4.5.3 在局域网上进行硬件多播
## 4.5.3 在局域网上进行硬件多播
由于局域网支持硬件多播，只需将 IP 多播地址映射为对应的多播 MAC 地址，并将 IP 多播数据报封装在以太网帧中，其 MAC 帧首部的目的地址字段设为该映射所得的多播 MAC 地址。这样，即可借助局域网的硬件多播能力，高效实现 IP 多播在本地网络中的传输。
IANA（互联网地址指派机构）保留的以太网多播地址的范围是 01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF，在这 48 位中，前 25 位保持不变，只有后 23 位可用作多播。而 D 类 IP 地址共有 28 位可用于标志多播组，这 28 位中的高 5 位无法映射，导致 32（即 $2^{5}$）个不同的 IP 多播地址会映射
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到同一个多播 MAC 地址。因此两者是多对一的映射关系，如图 4.25 所示。
例如，IP 多播地址 224.128.64.32（E0-80-40-20）与 224.0.64.32（E0-00-40-20）映射到以太网多播 MAC 地址时，均得到 01-00-5E-00-40-20。因此，主机在收到多播数据帧后，还需在 IP 层利用数据报首部中的目的 IP 地址进行过滤，仅保留本机所属多播组的数据报，其余则予以丢弃。
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图 4.25 D 类 IP 地址与以太网多播地址的映射关系 ## 4.5.4 IGMP 与多播路由协议 路由器要获得多播组的成员信息，需要利用网际组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）。连接到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，以便用最小代价将多播数据报分发至所有组成员，这就需要使用多播路由选择协议。 IGMP 用于使连接到本地局域网上的多播路由器，能够获知本局域网上是否有主机加入或退出了某个多播组。IGMP 仅作用于本地子网，并非用于在互联网范围内管理所有多播组成员，它既不知道某个多播组的总成员数量，也不了解这些成员分布在哪些网络。 IGMP 报文封装在 IP 数据报（协议字段值为 2）中传送。IGMP 作为 IP 的配套协议，用于协助 IP 实现多播功能，因此不将其视为一个单独的协议，而是整个 IP 协议的一个组成部分。 IGMP 的工作可分为两个阶段： 第一阶段：当主机加入一个新的多播组时，会向该多播组的多播 IP 地址发送一个 IGMP 报文，声明自己要成为该组的成员。本地多播路由器收到 IGMP 报文后，将利用多播路由选择协议，把这种组成员关系通告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。本地多播路由器会周期性地查询本地局域网上的主机，以探测各多播组是否仍有活跃成员。只要某个组至少有一台主机响应，路由器即认为该组在本网络仍处于活跃状态。若某个组在经过连续多次查询后仍无任何主机响应，则路由器判定该组在本网络已无成员，并停止向其他多播路由器通告该组的成员关系。 多播路由选择实际上就是要构造一棵以源主机为根节点的多播转发树。在这棵树上，每个分组在每条链路上仅被传送一次，且参与转发的路由器不会收到重复的多播数据报。值得注意的是，不同的多播组对应不同的转发树；同一个多播组，若源主机不同，则对应的转发树也不同。 ## 4.5.5 本节习题精选 ### 一、单项选择题 01. 下列关于多播概念的描述中，错误的是（ ）。 A. 在单播路由选择中，路由器只能从它的一个接口转发收到的分组 B. 在多播路由选择中，路由器可以从它的多个接口转发收到的分组 <!-- page: 223 --> 第4章 网络层 211 C. 用多个单播仿真一个多播时需要更多的带宽 D. 用多个单播仿真一个多播时时延基本上是相同的 02. 在设计多播路由时，为了避免路由环路，（ ）。 A. 采用了水平分割技术 B. 构造多播转发树 C. 采用了 IGMP D. 通过生存时间（TTL）字段 03. 以太网多播 IP 地址 224.215.145.230 应该映射到的多播 MAC 地址是（ ）。 A. 01-00-5E-57-91-E6 B. 01-00-5E-D7-91-E6 C. 01-00-5E-5B-91-E6 D. 01-00-5E-55-91-E6 04. 在下列 4 个地址中，（）只能用于 IP 数据报的目的地址而不能用于源地址。 A. 11.255.255.100 B. 192.168.1.100 C. 228.1.1.100 D. 0.0.0.0 ## 二、综合应用题 01. 互联网的多播是怎样实现的？为什么互联网上的多播比以太网上的多播复杂得多？ ## 4.5.6 答案与解析 ## 一、单项选择题 01. D 多个单播可以仿真多播，但是一个多播所需的带宽要小于多个单播带宽之和；用多个单播仿真一个多播时，路由器的时延将很大，而处理一个多播分组的时延是很小的。 02. B 因为树具有不存在环路的特性，所以构造一个多播转发树，通过该转发树，既能将多播分组传送到组内的每台主机，又能避免环路［见图 4.24(b)］。水平分割用于避免距离-向量算法中的无穷计数问题。TTL 字段用于防止 IP 分组因为环路而在网络中无限循环。 03. A 以太网多播地址块的范围是 01-00-5E-00-00-00～01-00-5E-7F-FF-FF，而且在每个地址中，只有后 23 位可用多播。这样，只能和 D 类 IP 地址中的后 23 位有一一对应关系。D 类 IP 地址可供分配的有 28 位，可见这 28 位中的前 5 位不能用来构成以太网硬件地址。215 的二进制为 11010111，其中，在映射过程中最高位为 0，因此 215.145.230 映射的二进制为 01010111.10010001.11100110，对应的十六进制数是 57-91-E6。 04. C 选项 A 是一个 A 类地址，既可用于目的地址，又可用于源地址。选项 B 是一个私有地址，既可用于目的地址，又可用于源地址。选项 D 表示本网络上的本主机，只能用于源地址。选项 C 是一个多播地址，多播地址的范围是 $224.0.0.0 \sim 239.255.255.255$，只能用于目的地址。 ## 二、综合应用题 ## 01. 【解答】 互联网的多播是靠路由器来实现的，这些路由器必须增加一些能够识别多播的软件。能够运行多播协议的路由器可以是一个单独的路由器，也可以是运行多播软件的普通路由器。互联网上的多播比以太网上的多播复杂得多，因为以太网本身支持广播和多播，而互联网上当前的路由器和许多物理网络都不支持广播和多播。 <!-- page: 224 --> 2027年计算机网络考研复习指导 ## 4.6 移动 IP ### 4.6.1 移动 IP 的概念 移动 IP 是一种允许移动主机在切换网络接入点时，仍能保持其永久 IP 地址不变的网络协议机制。其目标是：无论移动主机当前位于哪个网络，都能确保发往该站的数据分组被自动、透明地正确投递。该机制对上层应用（如 TCP 连接）完全透明，从而保障了会话的连续性。 移动 IP 定义了三种功能实体：移动节点、归属代理和外地代理。 1）移动节点。拥有永久 IP 地址、可在不同网络间移动的主机。 2）归属代理（也称本地代理）。连接在归属网络（初始接入的网络）上的路由器，负责截获并转发发往移动节点的数据。 3）外地代理。连接在被访网络（当前接入的网络）上的路由器，协助移动节点接收数据。 值得注意的是，若用户将笔记本电脑关机后从家中移至办公室，并通过 DHCP 自动获取新的 IP 地址重新接入网络。尽管设备的物理位置和接入网络发生了变化，但由于其 IP 地址已改变，因此不属于移动 IP 的范畴。然而，若需在移动过程中维持 TCP 传输，则要确保该 TCP 连接在漫游期间持续有效；否则，TCP 连接将因地址变化而中断。由此可见，实现移动中 TCP 连接不中断的关键，在于保持移动节点的 IP 地址不变——这正是移动 IP 所要研究的问题。 ### 4.6.2 移动 IP 通信过程 要类比移动 IP 通信的原理，可借助一个生活化的例子：过去大学毕业离校时，尚不确定未来的工作地点和通信地址，但仍希望与同学保持联系。解决方法很简单——彼此交换家庭地址（永久地址）。日后，若想联系某位同学，只需将信件寄往其家庭地址，再由其家人代为转交即可。 在移动 IP 中，每个移动站都有一个初始 IP 地址称为永久地址（或归属地址），移动站初始所在的网络称为归属网络。永久地址和归属网络的关联是固定不变的。在图 4.26 中，移动站 A 的永久地址是 $131.86.7/16$，其归属网络是 $131.8.0.0/16$。归属网络中的归属代理通常是连接到该网络上的路由器，负责截获发往移动站的分组，并将其转发至移动站当前所在的位置。 移动站离开归属网络后，所接入的外地网络也称被访网络。在图 4.26 中，当移动站 A 漫游到被访网络 $15.0.0.0/8$，被访网络中的代理称为外地代理，它通常是连接在被访网络上的路由器。外地代理有两个重要功能：① 为移动站分配一个临时的转交地址（站 A 的转交地址为 $15.5.6.7/8$），该地址属于被访网络，用于标识移动站的当前位置。② 将此转交地址及时通知给其归属代理，以便后者建立从归属网络到当前位置的转发路径。
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图 4.26 移动 IP 的基本通信过程
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第4章 网络层
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注意两点：转交地址仅用于移动站、归属代理和外地代理之间的通信，应用程序不会使用该地址。外地代理向被访网络中的移动站发送IP分组时，直接通过其MAC地址进行链路层交付。
在图4.26中，当通信者B希望与移动站A通信时，B无须知晓A的当前位置，只需将A的永久地址作为发送的IP分组的目的地址即可。移动IP的基本通信流程如下：
1）本地通信。移动站A位于其归属网络时，按传统的TCP/IP方式直接通信。
2）漫游与注册。当移动站A漫游到被访网络时，先向该网络中的外地代理登记，并获得一个临时的转交地址。随后外地代理将该转交地址注册至A的归属代理，完成位置更新。
3）移动站接收数据（ $\mathbf{B}\rightarrow \mathbf{A}$ ）。归属代理截获所有发往移动站A的IP分组后，构建一条通往转交地址的IP隧道，将原始分组封装在新的IP包中，并通过该隧道转发至外地代理。外地代理收到后，解封装并还原出原始分组，并直接交付给A。
4）移动站发送数据（ $\mathbf{A}\rightarrow \mathbf{B}$ ）。移动站A在被访网络向外发送IP分组时，仍使用其永久地址作为源地址。此时，可直接通过被访网络的外地代理转发，而无须通过归属代理。
5）移动与返回。移动站A再次漫游至另一被访网络时，新外地代理会将其新的转交地址注册给A的归属代理。无论A如何移动，所有发往A的IP分组均由归属代理统一截获并转发。A返回归属网络后，向归属代理注销转交地址，恢复本地直连通信。
为支持移动IP机制，网络层需增加一些新功能：①移动站到外地代理的登记协议；②外地代理到归属代理的注册协议；③归属代理的隧道封装协议；④外地代理的隧道拆封协议。
## 4.6.3 本节习题精选
### 单项选择题
01. 以下关于移动IP工作原理的描述中，错误的是（）。
A. 移动IP的基本工作过程可以分为代理发现、注册、分组路由与注销4个阶段
B. 节点在使用移动IP进行通信时，归属代理和外部代理之间需要建立一条隧道
C. 移动节点到达新的网络后，通过注册过程把自己新的可达信息通知外部代理
D. 移动IP的分组路由可以分为单播、广播与多播
02. 移动IP为移动主机设置了两个IP地址：归属地址和转交地址，（）。
A. 这两个地址都是固定的
B. 这两个地址随主机的移动而动态改变
C. 归属地址固定，转交地址动态改变
D. 归属地址动态改变，转交地址固定
03. 一台主机的 IP 地址为 160.80.40.20/16，当它移动到另一个不属于 160.80/16 子网的网络时，它将（）。（能否通过被访网络的路由器直接发送/接收数据报）
A. 可以直接接收和直接发送数据报，没有任何影响
B. 既不可以直接接收数据报，又不可以直接发送数据报
C. 不可以直接发送数据报，但可以直接接收数据报
D. 可以直接发送数据报，但不可以直接接收数据报
## 4.6.4 答案与解析
### 单项选择题
01. C
选项C向归属代理通知移动节点的新可达信息（转交地址）。这样，归属代理就可将发往移动节点的分组通过隧道转到转交地址（外部代理），再由外部代理交付给移动节点。
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02. C
移动主机在原始本地网时，获得的是主地址，当它移动到一个外地网络时，需获得一个新的临时辅地址，主地址保持不变；当它移动到另一个外地网络或返回本地网络时，辅地址改变或撤销，而主地址仍然保持不变。选项C正确。
03. D
当其他主机向该主机发送数据报时，使用永久地址 160.80.40.20/16 作为数据报的目的地址，因此会发往该主机的归属代理，归属代理知道该主机的转交地址，然后通过隧道技术将数据报发送到该主机的外地代理，由外地代理转交给该主机。当该主机向其他主机发送数据报时，使用永久地址 160.80.40.20/16 作为数据报的源地址，使用其他主机的 IP 地址作为数据报的目的地址，这个数据报显然没必然再通过该主机的归属代理进行转发，而直接通过外地代理转发。
4.7 网络层设备
4.7.1 冲突域和广播域
考点击左 网络设备对冲突域和广播域的影响（2010、2020）
这里的“城”表示冲突或广播在其中发生并传播的区域。
1. 冲突域
冲突域是指连接到同一物理介质上的所有节点的集合，这些节点之间存在介质争用的现象。在OSI参考模型中，冲突域属于第1层（物理层）的概念。第1层设备（如集线器、中继器）仅复制和转发信号，不能划分冲突域，其所有端口属于同一个冲突域。第2层设备（如网桥、交换机）和第3层设备（如路由器）均可划分冲突域。
2. 广播域
广播域是指能够接收同一广播帧的所有节点的集合。也就是说，该集合中任一节点发送广播帧，其他能收到该帧的节点均属于此广播域。在OSI参考模型中，广播域属于第2层（数据链路层）的概念。第1层设备（如集线器）和第2层设备（如交换机）所连接的节点通常处于同一个广播域。路由器作为第3层设备，可以划分广播域，即连接不同的广播域。
通常所说的局域网（LAN）在逻辑上等同于一个广播域。路由器用于连接不同的 LAN，即分隔不同的广播域。
4.7.2 路由器的组成和功能
考点击左 路由器的功能（2010）
路由器是一种具有多个输入/输出端口的专用计算机，其任务是互连不同的网络（异构网络）并转发分组。在多个逻辑网络（多个广播域）互连时必须使用路由器，可用于连接不同的LAN，不同的VLAN，不同的WAN，或实现LAN与WAN的互连。
从结构上看，路由器由路由选择（控制平面）和分组转发（数据平面）两部分构成，如图4.27所示。而从模型角度看，路由器是工作在网络层的设备，其转发决策基于IP地址；为完成此功能，其端口还要具备物理层和数据链路层的处理能力。
路由选择部分的核心是路由选择处理机，其任务是根据所选路由选择协议（如 RIP、OSPF）构建路由表，并周期性地与相邻路由器交换路由信息，以更新和维护路由表。
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第4章 网络层
215
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图4.27 路由器体系结构 分组转发部分由三部分组成：文换结构、一组输入端口和一组输出端口。 文换结构是路由器内部连接输入与输出端口的高速通路，负责根据转发表将输入端口的分组快速转发至合适的输出端口。交换结构本身就是一个“在路由器中的网络”。 路由器的每个端口都包含物理层、数据链路层和网络层的处理模块。输入端口在物理层接收比特流，在数据链路层提取帧并剥离帧头和帧尾后，将分组送入网络层的处理模块。若收到的分组为普通数据分组，则根据目的IP地址查找转发表，经交换结构送至相应的输出端口。若为路由协议分组（如RIP、OSPF报文），则交由路由选择处理机处理。 路由器在端口处设有缓冲区，用于暂存待处理或待发送的分组，并可进行差错检测。若分组到达速率超过处理能力，则缓冲区可能溢出，导致后续分组被丢弃。需要说明的是，路由器的物理端口通常兼具输入和输出功能，图4.27中将输入/输出端口分开绘制，仅为方便理解。 ## 4.7.3 路由表与分组转发 **考虑指标** 路由聚合与路由表构造（2009，2013） 路由表是根据路由选择算法得出的，主要用于路由选择。根据历年统考真题可知，标准的路由表通常包含四个字段：目的网络IP地址、子网掩码、下一跳IP地址、接口。在图4.28所示的网络拓扑中，R1的路由表如表4.7所示，其中包含一条指向互联网的默认路由。
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图4.28 一个简单的网络拓扑 **考虑指标** 路由表分组转发匹配过程（2014） 表 4.7 R1 的路由表 | 目的网络 IP 地址 | 子网掩码 | 下一跳 IP 地址 | 接 口 | | --- | --- | --- | --- | | 202.114.1.0 | 255.255.255.0 | 直连 | E1 | | 202.114.2.0 | 255.255.255.0 | 直连 | L0 | | 202.114.3.0 | 255.255.255.0 | 202.114.2.2 | L0 | | 0.0.0.0 | 0.0.0.0 | 202.114.2.2 | L0 | <!-- page: 228 --> 2027年计算机网络考研复习指导 转发表由路由表得出，其表项与路由表项有直接的对应关系。但两者的设计目标不同：路由表应使路由计算优化，便于动态更新和拓扑变化处理；转发表应使高速查找优化，用于实际的数据转发过程。转发表通常包含目的网络前缀和对应的下一跳信息。转发表中可配置一条默认路由，当目的地址无法匹配任何明确表项时，分组将按默认路由转发。在实现方式上，路由表通常由软件维护；而转发表既可用软件实现，又可通过专用硬件。 注意转发和路由选择的区别：“转发”是单个路由器根据转发表，将收到的IP数据报从合适端口送出的过程，属于数据平面操作；而“路由选择”是多个路由器协同工作，通过路由协议交换拓扑信息，运行路由算法动态生成路由表的过程，属于控制平面操作。 ## 4.7.4 本节习题精选 ### 一、单项选择题 01. 要控制网络上的广播风暴，可以采用的方法是（）。 A. 用交换机将网络分段 B. 用路由器将网络分段 C. 将网络转接成 10Base-T D. 用网络分析仪跟踪正在发送广播信息的计算机 02. 下列关于冲突域的叙述中，正确的是（）。 A. 能接收到同一广播帧的所有设备的集合 B. 能发送同一广播帧的所有设备的集合 C. 能产生冲突的所有设备的集合 D. 能隔离冲突的所有设备的集合 03. 下列设备中，能够分隔广播域的是（）。 A. 集线器 B. 交换机 C. 路由器 D. 中继器 04. 一个局域网与在远处的另一个局域网互连，则需要用到（）。 A. 物理通信介质和集线器 B. 网间连接器和集线器 C. 路由器和广域网技术 D. 广域网技术 05. 路由器主要实现（）的功能。 A. 数据链路层、网络层与应用层 B. 网络层与传输层 C. 物理层、数据链路层与网络层 D. 物理层与网络层 06. 下列关于路由器和路由表的说法中，正确的是（）。 A. 路由器处理的信息量比交换机少，因而转发速度比交换机快 B. 对于同一目标，路由器只提供延迟最小的最佳路由 C. 当路由表中的所有表项都不匹配时，按照默认路由进行转发 D. 路由器不但能够根据 IP 地址进行转发，而且可以根据物理地址进行转发 07. (未使用 CIDR) 当一个 IP 分组进行直接交付时，要求发送方和目的站具有相同的 ( )。 A. IP地址 B. 主机号 C. 端口号 D. 子网地址 08. 一个路由器的路由表通常包含（）。 A. 需要包含到达所有主机的完整路径信息 B. 需要包含所有到达目的网络的完整路径信息 C. 需要包含到达目的网络的下一跳路径信息 D. 需要包含到达所有主机的下一跳路径信息 09. 决定路由器的转发表中的内容的算法是（）。 <!-- page: 229 --> 第4章 网络层 A. 指数回退算法 B. 分组调度算法 C. 路由算法 D. 拥塞控制算法 10. 路由器中计算路由信息的是（ ）。 A. 输入队列 B. 输出队列 C. 交换结构 D. 路由选择处理机 11. 路由表的分组转发部分由（）组成。 A. 交换结构 B. 输入端口 C. 输出端口 D. 以上都是 12. 路由器转发分组时，需要进行（ ）。 A. 网络层处理和数据链路层处理 B. 网络层处理和物理层处理 C. 数据链路层处理和物理层处理 D. 网络层处理、数据链路层处理和物理层处理 13. 路由器的路由选择部分包括（ ）。 A. 路由选择处理机 B. 路由选择协议 C. 路由表 D. 以上都是 14. 不同网络设备传输数据的延迟时间是不同的，下列设备中传输时延最大的是（ ）。 A. 局域网交换机 B. 网桥 C. 路由器 D. 集线器 15. 在路由表中设置一条默认路由，则其目的地址和子网掩码应分别置为（ ）。 A. 192.168.1.1、255.255.255.0 B. 127.0.0.0、255.0.0.0 C. 0.0.0.0、0.0.0.0 D. 0.0.0.0、255.255.255.255 16. 路由器转发分组（在路由表中已找到匹配的条目）时，会根据路由表中的（）字段来确定输出端口。 A. 目的网络地址 B. 下一跳地址 C. 距离度量值 D. 接口标识符 17. 路由器能够分割广播域的原因是（ ）。 A. 路由器工作在网络层，不转发广播帧 B. 路由器工作在数据链路层，不转发广播帧 C. 路由器工作在物理层，不转发广播帧 D. 路由器工作在传输层，不转发广播帧 18. 如下图所示，用7个相同的路由器与8台主机相连。链路带宽分为三种，最上层的最快，最下层的最慢，都是全双工方式，图中标注了各层链路带宽的数值。所有路由器的处理速度都很快，远超链路带宽。下列关于网络拥塞分析的说法中，正确的是（ ）。
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A. R1-R2 链路和 R2-R4 链路都不可能发生拥塞 B. R1-R2 链路可能发生拥塞，R2-R4 链路不可能发生拥塞 C. R1-R2 链路不可能发生拥塞，R2-R4 链路可能发生拥塞 D. R1-R2 链路和 R2-R4 链路都可能发生拥塞 19. 【2010统考真题】下列网络设备中，能够抑制广播风暴的是（ ）。 I 中继器 II 集线器 III 网桥 IV 路由器 <!-- page: 230 --> 2027年计算机网络考研复习指导 A. 仅I和II B. 仅III C. 仅III和IV D. 仅IV 20. 【2012统考真题】下列关于IP路由器功能的描述中，正确的是（）。 I. 运行路由协议，设置路由表 II. 监测到拥塞时，合理丢弃IP分组 III. 对收到的 IP 分组头进行差错检验，确保传输的 IP 分组不丢失 IV. 根据收到的 IP 分组的目的 IP 地址，将其转发到合适的输出线路上 A. 仅 III、IV B. 仅 I、II、III C. 仅 I、II、IV D. I、II、III、IV 21. 【2020统考真题】下图所示的网络中，冲突域和广播域的个数分别是（）。
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A. 2, 2 B. 2, 4 C. 4, 2 D. 4, 4