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。
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
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？ 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： 不同的寻址方案 不同的最大分组长度 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（面向连接服务和无连接服务） 不同的管理与控制方式
3.作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？ 中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。 物理层中继系统：转发器(repeater)。
数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。 网络层中继系统：路由器(router)。
网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。 网络层以上的中继系统：网关(gateway)。
4.试简单说明下列协议的作用：IP、ARP、RARP和ICMP。
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 因特网组管理协议IGMP：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。
5.IP地址分为几类？各如何表示？IP地址的主要特点是什么？ 分为ABCDE 5类;
每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主 机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（ 或路由器）。
各类地址的网络号字段net-id分别为1，2，3，0，0字节；主机号字段host-id分别为3 字节、2字节、1字节、4字节、4字节。 特点：
（1）IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该 网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这 样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。 （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。
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其 网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到 另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。
(3) 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同 样的网络号 net-id。
(4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，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。
6.试根据IP地址的规定，计算出表4-2中的各项数据。
解：1）A类网中，网络号占七个bit, 则允许用的网络数为2的7次方，为128，但是要 除去0和127的情况，所以能用的最大网络数是126，第一个网络号是1，最后一个网络号 是 126。主机号占24个bit, 则允许用的最大主机数为2的24次方，为16777216，但是也 要除 去全0和全1的情况，所以能用的最大主机数是16777214。
2） B类网中，网络号占14个bit，则能用的最大网络数为2的14次方，为16384，第 一 个网络号是128.0，因为127要用作本地软件回送测试，所以从128开始，其点后的还可 以 容纳2的8次方为256，所以以128为开始的网络号为128.0~~128.255，共256个，此 类 推，第16384个网络号的计算方法是：16384/256=64128+64=192，则可推算出为
191.255。主机号占16个 bit, 则允许用的最大主机数为2的16次方，为65536，但是也 要除去全0和全 1的情况，所以能用的最大主机数是65534。
3）C类网中，网络号占21个bit, 则能用的网络数为2的21次方，为2097152，第一个 网 络号是 192.0.0，各个点后的数占一个字节，所以以 192 为开始的网络号为
192.0.0~~192.255.255，共256*256=65536，以此类推，第2097152个网络号的计算方法 是： 2097152/65536=32192+32=224，则可推算出为223.255.255。主机号占8个bit, 则 允许用的最大主机数为2的8次方，为256，但是也要除去全0和全1的情况，所以能用的 最大主机数是254。
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？
IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一 的 32 位的标识符。从而把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络 在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
MAC地址在一定程度上与硬件一致，基于物理、能够标识具体的链路通信对象、IP地址 给予逻辑域的划分、不受硬件限制。
8.IP地址方案与我国的电话号码体制的主要不同点是什么？
于网络的地理分布无关
9.（1）子网掩码为255.255.255.0代表什么意思？ 有三种含义
其一是一个A类网的子网掩码，对于A类网络的IP地址，前8位表示网络号，后24位示 主机号，使用子网掩码255.255.255.0表示前8位为网络号，中间16位用于子网段的划分 ，最后8位为主机号。
第二种情况为一个B类网，对于B类网络的IP地址，前16位表示网络号，后16位表示主机号，使用子网掩码255.255.255.0表示前16位为网络号，中间8位用于子网段的划分，最 后8位为主机号。
第三种情况为一个C类网，这个子网掩码为C类网的默认子网掩码。
（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？ 255.255.255.248即11111111.11111111.11111111.11111000. 每一个子网上的主机为(2^3-2)=6 台
掩码位数29，该网络能够连接8个主机，扣除全1和全0后为6台。
（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？
A类网络：11111111 11111111 11111111 00000000 给定子网号（16位“1”）则子网掩码为255.255.255.0
B类网络 11111111 11111111 11111111 00000000
给定子网号（8位“1”）则子网掩码为255.255.255.0但子网数目不同
（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？
（240）10=（128+64+32+16）10=（11110000）2 Host-id的位数为4+8=12，因此，最大主机数为： 2^12-2=4096-2=4094
11111111.11111111.11110000.00000000 主机数2^12-2
(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？ 是 11111111 11111111 00000000 11111111
(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？
C2.2F.14.81?(12*16+2).(2*16+15).(16+4).(8*16+1)?194.47.20.129 ?11000010.00101111.00010100.10000001 C类地址 (7)C类网络使用子网掩码有无实际意义？为什么？
有实际意义.C类子网IP地址的32位中,前24位用于确定网络号,后8位用于确定主机号.如 果划分子网,可以选择后8位中的高位,这样做可以进一步划分网络,并且不增加路由表的 内容,但是代价是主机数相应减少.
10.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）200.3.6.2 (2)和(5)是A类,(1)和(3)是B类,(4)和(6)是C类.
11. 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？
在首部中的错误比在数据中的错误更严重，例如，一个坏的地址可能导致分组被投寄到 错误的主机。许多主机并不检查投递给他们的分组是否确实是要投递给它们，它们假定 网络从来不会把本来是要前往另一主机的分组投递给它们。
数据不参与检验和的计算，因为这样做代价大，上层协议通常也做这种检验工作，从前 ，从而引起重复和多余。
因此，这样做可以加快分组的转发，但是数据部分出现差错时不能及早发现。
12.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？ 答：纠错控制由上层（传输层）执行
IP首部中的源站地址也可能出错请错误的源地址重传数据报是没有意义的 不采用CRC简化解码计算量，提高路由器的吞吐量
13.设IP数据报使用固定首部，其各字段的具体数值如图所示（除IP地址外，均为十进 制表示）。试用二进制运算方法计算应当写入到首部检验和字段中的数值（用二进制表 示）。
4 4 5 1 17 10.12.14.5 12.6.7.9
01000101 00000000 4 5 0 00000000 00011100 28 00000000 00000001 1 00000000 00000000 0 00000100 00010001 4 17
00000000 00000000 xxxxxxxx xxxxxxxx 00001010 00001100 10.12 00001110 00000101 14.5 00001100 00000110 12.6 00000111 00001001 7.9 作二进制反码求和
10100 01001110 01110100 01001110取反码 10001011 10110001
14. 重新计算上题，但使用十六进制运算方法（没16位二进制数字转换为4个十六进制 数字，再按十六进制加法规则计算）。比较这两种方法。
01000101 00000000 00000000-00011100 4 5 0 0 0 0 1 C 00000000 00000001 00000000-00000000 0 0 0 1 0 0 0 0 00000100 000010001 xxxxxxxx xxxxxxxx 0 4 1 1 0 0 0 0 00001010 00001100 00001110 00000101 0 A 0 C 0 E 0 5
0 0 28 0 首部校验和 00001100 00000110 00000111 00001001 0 C 0 6 0 7 0 9 01011111 00100100 00010101 00101010 5 F 2 4 1 5 2 A 5 F 2 4 1 5 2 A 7 4 4 E-à8 B B 1
15.什么是最大传送单元MTU？它和IP数据报的首部中的哪个字段有关系？
答：IP层下面数据链里层所限定的帧格式中数据字段的最大长度，与IP数据报首部中的 总长度字段有关系
16.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。在目的站而不是在中间的路由器进行组装是由于：
（1）路由器处理数据报更简单些；效率高，延迟小。
（2）数据报的各分片可能经过各自的路径。因此在每一个中间的路由器进行组装可 能总会缺少几个数据报片；
（3）也许分组后面还要经过一个网络，它还要给这些数据报片划分成更小的片。如 果在中间的路由器进行组装就可能会组装多次。
（为适应路径上不同链路段所能许可的不同分片规模，可能要重新分片或组装）
17. 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。但第二个局域网所能传送的最长数据帧中的数据部 分只有1200位。因此数据报在路由器必须进行分片。试问第二个局域网向其上层要传送 多少比特的数据（这里的“数据”当然指的是局域网看见的数据）?
答：第二个局域网所能传送的最长数据帧中的数据部分只有1200bit，即每个IP数据片 的数据部分<1200-160(bit)=1040bit，由于片偏移是以8字节即64bit为单位的，所以IP数据片的数据部分最大不超过1024bit，这样3200bit的报文要分4个数据片，所以第二个局域网 向上传送的比特数等于（3200+4×160），共3840bit。
18.（1）有人认为：“ARP协议向网络层提供了转换地址的服务，因此ARP应当属于数据 链路层。”这种说法为什么是错误的？ 因为ARP本身是网络层的一部分，ARP协议为IP协议提供了转换地址的服务，数据链路层 使用硬件地址而不使用IP地址，无需ARP协议数据链路层本身即可正常运行。因此ARP不再数据链路层。
（2）试解释为什么ARP高速缓存每存入一个项目就要设置10~20分钟的超时计时器。 这个时间设置的太大或太小会出现什么问题？
答：考虑到IP地址和Mac地址均有可能是变化的（更换网卡，或动态主机配置）
10－20分钟更换一块网卡是合理的。超时时间太短会使ARP请求和响应分组的通 信量太频繁，而超时时间太长会使更换网卡后的主机迟迟无法和网络上的其他主机通信 （3）至少举出两种不需要发送ARP请求分组的情况（即不需要请求将某个目的IP地址 解析为相应的硬件地址）。
在源主机的ARP高速缓存中已经有了该目的IP地址的项目；源主机发送的是广播分组； 源主机和目的主机使用点对点链路。
19.主机A发送IP数据报给主机B，途中经过了5个路由器。试问在IP数据报的发送过程