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文檔簡介

第7章網(wǎng)絡(luò)層工

本章基本要求:

掌握IP地址的規(guī)劃及子網(wǎng)劃分技術(shù)

掌握網(wǎng)絡(luò)層中源到目標(biāo)分組傳輸?shù)膶崿F(xiàn)機理

理解網(wǎng)絡(luò)層的主要功能

理解數(shù)據(jù)報和虛電路的區(qū)別

理解路徑選擇的作用與實現(xiàn)

理解IP協(xié)議、ARP協(xié)議和ICMP協(xié)議的作用

理解路由器的功能

了解擁塞控制的概念

了解IP報文的格式

了解靜態(tài)路由與動態(tài)路由的特點及實現(xiàn)方法-。

7.1網(wǎng)絡(luò)層功能概述

網(wǎng)絡(luò)層的重要位置:

主機X主機Y

名用層

APDU應(yīng)用層

PPDU表示層表示層

y

SPDU會話層會話層

分段傳輸層傳輸層

J

分組網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層

2

幀數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層效據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層

位物理層物理層物理層物理層物理層

1、網(wǎng)絡(luò)層的主要功能

(1)建立、維持和拆除網(wǎng)絡(luò)連接

在網(wǎng)絡(luò)層的虛電路服務(wù)中,要涉及到虛電

路的建立、維持和拆除過程。

(2)分組的組裝和拆封(組包/拆包)

(3)路由選擇,即進(jìn)行最佳路徑選擇。

2、網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

數(shù)據(jù)報(無連接的)虛電路(面向連接的)

連接設(shè)置不需要,需要

每個分組需要完整的源每個分組包含一個虛電

地址-

和目的地址路號

狀態(tài)信息有路由表,無連接表連接表

路由選擇每個包獨立選擇虛電路建立后勿需路由

路由器失敗的所有經(jīng)過失敗路由器的

丟失失敗時的分組

影響VC失效

同一報文的不同分組不

_仕玲,氏三——一亙二報文會出現(xiàn)亂序、4I_L1X|||壬1臣-2^后不

憎輛>頒里重復(fù)、丟失

7.2TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層

在TCP/IP中稱為互聯(lián)層或網(wǎng)際層。位置如下:

應(yīng)用層

1運

,

1CMP■IGMPOSPF

網(wǎng)間網(wǎng)ARPRARP

1、IP協(xié)議

集中體現(xiàn)在IP數(shù)據(jù)報(IP分組)之中。

IP數(shù)據(jù)報的組成:由一個頭部和一個數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)"

成。

IP數(shù)據(jù)報的頭部有20字節(jié)的固定長度和一個任意

長的可選項。

如下圖所示。

0481631

版本出L服務(wù)類型總長

標(biāo)識DM分段偏移

FF

生命期協(xié)議頭校驗和

源IP地址實

目的IP地址

選項

??????數(shù)

據(jù)

版本字段:記錄數(shù)據(jù)報屬于哪個版本的協(xié)議。

IHL字段:頭部有多長,以32位為一個單位,最小值為5。

服務(wù)類型字段(TypeOfService):告訴子網(wǎng)想要什么樣

的服務(wù)。(8bit,優(yōu)先級3bit、時延Ibit、吞吐量Ibit、可

靠性Ibit、費用Ibit

總長字段:頭部和數(shù)據(jù)部分的總長度。

標(biāo)識字段:用來讓目的主機判斷新來的分段屬于哪個分

組,所有屬于同一分組的分段包含同樣的標(biāo)識值。

DF位:表示不要分段。MF位:表示還有進(jìn)一步的分段。

分段偏移:說明分段在當(dāng)前數(shù)據(jù)報中的位置。

生命期TTL(TimeToLive)或稱生存時間字段:限制

分組的最大生存時間,最大值為255,協(xié)議推薦以

秒為單位。實際上,TTL值以結(jié)點數(shù)計數(shù)。

TTL在經(jīng)過每個結(jié)點時都遞減(若排隊等待轉(zhuǎn)

發(fā),則會成倍遞減)。一旦TTL的值小于等于0,

便將該分組從網(wǎng)中刪除,并向信源機發(fā)回一個出錯

信息。TTL可以防止分組在網(wǎng)間網(wǎng)中無休止地流動。

協(xié)議字段:指出該數(shù)據(jù)報攜帶的傳輸層所使用的協(xié)

議類型(比如TCP或UDP)。還有其他協(xié)議,如

ICMP、EGP、IGP、OSPF等。

頭部校驗和字段:—周玄校驗義都一———

2、IP地址

IP地址是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層用以標(biāo)識網(wǎng)

絡(luò)中主機的邏輯地址??梢晕ㄒ粯?biāo)識

Internet中的一臺主機。

轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(如路由器)可以根據(jù)分組

中的目的IP地址將分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò),

然后再根據(jù)ARP(地址解析協(xié)議)將目的

主機的物理地址(MAC地址)將數(shù)據(jù)傳送

給該目的主機。

IP地址是一個32位的‘繪制數(shù),通常用打點十

進(jìn)制數(shù)字表示。每個IP地址分為4段(每段8位二進(jìn)

制數(shù)),分別用小數(shù)點隔開,如210.33.46.59。

IP地址分類:A、B、C、D和E類。

其中,D類地址為多點播送地址,E類地址留作將來

使用。我們所接觸的通常是A、B和C類IP地址。

一個IP地址由部分組成:網(wǎng)絡(luò)地址(網(wǎng)絡(luò)號、

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識)和網(wǎng)絡(luò)中的主機地址(主機號、主機標(biāo)

卻楸

32Bits

位于同一網(wǎng)絡(luò)中的主機必然具有相同的網(wǎng)

絡(luò)標(biāo)識。網(wǎng)絡(luò)號全o表示本網(wǎng)中的主機。

主機標(biāo)識部分全o和全1都有特殊用途:主

機號全為1表示本網(wǎng)的廣播地址,全為0表示本

網(wǎng)。

一些特殊的保留地址:

00000000000000000000000000000000本機

0000主機柳中的主機

11111111111111111111111111111111局邸播廣播

1111111111111111對一健程網(wǎng)的廣播

127任靛回送地址

A類地址:高8位表示網(wǎng)絡(luò)地址,但最高位固定

為3如

ONNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

全0表示本網(wǎng)IP地址,而

即127.x.y.z又稱回送地址,用作回路

(loopback)測試,所以,A類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識值從1

-至126,即A類網(wǎng)絡(luò)地址共有126個。一

低24位為主機地址,所以一個A類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)

最多可以有224-2臺主機。

B類地址:高16位表示網(wǎng)絡(luò)地址,所以共有214個B

類網(wǎng)。低16位表示主機地址,所以一個B類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最

多只能有2電2臺主機。

1ONNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHH

B類地址的第一個打點十進(jìn)制值為128-19E

C類地址:高24位表示網(wǎng)絡(luò)地址,所以共有221個C

類網(wǎng)。低8位表示主機地址,所以一個C類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最

多只能有28-2臺主機。

110NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHH

CM地址的第一個扛點土進(jìn)制值為122-223^

—私有地址(privateaddress)

私有地址僅供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用,其地址范圍包括

三個部分,即

10.0.0.0—10.255.255.255

172.16.0.0—172.31.255.255

192.168.0.0—192.168.255.255

以私有地址作為IP地址的主機若要訪問外

面的因特網(wǎng),必須采用網(wǎng)絡(luò)地址翻譯

NAT(Networkaddresstranslation)或應(yīng)用代

理(proxy)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

勿子網(wǎng)劃分

任何一個A、B和C類網(wǎng)絡(luò)中都有可容納的

最大主機數(shù)。例如,

一個C類網(wǎng)絡(luò)最多只能安裝254臺機器,當(dāng)

超過這個數(shù)時,就要另外申請一個C類網(wǎng)絡(luò)。

一個B類網(wǎng)絡(luò)最多可容納65534臺主機,如

此大規(guī)模的單一的物理網(wǎng)絡(luò)幾乎是不可能的。

?子網(wǎng)編址技術(shù),就是將一原主機部分劃分為

子網(wǎng)部分和生機部分。

劃分前

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識主機標(biāo)識

V

劃分后網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識子網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識主機標(biāo)識

這樣,網(wǎng)絡(luò)部分==網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(也稱網(wǎng)間網(wǎng)標(biāo)識)

+子網(wǎng)標(biāo)識

在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以劃分出若干個子網(wǎng)。

例如,設(shè)子網(wǎng)部分占4比特,則子網(wǎng)個數(shù)為24=16,

可用的有16-2=14個,全0利全1有特殊用途。

“一k子網(wǎng)中位數(shù)子網(wǎng)數(shù)量.,

12』22-2=0

222=44-2=2

323=88-2=6

424=1616-2=14

525=3232-2=30

626=6464-2=62

727=128128-2=126

828=256256-2=254

929=512512-2=510

???????…

下面是一個c類網(wǎng)絡(luò)202.IL2.0>一個由路

由器其分成了三個相對獨立的網(wǎng)段,并且每

個網(wǎng)段的主機數(shù)不超過30臺。

若使每個網(wǎng)段成為一個子網(wǎng)絡(luò),主機部分占5

位,則每個子網(wǎng)中最多可安裝25-2二30臺主機。

、地址范圍,

0一第n個子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號廣播地址

1202.11.2.0-202.11.2.0202.11.2.31

202.11.2.31

2202.11.2.32-202.11.2.32202.11.2.63

202.11.2.63

3202.11.2.64-202.11.2.64202.11.2.95

202.11.2.95

4202.11.2.96-202.11.2.96202.11.2.127

202.11.2.127

5202.11.2.128-202.11.2.12202.11.2.159

202.11.2.1598

6202.11.2.160-202.11.2.16202.11.2.191

202.11.2.1910

7202.11.2.192-202.11.2.19202.11.2.223

202.11.2.2232

8202.11.2.224-'20111.122FZ11225「

202.11.2.2554

?如何劃分子網(wǎng)部分與生機部分?

不同網(wǎng)點的情況不同:有些網(wǎng)點網(wǎng)絡(luò)多,但每

個網(wǎng)絡(luò)上的主機少;有些網(wǎng)點網(wǎng)絡(luò)少,但每個網(wǎng)絡(luò)

上的主機多。

首先要明確所需的子網(wǎng)數(shù)量和每個子網(wǎng)中所要

擁有的主機數(shù),然后再確定網(wǎng)絡(luò)部分和主機部分的

比特位數(shù),以便選擇最合理的子網(wǎng)劃分。、,

引入子網(wǎng)劃分技術(shù)可以有效提高IP地址

的利用率,從而可節(jié)省寶貴的IP地址資源。

假設(shè)上例中沒有子網(wǎng)劃分技術(shù),則至少

需要申請三個C類地址。

4、子網(wǎng)掩碼(subnetmask),

引入子網(wǎng)劃分之4葺機或路由設(shè)備如何確定'

目的子網(wǎng)?

IP協(xié)議規(guī)定,每一個使用子網(wǎng)的網(wǎng)點都選擇

一個32位的位模式與32位的IP地址相對應(yīng)。對應(yīng)

網(wǎng)絡(luò)部分的各位都為“1”,對應(yīng)主機部分的各

位都為“0”。這就是子網(wǎng)掩碼。

例如,從子網(wǎng)掩碼255.255.255.0可知,

網(wǎng)絡(luò)部分占前3個字節(jié),主機部分占后1個字節(jié)。

而從255.255.252.0可知,網(wǎng)絡(luò)部分占

22位,主機部分占10位。

注意:同一個網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼相同。

目的子網(wǎng)的確定:

IP地址與子網(wǎng)掩碼按位“與”之后,便得

到一個完整的網(wǎng)絡(luò)地址。

盡管這些子網(wǎng)的網(wǎng)際網(wǎng)標(biāo)識相同,但是由于

它們的子網(wǎng)號不同,因而可以惟一地確定一個

目的子網(wǎng)。

一個單位申請了一個B類網(wǎng)絡(luò),其部分子網(wǎng)如下所示。

網(wǎng)間網(wǎng)片余部分

^128.11.10.1

128.101.1.0

\128.101.1.11

128.101.4128.101.1.14128.101.1.16

R3R4

—O128.101.3.1—O128.101.4.1

11

22一2

888

L二」

2。0

.一1

24-O

O3

。。

上述網(wǎng)絡(luò)為B類網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)間網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)

地址為128.101.0.0?,F(xiàn)從原主機部分劃出

一個字節(jié)作為子網(wǎng)部分,剩下的一個字節(jié)

作為劃分后的主機部分。

因此,子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0

子網(wǎng)掩碼的另一種寫法,如

從128.101.1.12/24中可知,子網(wǎng)掩碼

占24位「即255:253^5570^------------------

5、Internet控制協(xié)議

除了用于數(shù)據(jù)傳送的IP協(xié)議外,Internet

還有多個用于網(wǎng)絡(luò)層的控制協(xié)議,包括

ICMP>ARP和RARP等。

(1)lute門let控制消息協(xié)議ICMP

(Internetcontrolmessageprotocol)

當(dāng)Internet中發(fā)生意外事件時,由ICMP

報告;用ICMP也可檢測網(wǎng)絡(luò),包括路由、

擁塞、服務(wù)質(zhì)量等問題。

常見的ICMP消息類蟹;

消息類型描述

不可達(dá)目的地分組不能提交

超時生命期字段為0

參數(shù)問題無效的頭字段

源端抑制抑制分組

重定向告訴路由器有關(guān)地理路線

同聲注青求向一個機器發(fā)出請求看是否還活著

回聲"答是的,我還活著

時間標(biāo)記請求類似于回聲請求,但要加上時間標(biāo)記

時間標(biāo)記應(yīng)答類似于回聲應(yīng)答,但要加上時間標(biāo)記

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)病態(tài)疝制工具“Ping”和

“Tracert”就都是基于ICMP實現(xiàn)的。

例如,常用的ping命令一般用回聲請求

(echorequest)和回聲應(yīng)答(echoreply)消息。

ping127O0.1〈回車〉,則顯示:

replyfroml27.0.0.1bytes=time=TTL=

或者顯示:超時等信息。

ECommandPrompt■inx

我的文檔

Microsoft<R>WindowsDOS

<C>CopyrightMicrosoftCorp1990-1999.

fc:X>ping127.0.0.1

Pinging127.0.0.1with32bytesofdata:

我的電腦

Replyfrom127.0.0.1:bytes=32tiRe<10nsTTL=128

Replyfrom127.0.0.1:bytes=32tine<10msTTL=128

旦Replyfrom127.0.0.1:bytes=32tine<10nsTTL=128

烏耳.(Replyfron127.0.0.1:bytes=32tine<10nsTTL=128

網(wǎng)上鄰居Pingstatisticsfor127.0.0.1:

Packets:Sent=4.Received=4.Lost=0<0zloss〉.

Approximateroundtriptimesinnilli-seconds:

Minimum=0ms.Maxinun=0nsAverage0ms

回收站

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Explorer8.0計劃項目…發(fā)現(xiàn)致痛…業(yè)分銷管理

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2g2共享版2000-操作…業(yè)Excel

F:\Net澈材、…||s]MicrosoftPow...

ISICommandPrompt公畫Q二)當(dāng)19:29

例如

ping192.168.1.1v回車〉

則向目的主機192.168.1.1發(fā)送若干個

ICMP包,以測試兩主機是否能正常通信。

(2)ARP與RARP*/

?地址解析協(xié)議ARP(AddressResolution

Protocol)

的作用是將IP地址映射為物理地址。

因為數(shù)據(jù)鏈路層硬件不能認(rèn)別IP地址,

所以并不能真正使用IP地址來發(fā)送分組,

必須將IP地址轉(zhuǎn)換為物理地址,并將該IP

分組封裝為幀,物理地址放入幀的首部,

然后再通過物理信道傳送出去。

在下圖中,R1和R2連建個網(wǎng)絡(luò)。

Rl>R2各有兩個IP地址,并對應(yīng)兩個物理

地址。

192.31.60.4—E3192.31.65.1-------F1

192.31.60.7——F3192.31.63.3------E4

主機1、主機2、主機3和主機4的IP地址與物理地

址的對應(yīng)關(guān)系依次如下:

192.31.65.7—E1192.31.65.5--------E2

192.31.63.10—E5192.31.63.8--------E6

192.31.63.10

192.31.65.1

(如上圖)主機1要發(fā)送一個分組給主機2(兩臺

主機在同一個網(wǎng)卻的情猊):

??先發(fā)送一個廣播分組到以太網(wǎng)上,“誰的IP

地址是192.31.65.5”。

??CS上每個機器(包括R1)都會收到此廣播

并檢查自己的IP地址。只有主機2用自己的以太網(wǎng)

地址(E2)回應(yīng)。

??主機1知道了192.31.65.5對應(yīng)的物理地

址為E2。

??主機1即可生成一個目的地址為E2的以太網(wǎng)

幀發(fā)送出去。

??為了提高ARP效率,主機1緩存主機2的MAC

地址信息。若今后目的地是主機2,則直接查找自

己的緩存區(qū),找出E2。只有緩存中沒有目的主機

的IP地址,才再進(jìn)行ARP廣播。

??還有一種優(yōu)化方法就是計算機在啟動時廣播

它自己的地址映射(IP地址與物理地址的映射)。

網(wǎng)絡(luò)中其他機器都可以在自己的緩存中保存這個

映射。這樣目的地的物理地址就可以在源機器的

緩存中找到,提高ARP效率。

又如,當(dāng)源主機1與目的主機4不在同?個網(wǎng)

絡(luò)中時,

主機1要發(fā)送一個分組給主機4,數(shù)據(jù)要經(jīng)過

兩個路由器R1和R2。如果直接采用上述ARP方

法就不會成功,因為主機4不能收到主機1的廣播。

一種方案是使用代理ARP(ProxyARP),如R1,

凡是出本網(wǎng)的數(shù)據(jù)報,都由R1回答本網(wǎng)內(nèi)的ARP

請求,R1被稱為缺省網(wǎng)關(guān)DefualtGatewayo

該例中的數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的路徑為:

主機]今RIfR2幾機工

?反向地址解析協(xié)議RARP(ReverseARP)

將物理地址映射到IP地址。

當(dāng)一個無盤工作站啟動時,它只知道自己

的物理地址,而不知道其IP地址,利用

RARP可以得到對應(yīng)的IP地址。

RARP使一個新啟動的無盤工作站可以廣

播其以太網(wǎng)地址,并說“我的以太網(wǎng)地址是

14:04:05:18:01:25,有誰知道我的IP

地址?”,一個遠(yuǎn)程服務(wù)器就可以回答對應(yīng)

的IP地址。________________

1、路由與路由表

?路由(routing)是指對到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)

絡(luò)所進(jìn)行的最佳路徑選擇。

路由功能主要由路由器(Router)來完

成。路由器是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層(第三層)功能的

網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。

帶路由模塊的交換機又稱為三層交換機。

某些操作系統(tǒng)中也有實現(xiàn)路由功能的軟

件,也稱為軟件路由。

?路由表就是專門用于存放路由信息的

數(shù)據(jù)庫表。路由表中的信息是完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)

發(fā)的依據(jù)。

路由表的建立和更新可由手工完成,也可以

由路由器根據(jù)某種路由算法(或路由協(xié)議)

完成。

下面是一個路由表的例子:

Code:C-connected,s-static,I-IGRP,R-RIP,M-mobile,B-BGP

D-EIGRP,EX-EIGRPexternal,O-OSPF,IA-OSPFinterarea

El-OSPFexternaltype1,E2-OSPFexternaltype2,E-EGP

i-IS-IS,Ll-IS-ISlevel1,L2-IS-ISlevel2

*-candidatedefault

Gatewayoflastresortisnotset

144.253.0.0issubnetted(maskis255.255.255.0).1subnets

C144.253.100.0isdirectlyconnected.Ethernet1

R133.3.0,0[120/2]via144.253.100,200,00:00:57,Ethernet1

R153.50.0.0[120/5]via183.8.128,12,00:00:05,EthernetO

183.8.0.0issubnetted(maskis255.255.255.128),4subnets

R183.8.0.128E120/10]via183.8.64.130,00:00:27,Serial1

[120/10]via183.8.128,130,00:00:27,serial0

C183.8.128.0isdirectlyconnected,EthernetO

C183.8.64.128isdirectlyconnected,Serial

C183.8.128.128isdirectlyconnected,Seiral0

0172.16.0.0[110/125660]via144.253.100.1,00:00:55,Ethernet1

0192.3.63.0[110/13334]via144.253.100.200,00:00:58,Ethernet1

J2、靜態(tài)路由和動態(tài)路由.--

靜態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)其所掌握的

網(wǎng)絡(luò)連通信息以手工配置方式創(chuàng)建和更新的路

由表表項。

動態(tài)路由是指在路由器上運行路由協(xié)議,

并通過路由協(xié)議自主學(xué)習(xí)而獲得的路由信息。

.動態(tài)構(gòu)建和更新的路由表不僅能更好地適應(yīng)

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化(如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)流量的變

化),同時也減少了人工生成與維護(hù)路由表的

—_z作量^_____________________

.

3、路由協(xié)議」/

(1)用于動態(tài)生成路由表信息的協(xié)議被稱為

路由協(xié)議。

路由協(xié)議有時又被稱為主動路由協(xié)議,規(guī)

定網(wǎng)絡(luò)層分組格式的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議稱為被動路由

協(xié)議。

路由協(xié)議的核心是路由選擇算法。

根據(jù)路由選擇算法的不同,路由協(xié)議被分

為距離矢量路由協(xié)議-鏈路狀態(tài)路由協(xié)議和混

合型路由協(xié)議三大類。

?路由消息協(xié)議RIP(RoutingInformation

Protocol)和內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議

IGRP(InteriorGatewayRoutingProtocol)

屬于典型的距離矢量路由協(xié)議;

?開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF(OpenShortest

PathFirst)屬于鏈路狀態(tài)路由協(xié)議;

?IS-IS(intermediatesystem-

intermediatesystem)和增強型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路

由協(xié)議EIGRP(EnhancedInteriorGateway

RoutingProtocol)屬于混合型路由協(xié)議。

RIP根據(jù)“距離”選擇路由?!熬嚯x”

指經(jīng)過路由器的個數(shù)(即,中間節(jié)點數(shù),

跳數(shù)hop)。

RIP認(rèn)為所經(jīng)過的跳數(shù)最少的路徑就

是最佳路徑。

OSPF其要點如下^土一

??所有路由器都維持一個鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。

“鏈路狀態(tài)”就是指相鄰的路由器及將數(shù)據(jù)

發(fā)往這些路由器的費

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