3.8.5 答案与解析
## 3.8.5 答案与解析
### 单项选择题
01. C
中继器和集线器都属于物理层设备，网桥和局域网交换机属于数据链路层设备。
02. D
交换机的优点是每个接口节点所占用的带宽不会因为接口节点数量的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着接口节点的增加而增加。另外，利用交换机可以实现虚拟局域网（VLAN），VLAN 不仅可以隔离冲突域，还可以隔离广播域。因此选项 C 正确，选项 D 错误。
03. D
交换机可以隔离信息，将网络划分成多个网段，隔离出安全网段，防止其他网段内的用户非法访问。因为网络分段，各网段相对独立，所以一个网段的故障不影响另一个网段的运行。因此 B、C 正确。根据交换机的特点可知 A 正确，D 错误。
04. A
冲突域是指共享同一信道的各个站点可能发生冲突的范围。物理层设备集线器不能分割冲突
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域，数据链路层设备交换机和网桥可以分割冲突域，但不能分割广播域，而网络层设备路由器既可分割冲突域，又可分割广播域。
05. A
局域网交换机是数据链路层设备，能实现数据链路层和物理层的功能。
06. A
交换机能隔离冲突域，在全双工方式下支持多对节点同时通信，从而提高了网络的效率。
07. B
交换机是数据链路层的设备，数据链路层的设备可以隔离冲突域，但不能隔离广播域，因此本题选B。另外，物理层设备（集线器等）既不能隔离冲突域，又不能隔离广播域；网络层设备（路由器）既可以隔离冲突域，又可以隔离广播域。
08. C
物理层设备（中继器和集线器）既不能分割冲突域，又不能分割广播域。
09. D
以太网交换机的各接口之间都是冲突域的终止点，但LAN交换机不隔离广播，所以冲突域的个数是16，广播域的个数是1。
10. C
用集线器连接的以太网逻辑上是总线形结构，物理上是星形结构，选项A错误。以太网设计的原则是简化通信，因此采用的是无确认、无连接的服务，选项B错误。以太网属于局域网的一种设计标准，只包括物理层和数据链路层，比如在物理层以太网规定采用曼彻斯特编码，在数据链路层规定采用CSMA/CD协议，选项C正确。用集线器连接的以太网一定工作在半双工方式下，因此一定要采用CSMA/CD协议，选项D错误。
11. D
广播式网络使用共享的广播信道进行通信，通常是局域网的一种通信方式（局域网工作在数据链路层），因此可以不需要网络层，也就不存在路由选择问题。但数据链路层使用物理层的服务必须通过服务接入点，数据链路层向高层提供服务也必须通过服务接入点。
12. C
对于集线器连接的 $10\mathrm{Mb / s}$ 共享式以太网，若有 $N$ 个用户，则每个用户的平均带宽仅为总带宽的 $1 / N$ 。当采用交换机连接时，虽然从每个接口到主机的带宽还是 $10\mathrm{Mb / s}$ ，但因为一个用户通信时是独占带宽的，而不是和其他用户共享带宽的，所以每个用户仍可得到 $10\mathrm{Mb / s}$ 的带宽。
13. A
9台主机和2台服务器都全速工作时的总吞吐量为 $900 + 200 = 1100\mathrm{Mb / s}$ 。若把3个系的以太网交换机都换成 $100\mathrm{Mb / s}$ 集线器，则每个系是一个碰撞域，最大吞吐量为 $100\mathrm{Mb / s}$ ，加上每台服务器 $100\mathrm{Mb / s}$ 的吞吐量，得出总吞吐量最大为 $500\mathrm{Mb / s}$ 。若把所有的以太网交换机都换成 $100\mathrm{Mb / s}$ 集线器，则整个网络是一个碰撞域，因此吞吐量最大为 $100\mathrm{Mb / s}$ 。
14. A
交换机能将网络分成较小的冲突域，而集线器连接的设备属于同一个冲突域。当一个局域网中 $80\%$ 的通信量在本局域网内进行时，若使用集线器，则会增加冲突和延迟，降低整个网络的效率，而若使用交换机将不同网段的通信隔开，则可以提高网络性能。
15. B
交换机可以隔离冲突域，因此它的每个接口所连接的网段都属于不同的冲突域，选项A错误。交换机可在同一时段内支持多个接口之间的并行通信，而不会相互干扰，这是因为交换机内部有
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第3章 数据链路层
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一条高带宽的背部总线和一个内部交换矩阵，可以根据帧的目的 MAC 地址快速地将帧转发到相应的接口。交换机不能隔离广播域，选项 C 错误。LLC 是逻辑链路控制，它在 MAC 层上，用于向网络提供一个接口，以隐藏各种 802 网络之间的差异，交换机是按 MAC 地址转发的，选项 D 错误。
16. A
以太网交换机的自学习功能是指记录帧的源 MAC 地址与该帧进入交换机的接口号，并将这些信息存储在交换机的交换表中，以便于后续的转发决策。
17. C
当以太网交换机的某个接口收到帧时，若在交换表中未找到目的 MAC 地址，则将该帧从除本接口外的所有接口发送出去，这种发送方法也称洪泛法。
18. C
当 A→B 时，交换表都为空，交换机 1 和交换机 2 都进行洪泛发送，因此除 A 外的全部主机都能收到 A 发送的帧。当 H→A 时，因为交换机 2 已登记 A 所在的接口为 3，所以只向接口 3 转发，交换机 1 收到帧后，因为交换机 1 已登记 A 所在的接口为 1，所以只向接口 1 转发，因此仅 A 能收到 H 发送的帧。当 E→X 时，集线器向除输入接口外的所有接口转发该帧，交换机 1 和交换机 2 也进行洪泛发送，因此除 E 外的全部主机都能收到 A 发送的帧。当 X→E 时，因为交换机 1 已登记 E 所在的接口为 2，所以仅登记 X 所在的接口，并丢弃该帧。
19. A
交换机实质上是一个多接口网桥，工作在数据链路层，数据链路层使用物理地址进行转发，而转发到目的地需要使用目的地址。因此 PDU 地址是目的物理地址。
20. B。
直通交换方式的输入接口接收到一个帧时，只检查帧的目的 MAC 地址决定输出接口，引入的转发时延至少为读取目的 MAC 地址所需的时间。目的 MAC 地址共 6B，引入的转发时延至少为 $6 \times 8\mathrm{bit} \div 100\mathrm{Mb/s} = 0.48\mu\mathrm{s}$。存储转发方式引入的转发时延则至少为读取整个帧的时间。
21. B
当 00-e1-d5-00-23-a1 向 00-e1-d5-00-23-c1 发送数据帧时，交换机转发表中没有 00-e1-d5-00-23-c1 这一项，所以向除接口 1 外的所有接口广播这个帧，即接口 2、3 会转发这个帧，同时交换机会把（目的地址 00-e1-d5-00-23-a1，接口 1）这一项加入转发表。而当 00-e1-d5-00-23-c1 向 00-e1-d5-00-23-a1 发送确认帧时，因为转发表中已有 00-e1-d5-00-23-a1 这一项，所以交换机只向接口 1 转发。
22. A
本质上说，交换机就是一个多接口的网桥（选项 A 正确），工作在数据链路层（因此不能实现不同网络层协议的网络互连，选项 D 错误），交换机能经济地将网络分成小的冲突域（选项 B 错误）。广播域属于网络层概念，只有网络层设备（如路由器）才能分割广播域（选项 C 错误）。
23. D
交换机（Switch）可以隔离冲突域。若 H2 向 H4 发送数据帧，则 H2 及其对应接口就写入交换表。当 H4 向 H2 发送确认帧时，交换机查找交换表后，将该确认帧从 H2 对应的接口转发出去。集线器（Hub）无法隔离冲突域，因此 Hub 会向所有接口（除输入接口外）广播该确认帧的数据信号。因此，从物理层上能够收到该确认帧的主机有 H2 和 H3。
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# 3.9 本章小结及疑难点
1. 为何连续 ARQ 在接收窗口为 1、用 $n$ 比特编号时，发送窗口最多只能是 $2^n - 1$？
在连续 ARQ 协议中，若接收窗口大小为 1，则发送窗口大小不得超过 $2^n - 1$，否则将导致新帧与重传帧无法区分，造成数据错误。假设用 3 比特进行编号，可表示 $0 \sim 7$ 共 8 个不同序号。
具体来看：设发送窗口为 8，发送方一次性发出 $0 \sim 7$ 号帧后暂停。
- 若所有确认都成功返回，发送方将接着发送下一轮序号为 $0 \sim 7$ 的新帧；
- 若所有确认都丢失，发送方超时后会重传原来的 $0 \sim 7$ 号旧帧。
由于接收窗口为 1，接收方只根据序号判断是否接收，无法区分收到的 $0 \sim 7$ 是新帧还是重传帧。若把重传帧误认为新数据，就会造成重复或错误。因此，发送窗口不能等于 8。只要将其限制为 7，就能保证已发送未确认的帧和未来新帧的序号不会完全重叠，从而避免歧义。
2. 为什么 PPP 不采用帧编号和确认机制来实现可靠传输？
PPP 不使用帧序号和确认机制主要有两方面原因：
首先，在因特网中，PPP 承载的是 IP 数据报。即使链路层实现可靠传输，数据在路由器的网络层仍可能因拥塞被丢弃，因此链路层的可靠性无法保证端到端可靠交付。
其次，现代物理链路误码率很低，若引入重传和确认机制，只会增加开销和延迟，得不偿失。实际上，PPP 通过 FCS 字段对每帧做 CRC 校验：发现差错立即丢弃，绝不向上层传递错误数据。而真正的差错恢复由高层协议（如 TCP）在端到端基础上完成。
因此，PPP 采用“有错即弃、可靠由上层负责”的设计，既轻量高效，又符合端到端原则。
3. 在以太网中，为什么说：若一个帧在冲突窗口内未发生冲突，则后续不会再发生冲突？
在 CSMA/CD 协议机制下，节点发送前先侦听信道，仅在空闲时开始发送。冲突窗口是检测冲突的最晚时限；若存在冲突，最迟会在该时间内被发送方感知。具体而言，假设节点 A 开始发送帧。若在帧的前 $2r$（$r$ 为信号从 A 到最远节点的传播时延）内未检测到冲突，说明：
- 此时帧的首部已到达所有其他节点；
- 其他节点在侦听到信道忙后，不会启动新发送。
因此，只要在冲突窗口内未发生冲突，此后信道已被该帧“占据”，其他节点将持续侦听到载波而保持沉默，不可能再产生新冲突。
4. 将以太网速率从 $10\mathrm{Mb/s}$ 提升到 $100\mathrm{Mb/s}$ 时，为满足 CSMA/CD 协议的冲突检测要求，需做哪些调整？
由于 CSMA/CD 协议要求最短帧的发送时间不小于冲突窗口（$2r$），当速率提高 10 倍后，若网段长度不变，信号传播时延 $r$ 不变，但发送同样长度帧的时间缩短为原来的 $1/10$，则无法保证在冲突窗口内完成发送，导致冲突无法被检测。为此，100Base-T 以太网做了两项关键调整：
- 将网段最大长度从 $500\mathrm{m}$ 减小到 $100\mathrm{m}$，以缩短传播时延 $r$。
- 将帧间最小间隔从 $9.6\mu\mathrm{s}$ 缩减为 $0.96\mu\mathrm{s}$，以匹配更高传输速率。
这两项调整使最短帧（64B）的发送时间不小于冲突窗口，以维持 CSMA/CD 协议正常工作。
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第4章
# 网络层
## 【考纲内容】
（一）网络层的功能
异构网络互连；路由与转发；SDN 的基本概念；拥塞控制
（二）路由算法
静态路由与动态路由；距离-向量算法；链路状态算法；层次路由
（三）IPv4
IPv4 分组；IPv4 地址与 NAT；划分子网与子网掩码、CIDR、路由聚合、ARP、DHCP 与 ICMP
（四）IPv6
IPv6 的主要特点；IPv6 地址
（五）路由协议
自治系统；域内路由与域间路由；RIP 路由协议；OSPF 路由协议；BGP 路由协议
（六）IP 多播
多播的概念；IP 多播地址
（七）移动 IP
移动 IP 的概念；移动 IP 通信过程
（八）网络层设备
路由器的组成和功能；路由表与分组转发
## 【复习提示】
本章是历年考查的重中之重，尤其是结合第3章、第5章、第6章出综合题的概率很大。其中IPv4和路由的相关知识点是核心，历年真题都有涉及，因此必须牢固掌握其原理，还要多做题，以便灵活应用。本章的其他知识点，如IPv6、IP多播、移动IP也要有所了解。
## 4.1 网络层的功能
网络层提供主机到主机的通信服务，主要任务是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机。该任务可划分为分组转发和路由选择两种重要功能。
OSI 参考模型曾主张在网络层使用面向连接的虚电路服务，认为应由网络自身来保证通信的可靠性。而 TCP/IP 体系结构的网络层提供的是无连接的数据报服务，其核心思想是应由用户主机来保证通信的可靠性。虚电路和数据报服务将在 4.1.3 节中介绍。
在互联网采用的 TCP/IP 体系结构中，网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努
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找频讲解 <!-- page: 140 --> 2027年计算机网络考研复习指导 力交付的数据报服务。也就是说，所传送的分组可能出错、丢失、重复或失序，这就使得网络中的路由器可以做得比较简单，且价格低廉。通信的可靠性可由更高层的传输层来负责。 ## 4.1.1 异构网络互连 互联网是由全球范围内数以百万计的异构网络互连起来的。这些网络的拓扑结构、寻址方案、差错处理方法、路由选择机制等都不尽相同。网络层所要完成的任务之一就是实现这些异构网络的互连。网络互连是指将两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一些中继系统相互连接起来，以构成更大的网络系统。根据所在的层次，中继系统分为以下4种： 1）物理层中继系统：转发器，集线器。 2）数据链路层中继系统：网桥或交换机。 3）网络层中继系统：路由器。 4）网络层以上的中继系统：网关。 当使用物理层或数据链路层的中继系统时，只是把一个网络扩大了，而从网络层的角度看，它仍然是同一个网络，一般并不称为网络互连。因此，网络互连通常是指用路由器进行网络连接和路由选择。路由器是一台专用计算机，用于在互联网中进行路由选择。 ### 注意 由于历史原因，许多有关TCP/IP的文献也将网络层的路由器称为网关。 TCP/IP 在网络互连方面的做法是在网络层采用标准化协议，但相互连接的网络可以是异构的。图4.1(a)表示许多计算机网络通过一些路由器进行互连。因为参与互连的计算机网络都使用相同的网际协议 IP，通过 IP 协议就可使这些性能各异的网络在网络层上看起来像是一个统一的网络，所以可以把互连后的网络视为如图 4.1(b)所示的一个虚拟互连网络，简称 IP 网络。
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(a) 实际互连网络 图4.1 IP网络的概念
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(b) 虚拟互连网络 使用IP网络的好处是：当IP网络上的主机进行通信时，就好像在单个网络上通信一样，而看不见互连的各个网络的具体异构细节（如具体的编址方案、路由选择协议等）。 ## 4.1.2 路由与转发 路由器的核心功能包括路由选择与分组转发： 1）路由选择。路由器运行路由协议，通过定期与相邻路由器交换信息，获取网络拓扑变化，动态生成并维护路由表，从而计算到达目的网络的最优路径。 <!-- page: 141 --> 第4章 网络层 129 2）分组转发。路由器根据转发表将到达的分组从合适的输出端口转发出去。 路由表由路由选择算法生成，侧重于拓扑计算。转发表则由路由表导出，其结构应使查找最优化。在讨论路由选择的原理时，往往不区分转发表和路由表，而笼统地使用路由表一词。 ## 4.1.3 网络层提供的两种服务 分组交换网根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路服务和无连接的数据报服务。这两种服务方式都是由网络层提供的。 ### 1. 虚电路 **弹痕监控** ➤ 虚电路的特点（2020） 在虚电路方式中，两台主机进行通信前，必须首先在网络层建立一条逻辑连接，即虚电路（Virtual Circuit，VC）。该连接一旦建立，其对应的端到端传输路径即被固定。与电路交换类似，整个通信过程可分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。 每次建立虚电路时，系统为其分配一个未使用过的虚电路号（VCID），以区别于同一节点上的其他虚电路。此后，双方就沿着已建立的虚电路传送分组。值得注意的是，仅在连接建立阶段使用完整的源和目的地址，后续分组的首部仅需携带虚电路号。每个中间节点都维护一个虚电路表，其中记录了每条虚电路的VCID及下一跳信息，这些内容在连接建立过程中确定。 下面以图4.2为例说明虚电路服务的工作原理，假设主机A向主机B发送分组。
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图4.2 虚电路方式的工作原理 1）数据传输前，主机A与主机B需先建立虚电路连接；A发送“呼叫请求”分组，经由中间节点转发至B；若B同意建立连接，则返回“呼叫应答”分组予以确认。 2）虚电路建立后，双方即可相互传输数据分组。 3）传输结束后，主机A发送“释放请求”分组，逐段拆除虚电路。 <!-- page: 142 --> 2027年计算机网络考研复习指导 注意，图4.2所示的数据传输是有确认的，接收方收到分组后需返回确认。 通过上述例子，可总结出虚电路服务具有以下特点： 1）建立与释放连接开销大。不适合交互应用或少量数据交换，适合长时间或大量数据交换。 2）路由选择在连接建立阶段完成。建立完成后，就固定了传输路径。 3）提供可靠、有序的分组交付，并支持端到端的流量控制。 4）对节点或链路的故障敏感。任一故障都会导致所有经过该节点或链路的虚电路中断。 5）分组首部开销小。因为其无须携带完整的目的地址，而只需携带虚电路号。 虚电路之所以是虚的，是因为这条链路并非专用的，而是可被多条虚电路共享。 ## 2. 数据报 在数据报方式中，发送分组前无须建立连接。源主机将应用层报文分割为若干数据段，并封装成携带完整源地址和目的地址的独立分组。中间节点对分组短暂缓存，独立选路后随即转发。网络层不提供服务质量保证，也不确保可靠传输，因此分组可能丢失、重复、失序或出错。这就使得网络中的路由器比较简单，且造价低廉（与电话网络相比）。 下面以图4.3为例说明数据报服务的工作原理，假设主机A向主机B发送分组。
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图4.3 数据报方式转发分组 1）主机A将分组逐个发送至与其直连的节点A，该节点对分组进行短暂缓存。 2）随后，节点A查询其转发表。网络状态动态变化，导致转发表随之更新，各分组独立进行路由选择，可能经由不同路径转发（例如部分发往节点C，部分发往节点D）。 3）后续节点以相同的方式转发分组，直至其最终抵达主机B。 在传输过程中，分组仅占用当前链路的资源。得益于存储转发机制和资源共享，多个主机可以同时通信——例如主机A在发送分组的同时，主机B也可向其他主机发送数据。 通过上述例子，可总结出数据报服务具有以下特点： 1）无须建立连接。发送方可随时发送分组，交换节点也可随时接收并处理。 2）尽最大努力交付。网络不保证可靠性，分组可能丢失、出错或失序；由于每个分组独立选路，转发路径可能不同，可能导致失序到达。 3）分组携带完整地址。每个分组均包含完整的源地址和目的地址，以支持独立路由。 4）存在排队时延与丢包风险。分组在交换节点中需排队处理；网络拥塞时，时延显著增加，还可能被主动丢弃。 5）故障适应能力强。当某节点或链路失效时，可通过更新转发表动态选择绕行路径。 <!-- page: 143 --> 第4章 网络层 131 6）资源利用率高。通信双方不独占链路，带宽等资源由多个会话共享。 采用这种设计思想的好处是：网络的造价大大降低、运行方式灵活、能够适应多种应用。互联网能够发展到今天的规模，充分证明了当初采用这种设计思想的正确性。 数据报服务和虚电路服务的比较见表4.1。 表 4.1 数据报服务和虚电路服务的比较 | | 数据报服务 | 虚电路服务 | | --- | --- | --- | | 连接的建立 | 不需要 | 必须有 | | 目的地址 | 每个分组都有完整的目的地址 | 仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号 | | 路由选择 | 每个分组独立地进行路由选择和转发 | 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发 | | 分组顺序 | 不保证分组的有序到达 | 保证分组的有序到达 | | 可靠性 | 不保证可靠通信，可靠性由用户来保证 | 可靠性由网络自身来保证 | | 对网络故障的适应性 | 可寻找新的路径转发分组，对故障的适应能力强 | 所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作 | | 差错处理和流量控制 | 由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性 | 可由分组交换网负责，也可由用户主机负责 | ## 4.1.4 SDN的基本概念 网络层的核心任务是分组转发与路由选择。从功能架构上看，网络层可抽象地划分为两个逻辑平面：数据平面（也称转发平面）和控制平面，其中，数据平面负责执行分组转发，而控制平面负责实现路由选择，生成并维护路由信息。 软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是一种近年来广泛采用的创新网络架构，其核心在于控制平面与数据平面的解耦：控制平面集中化，数据平面分布式部署。在传统网络中，每台路由器同时承担控制与转发功能，既运行路由协议，又维护转发表。而在SDN架构中（见图4.4），路由器仅保留数据平面功能，不再运行路由选择软件，因此彼此之间无须交换路由信息。网络的控制功能由一个逻辑集中式的远程控制器（通常由多个服务器协同实现）统一承担。该控制器掌握全网拓扑及主机状态，能为每个分组计算最优转发路径，并通过OpenFlow等协议将相应的流表（SDN中的转发表）下发至各路由器。路由器的工作因此变得极为简洁：接收分组、匹配流表、执行转发。
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图4.4 SDN结构 <!-- page: 144 --> 2027年计算机网络考研复习指导 如此一来，网络构架又变为集中控制模式，而互联网本质上是分布式的。SDN 并非要把整个互联网改造为如图 4.4 所示的集中控制模式，这显然不具有可行性。然而，在某些特定条件下，例如像一些大型数据中心互联的广域网，采用 SDN 架构能够显著提升网络的运行效率。 **考虑速度** ⊕ SDN 的南向接口（2022） SDN 通过提供标准化的编程接口，赋予网络高度的可编程性，使开发者能够以软件方式灵活定义、动态调整并高效控制网络行为。SDN 架构主要包含三类接口。 1）北向接口。面向上层应用提供标准化 API，支持开发者高效构建定制化网络应用，而无须关注底层转发设备的具体实现细节。 2）南向接口。实现控制器与转发设备之间的双向通信，通过 OpenFlow 等协议，控制器可统一管理异构硬件，并将上层应用逻辑动态下发至数据平面。 3）东西向接口。用于控制器集群内部通信，提升控制平面的可靠性和可拓展性。 SDN 的优势：① 集中控制与分布转发，控制平面具备全局视图，便于统一优化；数据平面分布式高速转发，保障性能。② 灵活可编程性，通过标准化接口，开发者能以软件方式动态定义网络行为。③ 降低成本，控制与转发分离使硬件设备简化（仅需基础转发能力），能有效降低成本。 SDN 的挑战：① 安全风险，集中化的控制器易受攻击，一旦崩溃，就会影响整个网络。② 性能瓶颈，控制功能集中化后，随着网络规模的扩大，控制器可能成为网络性能的瓶颈。