《计算机网络教程》(微课版 第五版)第四章 网络层与网络互连 课后习题及答案

1.网络层向上提供的服务有哪两种？试比较其优缺点。 解答：面向连接的虚电路服务和无连接的数据报服务。

2.请简述网络层的转发和选路两个重要功能的区别和联系。

答：转发指从路由器的输入链路接收分组，根据转发表选择适当的路由器输出链路输出。选路涉及一个网络中的所有路由器，它们集体地通过选路协议交互，决定分组从源到目的地所采用的路由。选路算法最终生成转发所用的转发表。

3.虚电路服务与数据报服务的产生背景有什么不同？它们对网络结构有何影响？

答：虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网将其用户终端（电话机）做得非常简单，而电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务使用另一种完全不同的新思路。它力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。但这种网络要求使用较复杂且有相当智能的主机作为用户终端。可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。

4.在虚电路网络中为什么一个分组沿其路径的每条链路上不能保持相同的虚电路号？

答：(1)逐链路VC号代替统一号码减少了在分组首部VC字段的长度。(2)更重要的是，该方法大大简化了虚电路的建立，每段链路的VC号独立选择，无须所有路由器互相交互信息选择一个全局唯一的VC号。

5.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？

解答：虽然让所有用户使用相同的网络，会使网络互连变得非常简单，但实际上是不可行的。因为用户的需求是多种多样的，没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求。另外，网络技术是不断发展的，网络的制造厂家也要经常推出新的网络，要在竞争中求生存。因此在市场上总是有很多种不同性能、不同网络协议的网络，供不同的用户选用。我们面临的现实就是：在客观上，世界上有很多特性各异的网络，但这些网络又希望能够相互通信，因此网络互连的意义非常重要。

互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：

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。

6.作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？

解答：(1) 物理层使用的中间设备叫做转发器(repeater)。

(2) 数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器(bridge)。

(3) 网络层使用的中间设备叫做路由器(router)。

(4) 在网络层以上使用的中间设备叫做网关(gateway)。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

7.试简单说明下列协议的作用：IP, ARP和ICMP。

解答：网际协议IP用于互连异构网络，运行在主机和互连异构网络的路由器上，使这些互连的异构网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。

地址解析协议ARP用来把一个机器的IP地址解析为相应的物理地址。

互联网控制报文协议ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

8.为什么ARP查询要在广播帧中发送，而ARP响应要用单播帧？

解答：由于查询方不知道被查询方的MAC地址（这也正是为何要进行ARP查询的原因），而所有结点都要处理广播帧，因此通过广播发送给被查询方。而被查询方通过接收到的广播帧的源地址知道查询方的MAC地址了，因此可以用该地址进行响应，这样局域网中的除查询方外其它主机就不会接收和处理该ARP响应了，避免浪费带宽和其它主机的计算资源。

9.分类IP地址分为哪几类？各如何表示？IP地址的主要特点是什么？

解答：IP地址分为五类：

A类地址：网络号前8位，第1位为0；

B类地址：网络号前16位，前2位为10；

C类地址：网络号前24位，前3位为110；

D类地址：网络号前8位，前4位为1110；

E类地址：网络号前8位，前4位为1111。

IP地址具有以下一些重要特点：

(1) 每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。从这个意义上说，IP地址是一种分等级的地址结构。

(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。

(3) 按照因特网的观点，一个网络是指具有相同网络号net-id的主机的集合，因此，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。

(4) 在IP地址中，所有分配到网络号的网络(不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网)都是平等的。

10.对于分类编址方式，分别计算A、B、C三类网络各自可容纳的主机数量。

解答：A:16777214; B:65534;C:254。 11.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？

解答：从层次的角度看，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各层使用的地址，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）。

IP地址放在IP数据报的首部，硬件地址放在MAC帧的首部

由于世界上已经存在各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址，为了互连这些使用不同硬件地址的网络，需要在上层使用一种统一的逻辑地址，即IP地址。因此，当在一个物理网络中进行通信时，要使用该网络网络的硬件地址，而要跨多个网络进行通信时就必须使用IP地址。另外，数据链路层和网络层使用不同的地址，可以保持各层的独立性，底层物理网络可以采用任何技术，并可以支持其他网络层协议（如：IPX、DECnet等）。

12.试辨认分类编址方式中以下IP地址的网络类别。

解答：(2)和(5)是A类，(1)和(3)是B类，(4)和(6)是C类。

13.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？

解答：好处：转发分组更快。 缺点：数据部分出现差错时不能及早发现。

14.简述IP数据报首部中的寿命字段（TTL）的作用。

解答：指示数据报在网络中可通过的路由器的最大值 ，该字段指明了该数据报还能经过多少个路由器的转发，每次数据报经过一台路由器时，该字段的值减1。若TTL字段减为0，则该数据报被丢弃，不再进行转发因此该字段用来确保数据报不会永远在网络中循环（可能由于路由表的错误）。

15.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？

解答：IP协议不实现可靠数据传输，IP协议没有重传机制。同时，源地址字段也可能出错，以致无法找到源站。

虽然CRC的检错能力更强，但因特网校验和算法比CRC更易于用软件实现，并且计算更快，而CRC更适合用硬件来实现，因此在数据链路层通常使用CRC，但在IP协议中却不采用CRC，以减轻路由器的负担。

16.什么是最大传送单元MTU？它和IP数据报首部中的哪个字段有关系？

解答：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，IP首部中总长度字段）一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。

17.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。试比较这两种方法的优劣。

解答：在目的站组装的好处有以下几点。

（1）减轻路由器的工作负担。

（2）由于每个数据报片都是独立路由的，并非所有的数据报片都经过同样的路由器。

（3）也许分组后面还要经过一个网络，它还要将这些数据报片划分成更小的片。

18.一个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比特。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）？

解答： 数据报=首部+数据部分 3200÷1040=3…80 需要分4个数据报片 4×160+3200=3840 bit 故第二个局域网向上传送3840字节的数据（4个分片IP报文的总长度）。

19.回答以下有关ARP的问题：

(1) 有人认为：“在因特网中，当计算机A要与计算机B通信时，若A不知道计算机B的物理地址，要先通过ARP将B的IP地址解析为物理地址，然后再利用该物理地址向B发送报文。”这种说法正确吗？

(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。这个时间设置得太大或太小会出现什么问题？

(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）。

解答：(1) 不对：当A和B不在一个局域网中时，A发送给B的IP报文需要中间路由器转发，A需要通过ARP解析中间路由器的物理地址，而不是B的物理地址。

(2) 当网络中某个IP地址和硬件地址的映射关系发生变化时，ARP高速缓存中的相应项目就要改变（例如，更换网卡等）。实践证明缓存超时时间设置为10 ~ 20分钟较为合理，太短会导致ARP请求过于频繁，而太长会导致更换网卡的主机不能及时与其它主机通信。

(3) 当ARP高速缓存已有该IP地址项目，或广播分组。

20.主机A发送IP数据报给主机B，途中经过了5个路由器（若连接的都是局域网）。试问在IP数据报的发送过程中总共使用了几次ARP?

解答：若连接的都是局域网，则需要6次。

21.某单位分配到地址块129.250.0.0/20。该单位有4000台机器，平均分布在16个不同的地点。试给每一个地点分配一个网络地址和子网掩码，并算出每个地点主机号码的最小值和最大值。

解答：4000多台计算机平均分布在16不同地点，4000÷16=250