第四章网络层

1.网络层提供的主要功能是什么？ P130

1）转发
2）路由选择

2.说明转发和路由的含义，有什么区别和联系？ P130

（1）含义

1）转发：当通过一条输入链路接收到一个分组后，路由器需要决策通过哪条输出链路将分组发送出去，并将分组从输入接口转移到输出接口。

2）路由：分组经过的路径选择。

（2）区别和联系

1）转发是在一个路由中；路由选择则是在一条路径中。

2）路由选择好之后，会存在转发表中，路由选择相当于预先设置，转发是执行者。

3）路由是根据路由表查找到达目标网络的最佳路由表项；转发是根据最佳路由中的出口及下一跳IP转发数据包的过程。所以，路由选择是转发的基础，数据转发是路由的结果。

3.对比虚电路网络和数据报网络的优缺点。 P134

1.传输效率

网络上传送的报文，在很多情况下其长度都很短。用数据报既迅速又经济。但若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。

2.路由选择

在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。而在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。

3.处理的复杂性

(1)在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。

(2)在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。

(3)数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。

(4)但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。

(5)数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址。

4.虚电路网络如何建立虚电路？虚电路网络分组转发的依据是什么？ P133

（1）建立虚电路：

虚电路是在源主机到目的主机的一条路径上建立的一条网络层逻辑连接，为区别于电路交换中的电路，称之为虚电路。

（2）依据：

每条虚电路都有虚电路号，称为虚电路标识（VCID），沿某条虚电路传输的分组中包含所属虚电路的VCID。虚电路网络设备根据分组所携带的VCID判断其所属的虚电路，从而决策如何转发分组，并确保分组沿对应虚电路送达目的。

5.实现异构网络互联的主要方法有哪些？典型实现异构网络互联的网络设备是什么？ P135

（1）方法：协议转换和构建虚拟互联网络。

（2）设备：路由器是最典型的网络层设备。

6.路由器有哪些部分组成？各部分主要功能是什么？ P136

1）输入端口：负责从物理接口接收信号，还原数据链路层帧，提取IP数据报（或其他网络层协议分组），根据IP数据报的目的IP地址检索路由表，决策需要将该IP数据报交换到哪个输出端口；

2）交换结构：将输入端口的IP数据报交换到指定的输出端口；

3）输出端口：首先提供一个缓存排队功能，排队交换到该端口的待发送分组，并从队列中不断取出分组进行数据链路层数据帧的封装，通过物理线路端发送出去；

4）路由器处理器：就是路由器的CPU，负责执行路由器的各种指令，包括路由协议的运行、路由运算，以及路由表的更新维护等。

7.网络层出现拥塞的原因是什么？有哪些网络层拥塞控制策略？ P139

（1）原因：

1）缓冲区容量有限；

2）传输线路的带宽有限；

3）网络结点的处理能力有限；

4）网络中某些部分发生了故障。

（2）策略：

1）拥塞预防：流量感知路由；准入控制。

2）拥塞消除：流量调节；负载脱落。

8.请将IP网络183.164.128.0/17划分为等长的8个子网，并分别给出每个子网的子网地址、广播地址、子网掩码、IP地址总数、可分配IP地址数和可分配IP地址范围。 P151

·答：

解析：

子网地址：主机位全为0

广播地址：主机位全为1 or （子网地址异或子网掩码的反码）

子网掩码：网络为全为1，主机位全为0

IP地址范围：子网地址~广播地址

9.某ISP拥有一个网络地址块201.123.16.0/21，现在该ISP要为4个组织分配IP地址，其需要的地址数量分别为985、486、246以及211，请给出一个合理的分配方案，并说明各组织所分配子网的子网地址、广播地址、子网掩码、IP地址总数、可分配IP地址数和可分配IP地址范围。 P152-153

·答：

解析：

2^10=1024 2^9=512 2^8=256

201.123.16.0/21表示前21为网络号，划分为四个子网，若采用等长划分，需占用2位表示子网，分给主机的还有（32-21-2）9位，最多可划分的IP地址数量为29=512，而四个组织中其一需要的IP地址数量985超过了512，所以等长划分子网不能满足要求，需要采用不等长划分子网。

10、现有一个总长度为3800的IP数据报，要通过MTU为1500的链路传输，在IPv4下应如何分片？每片的DF、MF标志位的值是什么？片偏移的值是什么？ P147

答：

解析：

①题意：

IP数据报总长度：L=3800

最大传输单元(MTU)：M=1500

②公式：

③定义：

④计算：

最大分片可封装的数据长度：

d=[1500-20/8]×8=1480

需要的IP分片总数：

n=[3800-20/1480]≈2.43 即需要的IP分片总数为3

每个IP分片的偏移字段：

F1=1480/8×（1-1）=0

F2=1480/8×（2-1）=185

F3=1480/8×（3-1）=370

每个IP分片的总长度字段：

当i=1时，L1=1480+20=1500

当i=2时，L2=1480+20=1500

当i=3时，L3=3800-1480×(3-1)=840

每个IP分片的MF字段：

当i=1时，MF1=1

当i=2时，MF2=1

当i=3时，MF3=0

每个IP分片的DF字段：都为0。

因为网络层在处理IP数据报时先看DF位，若DF=0，才会看MF；若DF=1，表示不允许分片，这时不再看MF具体是什么值(即不管是1还是0都没有意义，因为根本就没有分片)，路由器会丢弃该分组。

11.一个新加入到网络中的主机需要发送DHCP请求来获取一个可用的IP地址，为什么DHCP请求要以广播的形式发送出去？当某台DHCP服务器接收到了一台主机的DHCP请求会返回一个DHCP响应，为什么DHCP响应也要以广播的形式发送出去？ P155-156

1）DHCP服务器发现。新到达主机的首要任务便是进行DHCP客户，并发送DHCP发现报文，以便发现DHCP服务器。主机使用UDP向67端口发送DHCP发现报文，UDP报文段进一步封装到IP数据报中。显然，此时主机并不知道DHCP服务器的IP地址，自己也没有分配到IP地址，所以主机会在IP数据报的目的IP地址字段中填入255.255.255.255，表明这是一次广播，在源IP地址字段中填入0.0.0.0。

2）DHCP服务器提供。当某台服务器在端口67上提供DHCP服务，并且接收到DHCP发现报文后，会发送一个DHCP提供报文，来响应主机。由于新接入到网络中的主机此时仍不具有可用IP地址，因此DHCP提供报文仍是通过广播方式发送出去。

12.简述ICMP的主要功能。 P158

（1）主机或路由器在处理或转发IP数据报的过程中，由于种种原因可能导致异常发生，此时主机或路由器就可能需要将这些异常情况及时反馈给其他主机或路由器，而IP本身没有这种功能。

（2）ICMP的主要目的就是在这种情况下，在主机或路由器间，实现差错信息报告。

（3）另一方面，通过主动发送ICMP询问请求报文，并通过接收ICMP响应报文，可以实现网络可达性或特定信息的探询。

（4）因此，ICMP的主要功能是进行主机或路由器间的网络层差错报告与网络探测。

13、某网络拓扑图如图所示，路由器R1通过接口E1、E2分别连接局域网1、局域网2，通过接口L0连接路由器R2，并通过路由器R2连接域名服务器与互联网。R1的L0接口的IP地址是202.118.2.1；R2的L0接口的IP地址是202.118.2.2，L1接口的IP地址是130.11.120.1，E0接口的IP地址是202.118.3.1；域名服务器的IP地址是202.118.3.2。 P153

（1）将IP地址空间202.118.1.0/24分配给局域网1、局域网2，每个局域网需分配的IP地址不少于120个。请给出分配结果，并分别写出局域网1、局域网2的子网地址、广播地址、子网掩码、IP地址总数、可分配IP地址数和可分配IP地址范围。
（2）请给出R1的路由表，使其明确包括局域网1的路由、局域网2的路由、域名服务器的主机路由和互联网的路由。
（3）请采用路由聚合技术，给出R2到局域网1、局域网2的路由。

答：

解析：

14.解释网络地址转换（NAT）的工作原理，如何实现NAT穿透？P156

（1）原理：对于从内网出去，进入公共互联网的IP数据报，将其源IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址，同时替换源端口号，并将替换关系记录到NAT转换表中；对于从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的IP地址与目的端口号检索NAT转换表，并利用检索到的内部私有IP地址与对应的端口号替换目的IP地址和目的端口号，然后将IP数据报转发到内部网络。

（2）穿透：所谓NAT穿透技术就是在外网主机主动与内网主机发起通信之前，先在NAT转换表中建立好内网到外网的映射，使内网运行的服务以NAT公网地址的“合法”身份“暴露”出去。这样，在外网主机看来，它们是在与NAT公网地址上运行的服务器进行通信。可通过静态配置和动态配置的方式事先建立NAT映射。