在城市宽带接入方式？

现在大多数家庭都是光纤入户了， 方式使用的是被动光纤网络 PON 。

R7. 以太 LAN 的传输速率？

10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps

R8. 能够运行一些以太网的物理媒体是什么？

路由器、交换机、PC 等。

R9. 拨号调制解调器、HFC、DSL 和 FTTH 都用于住宅接入，给出每种技术的传输速率范围？并讨论他们的传输速率是共享还是专用的。

技术 上行带宽 下行带宽 是否专用
调制解调器 56kbps 56kbps Y
ADSL 24Mbps 2.5Mbps Y
HFC 30.7Mbps N
FTTH 2～10Mbps 10～20Mbps Y

R10. 描述目前最流行的以太网无线技术？

截至目前（2020年）最流行的是：WiFi 和 5G。

R11. 假设发送主机和接收主机之间只有一台分组交换机，发送主机 -> 交换机 速率为 R1， 交换机 -> 接收主机 速率为 R2 。假设该交换机使用存储转发分组交换方式，发送一个长度为 L 的分组端到端的总时延是多少？（忽略排队时延、传播时延和处理时延）

由于没有排队、传播和处理时延，总时延为：L / R1 + L / R2

R12. 与分组交换网络相比，电路交换网络有哪里优点？在电路交换网络里 TDM 比 FDM 有哪些优点？

电路交换网络可以保证端到端之间的带宽一定，而分组交换端到端时延是可变的。FDM 中，链路的频谱由跨越链路创建的所有链接共享。在连接期间链路为每条连接专用一个频段。对于 TDM ，其时域被分割为帧，每个帧具有4个时隙，在循环的TDM帧中每条电路被分配相同的专用时隙。

R13. 假定用户共享一条 2Mbps 链路。同时假定当每个用户传输时连续以 1Mbps 传输，但每个用户仅传输 20% 的时间。

a. 当使用电路交换时，能支持多少用户？

支持两个用户，每个用户使用一半。

b. 假设使用分组交换，为什么如果两个或更少的用户同时传输时在链路前面几乎没有排队时延？为什么如果有3个用户同时传输的话，将会有排队时延？

两个用户最大传输速率为 2Mbps ，3个的话超出了链路带宽，需要排队。

c. 求出某指定用户正在传输的概率。

不会做。

R14. 为什么等级相同的 ISP 互相对等？ IXP 是如何挣钱的？

对等的ISP流量直接连接，而不用通过上游的中间 ISP 传输（不用花钱）。区域ISP连接IXP需要收钱，通常按照带宽计费。

R15. 某些内容提供商构建了自己的网络，为什么？

一方面不用给顶层ISP服务商支付费用，另一方面对最终交付给端设备有了更多的控制。

R16. 一个主机向另外一个主机发送分组，列出端到端之间的时延组成，并指出那些是固定的那些是可变的？

处理时延、传输时延、传播时延和排队时延，只有排队时延是可变的。

R17. 略

R18. 一个长度为1000字节的分组经距离2500km的链路传播，传播速率为2.5 x 10^8m/s并且传输速率为2Mbps，它需要多长时间？更为一般地，一个长度为L的分组经距离为d的链路传播，传输速率为s并且传播速率为R bps，它需要用多长时间？该时延与传播速率相关吗？

10ms; d/s; 不相关。

R19. 假定主机A要向主机B发送一个大文件。从主机A到主机B的路径上有3段链路，其速率分别为R1 = 500kbps，R2 = 2Mbps，R3 = 1Mbps。

a. 假定该网络中没有其他流量，该文件传送的吞吐量是多少？ 受限于最小链路，所以为 500kbps 。
b. 假定该文件为4MB。传输该文件到主机B大致需要多长时间？ 4MB * 8b / (500kbps / 1000) = 64s

注：1 Mbps = 1000 Kbps = 1000000 Bps，1B(byte) = 8b(bit)

c. 重复(a)和(b)，只是这时R2减小到100kbps。 (a) 100kbps, (b) 4MB * 8b / (100kbps / 1000) = 320s

R20. 假定端系统A要向端系统B发送一个大文件。在一个非常高的层次上，描述端系统怎样从该文件生成分组。当这些分组之一到达某分组交换机时，该交换机使用分组中的什么信息来决定将该分组转发到哪一条路上？因特网中的分组交换为什么可以与驱车从一个城市到另一个城市并沿途询问方向相类比？

端系统A将大文件分成块，向每个块添加头信息，从而生成多个数据包。每个数据包中的头信息包括目的地的IP地址（端系统B）。交换机使用数据包中的目标IP地址来确定传出链路。驱车询问要走哪条路类似于一个数据包询问目的地地址，它应该在哪个从哪链路上转发。

R21. 略

R22. 列出一个层次能执行的5个任务。这些任务中的一个（或两个）可能由两个（或更多）层次执行吗？

五个通用任务是：错误控制、流控制、分段和重组、多路复用和连接设置。是的，这些任务可以在不同的层上复制。例如，错误控制通常在多个层上提供。

R23. 因特网协议栈中的5个层次有哪些？在这些层次中，每层的主要任务是什么？

应用层：网络应用程序以及它们的应用层协议存留的地方。应用层的信息分组称为报文（message）。

运输层：应用程序端点之间传送应用层报文。运输层的分组称为报文段（segment）。

网络层：将称为数据报（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另外一台主机。

链路层：通过源和目的地之间的一些列路由器路由数据报。链路层的分组叫做帧（frame）。

物理层：物理层任务是将帧中的一个个比特从一个节点移动到下一个节点。

R24. 什么是应用层报文？什么是运输层报文段？什么是网络层数据报？什么是链路层帧？

应用层 - 报文：应用程序要发送并传递到传输层的数据；

传输层 - 报文段：由传输层生成并用传输层首部封装应用层消息；加入差错检测位信息。

网络层 - 数据报：用网络层首部封装传输层数据报；源和目的端信息地址等信息。

链路层 - 帧：用链路层报首部封装网络层数据报。

每一层一个分组具有两种类型的字段：首部字段和有效载荷字段（payload field）。有效载荷子段通常来自上一个分组。

R25. 路由器处理因特网协议栈中的哪些层次？链路层交换机处理的是哪些层次？主机处理的是哪些层次？

路由器在网络层、链路层和物理层。链路层交换机在链路层和物理层。主机则五层都包含。

R26. 病毒和蠕虫之间有什么不同？

病毒需要人的交互来传播，比如 email 。 蠕虫则是扫描 host 和端口来感染。

R27. 描述如何产生一个僵尸网络，以及僵尸网络是怎样被用于DDoS攻击的。

僵尸网络可以通过某个应用程序的漏洞，攻击者扫描相关端口，利用漏洞给主机发送命令。比如利用多个主机对同一个地址进行TCP泛洪攻击。

R28. 假定Alice和Bob经计算机网络相互发送分组。假定Trudy将自己安置在网络中，使得她能够俘获由Alice发送的所有分组，并发送她希望给Bob的东西；她也能俘获Bob发送的所有分组，并发送她希望给Alice的东西。列出在这种情况下Trudy能够做的某些恶意的事情。

可以搜索一下https的优点。如可以获取传输的信息，可以篡改传输信息。