2025年TCP-IP详解卷一协议习题答案

2025年TCP-IP详解卷一协议习题答案1.假设某主机需要发送一个总长度为4200字节的IP数据报（其中IP首部20字节），传输路径中最大传输单元（MTU）为1500字节。请计算该数据报需要分片的数量，并说明每个分片的首部长度、数据长度、标志位（MF）和片偏移量。解答：原始数据报总长度4200字节，其中IP首部20字节，因此数据部分长度为4200-20=4180字节。传输路径MTU为1500字节，每个分片的IP首部至少20字节（假设无选项），因此每个分片的数据部分最大为1500-20=1480字节。分片数量计算：4180÷1480≈2.82，需向上取整为3个分片。分片1：首部长度：20字节数据长度：1480字节（未超过MTU限制）标志位MF（MoreFragments）：1（表示后续有分片）片偏移量：0（初始分片偏移为0，单位为8字节块，1480字节=185×8字节）分片2：首部长度：20字节数据长度：1480字节（累计已传输1480×2=2960字节）标志位MF：1（仍有后续分片）片偏移量：1480÷8=185（前一个分片数据长度对应的偏移量）分片3：首部长度：20字节数据长度：41801480×2=4180-2960=1220字节（剩余数据）标志位MF：0（最后一个分片）片偏移量：(1480×2)÷8=2960÷8=370验证总数据长度：1480+1480+1220=4180字节，与原始数据部分一致，分片正确。2.简述ICMP时间戳请求/应答报文的工作原理，并说明其与ICMP回送请求/应答（Ping）的主要区别。ICMP时间戳请求报文由发送方主机提供，包含三个32位时间戳字段：OriginateTimestamp（发送方发出请求的时间）、ReceiveTimestamp（接收方收到请求的时间）、TransmitTimestamp（接收方发送应答的时间）。接收方收到请求后，记录收到时刻填入ReceiveTimestamp，提供应答时记录发送时刻填入TransmitTimestamp，然后将报文返回发送方。发送方通过计算(TransmitTimestampOriginateTimestamp)(ReceiveTimestamp本地发送时间)可估算网络往返延迟中的不对称性，或通过(TransmitTimestamp+应答到达时间OriginateTimestampReceiveTimestamp)计算路径延迟差异。与Ping（回送请求/应答）的区别：目的不同：Ping主要用于检测主机可达性和计算往返时间（RTT）；时间戳请求用于测量网络延迟的双向不对称性，或校准不同主机的时钟（需同步精度较高时）。信息维度不同：Ping仅返回是否可达及RTT；时间戳请求返回三个时间点，提供更细粒度的延迟分布数据（如请求去程时间、应答返程时间）。应用场景不同：时间戳常用于网络性能分析（如卫星链路的延迟不对称检测），Ping则是基础网络诊断工具。3.分析TCP三次握手过程中，若第二次握手（SYN+ACK）丢失，客户端和服务器的行为差异及最终连接建立结果。假设客户端（A）向服务器（B）发起连接，A发送SYN（seq=x）进入SYN_SENT状态。B收到后回复SYN+ACK（seq=y,ack=x+1），进入SYN_RCVD状态。若此SYN+ACK丢失：客户端行为：A在发送SYN后启动重传计时器（初始RTO通常为3秒），超时未收到SYN+ACK则重传SYN（seq=x），重传次数由TCP实现决定（如Linux默认重传5次，总时间约3+6+12+24+48=93秒）。每次重传后RTO指数退避（翻倍），直到达到最大重传次数，此时A终止连接尝试，进入CLOSED状态。服务器行为：B在发送SYN+ACK后，为该半连接分配资源（如保存在SYN队列中），并启动超时计时器（一般为30秒到2分钟）。若超时未收到A的ACK（第三次握手），B会重传SYN+ACK（seq=y,ack=x+1），重传次数同样有限（如Linux默认重传5次）。若所有重传均无响应，B将该半连接从队列中移除，释放资源，回到LISTEN状态。最终结果：若A在重传耗尽前未收到SYN+ACK，或B在半连接超时前未收到ACK，连接无法建立。实际中，由于客户端重传周期较短（初始3秒），而服务器半连接超时较长（如SYNcookies机制启用时，服务器不分配完整资源），多数情况下客户端会先放弃，导致连接失败。4.某TCP连接中，接收方通告的窗口（rwnd）为65535字节，发送方当前拥塞窗口（cwnd）为8000字节，MSS为1460字节。此时发送方实际可发送的最大数据量是多少？若传输过程中出现3个重复ACK，发送方应如何调整cwnd和慢启动阈值（ssthresh）？发送方实际可发送的窗口大小为min(rwnd,cwnd)。题目中rwnd=65535字节，cwnd=8000字节，因此实际发送窗口为8000字节。由于MSS=1460字节，最大可发送的数据段数为8000÷1460≈5.48，即最多发送5个完整MSS（5×1460=7300字节），剩余700字节（8000-7300=700）可作为一个较小的段发送，因此实际最大发送数据量为8000字节。当收到3个重复ACK时，TCP触发快速重传机制，假设此时发生的是部分丢包（网络未完全拥塞），处理步骤如下：慢启动阈值ssthresh更新为当前cwnd的一半（8000÷2=4000字节）。发送方立即重传丢失的报文段（无需等待超时）。进入快速恢复阶段，将cwnd设置为ssthresh+3×MSS（4000+3×1460=4000+4380=8380字节）。选择加3倍MSS是因为收到3个重复ACK意味着有3个报文段已成功到达接收方，网络仍有一定容量。之后每收到一个重复ACK，cwnd增加1×MSS（避免拥塞窗口增长过慢），直到收到对丢失报文段的确认（新ACK），此时cwnd降至ssthresh（4000字节），进入拥塞避免阶段（cwnd线性增长）。5.比较UDP和TCP在传输层的主要差异，并说明为何DNS协议通常使用UDP而非TCP。UDP与TCP的核心差异：连接性：TCP是面向连接的（需三次握手建立连接），UDP是无连接的（无需预建立连接）。可靠性：TCP通过确认（ACK）、重传、滑动窗口实现可靠传输；UDP不保证交付，无重传机制。有序性：TCP保证数据段按序到达；UDP数据报可能乱序。流量控制：TCP通过接收窗口（rwnd）实现流量控制；UDP无流量控制，可能导致接收方缓冲区溢出。首部开销：TCP首部最小20字节（含序号、确认号、窗口等字段）；UDP首部仅8字节（源端口、目的端口、长度、校验和）。DNS使用UDP的主要原因：轻量级需求：DNS查询/应答通常较短（多数情况下小于512字节），UDP的低开销（8字节首部）更适合短报文传输。延迟敏感：DNS解析是网络通信的前置步骤，UDP无需连接建立过程，减少延迟（避免TCP三次握手的往返时间）。可靠性补充：虽然UDP不可靠，但DNS查询失败时，客户端可重试（通常重试2-3次），多数情况下能快速恢复，而TCP的重传机制对短报文而言效率更低。广泛支持：UDP的无连接特性适合分布式的DNS服务器架构（全球数万台递归/权威服务器），无需维护大量持久连接。仅当DNS响应超过512字节（如EDNS0扩展）时，才会切换到TCP传输（使用TCP的53端口）。6.假设TCP连接中，发送方当前cwnd=4MSS，ssthresh=8MSS，处于拥塞避免阶段。若此时发生超时重传，说明拥塞窗口、慢启动阈值的变化过程，并绘制状态转移图（文字描述）。超时重传表明网络拥塞较严重（可能丢包率高），TCP的处理步骤如下：慢启动阈值ssthresh更新为当前cwnd的一半：4MSS÷2=2MSS。拥塞窗口cwnd重置为1MSS（进入慢启动阶段）。重传丢失的报文段，并启动新的重传计时器。状态转移过程：拥塞避免阶段（cwnd=4,ssthresh=8）→超时事件→ssthresh=2，cwnd=1→慢启动阶段（cwnd指数增长：1→2→4…直到达到ssthresh=2MSS）→当cwnd=2MSS时，进入拥塞避免阶段（cwnd线性增长：2→3→4…）。具体增长过程：慢启动阶段：初始cwnd=1MSS，每收到一个ACK，cwnd+1M