第四章 网络互联

4-1 什么是异构网络？异构网络互联有哪些不同的方法？因特网采用了怎样的中继系统方式？
  网络发展初期，许多计算机公式分别推出了具有专门规范的计算机网络。这些计算机网络在体系结构和通信协议方面有很大的差异，被称为异构网络（heterogeneous network）。异构网络在寻址方法、分组长度、路由选择和差错恢复等方面差异很大，相互之间无法直接通信。
  异构网络的互联有多种方式：两两互联的方式、与中立的中继系统互联的方式。
  因特网采用了一种与及其无关、操作系统无关、语言无关的中继系统（IP系统）方式来解决异构网络互联问题。
4-2 为什么说IP网络是一个虚拟网络？如果IP网络不实际传输分组，那么它的作用是什么？
  IP网络是一种全局性网络，具有统一的协议和地址，且与机器、操作系统、语言无关。每个相连的异构网络负责将自己的协议映射到IP上来，然后再统一的IP网络上进行数据传输，因此，IP网络是一种抽象的网络层概念。
  IP网络是基于底层通信网络之上的虚拟网络，它为分组提供全局性路由选择和转发功能，分组的实际传输交付功能由下面的通信网络来提供。
4-3 路由选择和转发的区别和联系是什么？有些文献将前者称为路由表，将后者称为转发表，它们之间是否存在某种关联？
  转发是指将分组从一个输入链路接口转移到适当的输出链路接口的路由本地动作。路由选择是指在一个网络特定范围内，决定分组从源到目的地址的端到端路径的决策过程。
  在分组从发送方经过沿途各路由器转发流向接收方之前，网络层必须先决定这些分组采用的路由或路径，并将计算结果放在路由器的转发表中，两者是统一的关系。
4-4 分组的直接交付和间接交付有什么区别和联系？在交付过程中，它们分别要用到哪些层次的地址？
  当源主机和目的主机位于同一个直接连接的网络上时，分组从一台源主机直接传输到另一台目的主机的过程称为直接交付；当源主机和目的主机不在一个直接连接的网络上时，源主机必须先把分组发给路由器，由路由器进行后续处理然后传输到目的主机的过程叫做间接交付。
  从源主机到目的主机的选择路由、分组转发等操作是在虚拟的IP网络中进行的，而分组的实际传输是在下层网络中进行的，需要用到物理层和链路层地址。
4-5 网络层所能提供的服务模型有几种？因特网提供的服务模型是什么？
  两种：面向连接服务（connection-oriented service）和无连接服务（connectionless service）。因特网提供的是无连接服务模型（尽力而为的服务）。
4-6 由面向连接的网络层提供特定的服务非常丰富，而无连接的网络层仅能提供尽力而为的服务。既然如此，因特网的IP层为什么还要选择使用这种无连接服务呢？
  IP层使用无连接服务模型符合“核心简单，边缘智能”的原则，保证数据分组的传输效率。在绝大多数情况下，分组到达目的地址的概率很大，即因特网不会出现耗尽资源和频繁出现故障的情况，通过在IP之上提供保证可靠传输的服务能支持不断发展的新型网络应用。
4-7 对比分析虚电路和数据报网络的某些优缺点。
a. 故障恢复问题：如果路由器遇到了使它不能正常运转的紧急情况，应当采取哪些措施呢？是虚电路体系结构还是数据报体系结构，对于路由器的恢复更有利？
b. 服务质量问题：为了向从某条源到目的地的路径提供性能等级（如时延）方面的保证，若从源到目的地流量无法满足指定的时延需求，就不允许该源访问网络。是虚电路体系结构还是数据报体系结构，对于保证服务质量更有利？
  数据报服务和虚电路服务是分组交换广域网向高层提供的两类服务，即无连接的网络服务和面向连接的网络服务的具体实现。
  a. 采用虚电路方式时，交换设备需要维护虚电路的状态信息；采用数据报方式时，每个数据报都携带完整的目的/源地址，出现路由器不能运转的紧急情况可选取其他路径，更为灵活。
  b. 虚电路方式很容易保证服务质量，适用于实时操作，但比较脆弱；数据报不太容易保证服务质量，但是对于通信线路的故障适应性很强。
4-8 虚电路中有哪些明显不同的工作阶段？虚电路网络中的基本转发表有4列，这些列的值的含义是什么？在数据报网络中的基本转发表有2列，这些列的值的含义是什么？
  有3个明显不同的工作阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段和虚电路拆除阶段。
  虚电路转发表中列的值含义分别为入接口，入VC号（标识路径上每段链路的号码），出接口，出VC号。
  数据报转发表中列的值含义分别为目的地址和链路接口。
4-9 考虑一个用2比特字段表示VC号的虚电路网络。假定该网络要通过4条链路（链路A、链路B、链路C和链路D）建立一条虚电路。假定这些链路中的每条当前都承载两条其他的虚电路，这些其他虚电路的VC号如下:

  在回答下列问题时，注意每个现有的 虚电路可能通过这4条链路之一。
a. 如果每条虚电路要求沿着其路径使用相同的VC号，能为该新的虚电路分配什么样的VC号?
b. 如果每条虚电路沿其路径允许不同的链路使用不同的VC号（因此转发表必须执行VC号转换)，能够使用4个VC号的多少种不同的组(一种组合用于这4条链路之一)?
  a. 不能建立新的VC，无法分配新的VC号。
  b. 每条链路承载2个VC号，共有4条链路。有16（2的4次方）种组合。
4-10 试解释“因特网被定义成不可靠的、尽力而为和无连接分组交付系统”的含义。
  所谓服务是不可靠的是指分组可能出现丢失、重复、延迟或不按序交付等，因特网服务不检测这些情况，也不提醒发送方和接收方。
所谓服务是尽力而为是指因特网并不随意地丢弃分组，只有在资源耗尽或网络出现故障时才可能出现不可靠性。
  所谓服务是无连接的是指网络独立地对待每个分组，分组序列可能经过不同的传输路径达到，无法保证到达顺序，分组有的到达有的丢失。
4-11 从IP支持网络层编址和转发两大功能的角度看，IP数据报首部至少要包括哪些字段？这些字段应当包括什么内容？
  至少包括源地址和目的地址字段。
  转发是将分组从路由器的输入移动到适当的路由器输出，为防止IP数据报无休止地转发，要具有寿命字段；为使不同服务类型具有较好质量，要具有服务类型字段；为使不同长度的数据块能够转发，要具有标识符、标志和段偏移字段；为了使网络层编址和转发两大功能正确，还需要有互联网检验和字段。
4-12 考虑向一条具有1500字节的MTU的链路发送一个8000字节的数据报。假定初始数据报具有标识号321。这将会生成多少个报文段？它们的特征是什么？
  固定长度为20字节，因此每个数据报片数据部分长度不能超过1480字节。8000字节的数据报分成6个数据报片，具体特征如下表：

  其中MF=1标识后面还有分片的数据报，DF=0标识允许分片，片偏移以8个字节为偏移单位（每个分片的长度是8字节的整数倍）。
4-13 考虑使用32比特主机地址的某数据报网络。假定一台路由器具有4条链路，编号为0-3，分组能被转发到如下的各链路接口：

a. 提供一个具有4个表项的转发表，使用最长前缀匹配，将分组转发到正确的链路接口。
b. 描述你的转发表是如何为具有下列目的地址的数据报决定适当链路接口的。
1100100010010001 01010001 01010101
1110000100000000 11000011 00111100
1110000110000000 00010001 01110111
  a.

  b.
  第1个地址的最长匹配前缀是接口3；
  第2个地址的最长匹配前缀是接口1；
  第3个地址的最长匹配前缀是接口2。
4-14 考虑使用8比特主机地址的数据报网络。假定一台路由器使用最长前缀匹配并具有如下转发表：

对这4个接口，给出相关的目的主机地址的范围和在该范围中的地址数量。
  参考：

4-15 考虑一台互联3个子网(子网1、子网2和子网3）的路由器。假定每个子网中的所有接口都要求具有前缀220.5.10/24，而且子网1要求支持多达120个接口，子网2和子网3要求支持多达60个接口。提供3个满足这些限制的网络地址（形式为a.b.c.d/x)。
  假定申请到了前缀为110.110.110.64/17的地址块，现在要从该地址块为下属4个单位的子网再次分配IP地址，每块具有相同数量的IP地址。这4个子网（形为a.b.c.d/x）的前缀是什么？
  （1）子网1 ：220.5.10.0/25；子网2：220.5.10.128/26；子网3：220.5.10.192/26。
  （2）划分4个子网，占用两个主机号改成00,01,10,11。
  可得各个子网的网络地址：
  110.110.0.0/19
  110.110.32.0/19
  110.110.64.0/19
  110.110.96.0/19
4-16 简述ARP的工作过程。ARP查询为什么要在广播帧中发送？ARP响应为什么要具有一个特定目的MAC地址的帧中发送？
  端系统A初次向端系统B发送IP数据报时有关ARP的工作过程：
  （1）ARP在子网内广播一个ARP请求分组。
  （2）子网内所有运行ARP进程的端系统都会收到此ARP分组。
  （3）端系统B发现ARP请求分组中的目的地址是自己的IP，就以单播的方式向A发送ARP响应分组，并写入自己的MAC地址。其他所有端系统都不响应。
  （4）端系统A收到B的ARP响应分组后，就在自己的ARP表中写入B的IP地址到MAC地址的映射。
  1、当ARP表中没有目的IP地址的MAC地址，则会进行广播，寻找目的IP地址与之相匹配的MAC地址。2、当广播后得到了目的适配器的回复，目的适配器就会发送一个ARP报文，报文中包括它的MAC地址。
4-17 对于图4-17所示的网络中，路由器有两个ARP模块，每个都有自己的ARP表。同样的MAC地址可能在两张表中都出现吗？

  同样的MAC地址不会在两张表中都出现。一个模块中的ARP表对应子网1的中的主机，而另外一个模块中的ARP表对应子网2中的主机。
4-18 在如图4-17所示的网络中，端系统A要与端系统E通信。简述它们之间具体的通信过程。
  （1）A比较E的网络地址，发现不在相同网络，就送往路由器R左端口10.10.10.4；
  （2）A的ARP表中没有R左端口MAC地址，使用ARP从10.10.10.4得到R的MAC地址；
  （3）A生成以R左端口的MAC地址作为目的地的链路层帧，帧包含A到E的IP数据报；
  （4）R知道目的地是E，使用选路协议确定路由器右端口10.10.11.6；
  （5）R出端口将E的IP地址与本网络地址相比，发现网络地址匹配，就进行直接交付；发现ARP表中没有发现E的MAC地址，用ARP得到E的MAC地址;
  （6）R适配器生成包含A到E 的IP数据报的帧向E发送；
  （7）E收到来自A的IP分组。
4-19 将ICMP用于处理网络管理问题的基本思路是什么？traceroute程序的工作原理符合这个基本思路吗？
  基本思路是允许端系统或路由器报告差错情况，为网管人员提供适当的工具以查询网络结点的信息。
  Traceroute程序的工作原理符合这个基本思路。首先它构造TTL=1的ICMP数据报，使第一台路由器报错，从而获得其入口IP地址，接下来构造TTL=2，3,…的ICMP数据报，从而获得其沿途的路由器不断报错，依次获得了它们的入口地址。因此，traceroute利用了ICMP的工作机制。
4-20 与IPv4相比，IPv6数据报格式主要的不同是什么？
  IPv6数据报扩大地址容量；首部固定长度40字节；不允许分段；完全去除“检查和”，以减小每跳的处理时间；允许“选项”，但在首部之外，由“下一个首部”字段指示等。
4-21 路由选择算法的目的是什么？简述路由选择算法的分类方法以及它们各自的特征。
  目的是确定数据报在源与目的地之间要采用的优化路径，并据此设置路由器转发表中的内容。
  按路由选择的层次进行划分可分为内部网关协议和外部网关协议。对于内部网关协议，可根据路由选择算法是全局的还是分布式的来划分。分布式路由选择算法以迭代、分布式的方式计算出最低费用路径；全局路由选择算法以所有结点之间的连通性及所有链路的费用为输入，要求在开始计算最优路径之前就以某种方式获得有关信息。
  路由选择算法还可分为静态路由选择算法和动态路由选择算法，以及负载敏感路由选择算法和负载迟钝路由选择算法。静态路由选择算法适用于网络情况不变或变化缓慢的场合，可人工设置和调整。动态路由选择算法能够随网络流量负载或拓扑变化而自适应地改变路径，适用于大规模和动态场合。负载敏感路由选择算法中的链路费用会动态变化以反映底层链路的拥塞水平，并趋向于绕开该拥塞链路选择路由，负载迟钝路由选择算法则相反。
4-22 根据自治系统进行划分，路由选择协议可以分为哪几种类型？在各类协议中，列出典型的代表。
  分为内部网关协议和外部网关协议。内部网关协议典型代表有路由选择信息协议（RIP）、开放最短路径优先（OSPF）；外部网关协议的典型代表有边界网关协议（BGP）。
4-23 RIP是一种距离矢量路由选择算法。为什么说RIP是一种分布式路由选择算法。
  分布式路由选择算法通过迭代计算及与相邻结点交换信息的过程，使各个结点能够计算出到达某个目的结点或一组目的结点的最低费用路径。而RIP通过在相邻路由器之间使用RIP响应报文或RIP通告来交换路由选择的更新信息，经过数次交换，RIP可获得到达目的地的最短路径。因此，RIP的工作过程符合分布式路由选择算法的特性。
4-24 公式中的Bellman-Ford方程是距离向量算法的核心。从这个公式是否能够解释DV算法存在“计数到无穷”问题？

Dx​(y)=minv​(c(x,v)+Dv​(y))
  方程中的

m

i

n

v

min_v

minv​作用于x的所有相邻结点。由于相邻结点据此公式计算路径费用存在不同步问题，两个结点可能会互相迭代虚假信息，直到路径费用代价迭代到16时才知道网络不可达。“计数到无穷”问题存在。
4-25 考虑如图4-17所示的网络。试用距离矢量算法给出结点b的距离表表项。

  距离矢量算法通过邻居之间交换路由选择报文，根据 Bellman-Ford方程进行迭代得到距离表表项的。
  初始阶段：只知道自己的邻居情况。

  其余表项同理，经过一轮迭代后。

  经过第二轮迭代后。

4-26 OSPF的基本思想是什么？它包括了哪些技术要点？它的优点是什么？
  根据网络拓扑和链路费用代价作为算法输入使每台路由器知道怎样到达邻居并通过所有邻居到达所有目的地，确保每台路由器都能收到足够的网络信息来建立完整的网络映像。
  OSPF有两个技术要点：一个是使用洪泛链路状态信息的链路状态协议；一个是Dijkstra最低费用路径算法。
  优点：网络变化时更新路由信息的过程收敛速度快、安全、允许多条费用相同的路径、对单播路由选择与多播路由选择的综合支持、支持在单个路由选择域内的层次结构等。
4-27 考虑如图4-27所示的网络（见题4-25）。用Dijkstra的最短路径算法计算出从b到所有网络结点的最短路径。通过计算一个类似于表4-10的表，给出该算法的工作过程。

4-28 BGP有哪些主要功能？描述在BGP中是如何检测路径中的环路的？
  BGP主要用于互联网AS（自治系统）之间的互联，BGP的最主要功能在于控制路由的传播和选择最好的路由：
  （1）从相邻AS出获得子网的可达性信息；
  （2）向本AS内部的所有路由器传播这些可达性信息；
  （3）基于可达性信息和AS策略，决定到达子网的好路由。
  BGP从相邻AS获得子网可达性信息，基于自己的策略，决定是否向其他AS通告，一旦通告就承诺向该子网转发数据报；BGP还向本AS内部的所有路由器传播相关可达性信息。
  在AS-PATH属性包含了传递前缀的通告所经过的AS，由此可以判断是否存在环路。
4-29 观察图4-32所示的路由器体系结构。如何体现出路由器具有互联异构网络、转发和选择路由等几项关键功能。
  互联异构网络:不同异构通信子网中的分组经过路由器的物理层、链路层和网络层功能转换，在IP层实现地址和报文结构的统一，能够进行统一寻址。
  转发：分组进入路由器不同输入接口卡后，通过将分组目的地址与转发表进行比较，经过交换结构后，由输出接口卡输出到不同路由器不同接口。
  路由选择:路由器接收来自不同路由器的路由选择报文,通过执行路由选择协议，更新了转发表内容，使分组能够到达正确的输出端口。这些功能由路由器的控制器卡提供，包括路由计算与更新、拓扑和地址信息交换。
4-30 路由器中输入接口卡和输出接口卡具有的功能是什么？
  输入接口卡：
  （1）将一条物理链路与路由器的物理层连接的功能；
  （2）与位于输入链路的数据链路层功能进行交互的功能；
  （3）配合控制器卡查找与转发分组的功能，使分组经过路由器交换结构出现在适当的输出接口。
  输出接口卡：
  存储经过交换结构转发给它的分组，并将这些分组发送到输出链路。输出接口用于完成与输入接口顺序相反的数据链路层和物理层功能。
4-31 路由器的典型交换结构有哪几种？它们各自有哪些特点？
  通过内存交换：输入端口和输出端口之间的交换在处理器的控制下完成，并将分组交换到适当的输出端口的内存中；
  通过总线交换：输入端口通过一根共享总线将分组直接传输到输出端口，而无需控制器卡的干预；
  通过互联网络交换：使用复杂的互联网络，能够克服单一、共享式总线带宽限制。
4-32 在移动IP中，考虑在一个具有一个外部代理的外部网络中的两个移动结点。这两个移动结点是否可以使用相同的转交地址？为什么？
  使用移动IP方案时，移动结点通常有永久IP地址和一个转交地址。该转交地址实际上是由归属代理所使用的。当通信者给移动结点的永久IP地址发送分组时，归属代理会将该数据报截获并用转交地址转发给移动用户。因此，两个不同的移动结点如果位于相同子网中时，完全有可能使用相同的转交地址。
  当收到具有转交地址的分组时，外部代理将根据两个移动结点的注册信息，通过它们不同的MAC地址与之进行直接连接的网络通信。
4-33 IP多播有哪些特点？IP多播的地址有什么特殊之处？
  IP多播允许向多播组成员传输同样的数据报。多播地址只能用作目的地址；多播组成员中的每一个端系统通常还设有一个单播IP地址。