第四章 网络层

计算机网络谢希仁第四章：网络层1、网络层向上提供的服务有哪两种？试比较其优缺点。

（教材109）答：网络层向上提供了数据报和虚电路两种服务，其优缺点的比较如下：(1)虚电路是面向连接的，提供的服务可以保证数据传输的可靠性和投递顺序的正确性；数据报是无连接的，只提供尽最大努力的交付，不能保证传输的可靠性和投递顺序的正确性。

(2)网络采用数据报传输方式可大大简化网络层的结构；虚电路让电信网络负责保证可靠通信所采取的措施，使得电信网的结点交换机复杂而昂贵。

但是相对而言，采用数据报时，由主机负责端到端的可靠性，包括差错处理和流量控制，因此主机的处理负担较大。

（3）虚电路有连接建立和释放阶段，数据传输启动慢；数据报不用建立连接，数据传输启动快。

（4）为了在交换结点进行存储转发，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，只需要有一个简单的虚电路号码标识，这就使得虚电路分组中的控制信息部分的比特数减少，从而减少了系统开销。

（5）虚电路在连接建立的阶段确定数据传输的路由，属于同一条虚电路的分组均按照同一条路由进行转发；数据报对每个分组都独立的做路由选择。

显然，在数据传输阶段，数据报的路由处理负担较大。

但是在网络出现故障的情况下，所有通过故障结点的虚电路都不能工作，而数据报可以灵活的选择替代路由。

2、网络互连有何实际意义？进行网络互连时，有哪些共同的问题需要解决？（教材110）答：（1）单一的网络无法满足各种用户的多种需求，因此，把许多种不同类型的物理网络互相连接在一起，可以实现更大范围内的通信。

实际中使用的TCP/IP 协议，定义了一种抽象的网络，隐藏了互连的各种不同物理网络的细节，使得互连后的网络像一个单一的大网络。

（2）进行网络互连时，需要解决的共同的问题：不同的寻址方案、不同的最大分组的长度、不同的网络接入机制、不同的超时控制、不同的差错恢复方法、不同的状态报告方法、不同的路由选择技术、不同的用户接入控制、不同的服务（面向连接的服务和无连接的服务）、不同的网络管理和控制方式等。

第四章网络层4-01. 网络层向上提供的服务有哪两种？试比较其优缺点。

答：网络层向运输层提供“面向连接”虚电路（Virtual Circuit）服务或“无连接”数据报服务。

前者预约了双方通信所需的一切网络资源。

优点是能提供服务质量的承诺。

即所传送的分组不出错、丢失、重复和失序（不按序列到达终点），也保证分组传送的时限。

缺点是路由器复杂，网络成本高；后者无网络资源障碍，尽力而为，优缺点与前者互易。

4-02. 网络互连有何实际意义？进行网络互连时，有哪些共同的问题需要解决？答：网络互联可扩大用户共享资源范围和更大的通信区域。

进行网络互连时，需要解决共同的问题有：⑴不同的寻址方案；⑵不同的最大分组长度；⑶不同的网络接入机制；⑷不同的超时控制；⑸不同的差错恢复方法；⑹不同的状态报告方法；⑺不同的路由选择技术；⑻不同的用户接入控制；⑼不同的服务（面向连接服务和无连接服务）；⑽不同的管理与控制方式。

4-03. 作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？答：中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。

⑴物理层中继系统：集线器，转发器(repeater)。

⑵数据链路层中继系统：交换机，网桥或桥接器(bridge)。

⑶网络层中继系统：路由器(router)。

⑷网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。

⑸网络层以上的中继系统：网关(gateway)。

4-04. 试简单说明下列协议的作用：IP、ARP、RARP和ICMP。

答：IP协议：实现网络互连。

使参与互连的性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

网际协议TCP、IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，与IP协议配套使用的还有四个协议。

ARP协议：是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。

RARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题。

ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会。

第四章网络层1.网络层向上提供的服务有哪两种？是比较其优缺点。

2.作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？3.试简单说明下列协议的作用：IP、ARP和ICMP。

4.IP地址分为几类？各如何表示？IP地址的主要特点是什么？5.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？6.（1）子网掩码为255.255.255.0代表什么意思？（2）一网络的现在掩码为255.255.255.248，问该网络能够连接多少个主机？（3）一A类网络和一B网络的子网号subnet-id分别为16个1和8个1，问这两个子网掩码有何不同？（4）一个B类地址的子网掩码是255.255.240.0。

试问在其中每一个子网上的主机数最多是多少？(5)一A类网络的子网掩码为255.255.0.255；它是否为一个有效的子网掩码？(6)某个IP地址的十六进制表示C2.2F.14.81，试将其转化为点分十进制的形式。

这个地址是哪一类IP地址？(7)C类网络使用子网掩码有无实际意义？为什么？7.试辨认以下IP地址的网络类别。

（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）200.3.6.28. IP数据报中的首部检验和并不检验数据报中的数据。

这样做的最大好处是什么？坏处是什么？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？10.什么是最大传送单元MTU？它和IP数据报的首部中的哪个字段有关系？11.在因特网中将IP数据报分片传送的数据报在最后的目的主机进行组装。

还可以有另一种做法，即数据报片通过一个网络就进行一次组装。

是比较这两种方法的优劣。

12. 一个3200位长的TCP报文传到IP层，加上160位的首部后成为数据报。

下面的互联网由两个局域网通过路由器连接起来。

第4章网络层一、课程引入1.OSPF的名字是开放最短路径优先(Open Shortest Path First)，是为克服 RIP 的缺点在 1989 年开发出来的。

2.OSPF 的原理很简单，但实现起来却较复杂。

二、新课讲授第4章网络层4.5.3 内部网关协议 OSPF1. OSPF 协议的基本特点⏹“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。

⏹“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF⏹采用分布式的链路状态协议 (link state protocol)。

⏹注意：OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。

2.三个要点：⏹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。

⏹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。

⏹“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)。

⏹只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

3.链路状态数据库 (link-state database：(1)由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。

(2)这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）。

(3)OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新，使各个路由器能及时更新其路由表。

(4)OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点。

4.OSPF 的区域 (area)：(1)为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。

(2)每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。

(3)区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。

5.OSPF 的其他特点：(1)OSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价。

（答案仅供参考如有不对请自己加以思考） 第四章 网络层一．习题 1.在 TCP/IP 模型中，上层协议实体与下层协议之间的逻辑接口称为服务访问点（SAP） 。

在 internet 中，网络层的访问点是（ ） 。

Ａ ＭＡＣ地址 Ｂ ＬＬＣ地址 Ｃ ＩＰ地址 Ｄ 端口号 ２.下列能反映出使网络中发生了拥塞的现象是（ ） 。

Ａ 随着网络负载的增加，吞吐量反而降低 Ｂ 网络结点接收和发出的分组越来越多 Ｃ 随着网络负载的增加，吞吐量也增加 Ｄ 网络结点接收和发出的分组越来越少 ３.路由器转发分组是根据报文的（ ） 。

Ａ 端口号 Ｂ ＭＡＣ地址 Ｃ ＩＰ地址 Ｄ 域名 ４.在路由器进行互连的多个局域网的结构中，要求每个局域网（ ） 。

Ａ 物理层、数据链路层、网络层协议都必须相同，而高层协议可以不同 Ｂ 物理层、数据链路层协议可以不同，而数据链路层以上的高层协议必须相同 Ｃ 物理层、数据链路层、网络层可以不同，而网络层以上的高层协议必须相同 Ｄ 物理层、数据链路层、网络层及高层协议可以不同 ５.下列协议中属于网络层协议的是（ ） 。

I．ＩＰ II．ＴＣＰ III．ＦＴＰ IV．ＩＣＭＰ Ａ Ｉ和 II Ｂ II 和 III Ｃ III 和 IV ６.以下说法错误的是（ ） 。

I.路由选择分直接交付和间接交付 II.直接交付时，两台机器可以不在同一物理段内 III.间接交付时，不涉及直接交付 IV.直接交付时，不涉及路由器 A I 和 II B II 和 III C.III 和 IV D I 和 IV 7.路由器在能够开始向输出链路传输分组的第一位之前， 必须接收到整个分组， 这种机制称 为（ ） 。

A.存储转发机制 B.直通交换机制 C.分组交换机制 D.分组检测机制 8.下列关于拥塞控制策略的描述中， ）符合开环控制。

（ A.在拥塞已经发生、或即将发生时做出反应，调节交通流 B.根据用户的协议限制进入网络的交通，从而阻止拥塞的发生 C.需要实时将网络的状态反馈到调节交通的地点（通常是源） D.不需要预留某些资源，资源的使用率很高 9.下列关于交换机式网络和路由网络的描述， ）是错误的。

第四章网络层：IP路由原理4.1 路由、路由表与静态路由路由(route)就是分组在因特网上从一台计算机传输到另一台计算机的实际路径。

这一概念看似简单，但读者应该明确两个要点：第一，由于因特网是分组交换网络，因此每个IP分组都有其独立的路由；第二，因特网是依靠路由器将物理网络连接而成的逻辑网络，在这一图像的背景上，路由实际上是IP分组所经过的一连串路由器的序列。

路由的概念毕竟是简单而直观的，真正微妙的问题在于:因特网上的路由器是怎样为每个IP分组找到正确的路由的(routing)？答案是：因特网上的每个路由器都存储有一张表，称为路由表(routing table)，路由器正是依据路由表的内容将各个IP分组转发到正确的去处。

一个概念路由表的例子请读者对照图4-1的网络拓扑仔细阅读表4-1，不难领会出路由表表达路由信息的方式。

路由器计算机图4-1 网络及路由器表4-1 路由器R3上的逻辑路由表表项 涵 义（N1，R2）从R3到达N1的最优路径是经过R2（N2，- ） N2与R3邻接（N3，- ） N3与R3邻接（N4，R4）从R3到达N4的最优路径是经过R4（N5，R4）从R3到达N5的最优路径是经过R4（N6，R4）从R3到达N6的最优路径是经过R4路由表小结一个路由器上的路由表反映的是该路由器与相邻路由器的连接关系，以及任何一个可达网络与某个邻接路由器的“目标-经过”关系；一个路由器上的路由表从来不会去反映该路由器与任何非邻接路由器的连接关系。

每个表项（D，N）中的D多数情况下是目标网络的IP地址，而非目标计算机的IP地址，这样做的目的是为了最大限度地提高路由表示的效率。

表4-1表达的是概念化的路由表，路由器上实际存储的路由表要复杂得多，而且各个路由器开发商都有自己独特的实现方式, 但是都较普遍地包含以下五个属性，这些也是任何路由表表项最重要的属性：目标网络的IP地址：一个32位数1。

目标网络的子网掩码：一个32位数。

第四章-网络层试题第4章网络层填空题1. 在因特网中，远程登录系统采用的工作模式为_______模式。

【解答】客户机／服务器或C／S。

【考查知识点】T elnet采用客户机／服务器模式。

2. IP数据报中总长度是指_____和______之和的长度.单位为字节。

最大长度为______字节。

当数据报分片后.总长度是指_______。

【解答】首部／数据／65535／分片后的每一个分片的首部和数据长度的总和【考查知识点】总长度字段为16位.因此数据报的最大长度为2^16-1=65535字节。

3. ping和ipconfig的作用分别是________和_______.【解答】测试网络连接情况／查看网络设置4. CSMA/CD指的是________和_______。

【解答】载波监听多路访问／冲突检测5. IP地址的编址方法共经过了三个阶段。

这三个阶段是___、____、____。

【解答】分类的IP地址／子网的划分／构成超网。

【考查知识点】对IP地址编址方法的历史了解。

6. （1）物理层使用的中间设备叫做________。

（2）数据链路层使用的中间设备叫做________或________。

（3）网络层使用的中间设备叫做________。

（4）在网络层以上使用的中间设备叫做________。

【解答】.（1）转发器（2）网桥／桥接器（3）路由器（4）网关【考查知识点】各层使用的中继物理设备。

7. IP协议配套的另外四个协议是：__________、__________、__________、_________。

【解答】ARP／RARP／ICMP／IGMP。

【考查知识点】IP协议。

8.多播地址只能用于_______地址，不能用于_______地址。

【答案】目的／源。

【考查知识点】IP多播。

9. ICMP的差错报告报文共有5种，分别是__________、__________、__________、_________、_________。

第四章网络层典型例题分析：【例4.1】为了提供更多的子网，为一个B类地址指定了子网掩码255.255.240.0，则每个子网子网可以有的主机数是（）A.16B.256C.4094D.4096【例4.2】下列能反映出是网络中发生了拥塞的现象是（）A.网络结点接收和发出的分组越来越少B.网络结点接收和发出的分组越来越多C.随着网络负载的增加，吞吐量也增加D.随着网络负载的增加，吞吐量反而降低【例4.3】对分片后的数据报进行重组的地方是（）A.目的端系统B.中间主机C.核心路由器D.下一跳路由器【例4.4】路由表错误和软件故障都可能使得网络中形成数据传输环路，解决该问题的方法是（）A.报文分片B.增加校验和C.设定生命期D.增加选项字段【例4.5】如果一个路由器收到的Ipv6数据报因太大而不能转发到链路上，则路由器将把该数据报（）A.分片B.丢弃C.暂存D.转发至能支持该数据报的出链路上【例4.6】某单位分配到一个B类IP地址，其网络地址为191.250.0.0。

该单位有4000台计算机，平均分布在16个不同的地点。

如选用子网掩码为255.255.255.0，试给每一个地点分配一个子网号码，并算出每个地点主机号码的最小值和最大值。

精选试题练习：【题4.1】下列协议中属于网络层协议的是（）Ａ．ＩＰ和ＴＣＰＢ．ＡＲＰ和ＴｅｌｎｅｔＣ．ＦＴＰ和ＵＤＰＤ．ＩＣＭＰ和ＩＰ【题4.２】要控制网络上的广播风暴，可以采用的方法是（）Ａ．用网桥将网络分段Ｂ．用路由器将网络分段Ｃ．将网络转接成１０Ｂａｓｅ－ＴＤ．用网络分析仪跟踪正在发送广播信息的计算机【题4.３】在ＩＰ首部的字段中，与分片和重组无关的是（）Ａ．总长度Ｂ．标识Ｃ．标志Ｄ．片偏移【题4.４】子网２０２．１２．６３．０／２５的子网掩码是（）Ａ．２５５．２５５．２５５．０Ｂ．２５５．２５５．２５４．０Ｃ．２５５．２５５．２５５．１２８Ｄ．２５５．２５５．２５５．１９２【题4.５】决定路由器转发表中的值的算法是（）Ａ．选路算法Ｂ．指数回退算法Ｃ．流量控制算法Ｄ．分组调度算法【题4.６】确定分组从源结点通过通信子网到达目的结点的最佳传输路径需要使用（）Ａ．差错控制算法Ｂ．拥塞控制算法Ｃ．路由选择算法Ｄ．协议变换算法【题4.７】有一个令牌环子网和以太网子网通过路由器连接，令牌环子网速率为４Ｍｂｉｔ／ｓ，使用ＴＣＰ／ＩＰ。

计算机⽹络基础-4-⽹络层⽹络层⼀、虚电路和数据报 在计算机⽹络领域，⽹络层应该向运输层提供怎样的服务(“⾯向连接”还是“⽆连接”)曾引起了长期的争论。

争论焦点的实质就是：在计算机通信中， 可靠交付应当由谁来负责？是⽹络还是端系统。

于是就产⽣了两种形式：虚电路和数据报。

1.虚电路 观点：让⽹络负责可靠交付。

认为应借助于电信⽹的成功经验，让⽹络负责可靠交付，计算机⽹络应模仿电信⽹络，使⽤⾯向连接的通信⽅式。

通信之前应先 建⽴虚电路，以保证双⽅通信所需的⼀切⽹络资源。

如果再使⽤可靠传输的⽹络协议，就可使所发送的分组⽆差错按序到达终点，不丢失、不重复。

2.数据报 互联⽹的先驱者提出了⼀种崭新的⽹络设计思路。

⽹络层向上只提供简单灵活的、⽆连接的、尽最⼤努⼒交付的数据报服务。

⽹络在发送分组时不需要先建⽴ 连接。

每⼀个分组(即IP数据报)独⽴发送，与其前后的分组⽆关(不进⾏编号)。

⽹络层不提供服务质量的承诺。

即所传送的分组可能会出错、丢失、重复和失序(不按 序到达终点)，当然也不保证分组传送的时限。

由于传输⽹络不提供端到端的可靠性传输服务，这就使⽹络中的路由器可以做得⽐较简单，⽽且价格低廉(同电信⽹的交换机⽐较)。

如果主机(即端系统)中的进程 之间的通信需要是可靠的，那么就由⽹络的主机中的运输层负责可靠交付(包括差错处理、流量控制等)。

采⽤这种设计思路的好处是：⽹络的造价⼤⼤降低，运⾏⽅式 灵活，能够适应多种应⽤。

互联⽹能够发展到今天的规模，充分证明了当采⽤这种设计思路的正确性。

3.虚电路和数据报对⽐⼆、⽹络层概述 ⽹络层⼜称IP层或⽹际层，主要作⽤是为分组转发选择合适路由，分组即IP数据报。

⽹络互连主要靠路由器来完成。

1.直接交付与间接交付 2.⽹际协议IP及配套协议 ⽹际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之⼀。

与IP协议配套使⽤的还有三个协议：地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol) ⽹际控制报⽂协议ICMP(Internet Control Message Protocol) ⽹际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol) 3.中间设备 将⽹络互相连接起来要使⽤⼀些中间设备。

大学《计算机网络》章节练习题及答案-第四章网络层第4章网络层一、选择题1.以下关于静态路由说法不正确的是（）。

A.静态路由通常由管理员手工建立B.静态路由可以在子网编址的互联网中使用C.静态路由不能随互联网结构的变化而自动变化D.静态路由已经过时，目前很少有人使用2.关于数据报通信子网，下述说法（）是正确的。

A. 第一个分组需要路由选择，其他分组沿着选定的路由传输B. 第一个分组的传输延迟较大，其他分组的传输延迟很小C. 每个分组都包含源端和目的端的完整地址D. 分组可以按顺序、正确地传输给目的站点3.下列关于虚电路子网和数据报子网的说法中，（）是错误的。

A. 虚电路子网必须在通信前先建立连接B. 虚电路子网最大的优点是所传输的数据是按序的，且没有额外的延时C. 数据报子网采用的是存储转发机制，所以延时较大，且不可估计D. 数据报子网最大的缺点是途中每个节点都可能出故障，所以健壮性较差4.在分组交换网络和虚电路交换网络中，目的主机地址对于网络层的每个数据包来说，下列说法中，（）是正确的。

A. 在分组交换网络中每个数据包必须携带完整的目的主机地址，而虚电路交换网络则不必B. 在虚电路交换网络中每个数据包必须携带完整的目的主机地址，而分组交换网络则不必C. 在分组交换网络和虚电路交换网络中，每个数据包都不必携带完整的目的主机地址D. 在分组交换网络和虚电路交换网络中，每个数据包都必须携带完整的目的主机地址5.为了数据传输,在网络的源节点和目的节点之间建立一条虚电路,它是( )。

A.逻辑通路,专用的B.物理通路,专用的C.逻辑通路,非专用的D.物理通路,非专用的6.完成路径选择功能是在OSI模型的（）。

A.物理层B.数据链路层C.网络层D.运输层7.在互联网中，以下哪些设备需要具备路由选择功能？（）A.具有单网卡的主机B.具有多网卡的宿主主机C.路由器D.以上设备都需要8.IP层的功能不包括（）。

A.无连接的数据报传输B.数据报路由选择C.差错处理D.提供可靠连接9.如果多个互连局域网的高层协议不同，例如一种是TCP/IP协议，另一种是SPX/IPX协议，那么互连这些局域网必须选择（）。

第4章网络层一、选择题DCDAC CCDBC BACCB BCDCA CDBABCCCAC DDCCC BCAAD DCA二、填空题1. ARP。

2.保证ARP表项的新鲜性和正确性。

3.删除，生成该数据报的源主机。

4.静态路由和动态路由。

5.子网掩码、目的网络地址。

6.距离向量算法，链路状态算法。

7.开放式最短路径优先。

8.网关、路由器。

9.主机地址为255、主机地址为0、网络地址为12710.广播、网络11.虚电路、虚电路12.地址、路由13. OSPF ， BGP 。

三、综合题1.简述什么是面向连接的通信、什么是无连接的通信，在因特网技术中哪个协议是面向连接的、哪个协议是无连接的？答：A. 面向连接是指通信双方在进行通信之前，要事先在双方之间建立起一个完整的可以彼此沟通的通道。

这个通道也就是连接，在通信过程中，整个连接的情况一直可以被实时的监控和管理。

B．无连接是指不需要预先建立起一个联络两个通信结点的连接，需要通信的时候，发送节点就可以网网络上送出信息，让信息自主的在网络上向目的地节点传送，一般在传输过程中加以监控。

C．在因特网技术中TCP协议是面向连接的、IP协议是无连接的。

2.通信子网的构成基本上有两种不同的思想，即虚电路方式和数据报方式，试对它们的不同之处进行比较。

答：通常，公用分组交换网采用两种交换方式，即数据报方式和虚电路方式。

数据报是指一个带有源站地址和目的站地址的报文分组。

当数据报进入通信子网后，各交换节点可以根据前方站点的工作情况，分头将各个数据报发送出去，这些数据报可能并不沿同一条路线传送，只是到目的站点之后，再将各个数据报组装成原来的报文。

数据报方式是一种无连接的交换方式，即通信子网中的各节点并不需要与下一节点建立连接后才传送分组，而是只要前方线路空闲，就立即将分组发送出去。

在数据报方式下，各个分组可能通过不同的路线传送，因而可以选择当时最佳路线，从而节省时间，提高效率，但无法保证各个数据报能按它们发送时的顺序到达目的地，需要进行复杂的重新组装。