计算机网络第一章计算机网络概述（竟成）

第 1 章 计算机网络概述

【考纲内容】

1.计算机网络基本概念

(1) 计算机网络的定义、组成与功能；(2) 计算机网络的分类；(3) 计算机网络主要性能指标

2.计算机网络体系结构

(1) 计算机网络分层结构；(2) 计算机网络协议、接口、服务等概念；

(3) ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型

【考情统计】

年份	题数及分值			考点
	单选题	综合题	总分值
2009	1	0	2	OSI 参考模型
2010	1	0	2	网络体系结构
2011	1	0	2	TCP/IP 模型
2012	0	0	0	-
2013	1	0	2	OSI 参考模型
2014	1	0	2	OSI 参考模型
2015	0	0	0	-
2016	1	0	2	OSI 参考模型
2017	1	0	2	OSI 参考模型
2018	0	0	0	-
2019	1	0	2	OSI 参考模型
2020	1	0	2	协议、接口、服务的概念
2021	1	0	2	TCP/IP 模型
2022	1	0	2	OSI 参考模型
2023	0	0	0	-
2024	1	0	2	吞吐量的概念

【考点解读】

        本章需要考生对计算机网络和体系结构相关概念有所了解，多以选择题形式考查。需着重记忆 ISO/OSI 参考模型、TCP/IP 模型和计算机网络各层次的基本功能。对于常见计算机网络性能指标，如速率、时延、带宽、吞吐量等，可能结合其他章节内容以应用题形式进行考查，考生需掌握相关计算。

【复习建议】

关于本章考生应：
(1) 掌握 ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型。
(2) 掌握计算机网络协议、接口、服务等概念。
(3) 掌握计算机网络体系结构分层的概念与意义。
(4) 掌握常见计算机网络性能指标的概念。
(5) 了解面向连接服务和无连接服务。
(6) 了解计算机网络的概念、组成、功能和分类。

在复习本章内容时，读者可以主动思考以下问题，这些问题将在章末给出答案。
(1) 如何理解互联网是 “网络的网络”?
(2) 网络中的分组是指什么？
(3) 能否说 “电路交换都是面向连接的，分组交换都是无连接的”?
(4) 如何理解 “网络提速”? 它指的是提高了哪方面的速度？
(5) 网络的吞吐量和时延是否有关系？
(6) 网络体系结构为什么要采用分层的结构？

1.1 计算机网络基本概念

1.1.1 计算机网络的概念

        1946 年世界上第一台电子计算机问世后，由于其价格昂贵未得到大规模量产，一般被用于科学、军事和财务等方面的计算。随着技术的发展，人们开始通过通信线路将计算机与若干台终端设备直接连接，于是出现了早期的计算机网络。最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路，即两个结点（Node）和一条链路（Link），由于没有第三台计算机，所以也不存在交换的问题。1969 年美国的阿帕网（ARPAnet）正式投入运行则标志着互联网的诞生。
        计算机网络是指将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备（如打印机、扫描仪等），通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。计算机网络一个重要的特征就是资源共享，包括信息共享、软件共享以及硬件共享等。连接到网络的计算机设备可以称为主机，而服务器可以看作是一种能向其他设备提供服务的主机。

【提示】常见易混词：

        互联网与因特网：凡是能彼此通信的设备组成的网络就可以称作互联网（internet），它是一个通用名词，强调的是互联的网络，通信协议可以是任意的。而因特网（Internet）是具有一定规模的互联网，由许多网络相连而成，是一个专用名词。因特网基于 TCP/IP 协议进行设备间的相互通信。

        节点与结点：节点一般是指有处理能力的实体，常用于形容网络上的一个 “点”，比如网络上的一台计算机；而结点则更多的是作为一个标记，常见于数据结构中，比如树结点和图结点。

1.1.2 计算机网络的组成

计算机网络从组成部分上看，可以划分为以下三个部分：

        1.硬件：主要包括主机、交换设备（如集线器、交换机、路由器）、通信处理机（如网卡）和通信链路（包含有线线路如光纤、无线线路如红外线）等。

        2.软件：主要指实现资源共享、提供用户所需功能的各种软件。

        3.协议：网络协议指互相通信的对等实体之间交换信息时的规则和约定。

计算机网络从其工作方式上看，可以划分为以下两部分（如图 1.1）：

        4.边缘部分：网络边缘部分由连接在互联网上、可以供用户直接使用的主机组成。由于它们位于互联网的边缘，所以也被称作为端系统（小到智能手机，大到大型计算机）。边缘部分的设备基于核心部分所提供的服务可以实现端到端的通信，从而进一步实现资源交换或共享。端到端的通信本质上是指两个端系统中进程与进程之间的通信，通常有两种通信方式：客户 / 服务器方式（C/S）和对等方式（P2P）（在应用层的网络应用模型这一节会有详细介绍）。

        5.核心部分：网络的核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，它负责向边缘部分的主机提供连通性服务，保证主机间的正常通信。路由器（Router）是网络核心部分的关键构件，它实现了分组交换（Packet Switching）的功能，将收到的分组进行转发，在网络核心部分具有非常重要的作用。

3.下列关于网络边缘部分和核心部分的描述错误的是（ ）。
A. 计算机网络从工作方式上可以划分为边缘部分和核心部分
B. 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成
C. 边缘部分为应用程序进程通信提供服务
D. 网络应用程序运行在边缘部分

3.【参考答案】 C
【解析】 计算机网络系统从工作方式上可以划分为边缘部分和核心部分两部分，A 正确。核心部分包括大量的路由器以及通过路由器互联的局域网、城域网和广域网等，B 正确。边缘部分并不能为应用程序进程通信提供服务，它基于核心部分提供的数据传输服务从而实现设备间的互相通信，正确的说法应是 “核心部分为应用程序进程通信提供服务”，C 错误。边缘部分由连接在互联网上、可以供用户使用的设备组成，也被称为端系统，网络应用程序运行在边缘部分，D 正确。因此答案为 C。

1.1.3 计算机网络的功能

        计算机网络功能主要体现在数据通信、资源共享、提高可靠性与分布式处理等几个方面：

        1.数据通信：计算机网络的基础功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的通信。在此基础上，用户可以在网上收发邮件、观看网课等。

1.下列关于计算机网络的描述正确的是（ ）。
A. 计算机网络中的共享资源是指 CPU、内存和操作系统
B. 计算机网络可以看作一个用于共同完成一项任务的分布式系统
C. 计算机网络最基本的功能是分布式处理
D. 计算机网络在逻辑组成上可以分为通信子网和资源子网

1.【参考答案】 D
【解析】 计算机网络中的共享资源是指加入网络的用户能够使用网络中各个计算机系统的各种资源，包括软件、硬件以及数据资源等，A 错误。分布式系统是建立在计算机网络之上的软件系统，B 错误。计算机网络最基本的功能是资源共享，C 错误。计算机网络在逻辑组成上可以分为通信子网和资源子网，D 正确，因此答案为 D。

        2.资源共享：通过网络，用户能够使用网络中计算机系统的各种资源，包括软件、硬件以及数据资源等。这是计算机网络最本质的功能，也是计算机网络实现的主要目标之一。

        3.提高可靠性：通过网络，各台计算机之间可以互相成为后备机，当网络中的一台计算机出现故障时，其他计算机可以替代其完成任务，避免了单机故障造成整个系统的瘫痪，从而提高整体的可靠性。

        4.分布式处理：网络中多台 “相连” 的计算机在控制中心的协调下同时处理同一任务，各自承担任务的一部分，从而加快了处理的速度，解决了单机不易完成的复杂任务。

        5.负载均衡：将负载（工作任务）进行平衡，分摊到多台计算机中，使它们协同完成任务。通过负载均衡可以更加合理地安排与分配资源，加强网络的处理能力，提高整体的工作效率和灵活性。

1.1.4 计算机网络的分类

1.按覆盖范围分类

按照覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可分为广域网、城域网、局域网和个人区域网：

        1.广域网（WAN，Wide Area Network）：广域网也称为公网，覆盖范围可以是一个或多个国家，地理距离可达几千千米。由于距离远，信息衰减比较严重，一般使用专线连接起来构成网状结构。广域网的通信容量很大，但由于连接的用户多，所以每个用户的连接速率一般较低。

        2.城域网（MAN，Metropolitan Area Network）：城域网的覆盖范围可以延伸到整个城市，地理距离约 5km - 50km，规模介于广域网与局域网之间。多个局域网可以通过光纤互连等方式形成城域网，实现局域网内及局域网之间的资源共享。

        3.局域网（LAN，Local Area Network）：局域网是一种在小区域内使用的，由多台计算机组成的网络，通常局限在 10m - 10km 范围之内，属于一个单位或部门组建的小范围网络。常见的办公室、宿舍或网吧中的网络就是局域网。局域网的连接范围窄，用户少，因此连接速率相对较高。

7.下列关于局域网和广域网的描述正确的是（ ）。
A. 局域网和广域网的划分依据主要是所提供的服务不同
B. 局域网与广域网的互联是通过桥接器实现的
C. 局域网是基于广播技术发展起来的网络，广域网是基于交换技术发展起来的网络
D. 局域网通常采用网状拓扑结构，广域网通常采用星形拓扑结构

7.【参考答案】C

【解析】局域网和广域网的划分依据主要是分布范围不同，A 错误。局域网和广域网的互联是通过路由器实现的，B 错误。局域网是基于广播技术发展起来的网络，广域网是基于交换技术发展起来的网络，C 正确。广域网一般采用网状拓扑结构，D 错误。因此答案为 C。

        4.个人区域网（PAN，Personal Area Network）：个人区域网是指在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术（蓝牙、红外线等）连接起来的网络，因此又称为无线个人区域网（WPAN，Wireless PAN），比如智能家居系统。其覆盖范围很小，一般在 10m 左右。

2.按拓扑结构分类

        连接在网络上的各种设备，如服务器、智能手机、交换机和路由器等，都可以看作是网络中的一个节点。网络的拓扑结构指的就是各节点在网络上的连接形式。计算机网络中常见的拓扑结构有星形结构、环形结构、总线形结构和网状结构，参考图 1.2。

各类拓扑结构有各自的优缺点，我们作如下表1.1的总结。

表1.1 拓扑结构总结

拓扑类型	特点	优点	缺点
星形	非中心节点间需要通过中心节点转发数据才能通信，中心节点一般是集线器或交换机。	单点故障不会影响全网；中心节点可方便地对各个站点提供服务和配置。	中心节点负担重，容易形成瓶颈，若中心节点故障，整个网络会陷入瘫痪；节点的分布式处理能力较弱。
环形	一个节点若要与其他节点通信，需依次经过两个通信节点之间的所有节点。	增减节点时，仅需简单地连接；信息传输时间固定，易于实时控制。	单点故障会引起全网故障；非集中控制，故障检测更难。
总线形	所有节点通过接口直连到总线并通过总线进行数据传输。	通信电缆数量少；易于扩充；结构简单，有较高可靠性。	网络效率和带宽利用率低；总线故障会影响整个网络。
网状	每个节点至少与其他两个节点相连，广域网多采用这种结构。	冗余链路提高了可靠性；可选择最佳路径改善流量分配，降低延时。	线路布置成本较高，结构复杂，不易维护。

6.与总线形网络相比，星形网络的最大优点是（ ）。
A. 易于管理
B. 可靠性高
C. 信道利用率高
D. 总体传输性能高

6.【参考答案】 B
【解析】 总线形网络通过单根传输线把所有设备连接起来，总线的任意一处出现故障都可能会造成网络整体故障。而星形网络中每个设备通过单独的线路与中央设备相连，单个设备（非中心计算机）的故障不会影响整个网络，因此网络的整体可靠性更高，这是星形网络相比总线形网络最大的优点，B 正确。因此答案为 B。

4.下列关于拓扑结构的正确描述是（ ）。
A. 星形拓扑各节点分布处理能力较强
B. 总线拓扑不能保证信息的及时传送且不具有实时功能
C. 树形拓扑不能扩展
D. 网状拓扑结构复杂成本较低

4.【参考答案】 B
【解析】 星形拓扑中心节点负担重，容易形成瓶颈；节点的分布式处理能力较弱，A 错误。总线拓扑所有节点通过接口直连到总线并通过总线进行数据传输，多个主机同时通过总线发送数据的时候会存在冲突，需要用一定的信道预约、冲突检测 / 避免算法去减缓冲突带来的影响，所以不能保证信息的及时传送，也不具有实时功能，B 正确。树形拓扑可扩展，C 错误。网状拓扑结构复杂成本较高，D 错误。因此答案为 B。

3.按交换技术分类

此处仅对交换技术的分类作简单介绍，后续章节会详细讲解。

        1.电路交换：我们把需要通过 “建立连接 → 传输数据 → 释放连接” 三个步骤的交换方式称为电路交换。以电话通信为例，通话前必须先拨号建立连接，拨号的信号通过多个交换机到达与被叫用户直连的交换机后，会向被叫用户的电话机振铃。在被叫用户摘机且摘机信号传送回到主叫用户所连接的交换机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接（物理通路）。这条连接占用了双方通话时所需的通信资源，其他用户无法抢占。正是因为这个特点，通信双方连接成功之后便可以进行可靠的通话。当通话完毕后，交换机会释放这条物理通路（即归还刚才占用的所有通信资源）。

        2.报文交换：报文交换的中间节点需要完整地存储整个报文，并根据报文的地址信息以及网络当前的拥塞情况选择一个合适的时间点将报文转发出去。通过多次这样的存储转发过程后到达目的地，这样的网络叫存储转发网络。为了能完整缓冲接收到的报文，交换节点需要保证有足够的存储空间，它将各个方向到达的报文缓存并加入等待队列，查找下一个转发节点并依次将报文转发出去，这个过程的时延即排队等待时延。报文交换的通信双方不会全程占用整条链路，所以有较高的线路利用率。

        3.分组交换：分组交换（包交换）将较长的报文划分成多个更小且尽可能等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部后就构成了一个分组。首部包含了目的地址和源地址等信息。交换机收到分组之后会根据首部中的地址信息为其选择合适的传输路径直至到达目的地。整个过程称为分组交换，而能够进行分组交换的网络被称为分组交换网。分组交换采用了存储转发技术，将接收到的分组暂存起来并加入到等待队列，再依次转发到合适的路由上。整个存储转发的过程即分组交换的过程。分组交换和报文交换的本质都是存储转发，但是分组交换的最小信息单位是分组，而报文交换的最小信息单位则是报文。由于分组交换的信息单位较小，所以其速度比报文交换更快（此处在物理层会作进一步图例解释）。

        【提示】 图 1.3 是对一个报文划分为几个分组的图形描述。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文（Message）。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的数据段。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部（Header）后，就构成了一个分组（Packet）。分组又称为 “包”，而分组的首部也可称为 “包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的 “首部” 是非常重要的，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径。分组在传送数据之前并不会占用整条端到端的通信资源，而是在哪段链路上传送时才占用该段链路的通信资源，此外分组传输省去了建立连接和释放连接的开销，因此可获得更高的传输效率。

1.1.5 计算机网络主要性能指标

性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。下面介绍一些常用的性能指标：

1.速率

        速率是指主机在单位时间内从信道一端传送到另一端的数据量，即数据传输率，也称数据率或比特率。比特（bit）是数据量的最小单位，代表一个二进制数字 0 或 1。速率的单位即为 bit/s 或 bps（bit per second）。当数据率较高时，常用速率单位有 kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s（通常来说：k = 10³，M = 10⁶，G = 10⁹，T = 10¹² ）。

2.带宽

带宽（Bandwidth）有两种含义：

        当作为频带宽度的度量时，带宽是指信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位为：赫 (Hz)、千赫 (kHz)、兆赫 (MHz) 等。例如，音频级电话线路支持的频带范围为 300 - 3300Hz，所以它的带宽为 3300Hz - 300Hz = 3000Hz。

        当作为通信链路传输数据的度量时，带宽是指链路上每秒能传输的比特数，用来表示网络中某通道传送数据的能力，即信道所能通过的 “最高数据率”。例如，一个网络带宽为 10Mbps，就意味着每秒最多能传输 1 千万个比特。

        【助记】 从传输每个比特所花时间长短的角度来分析带宽。假设存在一个 10Mbps 的网络，在该网络上，每传输一个比特需要用时 0.1μs（按照 2¹⁰约等于 1000 计算 ）。我们以 1s 的时长为例，把一个比特看作一定宽度的信号，则带宽就是 1s 这段时间里能容纳的比特数量。如图 1.4 所示，每个比特宽 1μs，则链路带宽为 1Mbps；每个比特宽 0.5μs，则链路带宽为 2Mbps。通过提高发送和接收的技术，使得一个比特的宽度可以变得很窄，这时单位时长能容纳的比特数量就更多，带宽也就更大。

3.吞吐量

        吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。区别于链路上的最大可用带宽，我们常用吞吐量来表示一个系统的实际带宽，即链路中每秒实际传输的比特数。由于受到实现过程中各种低效率因素的影响，由一段带宽为 10Mbps 的链路连接的一对节点间的数据传输可能只达到了 2Mbps 的吞吐量。

4.时延

        时延是指将一条消息从网络的一端传到另一端所需要花费的时间。分组在链路上从一个节点到达后继节点的过程中会经历多种类型的时延。这些时延包括节点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延，上述时延的总和即总时延。

        如图 1.5，分组从源主机发出后经过路由器 A 向路由器 B 发送，我们依次讨论该过程中的各个时延：

        处理时延：路由器 A 收到分组后需要花费一些时间来对分组进行处理，如检查分组首部、提取数据、差错校验以及决定分组的去向等等，这部分的时延称为处理时延。处理时延的大小取决于路由器的计算能力以及通信协议的复杂程度。

        排队时延：当大量分组达到路由器时，分组被处理前可能需在路由器输入队列中排队等待，而在路由器确定了转发端口后，分组可能还需在输出队列中排队等待转发，这种在队列中等待时产生的时延称为排队时延。排队时延的大小取决于等待队列中的分组数量以及端口的发送速率，当网络流量很大时（排队等待传输的分组很多），排队时延将会很长，如果队列满了，将会丢弃分组，造成丢包。

        传输时延（发送时延）：传输时延又称为 “发送时延”，指的是将分组中的所有比特全部推向链路所需要的时延。若分组长度为 L 比特，比特的发送速率为 R bps，则传输时延为 L/R 秒，即：传输时延 = 分组长度 ÷ 发送速率。

        传播时延：分组中的比特被推向链路后便开始在信道中传播，比特从链路的起点传播到链路终点所需要的时延称为传播时延。传播时延 = 信道长度 ÷ 传播速率，而传播速率主要取决于链路所使用的物理媒介（如光纤、双绞铜线、红外线等）。

        【提示】 传输时延和传播时延的比较：传输时延是路由器将分组推到链路上所需要的时间，它取决于分组的长度和链路传输速率。传播时延是一个比特从一台主机传播到另一台主机所需要的时间，它取决于两台主机的距离和主机间链路所使用的物理媒介。

若已知处理时延、排队时延、传输时延和传播时延，则节点的总时延由下式给定：
                                总时延 = 处理时延 + 排队时延 + 传输时延 + 传播时延

        【提示】 我们可以用一个车队通过公路的例子来帮助理解传输时延和传播时延的概念。假设有一个 10 辆汽车组成的车队从公路收费站入口出发驶往相距 100km 的下一个收费站。一辆汽车通过收费站需要花费 6s，车速是 100km/h。则整个车队从收费站入口到达下一个收费站所需的总时间为：10 辆车总的发车时间共 60s（相当于网络的发送时延），车子在两个收费站之间行驶的时间 1h（相当于网络中的传播时延），因此总共需要花费 1 小时 1 分钟。

5.时延带宽积

        时延（传播时延）和带宽的乘积称为时延带宽积（Delay - Bandwidth Product）。如果将两个进程之间的通信信道看作一条管道（如图 1.7），时延相当于管道的长度，带宽相当于管道的横截面积，这时延和带宽的乘积就是管道的容积，即时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽，也即在任意时刻内正在通过管道传输的最大比特数。例如一条单向时延为 100ms（相当于管道的长度），带宽为 50Mbps（相当于管道的横截面积）的信道，其能够容纳的数据量为 100×10⁻³s×50×10⁶bit/s = 5×10⁶bit。

6.往返时延

        往返时延（RTT，Round - Trip Time）是计算机网络的一个重要性能指标，表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）所经历的时间。往返时延主要包含了链路上的传播时延、中间节点（交换机和路由器）缓存中的排队和处理时延等。其中链路的传播时延的值相对固定，中间节点缓存中的排队和处理时延取决于整个网络拥塞程度，因此 RTT 可以在一定程度上反映网络拥塞程度。

7.利用率

计算机网络中的利用率主要有两种：

信道利用率：信道处于通信状态（即有数据通过）的时间占比（空闲信道利用率为 0）。

网络利用率：整个网络的信道利用率的加权平均值。

        信道利用率并非越大越好。类似于公路上的车流量达到一定程度后可能会出现拥堵，行车时间将大大增加。当网络通信量超出一定程度后，分组经过网络节点时也需要进行排队等待处理，网络时延也会迅速增加。如果用 D₀表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则 D₀和利用率 U 之间的关系可以用如下公式表示：

        其中 U 是网络的利用率，介于 0 到 1 之间。如图 1.8，可以看出当网络的利用率接近最大值时，网络的时延会趋于无穷大。

1.1.6 习题精编

1.下列关于计算机网络的描述正确的是（ ）。
A. 计算机网络中的共享资源是指 CPU、内存和操作系统
B. 计算机网络可以看作一个用于共同完成一项任务的分布式系统
C. 计算机网络最基本的功能是分布式处理
D. 计算机网络在逻辑组成上可以分为通信子网和资源子网

1.【参考答案】 D
【解析】 计算机网络中的共享资源是指加入网络的用户能够使用网络中各个计算机系统的各种资源，包括软件、硬件以及数据资源等，A 错误。分布式系统是建立在计算机网络之上的软件系统，B 错误。计算机网络最基本的功能是资源共享，C 错误。计算机网络在逻辑组成上可以分为通信子网和资源子网，D 正确，因此答案为 D。

2.计算机网络可分为通信子网和资源子网，通信子网不包括（ ）。
A. 物理层
B. 数据链路层
C. 网络层
D. 传输层

2.【参考答案】 D
【解析】 从功能组成上来看，可以把计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网，把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。通信子网对应于 OSI 参考模型中的下三层：物理层、数据链路层和网络层，资源子网对应于 OSI 参考模型的上三层：会话层、表示层、应用层。传输层可以看做承上启下的一层，它为资源子网提供通信服务，向高层用户屏蔽了通信子网的实现细节，但并不属于通信子网和资源子网，因此答案为 D。

3.下列关于网络边缘部分和核心部分的描述错误的是（ ）。
A. 计算机网络从工作方式上可以划分为边缘部分和核心部分
B. 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成
C. 边缘部分为应用程序进程通信提供服务
D. 网络应用程序运行在边缘部分

3.【参考答案】 C
【解析】 计算机网络系统从工作方式上可以划分为边缘部分和核心部分两部分，A 正确。核心部分包括大量的路由器以及通过路由器互联的局域网、城域网和广域网等，B 正确。边缘部分并不能为应用程序进程通信提供服务，它基于核心部分提供的数据传输服务从而实现设备间的互相通信，正确的说法应是 “核心部分为应用程序进程通信提供服务”，C 错误。边缘部分由连接在互联网上、可以供用户使用的设备组成，也被称为端系统，网络应用程序运行在边缘部分，D 正确。因此答案为 C。

4.下列关于拓扑结构的正确描述是（ ）。
A. 星形拓扑各节点分布处理能力较强
B. 总线拓扑不能保证信息的及时传送且不具有实时功能
C. 树形拓扑不能扩展
D. 网状拓扑结构复杂成本较低

4.【参考答案】 B
【解析】 星形拓扑中心节点负担重，容易形成瓶颈；节点的分布式处理能力较弱，A 错误。总线拓扑所有节点通过接口直连到总线并通过总线进行数据传输，多个主机同时通过总线发送数据的时候会存在冲突，需要用一定的信道预约、冲突检测 / 避免算法去减缓冲突带来的影响，所以不能保证信息的及时传送，也不具有实时功能，B 正确。树形拓扑可扩展，C 错误。网状拓扑结构复杂成本较高，D 错误。因此答案为 B。

5.目前的 100M/1000M 以太网是最常见的网络，它和广域网分别采用了（ ）的拓扑结构。
A. 总线形，星形
B. 总线形，网状
C. 星形，网状
D. 星形，总线形

5.【参考答案】 C
【解析】 网络的拓扑结构指的是网络节点在网络上的连接形式，计算机网络中常见的拓扑结构有星形结构、环形结构、总线形结构和网状结构。早期限于技术和经济条件，以太网采用了总线形结构（通信电缆数量少，结构简单且易于扩充）。随着技术的发展，得益于光纤技术所提供的可靠性与抗干扰性以及星形结构的集中式网络的普遍应用，使得 100M/1000M 以太网采取了星形的拓扑结构。网状拓扑结构中每个节点至少与其他两个节点相连，通过冗余链路提高了可靠性，传输数据时可选择最佳路径改善流量分配，降低时延，广域网一般采用网状拓扑结构，因此答案为 C。

6.与总线形网络相比，星形网络的最大优点是（ ）。
A. 易于管理
B. 可靠性高
C. 信道利用率高
D. 总体传输性能高

6.【参考答案】 B
【解析】 总线形网络通过单根传输线把所有设备连接起来，总线的任意一处出现故障都可能会造成网络整体故障。而星形网络中每个设备通过单独的线路与中央设备相连，单个设备（非中心计算机）的故障不会影响整个网络，因此网络的整体可靠性更高，这是星形网络相比总线形网络最大的优点，B 正确。因此答案为 B。

7.下列关于局域网和广域网的描述正确的是（ ）。
A. 局域网和广域网的划分依据主要是所提供的服务不同
B. 局域网与广域网的互联是通过桥接器实现的
C. 局域网是基于广播技术发展起来的网络，广域网是基于交换技术发展起来的网络
D. 局域网通常采用网状拓扑结构，广域网通常采用星形拓扑结构

7.【参考答案】C

【解析】局域网和广域网的划分依据主要是分布范围不同，A 错误。局域网和广域网的互联是通过路由器实现的，B 错误。局域网是基于广播技术发展起来的网络，广域网是基于交换技术发展起来的网络，C 正确。广域网一般采用网状拓扑结构，D 错误。因此答案为 C。

8.n 个节点构成的网状拓扑网络完全互连至少需要（ ）条双工通信的链路。
A. n
B. n - 1
C. n (n - 1)
D. n (n - 1)/2

8.【参考答案】D
【解析】网状拓扑网络完全互连需要​条双工通信链路，因此答案为 D。

9.下列关于网络中交换技术的描述错误的是（ ）。
A. 电路交换必然是面向连接的，连接会占用双方的通信资源
B. 由于附加信息的开销，分组交换信道利用率会降低
C. 报文交换的通信双方不会全程占用整条链路，所以有较高的线路利用率
D. 分组交换既可以面向连接也可以面向无连接

9.【参考答案】B
【解析】通过 “建立连接”、“传输数据”、“释放连接” 三个步骤的交换方式称为电路交换，它必然是面向连接的，连接占用了双方通话时所需的通信资源，其他用户无法抢占，A 正确。分组交换采用了存储转发技术，将接收到分组暂存起来并加入到等待队列，再依次转发到合适的路由上，由于分组交换的最小单位是分组，信息单位较小，所以信道利用率更高，B 错误。报文交换采取了存储转发技术，通信双方不会全程占用整条连接，因此有较高的线路利用率，C 正确。分组交换既可以采用面向连接的虚电路方式，也可以采用面向无连接的数据报方式，D 正确。因此答案为 B。

10.为了使数据在网络中的传输延迟最小，首选的交换方式是（ ）。
A. 电路交换
B. 报文交换
C. 分组交换
D. 信元交换

10.【参考答案】A
【解析】不同交换方式的性能不同，电路交换需要在传输之前会建立一个固定连接，其传输延迟最小，A 正确。需要注意的是电路交换不具备差错控制的能力，如果需要确保数据无差错的传送，则不应选择电路交换方式。B 选项中报文交换是以报文为数据交换的单位，在交换节点采用存储转发的传输方式，它不需要预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，但是由于数据进入交换节点要经历存储转发过程，所以存在较大的转发时延。C 选项中分组交换将报文划分成了多个更小的分组，每个分组的传输时延较小，但是由于也采取了存储转发技术，因此整体的传输时延并不比报文交换小。D 选项中信元交换是一种快速分组交换技术，通过建立虚电路来进行数据传输，它具备了分组交换技术灵活的优点，同时传输延迟比一般的分组交换的延迟更小。因此答案为 A。

11.设某段电路的传播时延是 20ms，带宽为 20Mbit/s，则该段电路的时延带宽积为（ ）。
A. 2×10⁵bit
B. 4×10⁵bit
C. 1×10⁵bit
D. 8×10⁵bit

11.【参考答案】B
【解析】时延带宽积是一种网络性能指标，可以用来衡量特定时间网络线路上的最大比特数，它等于传播时延 × 带宽，本题的时延带宽积=20ms×20Mbit/s=4×105bit，因此答案为 B。

12.下列关于时延的描述错误的是（ ）。
A. 排队时延的大小取决于等待队列中分组的数量与端口的发送速率
B. 处理时延的大小取决于路由器对分组的处理能力及通信协议的复杂程度
C. 传播时延的大小取决于传输媒介的特性
D. 发送时延的大小取决于分组的大小及端口的发送速率

12.【参考答案】C
【解析】当传输媒介相同时，传播时延还取决于媒介的长度，C 选项描述不完整，答案为 C。

13.假设在中国航天局和火星探测车 “祝融号” 之间架设了一条 128×10³bps 的点到点链路。火星与地球的距离最近时约为 55Gm（1Gm = 10⁹m），数据在链路上以光速传播，即 3×10⁸m/s。
(1) 计算链路的最小 RTT。
(2) 计算链路的延迟带宽积。
(3) “祝融号” 上的一部照相机拍摄周围的照片，并发送回地球。计算从拍完一幅图像到这幅图像到达地球上的任务控制中心所用的时间。假设每幅图像的大小为 5MB。

13.【解析】
(1) 可以计算出地球与火星之间的单程传播时延 =（链路长度 ÷ 传播速率）=3×108m/s5.5×1010m​≈183.3s，往返时延RTT=2×传播时延=366.6s。
(2) 延迟带宽积 = 传播时延 × 带宽=183.3s×(128×103bps)=2.34624×107bit≈2.9MB。
(3) 一张照片的发送时延 = 照片大小 ÷ 传输速率=128×103bps5MB​=128×210bps5×220B​=320s，总时间 = 发送时延 + 传播时延=320s+183.3s=503.3s。

14.假设发送节点与接收节点之间传输介质的长度 D = 10km，电磁波的传播速率 V = 200km/ms。分组长度 L = 1KB，且数据的发送时延与往返时延相等。请计算数据发送速率为多少？

14.【解析】
根据链路的长度D以及电磁波的传播速率V我们可以计算出传播时延：
T1​=D/V=2×108m/s104m​=5×10−5s，则往返时延RTT=2T1​=10−4s
假设数据的发送速率为S(bps)，则发送时延T2​=L/S=S(bps)1024×8b​
已知T2​=RTT，即S(bps)1024×8b​=10−4s，计算得出S=81.92Mbps。

15.试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传递的报文共 x (bit)。从源点到终点共经过 k 段链路，每段链路的传播时延为 d (s)，数据传输速率为 b (b/s)。在电路交换时电路的建立时间为 s (s)。在分组交换时分组长度为 p (bit)，且各节点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的时延要小？（提示：画出草图，观察 k 段链路共有几个结点 ）

15.【解析】
已知节点的排队等待时间可忽略不计，因此有：
(1) 电路交换时延 = 连接建立时延 + 发送时延 + 传播时延
其中：①连接建立时延为s；②发送时延：由于电路交换未采用存储转发技术，因此在经历链路中间节点时不存在存储转发时延。即报文完整发送到链路上的时延等于报文数据长度 / 信道带宽，即bx​；③传播时延：k段链路的传播时延总共为kd。因此电路交换时延为s+bx​+kd。
(2) 分组交换时延 = 发送时延 + 传播时延
其中：①发送时延：报文的最后一位在bx​时发送完毕，由于分组交换采用了存储转发技术，最后的一个分组还需要经过链路中k−1个节点（k段链路有k−1个中间节点）的转发时延，每个中间节点转发需要bp​的时延，因此中间节点转发共需要(k−1)bp​的时延，所以完整的发送时延等于所有分组推到链路上的时延加上最后一个分组经过中间节点转发的时延，即bx​+(k−1)bp​（后一个分组到中间节点时，前一个分组已经通过了该中间节点的转发，因此以最后一个分组为参照即可）。②传播时延：k段链路的传播时延总共为kd。因此分组交换时延为bx​+(k−1)bp​+kd。
当满足bx​+(k−1)bp​+kd<s+bx​+kd，即(k−1)bp​<s时，分组交换的时延比电路交换的时延要小。

16.在上题的分组交换网中，设报文长度和分组长度分别为 x 和 (p + h)(bit)，其中 p 为分组的数据部分的长度，而 h 为每个分组所携带控制信息固定长度，与 p 的大小无关。通信的两端共经过 k 段链路。链路的数据传输速率为 b (b/s)，传播时延、结点的排队时延和处理时延均可忽略不计。若欲使总的时延为最小，问分组的数据部分长度 p 应取多大？

16.【解析】
x比特的报文可以拆分成px​个分组，结合上一题的推导，所有分组推到链路上的时延为px​×bp+h​（即分组个数 × 分组大小 / 传输速率）；最后一个分组经过中间节点的转发时延为(k−1)×bp+h​。因此分组交换时延T=px​×bp+h​+(k−1)×bp+h​。
对函数T关于p求导并令它的导数为0，可计算出当p=2k−1xh​​时，分组交换的总时延最小。

17.试计算一个包括 5 段链路的传输连接的单程端到端时延。5 段链路中有 2 段是卫星链路，有三段是广域网链路。每条卫星链路又由上行链路和下行链路两部分组成。可以取这两部分的传播时延之和为 250ms。每一个广域网的范围为 1500km，其传播时延可按 150000km/s 来计算。各数据链路速率为 48kb/s，帧长为 960bit。

17.【解析】
5 段链路的传播时延=250ms×2+150000km/s1500km​×3=530ms；
5 段链路的发送时延=48kb/s960bit​×5=100ms；
所以 5 段链路的单程端到端时延=530ms+100ms=630ms。

18.已知大小为 2KB 的分组在某链路上传输时的 RTT = 500ms，带宽为 4Mbps。现在需要传送一个大小为 10⁶KB 的文件，传送前的连接建立过程耗费 3 个 RTT 的时间（假设第 3 次握手不附加数据）。试计算下列条件下，传送文件耗费的总时间：
(1) 分组可以连续发送，无须等待接收方确认。
(2) 每发送一个分组后都需要耗费 1 个 RTT 的时间用于等待接收方确认。
(3) 在 (2) 的条件下，每次收到确认后可以连续发送 50 个分组。

18.【解析】
(1) 根据题意，传送文件耗费的总时间 = 建立连接 + 传播时延 + 发送时延；
建立连接的时间是 3 个RTT，即1500ms，传播时延=2RTT​=250ms，由于分组可以连续发送，无须等待接收方确认，所以发送时延=4Mbps104KB​=20.48s。
总时间=1.5s+0.25s+20.48s=22.23s。
(2) 每发送一个分组后都需要耗费 1 个RTT的时间用于等待接收方确认，共有2KB104KB​=5×103个分组。在 (1) 的基础上，多了 5000 个RTT，总时间

=22.23s+5000×0.5s=2522.23s。
(3) 由 (2) 可得，共有 5000 个分组，每个RTT后可以发送 50 个分组，共需要5000​/50=100次确认，传送文件耗费的总时间=3RTT+发送时延 + 传播时延

+ 100RTT=1.5s+20.48s+0.25s+50s=72.23s。