计算机网络第48讲网络层

A. 计算机网络（三）——网络层

网络层的 目的 是实现在任意结点间进行数据报传输，它的目的与链路层、物理层不是一样的吗？但是通过它数据可以在更大的网络中传输。

为了能使数据更好地在更大的网络中传输，网络层主要实现三个功能： 异构网络互联 、 路由与转发 和 拥塞控制 。

我们知道，在物理层、链路层，可以使用不同的传输介质和拓扑结构将几台、十几台主机连接在一起形成一个小型的局域网，把这些组成结构不完全相同的局域网称为异构网，因此将它们连接扩大成更大的网络，需要一个类似转接头的设备——路由器，路由器不仅仅可以连接异构网，还能隔离冲突域和广播域，依照IP地址转发。

下图对集线器、网桥、交换机和路由器能否隔离冲突域和广播域进行比较：

路由器作为连接多个网络的结点，不仅需要完成对数据的分组转发，还要选择传输路径，因此路由器主要由 路由选择 和 分组转发 组成。

网络层最重要的功能是 路由与转发 功能。路由也就是选择一条合适的路，转发则是在这条路上遵守协议。这有点像从某个多个国家的交界城市自驾，选其中一条路，那么就遵守这个国家的交通协议。

数据通过一个又一个路由器到达目的地址，路由器怎么知道数据应该从哪个端口出发才能到达目的地呢？这就需要构造路由表。
路由表有两种构造方式： 静态 和 动态 。

一个个小网络可以构成一个区域，足够多的区域互连成一个网络，多个网络又形成巨大的互联网。要想让数据高效在网络中传输，采用“分而治之”的理念。
将互联网分为许多较小的自治系统，系统有权决定自己内部采用什么路由协议，这便是层次路由。通过层次路由便可以采用灵活的协议传输数据。数据在自治系统内传输采用 内部网关协议 而自治系统之间则采用 外部网关协议 。

内部网关协议有两种协议： 路由信息协议（RIP） 和 开放最短路径优先协议（OSPF）

外部网关协议则是边界网关协议（BGP）。内部网关协议服务某个自治系统，范围较小，所以尽可能有效地从源站送到目的站，也就是找到一条最佳路径。而外部网关协议需要面对更大的网络范围和网络环境，因此更关注的找到比较好的路径，也就是不能兜圈子。

BGP工作原理：

将三种路由协议进行比较：

构建大规模、异构网络的互联网除了硬件的支持外，还需要建立协议以实现数据报传输服务——IP协议。
目前IP协议有两个版本：IPv4和IPv6。

现在主流的IP协议版本还是IPv4。

IP数据报主要由首部和数据部分组成，由TCP报文段封装到数据部分，再在前端加上一些描述信息的首部，其格式如下图：

IP协议使用分组转发，当报文过大时需要分片。分片的思路如下：

如果把IP数据报看作是信，那么首部中的源地址与目的地址则分别是发信地址和邮件地址。为了方便路由计算这些地址，并且使IP地址足够使用，因此将IP地址进行分类。

IP地址的格式 ： {<网络号>,<主机号>}，网络号标志主机所连接的网络，主机号标志该主机，每个IP地址都是唯一的。

IP地址分类 如下：

通过分类，可以计算每个网络中最大的主机数：

网络地址转换（NAT）是一种转换机制，将专用网络地址转换为公用地址，目的是为了对外隐藏内部管理的IP地址，这样不仅可以保证网络安全，还可以解决IP地址不足问题。
当路由器接收到的目的地址是私有地址则一律不进行转发，而如果是公用地址，则是用NAT转换表将源IP及端口号映射成全球IP号，然后从WAN端口发送到因特网上。

IP地址有A、B、C类网络号，如果把A类网络号分给一个广播域，那么这个广播域可以接入16,777,212台主机，然而一个广播域不可能融入这么多台主机，因为这样会导致广播域过饱和而瘫痪，而只给其分配一定数量的网络号，则会浪费大量的IP地址。因此在IP地址中增加一个“子网号字段”，将IP地址划分为三级，即IP地址={<网络号>,<子网号>,<主机号>}，也就是从主机号中借用几个比特号作为子网号，这个子网号是对内划分的，对外仍旧表现为二级IP地址。

主机或路由器如何判断一个网络是否进行子网划分了呢？——利用子网掩码。

CIDR是 无分类 域间路由器选择，目的是消除A、B、C类网络划分，这样可以大幅度提高IP地址空间利用率。相比较子网掩码划分，它更加灵活。

上图中，如果R1收到前缀为206.1的IP地址，它只需要转发给R2，具体发往网络1还是网络2，则由R2计算得出。

通过IP地址，可以将数据从某个网络传输到目的网络，但是把信息发送给哪台主机呢？由于路由器的隔离，IP网路没办法使用广播方式查找MAC地址，只有通过链路层的MAC地址以广播方式寻址。
因此，IP协议还包括三个协议—— ARP、DHCP和ICMP ，共同配合完成数据转发。

IPv6是解决IP地址耗尽的根本手段。它与IPv4的报文形式差别如下图：

IPv6与IPv4地址通信示意图：

在通信过程中，如果分组过量而导致网路性能下降，会产生拥塞。

拥塞的控制方式：

B. 网络五层结构

计算机网络五层结构是指应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

1、应用层

专门针对某些应用提供服务。

2、传输层

网络层只把数据送到主机，但不会送到进程。传输层负责负责进程与主机间的传输，主机到主机的传输交由网络层负责。传输层也称为端到端送。

3、网络层

把包里面的目的地址拿出来，进行路由选择，决定要往哪个方向传输。

负责从源通过路由选择到目的地的过程，达到从源主机传输数据到目标主机的目的。

4、数据链路层

通过物理网络传送包，这里的包是通过网络层交过来的数据报。

只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）。

5、物理层

通过线路（可以是有形的线也可以是无线链路）传送原始的比特流。

只完成一个节点到另一个节点的传送（单跳）。

(2)计算机网络第48讲网络层扩展阅读：

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

计算机网络也称计算机通信网。关于计算机网络的最简单定义是：一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。若按此定义，则早期的面向终端的网络都不能算是计算机网络，而只能称为联机系统（因为那时的许多终端不能算是自治的计算机）。但随着硬件价格的下降，许多终端都具有一定的智能，因而“终端”和“自治的计算机”逐渐失去了严格的界限。若用微型计算机作为终端使用，按上述定义，则早期的那种面向终端的网络也可称为计算机网络。

C. 计算机网络(四)网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

链路层数据帧可封装数据的上限称为最大传送单元MTU

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

中间位DF（Don’t Fragment）：

最低位MF（More Fragment）：

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。IP地址::={<网络号>,<主机号>}

有一些IP地址是不能用的，有其特殊的作用，如：

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

此外，为了网络安全，划分出了部分IP地址和私有IP地址，私有IP地址网段如下：

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

分类的IP地址的弱点：

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

路由器转发分组的算法：

无分类域间路由选择CIDR：

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。e.g. 128.14.32.0/20

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）。

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。

ARP协议使用过程：

ARP协议4种典型情况：

动态主机配置协议DHCP是 应用层 协议，使用 客户/服务器 方式，客户端和服务端通过 广播 方式进行交互，基于 UDP 。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

DHCP工作流程如下：

ICMP协议支持主机或路由器：包括差错（或异常）报告和网络探询，分部发送特定ICMP报文

ICMP差错报告报文（5种）：

不应发送ICMP差错报文的情况：

ICMP询问报文:

ICMP的应用：

32位IPv4地址空间已分配殆尽，这时，可以采用更大地址空间的新版本的IPv6，从根本上解决地址耗尽问题

IPv6数据报格式如下图

IPv6的主要特点如下：

IPv6地址表示形式：

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次。

IPv6基本地址类型：

IPv6向IPv4过渡的策略：

R1的路由表/转发表如下：

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。

路由算法可分为

由于因特网规模很大且许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网，可以采用自治系统来解决

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离 [1] 记录（即一组距离）。 RIP协议只适用于小互联网。

RIP是应用层协议，使用 UDP 传送数据。一个RIP报文最多可包括25个路由，如超过，必须再用一个RIP报文传送。

RIP协议的交换

路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离（距离为1），接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“收敛”。

RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间(例如数分钟) 才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”。

对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明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。OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。 OSPF直接用IP数据报传送。

OSPF的特点：

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。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）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200 个。

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS 的较好路由。

一个BGP 发言人与其他自治系统中的BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换BGP 报文以建立BGP 会话(session)，利用BGP 会话交换路由信息。 BGP是应用层协议，借助TCP传送。

BGP协议特点:

BGP-4的四种报文

组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。

组播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

TCP/IP 协议使用的以太网多播地址的范围是:从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF .

收到多播数据报的主机，还要在IP 层利用软件进行过滤，把不是本主机要接收的数据报丢弃。

ICMP和IGMP都使用IP数据报传递报文。组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。

IGMP工作的两个阶段：

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法：

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以 固定的网络IP地址 ，实现跨越不同网段的 漫游 功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。 路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。

路由器(网络层)可以互联两个不同网络层协议的网段。
网桥(链路层)可以互联两个物理层和链路层不同的网段。
集线器(物理层)不能互联两个物理层不同的网段。

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。

转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

D. 计算机网络_网络层

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

只是一条 逻辑上的连接 ，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，并不是真正建立了一条物理连接。

请注意，电路交换的 电话通信 是先建立了一条 真正的连接 。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。

数据报服务

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

互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题要解决

网络互连要使用一些中间设备
中间设备 又称为 中间系统 或 中继 系统

如果我们只从网络层考虑问题，那么IP数据报就可以想象是在网络层中传送。

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）
可以记为

观察上图

比较重要的一点是要区别IP地址与 硬件地址 的区别

从层次的角度来看， 物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上使用的地址，是一种逻辑地址（称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用 软件实现的）

有 四个A类网络 通过三个路由器连接在一起，每个网络上都可能有成千上万个主机。可以想象，若按目的主机号来制作路由表，则所得出的路由表就会过于庞大。丹若按主机所在的 网络地址 来制作路由表，那么每一个路由器中的路由表就只包含 四个项目 。这样可以大大简化路由表。

使用这样的简化图，我们可以不用关心某个网络内部的具体拓扑结构及连接在该网络上有多少台计算机，他还强调了在互联网上转发分组时，是 从一个路由器转发到下一个路由器 。

根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，这一点做的结果是：

虽然因特网所有分组转发都是 基于目的主机所在的网络 ，但在大多数情况下都允许有这样的特例，即对特定的目的主机指明一个路由。这种路由叫做 特定主机路由 ，采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。

IP 数据报的首部中 没有地方 可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”，当路由器收到待转发的数据报， 不是 将下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是 送交下层的网络接口软件 。网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成 硬件地址 ，并将此硬件地址放在链路层的** MAC 帧 的首部，然后根据这个 硬件地址**找到下一跳路由器。

(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。
(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间接交付，执行(3)。
(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。
(4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。
(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。
(6) 报告转发分组出错。

在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。

从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。这种做法叫作划分子网(subnetting) 。划分子网已成为因特网的正式标准协议。

请注意现在子网号为3的网络的 网络地址 是145.13.3.0（既不是原来两级的IP地址的网络地址145.13.0.0，也不是简单的子网号3），为了使路由器能很方便的从数据报中的目的IP地址中提取所要找的子网的网络地址，路由器就要使用三级IP地址的子网掩码（如上图，三级IP地址的子网掩码），它也是32位，由一串1和跟随的一串0组成。子网掩码中的1对应于IP地址中原来二级地址中的16位网络号加上新增加的8位子网号，而子网掩码中的0对应于现在的8位主机号。 虽然RFC文档中没有规定子网掩码中的一串1必须是连续的，但却极力推荐在子网掩码中选用连续的1，以避免发生错误

不管有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位相 与 运算，就立即得出网络地址来，这样路由器处理到来的分组时可以采用相同的算法。

归纳下上述的要点，从网络145.13.0.0外面看，这就是一个普通的B类网络，但进入这个网络后（即到了路由器），就看到了还有许多网络（即划分了子网后的许多网络），其网络地址为145.13.x.0（这里x可以表示不同的数值），而这些网络的子网掩码都是24个连1跟上8个连0。总之，在这个网络的内外，看到的网络是不同的

为了更便于查路由表，现在因特网的标准规定：所有的网络都必须使用子网掩码，同时在路由器的路由表中也必须有子网掩码这一栏。如果一个网络不划分子网，那么该网络的子网掩码就使用默认子网掩码，默认子网掩码中1的位置和IP地址中的网络号字段正好相对应。因此，若用默认子网掩码和某个不划分子网的IP地址逐位相与，就应当能够得出该IP地址的网络地址来，这样做可以不用查找该地址的类别位就能知道这是哪一类的IP地址 （书上原话 没懂 ！！！！）

P137有一个表格写B类子网划分选择（使用固定长度子网）

有一个例题请见教材P139

划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而在 1992 年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题，这就是：

无分类的两级编址的记法是：

CIDR 还使用 斜线记法 (slash notation)，它又称为 CIDR记法 ，即在 IP 地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）。CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成 “CIDR 地址块” 。

为了更方便的进行路由选择，CIDR使用32位的地址掩码，地址掩码由一串1和一串0组成，而1的个数就是网络前缀的长度。例如/20地址块的地址掩码是：11111111 11111111 11110000 00000000 20个连续的1，斜线记法中，斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数

这个 ISP 共有 64 个 C 类网络。如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有 64 个项目。但采用地址聚合后，只需用路由聚合后的 1 个项目 206.0.64.0/18 就能找到该 ISP。

// 这里还没太懂.... 就是共有多少个几类网络那里

报文格式

ICMP差错报告报文的数据字段的内容

E. 计算机网络-网络层-路由器的构成

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。从路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止。路由器的转发分组正是网络层的主要工作。

整个的路由器结构可划分为两大部分：路由选择部分和分组转发部分。

路由选择部分也叫做控制部分，其核心构件是路由选择处理机。 路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。 分组转发部分由三部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口（请注意：这里的端口就是硬件接口）。

交换结构(switching fabric)又称为交换组织 ，交换结构是路由器的关键构件，它的作用就是根据转发表(forwarding table)对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去，交换结构本身就是一种网络，但这种网络完全包含在路由器之中，因此交换结构可看成是“在路由器中的网络”。实现这样的交换有多种方法，以下这三种方法都是将输入端口 I1收到的分组转发到输出端口O2。

图4-45(a)的示意图表示 分组通过存储器进行交换 。目的地址的查找和分组在存储器中的缓存都是在输入端口中进行的。若存储器的带宽（读或写）为每秒M个分组，那么路由器的交换速率（即分组从输入端口传送到输出端口的速率）一定小于M2。这是因为存储器对分组的读和写需要花费的时间是同一个数量级。

图4-45(b)是 通过总线进行交换 的示意图。采用这种方式时，数据报从输入端口通过共享的总线直接传送到合适的输出端口，而不需要路由选择处理机的干预。但是，由于总线是共享的，因此在同一时间只能有一个分组在总线上传送。当分组到达输入端口时若发现总线忙（因为总线正在传送另一个分组），则被阻塞而不能通过交换结构，并在输入端口排队等待。因为每一个要转发的分组都要通过这一条总线，因此路由器的转发带宽就受总线速率的限制。现代的技术已经可以将总线的带宽提高到每秒吉比特的速率，因此许多的路由器产品都采用这种通过总线的交换方式。

图4-45(c)是 通过纵横交换结构(crossbar switch fabric)进行交换 。这种交换机构常称为互连网络(interconnection network),它有2N条总线，可以使N个输入端口和N个输出端口相连接，这取决于相应的交叉结点是使水平总线和垂直总线接通还是断开。当输入端口收到一个分组时，就将它发送到与该输入端口相连的水平总线上。若通向所要转发的输出端口的垂直总线是空闲的，则在这个结点将垂直总线与水平总线接通，然后将该分组转发到这个输出端口。但若该垂直总线已被占用（有另一个分组正在转发到同一个输出端口），则后到达的分组就被阻塞，必须在输入端口排队。

在图4-42中，路由器的输入和输出端口里面都各有三个方框，用方框中的1,2和3分别代表物理层、数据链路层和网络层的处理模块。物理层进行比特的接收。数据链路层则按照链路层协议接收传送分组的核。在把航的首部和尾部去后，分组就被送入网络层的处理模块。若接收到的分组是路由器之间交换路由信总的分组（如RIP或OSPF分组等），则把这种分组送交路由器的路由选择部分中的路由选择处理机。若接收到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，根据得出的结果，分组就经过交换结构到达合适的输出端口。 一个路由器的输入端口和输出端口就做在路由器的线路接口卡上。

输入端口 中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的。为了使交换功能分散化，往往把复制的转发表放在每一个输入端口中（如图4-42中的虚线箭头所示）。路由远择处理机负责对各转发表的副本进行更新。这些副本常称为“影子副本”(shadow ),分散化交换可以避免在路由器中的某一点上出现瓶颈。

“但在具体的实现中还是会遇到不少困难。问题就在于路由器必须以很高的速率转发分组。最理想的情况是 输入端口的处理速率能够跟上线路把分组传送到路由器的速率。这种速率称为线速 （line speed  或 wirc  peed)。可以粗略地估算一下。设线路是0C-48链路，即2.5 Gbit/s。若分组长度为256字节，那么线速就应当达到每秒能够处理100万以上的分组。现在常用Mpps(百万分组每秒)为单位来说明一个路由器对收到的分组的处理速率有多高。”

当一个分组正在查找转发表时，后面又紧跟着从这个输入端口收到另一个分组。这个后到的分组就必须在队列中排队等待，因而产生了一定的时延。

输出端口 从交换结构接收分组，然后把它们发送到路由器外面的线路上。在网络层的处理模块中设有一个缓冲区，实际上它就是一个队列。当交换结构传送过来的分组的速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的分组就必须暂时存放在这个队列中。数据链路层处理模块把分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

从以上可以看出，分组在路由器的输入端口和输出端口都可能会在队列中排队等候处理。若分组处理的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。分组丢失就是发生在路由器中的输入或输出队列产生溢出的时候。当然，设备或线路出故障也可能使分组丢失。

“转发”和“路由选择”的区别 ：在互联网中， “转发” 就是路由器根据转发表把收到的IP数据报从路由器合适的端口转发出去。“转发”仅仅涉及到一个路由器。但 “路由选择” 则涉及到很多路由器，路由表则是许多路由器协同工作的结果。这些路由器按照复杂的路由算法，得出整个网铭的拓扑变化情况，因而能够动态地改变所选择的路由，并由此构造出整个的路由表，路由表一般仅包含从目的网络到下一跳（用P地址表示）的映射，而转发表是从路由表得出的。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息。这就是说，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网路到输出端口和某些MAC地址信息（如下跳的以太网地址)的映射。将转发表和路由表用不同的数据结构实现会带来一些好处，这是因为在转发分组时，转发表的结构应当使查找过程最优化，但路由表则需要对网络拓扑变化的计算最优化。路由表总是用软件实现的，但转发表则甚至可用特殊的硬件来实现。请读者注意，在讨论路由选择的原理时， 往往不去区分转发表和路由表的区别，而可以笼统地都使用路由表这一名词。

F. 计算机网络-网络层-多播协议

图4-55是在互联网上传送多播数据报的例子。图中标有IP地址的四台主机都参加了一个多播组，其组地址是226.15.37.123。显然，多播数据报应当传送到路由器R1,R2和R3,而不应当传送到路由器R4,因为与R4连接的局域网上现在没有这个多播组的成员。但这些路由器又怎样知道多播组的成员信息呢？这就要利用一个协议，叫做网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)。

IGMP并非在互联网范围内对所有多播组成员进行管理的协议。IGMP不知道IP多播组包含的成员数，也不知道这些成员都分布在哪些网络上，等等。 IGMP协议是让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机（严格讲，是主机上的某个进程）参加或退出了某个多播组。 显然，仅有IGMP协议是不能完成多播任务的。连接在局域网上的多播路由器还必须和互联网上的其他多播路由器协同工作，以便把多播数据报用最小代价传送给所有的组成员。这就需要使用 多播路由选择协议 。

与网际控制报文协议ICMP相似，IGMP使用IP数据报传递其报文（即IGMP报文加上IP首部构成P数据报)，但它也向IP提供服务。因此，我们不把IGMP看成是一个单独的协议，而是属于整个网际协议IP的一个组成部分。IGMP的工作可分为两个阶段：

第一阶段：当某台主机加入新的多播组时，该主机应向多播组的多播地址发送一个IGMP报文，声明自己要成为该组的成员。本地的多播路由器收到IGMP报文后，还要利用多播路由选择协议把这种组成员关系转发给互联网上的其他多播路由器。

第二阶段：组成员关系是动态的。本地多播路由器要周期性地探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还继续是组的成员。只要有一台主机对某个组响应，那么多播路由器就认为这个组是活跃的。但一个组在经过几次的探询后仍然没有一台主机响应，多播路由器就认为本网络上的主机已经都离开了这个组，因此也就不再把这个组的成员关系转发给其他的多播路由器。

IGMP为避免了多播控制信息给网络增加大量的开销，IGMP采用的一些具体措施如下：

(1) 在主机和多播路由器之间的所有通信都是使用IP多播 。只要有可能，携带IGMP报文的数据报都用硬件多播来传送。因此在支持硬件多播的网络上，没有参加IP多播的主机不会收到IGMP报文。

(2) 多播路由器在探询组成员关系时，只需要对所有的组发送一个请求信息的询问报文，而不需要对每一个组发送一个询问报文 （虽然也允许对一个特定组发送询问报文）。默认的询问速率是每125秒发送一次（通信量并不太大）。

(3)当同一个网铭上连接有几个多播路由器时，它们能够迅速和有效地选择其中的一个来探询主机的成员关系。因此，网络上多个多播路由器并不会引起IGMP通信量的增大。

(4)在IGMP的询问报文中有一个数值N,它指明一个最长响应时间（默认值为10秒)。当收到询问时，主机在0到N之间随机选择发送响应所需经过的时延。因此，若一台主机同时参加了几个多播组，则主机对每一个多播组选择不同的随机数。对应于最小时延的响应最先发送。

(5)同一个组内的每一台主机都要监听响应，只要有本组的其他主机先发送了响应，自己就可以不再发送响应了。这样就抑制了不必要的通信量。

多播路由器并不需要保留组成员关系的准确记录，因为向局域网上的组成员转发数据报是使用硬件多播。多播路由器只需要知网络上是否至少还有一台主机是本组成员即可，实际上，对询问报文每一个组只需有一台主机发送响应。

如果一台主机上有多个进程都加入了某个多播组，那么这台主机对发给这个多播组的每个多播数据报只接收一个副本，然后给主机中的每一个进程发送一个本地复制的副本。

最后需要强调指出，多播数据报的发送者和接收者都不知道（也无法找出）一个多播组的成员有多少，以及这些成员是哪些主机。互联网中的路由器和主机都不知道哪个应用进程将要向哪个多播组发送多播数据报，因为任何应用进程都可以在任何时候向任何一个多播组发送多播数据报，而这个应用进程并不需要加入这个多播组。

虽然在TCP/IP中IP多播协议已成为建议标准，但多播路由选择协议（用来在多播路由器之间传插路由信息)侧尚未标准化。

在多播过程中一个多播组中的成员是动态变化的。例如在收听网上某个广播节目时，随时会有主机加入或离开这个多播组。多播路由选择实际上就是要找出以源主机为根节点的多播转发树。在多播转发树上，每一个多播路由器向树的叶节点方向转发收到的多播数据报，但在多播转发树上的路由器不会收到重复的多播数据报（即多播数据报不应在互联网中兜圈子)。对不同的多播组对应于不同的多播转发树。同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树，已有了多种实用的多播路由选择协议，它们在转发多播数据报时使用了以下的三种方法：

(1) 洪泛与剪除。 这种方法适合于较小的多播组，而所有的组成员接入的局域网也是相邻接的。一开始，路由器转发多播数据报使用洪泛的方法（这就是广播）。为了避免兜圈子，采用了叫做 反向路径广播RPB (Reverse Path Broadcasting)的策略。RPB的要点是：每一个路由器在收到一个多播数据报时，先检查数据报是否是从源点经最短路径传送来的。进行这种检查很容易，只要从本路由器寻找到源点的最短路径上（之所以叫做反向路径，因为在计算最短路径时是把源点当作终点)的第一个路由器是否就是刚才把多播数据报送来的路由器。若是，就向所有其他方向转发刚才收到的多播数据报（但进入的方向除外），否则就丢弃而不转发。如果本路由器有好几个相邻路由器都处在到源点的最短路径上（也就是说，存在几条同样长度的最短路径)，那么只能选择一条最短路径，选择的准则就是看这几条最短路径中的相邻路由器谁的P地址最小。

图4-57中的网络用路由器之间的链路来表示。我们假定各路由器之间的距离都是1。路由器R1收到源点发来的多播数据报后，向R2和R3转发。R2发现R1就在自己到源点的最短路径上，因此向R3和R4转发收到的数据报。 R3发现R2不在自己到源点的最短路径上 ，因此丢弃R2发来的数据报。其他路由器也这样转发。R7到源点有两条最短路径：R7→R4→R2→R1→源点；R7→R5→R3→R1→源点。我们再假定R4的IP地址比R5的IP地址小，所以我们只使用前一条最短路径。因此R7只转发R4传过来的数据报，而丢弃R5传过来的数据报。最后就得出了用来转发多播数据报的多播转发树（图中用粗线表示），以后就按这个多播转发树来转发多播数据报。这样就避免了多播数据报兜圈子，同时每一个路由器也不会接收重复的多播数据报。

如果在多播转发树上的某个路由器发现它的下游树枝（即叶节点方向）已没有该多播组的成员，就应把它和下游的树枝一起剪除。例如，在图4-57中虚线椭圆表示剪除的部分。当某个树枝有新增加的组成员时，可以再接入到多播转发树上。

(2) 隧道技术(tunneling) 。隧道技术适用于多播组的位置在地理上很分散的情况。例如在图4-58中，网1和网2都支持多播。现在网1中的主机向网2中的一些主机进行多播。但路由器R1和R2之间的网络并不支持多播，因而R1和R2不能按多播地址转发数据报。为此，路由器R1就对多播数据报进行再次封装，即再加上普通数据报首部，使之成为向单一目的站发送的单播(unicast)数据报，然后通过“隧道”(tunnel)从R1发送到R2。

单播数据报到达路由器R2后，再由路由器R1剥去其首部，使它又恢复成原来的多播数据报，维续向多个目的站转发。这一点和英吉利海峡隧道运送汽车的情况相似。英吉利海峡隧道不允许汽车在隧道中行驶。但是，可以把汽车放置在隧道中行驶的电气火车上来通过陵道。过了隧道后，汽车又可以维续在公路上行驶。这种使用隧道技术传送数据报又叫做IP中的IP(IP-in-IP)。

(3) 基于核心的发现技术。 这种方法对于多播组的大小在较大范图内变化时都通合。这种方法是对每一个多插组G指定一个核心(core)路由器，给出它的IP单播地址。核心路由器按照前面讲过的方法创建出对应于多播组G的转发树。如果有一个路由器R1向这个核心路由器发送数据报，那么它在途中经过的每一个路由器都要检查其内容。当数据报到达参加了多播组G的路由器R2时，R2就处理这个数据根。如果R1发出的是一个多播数据报，其目的地址是G的组地址，R2就向多播组G的成转发这个多播数据报。如果R1发出的数据报是一个请求加入多插组G的数据报，R2就把这个信息加到它的路由中，并用隧道技术向R1转发每一个多播数据报的一个副本。这样，参加到多播组G的路由器就从核心向外增多了，扩大了多播转发树的覆盖范围。

使用的其他多播路由选择协议：

距离向量多播路由选择协议DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol)是在互联网上使用的第一个多播路由选择协议。由于在UNTX系统中实现RP的程序叫做routed,所以在routed的前面加表示多播的字母m,叫做mrouted,它使用DVMRP在路由器之间传播路由信息。

基于核心的转发树CBT (Core Based Tree)。这个协议使用核心路由器作为转发树的根节点。一个大的自治系统AS可划分为几个区域，每一个区域选择一个核心路由器（也叫做中心路由器center router,.或汇聚点路由露rendezvous router.)。

开放最短通路优先的多播扩展MOSPF (Multicast extensions to OSPF)。这个协议是单播路由选择协议OSPF的扩充，使用于一个机构内，MOSPF使用多播链路状态路由选择创建出基于源点的多播转发树。

协议无关多播-稀疏方式PIM-SM (Protocol Independent Multicast-Sparse Mode)。这个协议使用和CBT同样的方法构成多播转发树。采用“协议无关”这个名词是强调：虽然在建立多播转发树时是使用单播数据报来和远程路由器联系的，但这并不要求使用特定的单播路由选择协议。这个协议适用于组成员的分布非常分散的情况。

协议无关多播-密集方式PIM-DM (Protocol Independent Multicast-Dense Mode),这个协议适用于组成员的分布非常集中的情况，例如组成员都在一个机构之内。PIM-DM不使用核心路由器，而是使用洪泛方式转发数据报。

G. 计算机网络：网络层（2）

如图，一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

（1）版本
占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议的版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4（即IPv4）。也有使用IPv6的（即版本6的IP协议）。
（2）首部长度
占4位，可表示的最大十进制数值是15。 这个字段所表示数的单位是32位字（1个32位字长是4字节），因此，当I的首部长度为1111时（即十进制的15），首部长度就达到最大值60字节。当分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。 因此数据部分永远在4字节的整数倍时开始，这样在实现IP协议时较为方便。首部长度限制为60字节的缺点是有时可能不够用。但这样做是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是20字节（即首部长度为0101），这时不使用任何选项。
（3）区分服务
占8位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年ITF把这个字段改名为区分服务DS（ Differentiated Services。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段。
（4）总长度
总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为16位，因此数据报的最大长度为216-1=65535字节。
在IP层下面的每一种数据链路层都有其自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，这称为最大传送单元MTU（ Maximum Transfer Unit）。当一个IP数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度（即首部加上数据部分）一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。虽然使用尽可能长的数据报会使传输效率提高，但由于以太网的普遍应用，所以实际上使用的数据报长度 很少有超过1500字节 的。为了不使IP数据报的传输效率降低，有关IP的标准文档规定，所有的主机和路由器必须能够处理的IP数据报长度不得小于576字节。这个数值也就是最小的IP数据报的总长度。当数据报长度超过网络所容许的最大传送单元MTU时，就必须把过长的数据报进行分片后才能在网络上传送。这时，数据报首部中的“总长度”字段不是指未分片前的数据报长度，而是指分片后的每一个分片的首部长度与数据长度的总和。
（5）标识 （identification）
占16位。软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。
（6）标志（flag）
占3位，但目前只有两位有意义。
标志字段中的最低位记为 MF （ More Fragment）。MF=1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已是若千数据报片中的最后一个。
标志字段中间的一位记为 DF （Dont Fragment），意思是“不能分片”。只有当DF=0时才允许分片。
（7）片偏移
占13位。片偏移指出：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对于用户数据字段的起点，该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。这就是说，每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。
（8）生存时间
占8位，生存时间字段常用的英文缩写是TTL（ Time To live），表明是数据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点设置这个字段。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在因特网中兜圈子（例如从路由器R1转发到R2，再转发到R3，然后又转发到R1），因而白白消耗网络资源。最初的设计是以秒作为TTL值的单位。每经过一个路由器时，就把TTL减去数据报在路由器所消耗掉的一段时间。若数据报在路由器消耗的时间小于1秒，就把TTL值减1。当TTL值减为零时，就丢弃这个数据报然而随着技术的进步，路由器处理数据报所需的时间不断在缩短，一般都远远小于1秒钟，后来就把TTL字段的功能改为“跳数限制”（但名称不变）。路由器在转发数据报之前就把TTL值减1。若TTL值减小到零，就丢弃这个数据报，不再转发。因此，现在TTL的单位不再是秒，而是跳数。 TTL的意义是指明数据报在因特网中至多可经过多少个路由器 。显然，数据报能在因特网中经过的路由器的最大数值是255。若把TTL的初始值设置为1，就表示这个数据报只能在本局域网中传送。因为这个数据报一传送到局域网上的某个路由器，在被转发之前TTL值就减小到零，因而就会被这个路由器丢弃。
（9）协议
占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。

过程大致如下：
（1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N。
（2）若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付，不需要再经过其他的路由器，直接把数据报交付给目的主机（这里包括把目的主机地址D转换为具体的硬件地址，把数据报封装为MAC帧，再发送此帧）；否则就是间接交付，执行（3）。
（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（4）。
（4）若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（5）
（5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行（6）。
（6）报告转发分组出错。

在进行更详细的转发解释之前，先要了解一下子网掩码：

上一篇说到了二级IP地址，也就是IP地址由网络号和主机号组成。

二级IP地址有以下缺点:
第一，IP地址空间的利用率有时很低每一个A类地址网络可连接的主机数超过1000万，而每一个B类地址网络可连接的主机数也超过6万。然而有些网络对连接在网络上的计算机数目有限制，根本达不到这样大的数值。例如10 BASE-T以太网规定其最大结点数只有1024个。这样的以太网若使用一个B类地址就浪费6万多个IP地址，地址空间的利用率还不到2%，而其他单位的主机无法使用这些被浪费的地址。有的单位申请到了一个B类地址网络，但所连接的主机数并不多，可是又不愿意申请一个足够使用的C类地址，理由是考虑到今后可能的发展。IP地址的浪费，还会使IP地址空间的资源过早地被用完。
第二，给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。
每一个路由器都应当能够从路由表査出应怎样到达其他网络的下一跳路由器。因此，互联网中的网络数越多，路由器的路由表的项目数也就越多。这样，即使我们拥有足够多的IP地址资源可以给每一个物理网络分配一个网络号，也会导致路由器中的路由表中的项目数过多。这不仅增加了路由器的成本（需要更多的存储空间），而且使查找路由时耗费更多的时间，同时也使路由器之间定期交换的路由信息急剧增加，因而使路由器和整个因特网的性能都下降了。
第三，两级IP地址不够灵活。
有时情况紧急，一个单位需要在新的地点马上开通一个新的网络。但是在申请到一个新的IP地址之前，新增加的网络是不可能连接到因特网上工作的。我们希望有一种方法，使一个单位能随时灵活地增加本单位的网络，而不必事先到因特网管理机构去申请新的网络号。原来的两级IP地址无法做到这一点。

于是为解决上述问题，从1985年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级IP地址变成为三级IP地址，它能够较好地解决上述问题，并且使用起来也很灵活。这种做法叫作划分子网 （subnetting），或子网寻址或子网路由选择。划分子网已成为因特网的正式标准协议。

划分子网的基本思路如下：
（1）一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网 subnet）。划分子网纯属一个单位内部的事情。本单位以外的网络看不见这个网络是由多少个子网组成，因为这个单位对外仍然表现为一个网络。
（2）划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号 subnet-id，当然主机号也就相应减少了同样的位数。于是两级IP地址在本单位内部就变为三级IP地址：网络号、子网号和主机号。也可以用以下记法来表示：
IP地址：=（<网络号>，<子网号>，<主机号>}

（3）凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号找到连接在本单位网络上的路由器。但此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号和子网号找到目的子网，把IP数据报交付给目的主机。

简单来说就是原来的IP地址总长度不变，把原来由“网络号+主机号”组成的IP地址，变为了“网络号+子网号+主机号”，因为其他网络找当前网络的主机时，使用的还是网络号，所以外面的网看不见当前网络的子网。当本网的路由器在收到IP数据报后，按目的网络号和子网号找到目的子网，把IP数据报交付给目的主机。

现在剩下的问题就是：假定有一个数据报（其目的地址是145.133.10）已经到达了路由器R1。那么这个路由器如何把它转发到子网145.3.3.0呢？
我们知道，从IP数据报的首部并不知道源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。这是因为32位的IP地址本身以及数据报的首部都没有包含任何有关子网划分的信息。因此必须另外想办法，这就是使用子网掩码（ （subnet mask）。

子网掩码，简单来说就是把除了主机号设置为0，其他位置的数字都设置为1。
以B类地址为例：

把三级IP地址的网络号与子网号连起来，与子网掩码做“与”运算，就得到了子网的网络地址。

在因特网的标准规定：所有的网络都必须使用子网掩码，同时在路由器的路由表中也必须有子网掩码这一栏。如果一个网络不划分子网，那么该网络的子网掩码就使用默认子网掩码。
那么既然没有子网，为什么还要使用子网掩码？
这就是为了更便于査找路由表。
默认子网掩码中1的位置和IP地址中的网络号字段 net-id正好相对应。因此，若用默认子网掩码和某个不划分子网的IP地址逐位相“与”（AND），就应当能够得出该IP地址的网络地址来。这样做可以不用查找该地址的类别位就能知道这是哪一类的IP地址。显然，

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。在RFC950成为因特网的正式标准后，路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。在路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。
以一个B类地址为例，说明可以有多少种子网划分的方法。在采用固定长度子网时，所划分的所有子网的子网掩码都是相同的。

表中的“子网号的位数”中没有0,1,15和16这四种情况，因为这没有意义。虽然根据已成为因特网标准协议的RFC950文档，子网号不能为全1或全0，但随着无分类域间路由选择CIDR的广泛使用，现在全1和全0的子网号也可以使用了，但一定要谨慎使用，要弄清你的路由器所用的路由选择软件是否支持全0或全1的子网号。这种较新的用法我们可以看出，若使用较少位数的子网号，则每一个子网上可连接的主机数就较多。
反之，若使用较多位数的子网号，则子网的数目较多但每个子网上可连接的主机数就较少因此我们可根据网络的具体情况（一共需要划分多少个子网，每个子网中最多有多少个主机）来选择合适的子网掩码。

所以，划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数。

在划分子网的情况下，分组转发的算法必须做相应的改动。
使用子网划分后，路由表必须包含以下三项内容：目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。
所以之前的流程变成了下面这样：
（1）从收到的数据报的首部提取目的IP地址D。
（2）先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的子网掩码和D逐位相“与”（AND操作），看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则把分组进行直接交付（当然还需要把D转换成物理地址，把数据报封装成帧发送出去），转发任务结束。否则就是间接交付，执行（3）。
（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（4）。
（4）对路由表中的每一行（目的网络地址，子网掩码，下一跳地址），用其中的子网掩码和D逐位相“与”（AND操作），其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则把数据报传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行（5）。
5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行（6）
（6）报告转发分组出错。

H. 计算机网络中的网络层

兄弟想表达什么？
网络层就是保障主机之间通信的，定义书上、网上都有

I. 计算机网络之网络层数据平面

网络层概述

    网络层实现主机到主机的通信服务。网络层能够被分为两个部分：数据平面和控制平面。

    数据平面的功能，即网络层中每台路由器的功能，该数据平面功能决定到达路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一。

    控制平面功能即网络范围的逻辑，该控制平面功能控制数据报沿着从源主机到目的主机的端到端路径中路由器之间的路由方式。

术语

    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器本地动作。

    路由选择：确定分组从源到目的地所采取的端到端路径的网络范围处理过程。

   

J. 计算机网络自顶向下方法--网络层

R1. 我们回顾一下本书中使用的某些术语。前面讲过，运输层的分组名称是报文段，数据链路层的分组名字是帧。网络层的分组名字是什么？前面讲过，路由器和链路层交换机都称为分组交换机。路由器和链路层交换机间的根本区别是什么？回想我们对数据报网络和虚电路网络都使用术语路由器。

R2. 在数据报网络中，网络层最重要的两个功能是什么？在虚电路网络中，网络层的3个最重要的功能是什么？

R3. 路由选择和转发的区别是什么？

R4. 在数据报网络和虚电路网络中，路由器都使用转发表吗？如果是，描述用于这两类网络的转发表。

R5. 描述某些网络层能为单个分组提供的某些假想的服务。对于分组流进行相同的描述。因特网的网络层为你提供了这些假想服务吗？ATM的CBR服务模型提供了该假想服务吗？ATM的ABR服务模型提供类该假想服务吗？

R6. 列出某些得益于ATM的CBR服务模型的应用。

R7. 讨论为什么在高速路由器的每个输入端口都存储转发表的影子副本。

R8. 4.3节中讨论了3类交换结构。列出并简要讨论每一类交换结构。哪一种（如果有的话）能够跨越交换结构并行发送多个分组？

R9. 描述在输入端口会出现分组丢失的原因。描述在输入端口如何消除分组丢失（不使用无限大缓存区）。

R10. 描述在输出端口出现分组丢失的原因。通过增加交换结构速率，能够防止这种丢失吗？

R11. 什么是HOL阻塞？它出现在输入端口还是输出端口？

R12. 路由器有IP地址吗？如果有，有多少个？

R13. IP地址223.1.3.27的32比特二进制等价形式是什么？

R14. 考察使用DHCP获得它的IP地址，网络掩码，默认路由器和其本地DNS服务器的IP地址的主机。列出这些值。

R15. 假设在一个源主机和一个目的主机之间有3台路由器。不考虑分片，一个从源主机发送给目的主机的IP报文将通过多少个端口？为了将数据报从源移动到目的地需要检索多少个转发表？

R16. 假设某应用每20ms生成一个40字节的数据块，每块封装在一个TCP报文中，TCP报文再封装在一个IP数据报中。每个数据报的开销有多大？应用数据所占的百分比是多少？

R17. 假设主机A向主机B发送封装在一个IP数据报中的TCP报文段。当主机B接收到该数据报时，主机B中的网络层应该如何知道它应当将该报文段（即数据报的有效载荷）交给TCP而不是UDP或某个其他东西呢？

R18. 假定你购买了一个无线路由器并将其与电缆调制解调器相连，并且你的ISP动态地为你连接的设备（即你的无线路由器）分配一个IP地址。还假定你家有5台PC，均使用802.11以无线方式与该无线路由器相连。怎样为这5台PC分配IP地址？该无线路由器使用NAT吗？为什么？

R19. 比较IPv4和IPv6首部字段。它们有某些字段是相同的吗？

R20. 有人说当IPv6通过IPv4路由器建隧道时。IPv6将IPv4隧道作为链路层协议。你同意这种说法吗？为什么？

R21. 比较和对照链路状态和距离向量路由选择算法？

R22. 讨论因特网的等级制组织是怎样使得其能够扩展为数以百万计用户的。

R23. 每个自治系统使用相同的AS内部路由选路算法是必要的吗？为什么？

R24. 考虑图4-37。从D中的初始表开始，假设D收到来自A的下面的通告：

D中的表会改变吗？如果是，怎样变化？

R25. 比较RIP和OSPF使用的通告。

R26. 填空：RIP通告通常宣称到各目的地的跳数。另一方面，BGP则是通告到各目的地的_____？

R27. 为什么在因特网中用到了不同类型的AS间与AS内部选路协议？

R28. 为什么策略考虑对于AS内部协议（如OSPF和RIP）与对于AS间路由选择协议（如BGP）一样重要呢？

R29. 定义和对比下列术语：子网，前缀和BGP路由。

R30. BGP是怎样使用NEXT-HOP属性的？它是怎样使用AS-PATH属性的？

R31. 描述一个较高层ISP的网络管理员在配置BGP时是如何实现策略的。

TODO----HERE
4.6.32 通过多个单播实现广播抽象与通过支持广播的单个网络（路由器）实现广播抽象之间有什么重要区别吗？
答：N次单播效率低，需要知道接收者的地址，消耗大。但是使用广播的话可以通过洪泛方法发送消息。
4.6.33 对于我们学习的3种一般的广播通信方法（无控制洪泛，受控洪泛和生成树广播），下列说法正确吗？可以假定分组不会因缓存溢出而丢失，所有分组以它们发送的顺序交付给链路。
a.一个节点可能接收到同一个分组的多个拷贝。
b.一个节点可能跨越相同的出链路转发多个分组的拷贝。
答：无控制洪泛：a对，b对。受控洪泛：a对，b错。生成树广播:a错，b错。
4.6.34 当一台主机加入一个多播组时，它必须将其IP地址改变为它所加入的多播组的地址吗？
答：对错误。
4.6.35 IGMP和广域多播选路协议所起的作用是什么？
答：IGMP运行在一台主机与其直接相连的路由器之间。IGMP允许主机指定路由器要加入的组播网。然后由组播路由器与运行组播路由协议的其他组播路由器一起工作。
4.6.36 在多播选路场合中，一棵组共享的树与一颗基于源的树之间有什么区别？
答：一个组共享的树来为组中所有发送方分发流量，一个是为每个独立的发送方构建一颗特定源的选路树。