第四章 網絡互聯

4-1 什么是異構網絡？異構網絡互聯有哪些不同的方法？因特網采用了怎樣的中繼系統方式？
??網絡發展初期，許多計算機公式分別推出了具有專門規范的計算機網絡。這些計算機網絡在體系結構和通信協議方面有很大的差異，被稱為異構網絡（heterogeneous network）。異構網絡在尋址方法、分組長度、路由選擇和差錯恢復等方面差異很大，相互之間無法直接通信。
??異構網絡的互聯有多種方式：兩兩互聯的方式、與中立的中繼系統互聯的方式。
??因特網采用了一種與及其無關、操作系統無關、語言無關的中繼系統（IP系統）方式來解決異構網絡互聯問題。
4-2 為什么說IP網絡是一個虛擬網絡？如果IP網絡不實際傳輸分組，那么它的作用是什么？
??IP網絡是一種全局性網絡，具有統一的協議和地址，且與機器、操作系統、語言無關。每個相連的異構網絡負責將自己的協議映射到IP上來，然后再統一的IP網絡上進行數據傳輸，因此，IP網絡是一種抽象的網絡層概念。
??IP網絡是基于底層通信網絡之上的虛擬網絡，它為分組提供全局性路由選擇和轉發功能，分組的實際傳輸交付功能由下面的通信網絡來提供。
4-3 路由選擇和轉發的區別和聯系是什么？有些文獻將前者稱為路由表，將后者稱為轉發表，它們之間是否存在某種關聯？
??轉發是指將分組從一個輸入鏈路接口轉移到適當的輸出鏈路接口的路由本地動作。路由選擇是指在一個網絡特定范圍內，決定分組從源到目的地址的端到端路徑的決策過程。
??在分組從發送方經過沿途各路由器轉發流向接收方之前，網絡層必須先決定這些分組采用的路由或路徑，并將計算結果放在路由器的轉發表中，兩者是統一的關系。
4-4 分組的直接交付和間接交付有什么區別和聯系？在交付過程中，它們分別要用到哪些層次的地址？
??當源主機和目的主機位于同一個直接連接的網絡上時，分組從一臺源主機直接傳輸到另一臺目的主機的過程稱為直接交付；當源主機和目的主機不在一個直接連接的網絡上時，源主機必須先把分組發給路由器，由路由器進行后續處理然后傳輸到目的主機的過程叫做間接交付。
??從源主機到目的主機的選擇路由、分組轉發等操作是在虛擬的IP網絡中進行的，而分組的實際傳輸是在下層網絡中進行的，需要用到物理層和鏈路層地址。
4-5 網絡層所能提供的服務模型有幾種？因特網提供的服務模型是什么？
??兩種：面向連接服務（connection-oriented service）和無連接服務（connectionless service）。因特網提供的是無連接服務模型（盡力而為的服務）。
4-6 由面向連接的網絡層提供特定的服務非常豐富，而無連接的網絡層僅能提供盡力而為的服務。既然如此，因特網的IP層為什么還要選擇使用這種無連接服務呢？
??IP層使用無連接服務模型符合“核心簡單，邊緣智能”的原則，保證數據分組的傳輸效率。在絕大多數情況下，分組到達目的地址的概率很大，即因特網不會出現耗盡資源和頻繁出現故障的情況，通過在IP之上提供保證可靠傳輸的服務能支持不斷發展的新型網絡應用。
4-7 對比分析虛電路和數據報網絡的某些優缺點。
a. 故障恢復問題：如果路由器遇到了使它不能正常運轉的緊急情況，應當采取哪些措施呢？是虛電路體系結構還是數據報體系結構，對于路由器的恢復更有利？
b. 服務質量問題：為了向從某條源到目的地的路徑提供性能等級（如時延）方面的保證，若從源到目的地流量無法滿足指定的時延需求，就不允許該源訪問網絡。是虛電路體系結構還是數據報體系結構，對于保證服務質量更有利？
??數據報服務和虛電路服務是分組交換廣域網向高層提供的兩類服務，即無連接的網絡服務和面向連接的網絡服務的具體實現。
??a. 采用虛電路方式時，交換設備需要維護虛電路的狀態信息；采用數據報方式時，每個數據報都攜帶完整的目的/源地址，出現路由器不能運轉的緊急情況可選取其他路徑，更為靈活。
??b. 虛電路方式很容易保證服務質量，適用于實時操作，但比較脆弱；數據報不太容易保證服務質量，但是對于通信線路的故障適應性很強。
4-8 虛電路中有哪些明顯不同的工作階段？虛電路網絡中的基本轉發表有4列，這些列的值的含義是什么？在數據報網絡中的基本轉發表有2列，這些列的值的含義是什么？
??有3個明顯不同的工作階段：虛電路建立階段、數據傳輸階段和虛電路拆除階段。
??虛電路轉發表中列的值含義分別為入接口，入VC號（標識路徑上每段鏈路的號碼），出接口，出VC號。
??數據報轉發表中列的值含義分別為目的地址和鏈路接口。
4-9 考慮一個用2比特字段表示VC號的虛電路網絡。假定該網絡要通過4條鏈路（鏈路A、鏈路B、鏈路C和鏈路D）建立一條虛電路。假定這些鏈路中的每條當前都承載兩條其他的虛電路，這些其他虛電路的VC號如下:

鏈路A鏈路B鏈路C鏈路D

00	01	10	11
01	10	11	00

??在回答下列問題時，注意每個現有的 虛電路可能通過這4條鏈路之一。
a. 如果每條虛電路要求沿著其路徑使用相同的VC號，能為該新的虛電路分配什么樣的VC號?
b. 如果每條虛電路沿其路徑允許不同的鏈路使用不同的VC號（因此轉發表必須執行VC號轉換)，能夠使用4個VC號的多少種不同的組(一種組合用于這4條鏈路之一)?
??a. 不能建立新的VC，無法分配新的VC號。
??b. 每條鏈路承載2個VC號，共有4條鏈路。有16（2的4次方）種組合。
4-10 試解釋“因特網被定義成不可靠的、盡力而為和無連接分組交付系統”的含義。
??所謂服務是不可靠的是指分組可能出現丟失、重復、延遲或不按序交付等，因特網服務不檢測這些情況，也不提醒發送方和接收方。
所謂服務是盡力而為是指因特網并不隨意地丟棄分組，只有在資源耗盡或網絡出現故障時才可能出現不可靠性。
??所謂服務是無連接的是指網絡獨立地對待每個分組，分組序列可能經過不同的傳輸路徑達到，無法保證到達順序，分組有的到達有的丟失。
4-11 從IP支持網絡層編址和轉發兩大功能的角度看，IP數據報首部至少要包括哪些字段？這些字段應當包括什么內容？
??至少包括源地址和目的地址字段。
??轉發是將分組從路由器的輸入移動到適當的路由器輸出，為防止IP數據報無休止地轉發，要具有壽命字段；為使不同服務類型具有較好質量，要具有服務類型字段；為使不同長度的數據塊能夠轉發，要具有標識符、標志和段偏移字段；為了使網絡層編址和轉發兩大功能正確，還需要有互聯網檢驗和字段。
4-12 考慮向一條具有1500字節的MTU的鏈路發送一個8000字節的數據報。假定初始數據報具有標識號321。這將會生成多少個報文段？它們的特征是什么？
??固定長度為20字節，因此每個數據報片數據部分長度不能超過1480字節。8000字節的數據報分成6個數據報片，具體特征如下表：

總長度（字節）標識MFDF片偏移

初始數據報	8000	321	0	0	0
數據報片1	1480	321	1	0	0
數據報片2	1480	321	1	0	185
數據報片3	1480	321	1	0	370
數據報片4	1480	321	1	0	555
數據報片5	1480	321	1	0	740
數據報片6	600	321	0	0	925

??其中MF=1標識后面還有分片的數據報，DF=0標識允許分片，片偏移以8個字節為偏移單位（每個分片的長度是8字節的整數倍）。
4-13 考慮使用32比特主機地址的某數據報網絡。假定一臺路由器具有4條鏈路，編號為0-3，分組能被轉發到如下的各鏈路接口：

目的地址范圍鏈路接口

11100000 00000000 00000000 00000000 到 11100000 11111111 11111111 11111111	0
11100001 00000000 00000000 00000000 到 11100001 00000000 11111111 11111111	1
11100001 00000001 00000000 00000000 到 11100001 11111111 11111111 11111111	2
其他	3

a. 提供一個具有4個表項的轉發表，使用最長前綴匹配，將分組轉發到正確的鏈路接口。
b. 描述你的轉發表是如何為具有下列目的地址的數據報決定適當鏈路接口的。
1100100010010001 01010001 01010101
1110000100000000 11000011 00111100
1110000110000000 00010001 01110111
??a.

前綴匹配接口

11100000	0
11100001 00000000	1
11100001	2
其他	3

??b.
??第1個地址的最長匹配前綴是接口3；
??第2個地址的最長匹配前綴是接口1；
??第3個地址的最長匹配前綴是接口2。
4-14 考慮使用8比特主機地址的數據報網絡。假定一臺路由器使用最長前綴匹配并具有如下轉發表：

前綴匹配接口

1	0
11	1
111	2
其他	3

對這4個接口，給出相關的目的主機地址的范圍和在該范圍中的地址數量。
??參考：

地址范圍接口地址數量

10000000-10111111	0	64
11000000-11011111	1	32
11100000-11101111	2	16
其他	3	128

4-15 考慮一臺互聯3個子網(子網1、子網2和子網3）的路由器。假定每個子網中的所有接口都要求具有前綴220.5.10/24，而且子網1要求支持多達120個接口，子網2和子網3要求支持多達60個接口。提供3個滿足這些限制的網絡地址（形式為a.b.c.d/x)。
??假定申請到了前綴為110.110.110.64/17的地址塊，現在要從該地址塊為下屬4個單位的子網再次分配IP地址，每塊具有相同數量的IP地址。這4個子網（形為a.b.c.d/x）的前綴是什么？
??（1）子網1 ：220.5.10.0/25；子網2：220.5.10.128/26；子網3：220.5.10.192/26。
??（2）劃分4個子網，占用兩個主機號改成00,01,10,11。
??可得各個子網的網絡地址：
??110.110.0.0/19
??110.110.32.0/19
??110.110.64.0/19
??110.110.96.0/19
4-16 簡述ARP的工作過程。ARP查詢為什么要在廣播幀中發送？ARP響應為什么要具有一個特定目的MAC地址的幀中發送？
??端系統A初次向端系統B發送IP數據報時有關ARP的工作過程：
??（1）ARP在子網內廣播一個ARP請求分組。
??（2）子網內所有運行ARP進程的端系統都會收到此ARP分組。
??（3）端系統B發現ARP請求分組中的目的地址是自己的IP，就以單播的方式向A發送ARP響應分組，并寫入自己的MAC地址。其他所有端系統都不響應。
??（4）端系統A收到B的ARP響應分組后，就在自己的ARP表中寫入B的IP地址到MAC地址的映射。
??1、當ARP表中沒有目的IP地址的MAC地址，則會進行廣播，尋找目的IP地址與之相匹配的MAC地址。2、當廣播后得到了目的適配器的回復，目的適配器就會發送一個ARP報文，報文中包括它的MAC地址。
4-17 對于圖4-17所示的網絡中，路由器有兩個ARP模塊，每個都有自己的ARP表。同樣的MAC地址可能在兩張表中都出現嗎？

??同樣的MAC地址不會在兩張表中都出現。一個模塊中的ARP表對應子網1的中的主機，而另外一個模塊中的ARP表對應子網2中的主機。
4-18 在如圖4-17所示的網絡中，端系統A要與端系統E通信。簡述它們之間具體的通信過程。
??（1）A比較E的網絡地址，發現不在相同網絡，就送往路由器R左端口10.10.10.4；
??（2）A的ARP表中沒有R左端口MAC地址，使用ARP從10.10.10.4得到R的MAC地址；
??（3）A生成以R左端口的MAC地址作為目的地的鏈路層幀，幀包含A到E的IP數據報；
??（4）R知道目的地是E，使用選路協議確定路由器右端口10.10.11.6；
??（5）R出端口將E的IP地址與本網絡地址相比，發現網絡地址匹配，就進行直接交付；發現ARP表中沒有發現E的MAC地址，用ARP得到E的MAC地址;
??（6）R適配器生成包含A到E 的IP數據報的幀向E發送；
??（7）E收到來自A的IP分組。
4-19 將ICMP用于處理網絡管理問題的基本思路是什么？traceroute程序的工作原理符合這個基本思路嗎？
??基本思路是允許端系統或路由器報告差錯情況，為網管人員提供適當的工具以查詢網絡結點的信息。
??Traceroute程序的工作原理符合這個基本思路。首先它構造TTL=1的ICMP數據報，使第一臺路由器報錯，從而獲得其入口IP地址，接下來構造TTL=2，3,…的ICMP數據報，從而獲得其沿途的路由器不斷報錯，依次獲得了它們的入口地址。因此，traceroute利用了ICMP的工作機制。
4-20 與IPv4相比，IPv6數據報格式主要的不同是什么？
??IPv6數據報擴大地址容量；首部固定長度40字節；不允許分段；完全去除“檢查和”，以減小每跳的處理時間；允許“選項”，但在首部之外，由“下一個首部”字段指示等。
4-21 路由選擇算法的目的是什么？簡述路由選擇算法的分類方法以及它們各自的特征。
??目的是確定數據報在源與目的地之間要采用的優化路徑，并據此設置路由器轉發表中的內容。
??按路由選擇的層次進行劃分可分為內部網關協議和外部網關協議。對于內部網關協議，可根據路由選擇算法是全局的還是分布式的來劃分。分布式路由選擇算法以迭代、分布式的方式計算出最低費用路徑；全局路由選擇算法以所有結點之間的連通性及所有鏈路的費用為輸入，要求在開始計算最優路徑之前就以某種方式獲得有關信息。
??路由選擇算法還可分為靜態路由選擇算法和動態路由選擇算法，以及負載敏感路由選擇算法和負載遲鈍路由選擇算法。靜態路由選擇算法適用于網絡情況不變或變化緩慢的場合，可人工設置和調整。動態路由選擇算法能夠隨網絡流量負載或拓撲變化而自適應地改變路徑，適用于大規模和動態場合。負載敏感路由選擇算法中的鏈路費用會動態變化以反映底層鏈路的擁塞水平，并趨向于繞開該擁塞鏈路選擇路由，負載遲鈍路由選擇算法則相反。
4-22 根據自治系統進行劃分，路由選擇協議可以分為哪幾種類型？在各類協議中，列出典型的代表。
??分為內部網關協議和外部網關協議。內部網關協議典型代表有路由選擇信息協議（RIP）、開放最短路徑優先（OSPF）；外部網關協議的典型代表有邊界網關協議（BGP）。
4-23 RIP是一種距離矢量路由選擇算法。為什么說RIP是一種分布式路由選擇算法。
??分布式路由選擇算法通過迭代計算及與相鄰結點交換信息的過程，使各個結點能夠計算出到達某個目的結點或一組目的結點的最低費用路徑。而RIP通過在相鄰路由器之間使用RIP響應報文或RIP通告來交換路由選擇的更新信息，經過數次交換，RIP可獲得到達目的地的最短路徑。因此，RIP的工作過程符合分布式路由選擇算法的特性。
4-24 公式中的Bellman-Ford方程是距離向量算法的核心。從這個公式是否能夠解釋DV算法存在“計數到無窮”問題？
$$D_x(y)=mi{n}_v(c(x,v)+D_v(y))$$
??方程中的$mi{n}_v$作用于x的所有相鄰結點。由于相鄰結點據此公式計算路徑費用存在不同步問題，兩個結點可能會互相迭代虛假信息，直到路徑費用代價迭代到16時才知道網絡不可達。“計數到無窮”問題存在。
4-25 考慮如圖4-17所示的網絡。試用距離矢量算法給出結點b的距離表表項。

??距離矢量算法通過鄰居之間交換路由選擇報文，根據 Bellman-Ford方程進行迭代得到距離表表項的。
??初始階段：只知道自己的鄰居情況。

b表項 abcd

a	∞	∞	∞	∞
b	5	0	3	11
c	∞	∞	∞	∞
d	∞	∞	∞	∞

??其余表項同理，經過一輪迭代后。

b表項 abcd

a	0	5	10	∞
b	5	0	3	5
c	10	3	0	2
d	∞	11	2	0

??經過第二輪迭代后。

b表項 abcd

a	0	5	8	12
b	5	0	3	5
c	8	3	0	2
d	12	11	2	0

4-26 OSPF的基本思想是什么？它包括了哪些技術要點？它的優點是什么？
??根據網絡拓撲和鏈路費用代價作為算法輸入使每臺路由器知道怎樣到達鄰居并通過所有鄰居到達所有目的地，確保每臺路由器都能收到足夠的網絡信息來建立完整的網絡映像。
??OSPF有兩個技術要點：一個是使用洪泛鏈路狀態信息的鏈路狀態協議；一個是Dijkstra最低費用路徑算法。
??優點：網絡變化時更新路由信息的過程收斂速度快、安全、允許多條費用相同的路徑、對單播路由選擇與多播路由選擇的綜合支持、支持在單個路由選擇域內的層次結構等。
4-27 考慮如圖4-27所示的網絡（見題4-25）。用Dijkstra的最短路徑算法計算出從b到所有網絡結點的最短路徑。通過計算一個類似于表4-10的表，給出該算法的工作過程。

步驟證實表試探表注釋

1	（b，0，-）		因為b是證實表中唯一的新成員，等待鏈路狀態報文
2	（b，0，-）	（a，5，a） （c，3，c） （d，11，d）	鏈路狀態報文告訴b，可以費用5通過a到達a，可以費用3通過c到達c，可以費用11通過d到達d
3	（b，0，-） （c，3，c）	（a，5，a） （d，11，d）	將試探表中費用最小的記錄是最好的路徑，將其加入證實表中。檢查證實表中新成員c的鏈路狀態報文
4	（b，0，-） （c，3，c） （a，5，a）	（d，5，c） （a，10，c）	用費用5到達c最好，a加入證實表中。通過c到達d的費用為5，（d，11，d）被替換。C的鏈路狀態報文告知可以費用10到達a
5	（b，0，-） （c，3，c） （a，5，a） （d，5，c）	（a，10，c）	把試探表中費用最下的記錄d加入證實表中，觀察d的鏈路狀態報文，沒有更好的路徑
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4-28 BGP有哪些主要功能？描述在BGP中是如何檢測路徑中的環路的？
??BGP主要用于互聯網AS（自治系統）之間的互聯，BGP的最主要功能在于控制路由的傳播和選擇最好的路由：
??（1）從相鄰AS出獲得子網的可達性信息；
??（2）向本AS內部的所有路由器傳播這些可達性信息；
??（3）基于可達性信息和AS策略，決定到達子網的好路由。
??BGP從相鄰AS獲得子網可達性信息，基于自己的策略，決定是否向其他AS通告，一旦通告就承諾向該子網轉發數據報；BGP還向本AS內部的所有路由器傳播相關可達性信息。
??在AS-PATH屬性包含了傳遞前綴的通告所經過的AS，由此可以判斷是否存在環路。
4-29 觀察圖4-32所示的路由器體系結構。如何體現出路由器具有互聯異構網絡、轉發和選擇路由等幾項關鍵功能。
??互聯異構網絡:不同異構通信子網中的分組經過路由器的物理層、鏈路層和網絡層功能轉換，在IP層實現地址和報文結構的統一，能夠進行統一尋址。
??轉發：分組進入路由器不同輸入接口卡后，通過將分組目的地址與轉發表進行比較，經過交換結構后，由輸出接口卡輸出到不同路由器不同接口。
??路由選擇:路由器接收來自不同路由器的路由選擇報文,通過執行路由選擇協議，更新了轉發表內容，使分組能夠到達正確的輸出端口。這些功能由路由器的控制器卡提供，包括路由計算與更新、拓撲和地址信息交換。
4-30 路由器中輸入接口卡和輸出接口卡具有的功能是什么？
??輸入接口卡：
??（1）將一條物理鏈路與路由器的物理層連接的功能；
??（2）與位于輸入鏈路的數據鏈路層功能進行交互的功能；
??（3）配合控制器卡查找與轉發分組的功能，使分組經過路由器交換結構出現在適當的輸出接口。
??輸出接口卡：
??存儲經過交換結構轉發給它的分組，并將這些分組發送到輸出鏈路。輸出接口用于完成與輸入接口順序相反的數據鏈路層和物理層功能。
4-31 路由器的典型交換結構有哪幾種？它們各自有哪些特點？
??通過內存交換：輸入端口和輸出端口之間的交換在處理器的控制下完成，并將分組交換到適當的輸出端口的內存中；
??通過總線交換：輸入端口通過一根共享總線將分組直接傳輸到輸出端口，而無需控制器卡的干預；
??通過互聯網絡交換：使用復雜的互聯網絡，能夠克服單一、共享式總線帶寬限制。
4-32 在移動IP中，考慮在一個具有一個外部代理的外部網絡中的兩個移動結點。這兩個移動結點是否可以使用相同的轉交地址？為什么？
??使用移動IP方案時，移動結點通常有永久IP地址和一個轉交地址。該轉交地址實際上是由歸屬代理所使用的。當通信者給移動結點的永久IP地址發送分組時，歸屬代理會將該數據報截獲并用轉交地址轉發給移動用戶。因此，兩個不同的移動結點如果位于相同子網中時，完全有可能使用相同的轉交地址。
??當收到具有轉交地址的分組時，外部代理將根據兩個移動結點的注冊信息，通過它們不同的MAC地址與之進行直接連接的網絡通信。
4-33 IP多播有哪些特點？IP多播的地址有什么特殊之處？
??IP多播允許向多播組成員傳輸同樣的數據報。多播地址只能用作目的地址；多播組成員中的每一個端系統通常還設有一個單播IP地址。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的[计网：原理与实践] 第四章：网络互联（课后习题整理）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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