第4章 网络层

第4章

4-1 网络层向上提供的服务有哪两种？试比较其优缺点。 解答：面向连接的虚电路服务和无连接的数据报服务。 对比的方面 思路 连接的建立 终点地址 虚电路服务 可靠通信应当由网络来保证 必须有 仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号 分组的转发 属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发 当结点出故障时 分组的顺序 端到端的差错处理和流量控制 所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作 总是按发送顺序到达终点 可以由网络负责，也可以由用户主机负责 出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化 到达终点时不一定按发送顺序 由用户主机负责 每个分组独立选择路由进行转发 数据报服务 可靠通信应当由用户主机来保证 不需要 每个分组都有终点的完整地址 4-2 作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？ 解答：(1) 物理层使用的中间设备叫做转发器(repeater)。

(2) 数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器(bridge)。 (3) 网络层使用的中间设备叫做路由器(router)。

(4) 在网络层以上使用的中间设备叫做网关(gateway)。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

4-3 试简单说明下列协议的作用： IP, ARP和ICMP。

解答：网际协议IP用于互连异构网络，运行在主机和互连异构网络的路由器上，使这些互连的异构网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。

地址解析协议ARP用来把一个机器的IP地址解析为相应的物理地址。

互联网控制报文协议ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

4-4 为什么ARP查询要在广播帧中发送，而ARP响应要用单播帧？

解答：由于查询方不知道被查询方的MAC地址（这也正是为何要进行ARP查询的原因），而所有结点都要处理广播帧，因此通过广播发送给被查询方。而被查询方通过接收到的广播帧的源地址知道查询方的MAC地址了，因此可以用该地址进行响应，这样局域网中的除查询方外其它主机就不会接收和处理该ARP响应了，避免浪费带宽和其它主机的计算资源。

4-5 分类IP地址分为哪几类？各如何表示？IP地址的主要特点是什么？ 解答：IP地址分为五类：

A类地址：网络号前8位，第1位为0； B类地址：网络号前16位，前2位为10；

C类地址：网络号前8位，前3位为110； D类地址：网络号前8位，前4位为1110； E类地址：网络号前8位，前4位为1111。 IP地址具有以下一些重要特点：

(1) 每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。从这个意义上说，IP地址是一种分等级的地址结构。

(2) 实际上IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。

(3) 按照因特网的观点，一个网络是指具有相同网络号net-id的主机的集合，因此，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。

(4) 在IP地址中，所有分配到网络号的网络(不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网)都是平等的。

4-6 对于分类编址方式，分别计算A、B、C三类网络各自可容纳的主机数量。 解答：A:16777214; B:65534;C:254。

4-7 试说明IP地址与硬件地址的区别。为什么要使用这两种不同的地址？

解答：从层次的角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的）。

由于世界上已经存在各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址，为了互连这些使用不同硬件地址的网络，需要在上层使用一种统一的逻辑地址，即IP地址。因此，当在一个物理网络中进行通信时，要使用该网络网络的硬件地址，而要跨多个网络进行通信时就必须使用IP地址。

另外，数据链路层和网络层使用不同的地址，可以保持各层的独立性，底层物理网络可以采用任何技术，并可以支持其他网络层协议（如：IPX、DECnet等）。

4-8 试辨认分类编址方式中以下IP地址的网络类别，并写出相应的掩码。 (1) 128.36.199.3 (2) 21.12.240.17 (3) 183.194.76.253 (4) 192.12.69.248 (5) 89.3.0.1 (6) 200.3.6.2

解答：(2)和(5)是A类，掩码：255.0.0.0，(1)和(3)是B类，掩码：255.255.0.0，(4)和(6)是C类，掩码：255.255.255.0。

4-9 当某个路由器发现一IP数据报的检验和有差错时，为什么采取丢弃的办法而不是要求源站重传此数据报？计算首部检验和为什么不采用CRC检验码？

解答：IP协议不实现可靠数据传输，IP协议没有重传机制。同时，源地址字段也可能出错，以致无法找到源站。

虽然CRC的检错能力更强，但因特网校验和算法比CRC更易于用软件实现，并且计算更快，而CRC更适合用硬件来实现，因此在数据链路层通常使用CRC，但在IP协议中却不采用CRC，以减轻路由器的负担。

4-10 什么是最大传送单元MTU？它和IP数据报首部中的哪个字段有关系？

解答：在IP层下面的每一种数据链路层都有其自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，这称为最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。当一个IP数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度（即首部加上数据部分，IP首部中总长度字段）一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。

4-11 某单位分配到地址块129.250.0.0/28。该单位有4000台机器，平均分布在16个不同的地点。试给每一个地点分配一个网络地址和子网掩码，并算出每个地点主机号码的最小值和最大值。

解答：选用子网掩码为255.255.255.0，每个子网有254个可分配地址。4000多台计算机分布在16不同地点，所以每个地点最多254台电脑。每个地点的网络前缀和主机号码的最小值和最大值为:

129.250.1.0: 129.250.1~129.250.1.254 129.250.2.0: 129.254.2.1~129.250.2.254 129.250.3.0: 129.250.3.1~129.250.3.254 ?????????????

129.250.16.0: 129.250.16.1~129.250.16.254

4-12 路由器转发IP数据报的基本过程。

解答：在划分子网的情况下，路由器转发分组的算法如下： (1)从收到的数据报首部提取目的IP地址D。

(2)先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的掩码和D逐位相“与”（AND操作），看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则把分组进行直接交付（当然还需要把D转换成物理地址，把数据报封装成帧发送出去），转发任务结束。否则就是间接交付，执行(3)。

(3)对路由表中的每一行（网络地址，掩码，下一跳，接口），用其中的掩码和D逐位相“与”（AND操作），其结果为N。若N与该行的网络地址匹配，则把数据报传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4)若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(5)。

(5)报告转发数据报出错。

4-13 某主机的IP地址是227.82.157.177/20。试问该主机所连接的网络的网络前缀是什么？该网络的网络地址是什么？主机号占多少位？主机号的二进制表示是什么？

解答：网络前缀是：11100011 01010010 1001，或用十进制表示为：227.82.144.0/20。 网络地址是：11100011 01010010 10010000 00000000，或用十进制表示为：227.82.144.0。 主机号占12位，其二进制这表示是：1101 10110001。

4-14 已知某地址块中的一个地址是140.120.84.24/20。试问该地址块中的第一个地址是什么？这个地址块共包含有多少个地址？最后一个地址是什么？

解答：第一个地址：140.120.80.0。地址块中的地址数是4096个。最后一个地址：140.120.95.255。

4-15 某主机的IP地址为140.252.20.68，子网掩码为255.255.255.224，计算该主机所在子网的网络前缀（采用CIDR地址表示法a.b.c.d/x），该子网的地址空间大小和地址范围（含特殊地址）。

解答：140.252.20.64/27，32, 140.252.20.64至140.252.20.95

4-16 IGP和EGP这两类协议的主要区别是什么？ 解答：(1) 内部网关协议IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议，而这与在互联网中的其他自治系统选用什么路由选择协议无关。目前这类路由选择协议使用得最多，如RIP和OSPF协议。

(2) 外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 若源主机和目的主机处在不同的自治系统中（这两个自治系统可能使用不同的内部网关协议），当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。

4-17 试简述RIP, OSPF和BGP路由选择协议的主要特点。 解答：RIP协议采用距离向量算法，其特点是：

(1) 仅和相邻路由器交换信息。如果两个路由器之间的通信不需要经过另一个路由器，那么这两个路由器就是相邻的。RIP协议规定，不相邻的路由器不交换信息。

(2) 路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。也就是说，交换的信息是：“我到本自治系统中所有网络的（最短）距离，以及到每个网络应经过的下一跳路由器”。

(3) 按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。然后路由器根据收到的路由信息更新路由表。当网络拓扑发生变化时，路由器也及时向相邻路由器通告拓扑变化后的路由信息。

OSPF协议采用链路状态算法，其特点是：

(1) 向本自治系统中所有路由器发送信息。这里使用的方法是洪泛法(flooding)，这就是路由器通过所有输出端口向所有相邻的路由器发送信息。而每一个相邻路由器又再将此信息发往其所有的相邻路由器（但不再发送给刚刚发来信息的那个路由器）。这样，最终整个区域中所有的路由器都得到了这个信息的一个副本。

(2) 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。所谓 “链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。OSPF将这个“度量”用来表示费用、距离、时延、带宽，等等。这些都由网络管理人员来决定，因此较为灵活。为了方便就称这个度量为“代价”。

(3) 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此信息。而不像RIP那样，不管网络拓扑有无发生变化，路由器之间都要定期交换路由表的信息。

(4) 对于规模很大的网络，OSPF可以把一个自治系统再划分为若干个更小范围的区域(area)，实现层次路由。

BGP协议采用路径向量算法，其特点是：

(1) BGP在自治系统之间交换交换“可达性”信息（即“可到达”或“不可到达”），而不是用“代价”作为度量来寻找最佳路由。例如，告诉相邻路由器：“到达目的网络N可经过ASx”。

(2) AS之间的路由选择必须考虑有关策略。这些策略包括政治、安全或经济方面的考虑。 (3) 边界网关协议BGP只是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。

4-18 比较交换机和路由器各自的特点和优缺点。 解答：路由器是利用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。尽管交换机也是一个存储转发分组交换机，它和路由器根本不同，因为它用MAC地址转发分组。交换机是第二层的分组交换机，而路由器是一个第三层的分组交换机。

交换机的优点：交换机是即插即用的。交换机还能够具有相对高的分组过滤和转发率（交换机只需处理通过第二层传送上来的分组，而路由器必须处理通过第三层传送上来的帧）。

交换机的缺点：由于MAC地址是平坦的，一个大型交换机网络要求交换机维护大的转发表，也将要求在主机中维护大的ARP表，将产生和处理大量的ARP流量。交换机对于广播风暴不提供任何保护措施，如果一台主机失去控制并传输了无穷的以太网广播帧流，交换机将转发所有这些帧，导致整个以太网的崩溃。交换机网络的拓扑结构限制为一棵生成树。

路由器的优点：分组就不会被限制在一棵生成树上，并且可以使用源和目的之间的最佳路径。因为网络寻址经常是层次的（不像MAC寻址那样是平面的），即使当网络中存在冗余路径，分组通常也不会在路由器中循环。（当路由器表配置有问题时，分组可能会循环；但IP用一个特殊的报文首部字段来限制循环。）路由器为第二层的广播风暴提供了隔离保护。

路由器的缺点：路由器不是即插即用的（它们以及连接到它们的主机都需要配置IP地址）。路由器对每个分组处理时间通常比交换机更长。因为它们必须处理到第三层的字段。

4-19 简述IGMP和多播选路协议的作用。

答：IGMP和多播选路协议是因特网实现网络层多播的两个互补的组件： IGMP通知本地的多播路由器有主机参与某多播组。

多播选路协议用于本地多播路由器与其他多播路由器联系，传送组成员关系信息，建立多播路由。

4-20 从IPv4过渡到IPv6的方法有哪些？

解答：主要有两种向IPv6过渡的策略，即使用双协议栈和使用隧道技术。

双协议栈是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机（或路由器）装有两个协议栈，一个IPv4和一个IPv6。因此双协议栈主机（或路由器）既能够和IPv6的系统通信，又能够和IPv4的系统进行通信。双协议栈主机在和IPv6主机通信时是采用IPv6地址，而和IPv4主机通信时就采用IPv4地址。

向IPv6过渡的另一种方法是隧道技术。在IPv6数据报要进入IPv4网络时，将IPv6数据报封装成为IPv4数据报，然后IPv6数据报就在IPv4网络的隧道中传输。当IPv4数据报离开IPv4网络中的隧道时，再将其数据部分（即原来的IPv6数据报）交给主机的IPv6协议栈。

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