IP网关与IP路由器的区别及历史演变详解

aizixun8

问题4-1：“IP网关”和“IP路由器”是同义词吗？

答：最初发明 TCP/IP 的研究人员使用 IP 作为互联网互连设备。我国的网络工作者曾使用过多种译名，如连接器、网守、网关、网络机等，但最终还是国家自然科学术语审定委员会（该委员会现更名为国家科学技术术语审定委员会）。审批委员会》）发布的标准【】译为“网关”。

然而，在20世纪90年代初，美国的一家制造商认为，将名称从IP改为IP似乎更有利于设备的销售。后来，其他厂家也更改了产品名称。 []中的标准翻译是“路由器”。现在，基本上大家已经不再使用网关这个词了。

我们可以将“IP 网关”和“IP 路由器”视为同义词。

问题 4-2：点对点有时会出现在文献中。这意味着什么？

答：这意味着互联网上的任何两台计算机都可以平等地通信。这里一台计算机可能是小型PC，而另一台计算机可能是大型超级计算机。互联网并不关心通信双方计算机的大小。 “等价”也有“对称”的意思。在计算机网络的早期，计算机是中心，远程终端围绕中央计算机进行通信。这些远程终端并不等同于中央计算机，因为情报集中在中央计算机上，复杂的计算必须在中央计算机上进行。但现在情况发生了根本性的变化。因此，术语“对等网络”。

问题4-3：在中，可以用一台大型交换机（）来代替中的许多路由器吗？

答：不是。交换机和路由器的功能有很大不同。

交换机可以连接到单个网络中的多台计算机，并且可以将一台计算机发送的帧转发到另一台计算机。从这一点来看，交换机具有像集线器一样转发帧的功能。

但交换机比集线器功能强大得多。集线器一次只允许一台计算机与其他计算机通信，但交换机允许多台计算机同时通信。

路由器连接两个或多个网络。路由器在网络之间转发数据包（即IP 数据报）。特别是，这些互连网络可以是异构的。

因此，如果多个同类型的网络互连，用大型交换机（如果能找到的话）替换掉部分原来的路由器也是可以的。但如果这些互连的网络是异构网络，就必须使用路由器来互连。

问题4-4：为什么IP地址又称为“虚拟地址”？

答：这是因为IP地址是由软件而不是硬件地址维护的。我们似乎已经形成了一个互联的大网络，但这个网络是一个虚拟的网络系统，因为它的通信系统是抽象的。尽管许多硬件和软件的组合可能看起来构成了一个大网络，但这样一个大网络实际上并不存在。

这个虚拟网络的地址也是虚拟的，所以IP地址也被称为“虚拟地址”。

问题 4-5：有些文档使用术语“虚拟分组”（ ）。虚拟分组是什么意思？

答：虚拟数据包是IP数据报。

因为互联网是由大量异构的物理网络互连而成的。这些物理网络的帧格式多种多样，它们的地址也可能彼此不兼容。路由器无法将一种格式的帧转发到另一个网络，因为另一个网络无法识别与其格式不同的帧的地址。路由器也不可能转换不同的地址格式。

为了解决这个问题，IP协议定义了IP数据报的格式。所有连接到上的路由器都可以识别IP数据报的IP地址，因此可以转发IP数据报（当然转发时必须调用ARP协议来获取相应的硬件地址）。我们知道IP数据报是物理网络帧的数据部分。每个物理网络在转发帧时，并不根据帧头中的硬件地址来查看帧的数据部分。因此，所有物理网络都看不到帧内的IP数据报。这使得 IP 数据报被称为“虚拟数据包”。

问题4-6：如下图所示。这五个网络通过四个路由器互连（每个路由器有两个端口）。是否可以改变这种连接方式，使用一个有五个端口的路由器来互连这五个网络？

答：一般情况下不使用这种连接方式。

这里有两个原因：

(1)路由器中的CPU和内存用于处理经过路由器的每个IP数据报。如果路由器连接到许多网络，则路由器的处理器可能没有足够的能力来处理通过它的所有 IP 数据报。

(2)冗余可以提高互联网的可靠性。路由器和网络都可能出现故障。如果所有路由功能都集中在一台路由器上，一旦路由器出现故障，整个互联网将无法工作。

因此，在规划网络时，的具体拓扑取决于物理网络的带宽、预期的流量、可靠性的需求以及路由器硬件的价格。

问题4-7：有些书（如[]）将IP地址分为两部分：前缀和后缀。它们与网络号字段和主机号字段有何关系？

答：前缀()是网络号字段net-id，后缀()是主机号字段host-id。下图以C类地址为例，说明什么是前缀和后缀。

如果网络已划分子网，则前缀还应包含子网号字段。

问题4-8：IP地址中前缀和后缀最大的区别是什么？

答：（1）前缀由互联网管理机构分配，后缀由前缀分配单位分配。

(2)IP数据报的寻址是根据前缀找到目的网络，找到目的网络后再根据后缀找到目的主机。

问题4-9：IP数据报中数据部分的长度是可变的（即IP数据报不是定长的）。这样做有什么好处？

答：这样做的好处是可以满足这个应用的需求。有时，在键盘上键入的单个字符可以构成非常短的IP数据报。然而，某些应用程序需要将很长的文件形成一个大的IP数据报（最多64K字节，包括报头）。当然，大多数IP数据报的数据部分比报头长度长得多。这样做的好处是可以提高传输效率（第一开销占的比例较小）。

问题4-10：IP地址中为什么用前一位或前几位来表示地址类别？

答：知道了IP地址的类型，就可以快速区分IP地址的前缀和后缀。这是路由器寻找下一跳地址时必须要做的事情。

但我们怎样才能让计算机尽快完成这个动作呢？如果将IP地址按照一定数量的地址粗略地分成几部分作为各种类型的地址，计算机执行这样的操作将花费大量的时间。我们知道，计算机执行位运算（如左移、右移、布尔运算等）比整数运算快得多。因此，IP地址的分类是用地址中的前一位或前几位数字来标记地址的类别。

问题4-11：全1的IP地址是不是向整个互联网广播的地址？

答：不。

想象一下，如果将该地址广播到整个互联网，肯定会在互联网上产生巨大的流量，严重影响互联网的正常运行，甚至导致互联网瘫痪。

因此，IP地址中的全1地址意味着广播仅在这个网络上（即你的主机所连接的局域网）。这种类型的广播称为受限广播（ ）。

如果net-id是特定网络号且host-id全1，则称为定向广播()，因为它是向特定网络（即net-id指定的网络）上的所有主机广播地址。

问题4-12：IP协议具有分片功能，但广域网中的报文不需要分片。这是为什么？

答：IP数据报可能要经过许多网络，而源主机事先并不知道数据报稍后要经过的这些网络可以通过的数据包的最大长度。当IP数据报转发到某个网络时，可能会发现数据报太长，此时必须进行分片。

然而，WAN 中的所有主机都预先知道 WAN 可以通过的数据包的最大长度。源主机不可能发送太长而网络无法支持的数据包。因此，WAN不需要对已经发出的数据包进行分片。

问题4-13：路由表中只给出到目的网络的下一跳路由器的IP地址，然后下一个路由器的路由表中给出下一跳路由器的IP地址，最后可以到达目的网络。直接发货。采用这种方法有什么好处？

答：这样做的最大好处是使路由选择变得动态且非常灵活。当IP数据报传输到中途时，如果网络状况发生变化（如网络拓扑发生变化或发生拥塞），中间的路由器就可以改变其下一跳路由，从而实现动态路由。

问题4-14：链路层广播和IP广播有什么区别？

答：链路层广播是在以太网上使用数据链路层协议（第2层）实现的，广播局域网内所有主机的MAC帧。

IP广播是使用IP协议通过互联网实现的向网络（即目的网络）上的所有主机广播的IP数据报。

问题 4-15：“尽力交付”（最好）的含义是什么？

答：（1）不能保证源主机发送的IP数据报能够无错误地传送到目的主机。

(2) 不保证源主机发送的IP数据报会在指定时间内送达目的主机。

(3) 不保证源主机发送的IP数据报会按照发送的顺序传送到目的主机。

(4) 不保证源主机发送的IP数据报不会被重复传递到目的主机。

(5)不要故意丢弃IP数据报。 IP 数据报在以下情况下被丢弃： 路由器检测到报头校验和中有错误；或者由于网络流量过大，路由器或目的主机的缓存中没有可用空间。

但请注意，IP数据报的报头中有一个“报头校验和”。当它检测到 IP 数据报报头中存在错误时，它会丢弃该数据报。因此，传送到目的主机的所有IP数据报的IP数据报头中没有错误或者没有检测到错误。这意味着传输过程中出现错误的IP数据报将被丢弃。例如，源主机连续发送了10000个IP数据报。结果，9,999 个 IP 数据报出现错误并被丢弃。这样，最终只有一个无差错的IP数据报被传送到目的主机。这也完全符合“尽力交付”的原则。即使发送的一万个IP数据报全部被丢弃，只要路由器不故意丢弃IP数据报，我们也不能说这不是“尽力而为”。

当今互联网上的绝大多数流量都是“尽力而为”。如果数据必须可靠地传送到目的地，那么使用IP协议的高层软件必须负责解决这个问题。

问题4-16：假设局域网内计算机A发送一个ARP请求包，希望找出计算机B的硬件地址。此时，局域网内的所有计算机都可以收到这个广播发送的ARP请求包。此时，哪台计算机使用ARP响应包告诉计算机A计算机B的硬件地址？

答：有两种情况要区分。

如果计算机B和计算机A都连接到同一个局域网，则计算机B发送ARP响应包。

如果计算机 B 和计算机 A 没有连接到同一个 LAN，则连接到该 LAN 的路由器必须转发 ARP 请求数据包。这时路由器向计算机A发送ARP应答包，给出自己的硬件地址。

问题 4-17：一台主机想要向另一台主机发送 IP 数据报。是否可以使用ARP获取目的主机的硬件地址，然后直接使用这个硬件地址将IP数据报发送到目的主机？

答：有时是，有时不是。

ARP只能对连接到同一网络的主机或路由器进行地址解析。让我们看下面的例子。

由于A和B连接在同一网络上，主机A可以使用ARP协议获取B的硬件地址，然后使用B的硬件地址将IP数据报组装成帧发送给B。

但当目的主机为F时，情况就不同了。 A无法获取F的硬件地址。 A 只能先将 IP 数据报发送到该网络上的一台路由器（在本例中为路由器 R1）。因此，当A向F发送IP数据报时，地址解析必须经过以下三个步骤：

(1) A首先通过ARP解析出路由器R1的硬件地址，并将IP数据报发送给R1。

(2) 然后R1通过ARP解析出R2的硬件地址，并将IP数据报转发给R2。

(3) 然后R2通过ARP解析F的硬件地址，并将IP数据报传递给F。

因此，A向F发送IP数据报需要经过3次ARP地址解析。 A只知道F的IP地址，但不知道F的硬件地址。

问题4-18：互联网上最常见的数据包长度是多少？

答：以太网是最常用的连接互联网的局域网，以太网的数据字段最多只允许加载1500字节。因此，在上传输的报文长度一般不超过1500字节。

由于当今互联网上最常用的应用程序是电子邮件和万维网。这两个应用程序都使用 TCP 进行传输，因此经常使用 TCP 确认段。该 TCP 确认段没有数据，只有 20 字节的标头。加上IP数据报的20字节报头，IP数据报（即数据包）的长度只有40字节。

根据美国MCI骨干网上传输的报文统计，大约40%的报文长度为40字节（即其携带的数据均为TCP确认报文段）。大约 15% 的数据包长度约为 576 字节（IP 数据报的默认长度）。大约 10% 的数据包长度为 1500 字节。超过1500字节的数据包数量非常少。

问题 4-19：当路由器在传输过程中使用 IP 数据报报头中的“报头校验和”字段检测到错误时，它会简单地丢弃该错误。为什么不向源主机发送 ICMP 消息？

答：IP协议不要求源主机重传错误的IP数据报。 TCP协议保证无差错传输。另一方面，报头校验和只能检测IP数据报报头中的错误，但它不知道报头中的源地址字段是否有错误。如果源地址存在错误，则将 IP 数据报发送到错误的地址是没有意义的。

问题4-20：IP数据报必须考虑最大传输单元MTU（Unit）。这是指哪一层最大的传输单元？它包括头部或尾部开销吗？

答：这是指IP层以下数据链路层的最大传输单元，也就是下面MAC帧的数据字段，不包括MAC帧的头和尾字段。因为IP数据报是加载到MAC帧中的数据字段，所以数据链路层的MTU值就是IP数据报允许的最大长度（总长度，即报头加上数据字段）。

问题4-21：为什么生存时间TTL原来以秒为单位，而现在TTL表示数据报在网络中可以通过的最大路由器数？

答：最初，TTL以秒为单位测量，表示数据报在网络中的最大生存时间。 TTL 可用于防止数据报在网络中无限循环（这会浪费网络资源）。例如，将数据报的初始TTL值设置为70秒，意味着数据报进入网络后70秒后就会被丢弃，即使它即将到达目的站。

但后来我发现这样很不方便（每个没有时钟同步的路由器都要计算经过它的数据报在网络中的停留时间）。于是采用了另一种方法，就是让TTL代表数据报在网络中可以通过的最大路由器数量。例如，将数据报的初始TTL值设置为60，意味着如果该数据报经过60个路由器仍未到达目的站，那么最终到达的路由器将立即丢弃该数据报，使其不再可用。占用网络资源。现在路由器在转发数据报时，应该将数据报头中的TTL值减1。如果TTL值减为零，则丢弃它。因此，当前的TTL代表了数据报在网络传输过程中可以经过的最大跳数。