计算机网络 第五章 网络层

概述：

• 每个数据链路层只涉及一个直连网，而网络层协议涉及整个网络
• 网络层协议负责确定把收到的包从哪条路径转发（forwarding）出去，即路由选择（routing）功能。具体传送有数据链路层和物理层负责。

交换技术：

电路交换（Circuit Switching）：

通过在网络中连接多条物理电路形成一条通路后传送数据

每条物理电路可以是一条链路（link）或者一条链路通过 FDM 或 TDM 形成的通道（Channel）。

包交换（Paceet Switching）：

采用统计多路复用的方法通过网络传送数据包，有虚电路（Virtual Circuit）和数据报（Datagram）两种方式。

采用虚电路方式需要先建立连接然后才可以传送数据。

采用数据报方式不需要建立连接便可以发送数据包。交换机根据数据包的目的地址转发包。

因特网采用数据报交换技术。

虚电路包括：

1. 交换式虚电路(Switched Virtual Circuit)
2. 永久虚电路(Permanent Virtual Circuit)

• 交换式虚电路每次传送数据前都要建立连接，传送数据后要释放连接
• 永久虚电路由管理员建好后一直保持着，随时可以传送数据

例子：

以下哪种交换技术采用包交换技术且在传送数据之前需要建立连接？ A.电路交换 B.数据报 C.永久虚电路 D.交换式虚电路

答案：D

问题：

下图存在 3 条虚电路（red,green,blue） ,它们都是从 A 或者 B 出发的虚电路，请填写它们的虚电路表(虚电路填写次序: red,green,blue)。

• 接口编号用黑色字表示. VCI - Virtual Circuits Identifier</span>

交换机 S1 的虚电路表：

交换机 S2 的虚电路表：

IP 协议的服务模型：

• IP（Internet Protocol）协议是因特网的网络层协议
• IP 协议是可路由的（routable）–全局地址，按层分配
• IP 协议提供尽力服务（best effort），即无连接无确认的数据报服务
• IP 协议可以运行在任何网络上

问题：

下面哪些关于 IP 协议的说法是正确的？ A.IP 协议是因特网的网络层协议. B.IP 协议可以提供可靠服务. C.IP 协议可以提供一种数据报服务. D.IP 协议是可路由的(routable). E.IP 协议可以用于连接任何物理网络. F.IP 协议具有拥塞控制机制. 答案：ACDE

IP 数据报格式：

IP 数据报的字段说明：

问题：

如果一个 IP 数据报的协议字段的值为 17, 目的主机应该把该数据报交给哪个上层协 议? A.TCP B.UDP C.ICMP D.IGMP 答案：B

IP 数据报的服务类型：

从整体上说明数据报所需的服务，即区分服务（Differeniated Services）。

IP 数据报的生存期：

• 生存期(Time-To-Live,TTL):用于限制其在因特网上的停留时间，实际限制为经过的路由器数，即跳数（hop count）
• TTL 的初值需要设置为网络直径的两倍
• 当收到 IP 数据报时，路由器或主机会把它的 TTL 减 1.如果减到 0 时还未到达目的地，则该数据报将被丢弃，路由器会发送一个 ICMP 包告知源主机。

问题：

下面哪些关于 IP 数据报的 TTL 字段的说法是正确的？ A.每经过一个路由器 TTL 减 1. B.TTL 的最大值为 128. C.TTL 是数据报经过的跳数. D.TTL 限制了因特网的直径. E.TTL 记录数据报在网上存在的时间. F.TTL 防止数据报长时间滞留在因特网上. 答案：ADF

IP 数据报的分段和重组：

• 一个物理网络的最大传输单元（MTU）是该网络可以运载的最大有效载荷，即数据帧的数据部分的最大长度
• 如果一个数据报的大小大于要承载它的网络的 MTU，路由器需要先对该数据报进行分段(fragment)
• 源主机每次发送 IP 数据报时都会把标识（Identification）字段加 1.分段时用标识的值保持不变，并且用偏移量字段（offset）指出该片段的数据部分相对原来数据报的偏移量（以 8 字节为单位）
• 当目的主机收到该数据报的所有片段时，它会重组为原来的数据报
• 当第一个片段到达目的主机时，目的主机会启动一个重组定时器（默认超时值为 15 秒）。如果该定时器到期时没有收集到所有片段，目的主机会放弃本次重组并丢弃该数据报的所有片段
• DF（Don’t Fragment）为 1 表示不允许分段，MF（More Fragment）为 1 标识后面还有片段

每一种物理网络都会规定链路层数据帧的最大长度，称为链路层 MTU(Maximum Transmission Unit).IP 协议在传输数据包时，若 IP 数据报加上数据帧头部后长度大于 MTU，则将数据报文分为若干分片进行传输，并在目标系统中进行重组。比如说，在以太网环境中可传输最大 IP 报文大小（MTU）为 1500 字节。如果要传输的数据帧大小超过 1500 字节，即 IP 数据报长度大于 1472(1500-20-8=1472，普通数据报)字节，则需要分片之后进行传输。

在网络层，因为 IP 包的首部要占用 20 字节，所以这的 MTU 为 1500－20 ＝ 1480；　 在传输层，对于 UDP 包的首部要占用 8 字节，所以这的 MTU 为 1480－8 ＝ 1472； 　　 　

例 1:

数据大小为 1400B，MTU 最大传输单元为 532，ip 包的首部占用 20 字节，532-20=512，因为以 8 字节为单位,：

第一个片段：OFFSET=0,MF=1;

第二个片段：OFFSET=64,MF=1;

第三个片段：OFFSET=128,MF=0.

例 2：

一个没有选项的 IP 数据报的总长度为 3000 字节，标识(iden)是 10034，DF=0，OFFSET=0，要转发到 MTU 为 800 的一个物理网络上。如果前面的片段尽量大，如何划分片段？填写这些片段的 iden、offset、MF: 

解析：（800-20）/8=97，每个片段最大偏移量为 97

3000/8=375  375-291>97,所以片段 3 即为最后一个片段

例 3：

如果上题的第二个片段在后面的一个路由器上要转发到 MTU=300 的物理网络上，要继续划分片段，填写这些片段的 iden、offset、MF:

解析：要转发的第二个片段为 97~194 的片段，（300-20）/8=35，每个片段偏移量为 35，所以：

问题：如果不带选项的 IP 数据报被分段, 这些片段头部的哪些字段可能与原数据报头部字段的内容不一样?

A.header checksum B.MF C.offset D.TTL E.total length F.Identification G.destination address H.protocol 答案：ABCE

IP 数据报的选项：

一般格式为：

记录路由选项：

指针字段指向下一个IP地址的位置： 4(空)， 8， … ， 40(满)。

该数据报经过的每个路由器记录转出接口的IP地址，直到记满9个地址。

例：IP 的记录路由选项中如果指针为 16，表示记录了多少个 IP 地址？

答案：3 个，指针为 4 时 0 个，为 8 时 1 个,为 12 时 2 个,为 16 时 3 个

可以使用 ping -r 命令，记录计数跃点的路由，count 有效范围从 1 到 9.

使用 ping /?命令可查询相关命令字符含义。

IP 数据报的选项