《计机算网络原理》学习笔记总结 - 第四章 网络层

第四章网络层一、网络层服务网络层核心任务：将数据从源主机送达到目的主机主要功能：1、转发：

当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、路由选择：当分组从源主机流向目的主机时，必须通过某种方式决定分组经过的路由或路径。

3、连接建立：网络层连接是从源主机到目的主机经过的一条路径，这条路径所经过的每个路由器等网络设备都要参与网络层连接的建立。1、网络层要实现的基本功能：转发、（路由选择）、建立连接。模拟题2、下列选项中不属于网络层功能的是（C）模拟题A:实现转发B:路由选择C:为用户提供网络应用D:连接建立二、数据报网络与虚电路网络数据报网络：按照目的主机地址进行路由选择的网络。（无连接服务）源主机每要发送一个分组，就为该分组加上目的主机地址，然后将该分组推进网络。每个路由器使用分组的目的主机地址转发分组。虚电路（virtualcircuit，VC）：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。虚电路网络：在网络层提供面向连接的分组交换服务。双方通信前先虚电路建立连接，通信结束后再拆除连接。一条虚电路由3个要素构成：

1、从源主机到目的主机之间的一条路径（一系列的链路和分组交换机）。2、该路径上的每条链路的虚电路标识（VCID）。3、分组交换机的转发表中记录虚电路标识的接续关系。虚电路网络1、在分组交换网络中，按照（C

）进行路由选择的网络称为数据报网络。模拟题A:目的端口号B:源端口号C:目的主机地址D:源主机地址2、在数据报网络中，发送的分组和接收的分组次序不一定相同，需要对分组重新进行排序，这个任务通常由（

B

）来完成。

选择题

A:应用层B:传输层C:网络层D:数据链路层3、虛电路网络是一种（B）A:数据报网络B:分组交换网络C:报文交换网络D:电路交换网络4、在数据报网络中，由端系统负责完成的功能中不包括（A）2010考题A:建立连接B:差错控制C:流量控制D:拥塞控制5、以下关于虚电路网络的说法错误的是（C）2008考题A:虚电路网络是一种分组交换网络B:每条虚电路都有一个虚电路标识C:虚电路网络不保证分组传输顺序D:虚电路是通信双方一条逻辑连接6、以下关于数据报网络叙述正确的是（C）1904考题A:数据报网络提供面向连接的服务B:数据报网络是一种报文交换网络C:接收方要对收到的分组重新排序D:对数据报不需单独进行路径选择三、网络互连与网络互连设备网络互连与网络互连设备异构网络互连路由器一、异构网络：主要是指两个网络的通信技术和运行协议的不同。例如：wifi，网线等。二、异构网络互连的基本策略：协议转换和构建虚拟互联网络。协议转换：采用一类支持异构网络之间协议转换的网络中间设备，来实现异构网络之间数据分组的转换与转发。例如：交换机或者是多协议路由器。构建虚拟互联网络：在异构网络基础上构建一个同构的虚拟互联网络路由器：最典型的网络层设备。具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，主要任务就是获取与维护路由信息以及转发分组。路由器从功能体系结构角度：输入端口、交换结构、输出端口、路由处理器。输入端口：查找，转发，到达分组缓存排队功能。交换结构：完成具体的转发工作，将输入端口的IP数据报交换到指定的输出端口。将输入端口的IP数据报交换到指定的输出端口。主要包括基于内存交换、基于总线交换、基于网络交换3种交换结构。基于内存交换：性能最低，路由器价格最便宜

基于网络交换：性能最高，路由器价格昂贵路由处理器：

1、执行命令

2、路由协议运行

3、路由计算以及路由表的更新和维护。1、输出端口通常对队列中的分组执行（先到先服务）的调度策略。

填空题

2、下列不属于路由处理器的功能的是（

C

）。

选择题

A:路由协议的运行B:路由计算C:转发与路由选择D:路由表的更新维护3、下列不属于交换结构的是（

C

）。

选择题

A:基于内存交换B:基于总线交换C:基于双通道交换D:基于网络交换4、（路由器）是最典型的网络层设备。

填空题

5、路由器可以从功能体系结构角度分类，其中不包括（

C

）。

选择题

A:输入端口B:输出端口C:路由存储器D:路由处理器6、在路由器的交换结构中，同一时刻只能有一个分组通过总线进行传输的是基于（

D

）交换结构。

选择题

A:基于内存交换B:基于网络交换C:基于双通道交换D:基于总线交换7、路由器输入端口需要提供的功能不包括（

B

）。

选择题

A:查找B:转发表的计算和更新C:转发D:缓存排队8、在网络层上实现多个网络互连的设备是（

C

）。

选择题

A:中继器B:集线器C:路由器D:交换机四、网络层拥塞控制网络拥塞网络层拥塞：用户对网络资源（包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等）的总需求超过了网络固有的容量吞吐量大好~响应时间少好~网络负载在膝点附近时，吞吐量和分组平均延迟达到理想的平衡，网络的使用效率最高发生拥塞的原因：【简答】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网络层拥塞控制措施1、流量感知路由流量感知路由：权值根据网络负载动态调整，可以将网络流量引导到不同的链路上，均衡网络负载2、准入控制：广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技术基本思想：对新建虚电路审核，如果新建立的虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝建立该新虚电路。3、流量调节：在网络发生拥塞时，通过调整发送方发送数据的速率来消除拥塞问题一：路由器如何感知发生了拥塞？

通过路由器输出端口的排队时延。问题二：路由器感知到拥塞时，如何通知其上游结点，并且使上游结点降低发送速率？

抑制分组：感知到拥塞的路由器选择一个被拥塞的数据报，给该数据报的源主机返回一个抑制分组。

背压：抑制分组在从拥塞结点到源结点的路径上的每一跳，都发挥抑制作用4、负载脱落：有选择地主动丢弃一些数据报，来减轻网络负载，从而缓解或消除拥塞1、解决网络层拥塞问题的预防措施是（B）2010考题A:流量调节B:准入控制C:抑制分组D:负载脱落2、在以下网络拥塞控制的措施中，广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技术是（B）1904考题A:流量感知路由B:准入控制C:流量调节五、Internet网络层IPv4协议一、IPv4（InternetProtocolversion4）协议：Internet网络层最核心的协议。

定义了如何封装上层协议（如UDP、TCP）的报文段；

定义了Internet网络层寻址（IP地址）以及如何转发IP数据报等内容；二、两个版本：IPv4和IPv6IP数据报格式【选择、填空】1、版本号：4位。IP的版本号。2、首部长度：4位，单位：4B，IP数据报的首部长度：20B-60B，默认是20，4位全为1则是15*4=603、区分服务：8位。在旧标准种称为服务类型(TypeOfService,TOS)字段，用来指示期望获得哪种类型的服务。4、数据报长度：16位。IP数据报的总字节数。首部长度+数据长度=数据报长度5、生存时间：8位。Time-To-Live,TTL。表示IP数据报在网络中可以通过的路由器数(或跳步数)。6、上层协议：8位，指示该IP数据报封装的是哪个上层协议。

TCP：6

UDP：177、首部校验和：16位，利用校验和实现对IP数据报首部的差错检测8、源IP地址：32位。发出IP数据报的源主机的IP地址。9、目的IP地址：32位。IP数据报的需要送达的主机的IP地址。10、选项：长度可变。11、数据：存放IP数据报所封装的传输层报文段。12、标识：16位。标识一个IP数据报。每产生一个IP数据报，IP协议的计数器加1。

该字段的重要用途：在IP数据报分片和重组过程中用于标识属于同一IP数据报。

该字段不可唯一标识一个IP数据报。13、标志：3位。其结构如图：14、片偏移量：以8B为单位。表示一个IP数据报分片与原IP数据报的数据的相对偏移量。

当该字段值为0时，且MF=1，则表示这是一个IP分片，且是第一个分片。IP数据报分片【综合题】1、最大传输单元(MaximumTransmissionUnit,MTU)：数据链路层帧能承载的最大数据量。2、IP数据报分片的原则：

尽可能少分片。

一个最大分片可封装的数据字节数最好是8的倍数。3、IP数据报分片的计算：例题：通过工具发送一个总长度为3400字节的IP数据报，通过MTU=1500字节的链路转发。试求以下内容：分析：1、总长度为3400字节的IP数据报，说明这个数据报的封装的数据是：3400-20=33802、MTU=1500字节的链路，说明只能发送最大数据报为1500,首部默认是20，所以分片数据=1500-20=14803、可以分3片

1480、1480、420

3片加起来的数据是33804、总长度就是数据+首部就行了，所以都加205、片偏移量，分片的第1个字节除以8就可以了1、在IP数据报格式中，标志位MF=1表示（

C

）。

模拟题A:该IP数据报是一个未被分片的IP数据报B:该IP数据报是被分片IP数据报的最后一片C:该IP数据报一定是一个IP数据报的分片，并且不是最后一个分片D:该IP数据报一定是一个IP数据报的分片，并且是最后一个分片2、已知IPv4数据报第1个字节和数据报长度字段内容分别为十六进制数45H和3FCH，则该数据报封装的数据为（A）1904考题A:1000字节B:1020字节C:1024字节D:1200字节

答：IPv4数据报第1个字节=8位，其中前4位是IP的版本号，后4位是首部长度，单位：4B，故首部长度为：5*4B=20B

数据报长度=首部长度+数据长度,数据报长度3FCH转成十进制为：1020B-20B=1000B3、一个数据链路层协议帧所能承载的最大数据量称为该链路的（最大传输单元）。

填空题4、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协议下分为3片，则每片的DF、MF标志位的值分别是（

C

）。

选择题A:0,0；0,0；0,0B:0,1；0,1；0,1C:0,1；0,1；0,0D:0,0；0,0；0,15、路由器在进行IP数据报分片后，目的主机在重组分片时，用到的字段不包括（

D

）。

选择题A:标识字段B:标志字段C:片偏移字段D:首部长度字段IPv4编址一、IPv4地址的长度为32位，共有2^32个不同的IP地址，约为43亿个。二、IPv4地址01的三种标记方式：三、IP地址分配：前缀+后缀

因特网中的路由器和主机的网络接口都必须有唯一的IP地址

1、前缀(Prefix)：即网络部分(NetID)，用于描述主机所归属的网络。

分类地址：定长前缀（A、B、C、D、E类）。

无类地址：前缀长度可变。

2、后缀(Postfix)：即主机部分(HostID)，用于表示主机在网络中的唯一地址四、分类地址

A、B、C类地址：可以用于标识网络中的主机或路由器（给主机和路由器使用：A、B、C类）

D类地址：组广播地址

E类是地址：保留，做研究五、分类地址网络个数与IP地址总数1、前缀(Prefix)：即网络部分(NetID)，用于描述主机所归属的网络。2、后缀(Postfix)：即主机部分(HostID)，用于表示主机在网络中的唯一地址六、特殊地址：分类地址中一些特殊用途的地址七、私有地址：一部分分类地址保留用于内部网络这部分分类地址可以在内网使用，不能在公共互联网上使用。八、无类地址1、网络前缀不再被设计为定长的8位、16位、24位，而变成0-32位的任意值。2、网络地址书写形式：a.b.c.d/x。

例如：/25

注意：这里的25说明的是网络位占25位，那么主机位占8位九、子网划分【综合题】具有3个接口的路由器，通过两台交换机，互连了6台主机。子网地址：/24路由器接口地址：主机地址：

子网化：将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程。（大变小）

例如：网络/24划分三个子网。超网化：将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的相对较大的子网。（小变大）子网掩码：定义一个子网的网络前缀长度。

子网掩码位数：32位。

书写形式：二进制，点分十进制。

取值规则：对应前缀，全部为1。对应后缀，全部为0例如：

子网地址：/24。

子网掩码：。

例如：子网地址：，子网掩码：92

那网络前缀（26）位，主机位（6）位。主要看子网掩码有几个1，共有26个已知某主机地址和子网掩码。计算子网地址、子网广播地址、IP地址总数和可分配的IP地址数量。1、子网地址：子网掩码和主机地址按位与运算。

与运算：0&0=0;0&1=0;1&0=0;1&1=1;练习题假设某子网中的一个主机的IP地址是35，子网掩码是92。1、那么该子网的子网地址是什么?

答：子网地址是28/262、直接广播地址是什么?

答：直接广播地址：91

广播地址：子网掩码的反码与主机地址按位或运算

反码：1变为0；0变为1；

或运算：0||0=0;

1||0=1;

0||1=1;

1||1=1;3、Ip地址总数

IPv4地址共32位，分为网络位+主机位。

通过子网掩码可以确定网络位，则主机位为：32-网络位。IP地址总数：2^(32-网络位)。

答：主机位有32-26=6位，即有2^6=64个IP地址总数。4、可分配IP地址总数

在Ip地址总数中提前子网地址占一个，广播自治占一个。

所以，可分配IP地址总数：Ip地址总数-2

（子网地址占头，广播地址占尾。）该子网的可分配IP地址数是64-2=62个5.可分配地址范围是多少？

子网地址：28（占头）

广播地址：91（占尾）

答：可分配IP地址范围是：29〜90总结：1、网络地址（子网地址）：网络位是特定值，主机位全为0。

2、广播地址：网络位是特定值，主机位全为1。某公司总部与其子公司A、B、C分别位于四个不同的地区，总部与子公司的联网结构示意图如题图所示。假设公司拥有的子网地址是/24，总部和子公司A、B、C联网的主机数量分别是53、26、12、12，要求子公司B和C的主机位于地址相邻的子网。请写出下表中序号处的IP地址和子网掩码。做题过程：第一步：确定网络位，主机位。第二步：

网络地址（子网地址）：网络位是特定值，主机位全为0。

广播地址：网络位是特定值，主机位全为1。

子网掩码：网络位全为1，主机位全为0。总部思考过程：第一步：总部子网掩码92（题目给出的）第二步：网络位26位，主机位6位。第三部：主机IP地址起始：29（题目给出的）第四步：主机IP地址最终：202.119.110.19子公司A思考过程：第一步：子公司A主机数量26台。思考，需要留出几位主机位才能放下26台主机？第三部：25=32＞26。所以对于子公司A来说，主机位：5位，则网络位：27位。第四步：子公司A的子网掩码：24。第五步：子公司A的IP地址最终：4（题目给出的）

则起始：5子公司C思考过程：第一步：子公司C子网掩码40（题目给出的）第二步：则网络位：28位。主机位：4位。第三步：子公司B的广播地址：11（求B的时候知道的）第四步：子公司B和C相邻子网（题目给出的）。则子公司C的子网地址为12第五步：子公司C的IP地址起始：13

子公司C的IP地址起始：26十、路由聚合【选择】路由聚合：减少路由表项数，提高路由效率，将可以聚合在一起的子网聚合成一个大的子网。二进制转十进制：写十进制转二进制：凑1、下列不属于IPv4地址标记法的是（B）A:二进制标记法B:八进制标记法C:点分十进制标记法D:十六进制标记法2、在IPv4的地址划分中，IP地址属于（C）A:A类B:B类C:C类D:D类3、下列IP地址中属于私有IP地址的是（C）2008考题A:/32B:/0C:/8D:/84、（超网化）是指将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的相对较大的子网。

填空题5、子网/23的子网掩码是（

C

）。

选择题A:B:C:D:6、设子网/24为C类地址网络，则超网/22中包含的C类地址网络和IP地址总数分别为（C）A:2和1016

B:2和1024

C:4和1024

D:4和1016动态主机配置协议动态主机配置协议1、静态分配：手动配置。2、动态分配：动态主机配置协议来分配。动态主机配置协议(DynamicHostConfigurationProtocol，DHCP)

DHCP服务器端口号67

DHCP客户端口号68DHCP工作过程【选择、填空】第一步：DHCP服务器发现：广播方式第二步：DHCP服务器提供：广播方式

第三步：DHCP请求：广播方式

第四步：DHCP确认1、下列不属于DHCP工作过程的是（B）模拟题A:DHCP服务器发现B:DHCP服务器连接C:DHCP服务器提供D:DHCP确认2、当一个组织分配到一个网络地址块后，就可以为该组织内的主机和路由器接口分配IP地址了，其实现动态分配是通过（B）模拟题

A:HTTP（超文本传输协议）

B:DHCP

C:POP3（第三版邮局协议，邮件读取协议）

D:IMAP（互联网邮件访问协议，邮件读取协议）网络地址转换网络地址转换(NetworkAddressTranslation，NAT)

使私有地址在公共Internet上正常通信。NAT工作原理【简答】1、从内网出去的IP数据报，将其IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址，并将替换关系记录到NAT转换表中；2、从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的IP地址检索NAT转换表，并利用检索到的内部私有IP地址替换目的IP地址，然后将IP数据报转发到内部网络。1、使私有地址的主机能在Internet上进行正常通信的技术是（C）模拟题A:DHCPB:ICMPC:NATD:IPv4ICMP互联网控制报文协议(InternetControlMessageProtocol，ICMP)：进行主机或路由器间的网络层差错报告与网络探测ICMP报文格式ICMP报文分类【选择、填空】

1、差错报告报文：

终点不可达

源点抑制

时间超时

参数问题

路由重定向2、询问报文：

回声请求/应答

时间戳请求/应答1、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的协议是（C）1904考题A:DHCPB:UDPC:ICMPD:Ping2、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。1910考题IPv6IPv6数据报格式（基本首部）【选择、填空】IPv6和IPv4数据报首部对比【选择、填空】

IPv6删除了这些字段：1、分片相关字段2、首部校验和3、选项字段不是IPv6的基本首部的字段。IPv6地址长度为128位，IPv6地址表示方法1、8组冒号分隔的十六进制数：8000:0000:0000:0000:4321:0501:AB96:56CD::只能出现一次8000::4321:0501:AB96:56CD2、在IPv6地址中嵌入IPv4的点分十进制：6700::89A1：0321：9IPv6地址分类单播地址：可做源地址和目的地址组播地址：可做目的地址

只能用作IPv6数据报的目的地址，且向一个该类型地址发送IP数据报，该地址标识的每个成员都会收到一个该IP数据报的一个副本的是组播地址任播地址：可做目的地址

只能用作IPv6数据报的目的地址，且向一个该类型地址发送IP数据报，只有该地址标识的某个成员收到该IP数据报的地址类型是（任播地址）IPv4到IPv6的迁移【选择、填空】方法一：双协议栈：网络结点同时具备发送IPv4与IPv6数据报的能力方法二：隧道：通信源端与目的端都提供IPv6服务，但是途径一段IPv4网络。很好地解决IPv6通信中经过IPv4路由器的问题，同时也不会出现信息丢失的问题。1、下列不属于IPv6地址的是（C

）。

模拟题A:单播地址B:组播地址C:全播地址D:任播地址2、IPv6的地址类型中不包括（A）2008考题A:广播地址B:组播地址C:单播地址D:任播地址3、下列IPv6地址的表示中错误的是（B）1904考题A:5800::2234:0231:ABCD:E5.3B:2A32::2222:4DE3::2072:4ABCC:5700::89AB:2103:54D:1918:45EA:3740::5321:10474、可以作为IPv6数据报源地址和目的地址的地址类型是（B）1810考题A:任播地址B:单播地址C:多播地址D:组播地址5、与IPv4对比，IPv4首部中的某些字段在IPv6中已经被删除了，下列不是被删除字段的是（B）模拟题A:与分片相关的字段B:版本字段C:首部校验和字段D:选项字段6、下列IPv6地址类型中，只能用作IPv6数据报的目的地址，且向一个该类型地址发送IP数据报，只有该地址标识的某个成员收到该IP数据报的地址类型是（任播地址）模拟题A:单播地址B:组播地址C:任播地址D:全播地址7、下列IPv6地址类型中，只能用作IPv6数据报的目的地址，且向一个该类型地址发送IP数据报，该地址标识的每个成员都会收到一个该IP数据报的一个副本的是（组播地址）模拟题A:单播地址B:组播地址C:任播地址D:全播地址六、路由算法与路由协议路由选择：如何为网络分组从源端到目的端的传输确定最佳路径，能走通，且最短路由选择算法的分类带权无向图将网络抽象为一个带权无向图G=(N,E)，N表示结点集合，E是边的集合。网络中的路由器抽象为图G的结点，连接两个路由器的网络链路抽象为G的边。网络链路的费用（比如时延）抽象为G中的权值如果两个结点间有边，例如从结点X到结点Y则从结点X到结点Y耗费的费用记做C(X,Y)=10如果两个结点间没有边，例如结点X到结点U则从结点X到结点U耗费的费用记做C(X,U)=∞分类标椎1、最具有代表性的分布式路由选择算法是（D）A:求最短路径算法B:链路状态路由选择算法C:层次化路由算法D:距离向量路由选择算法2、最有代表性的全局式路由选择算法是（链路状态）路由选择算法3、路由选择算法可分为全局式路由选择算法和（分布式）路由选择算法2、链路状态路由选择算法链路状态路由选择算法是一种全局式路由选择算法，每个路由器在计算路由时，需要构建出整个网络的拓扑图。路由器x上的转发表只存放下一跳路由器，而不是最终路由器链路状态路由选择算法（LS算法）计算过程【综合题】链路状态路由选择算法：利用Dijkstra算法求最短路径1810考题设网络拓扑如图所示。请利用Dijkstra最短路径算法计算结点x到网络中所有结点的最短路径，填写表中序号处的内容。

注：如果某个结点在选择下一跳结点时，有多个结点的最短路径相同，则选择结点编号小的结点作为下一跳节点。例如，如果结点x到结点y和结点z的路径代价相同，而且都是x到所有下一跳结点中的最短路径，则选择y为x的下一跳结点。1、链路状态路由选择算法利用Dijkstra算法求最短路径时，在Dijkstra算法中，需要记录的信息不包括（D）A:到本次迭代为止，源结点(计算结点)到目的结点v的当前路径距离B:到本次迭代为止，在源结点到目的结点v的当前路径上，结点v的前序结点C:结点x与结点y之间直接链路的费用D:路径距离的集合3、距离向量路由选