第四章网络层资料
第4章 网络层
Internet
Local
172.16.0.3
目的IP=172.16.0.3 目的端口号=12345
NAT 路由器
目的IP=202.195.168.1 目的端口号=54321
172.16.0.4
在NAT路由器的内存中，维护着一张NAT的地址转换表， 当Local访问Internet，路由器完成地址转换时，将把 Local的私有IP与分配给它的公有IP之间的映射关系写 入NAT地址表。 当发送给Local的数据报到达NAT路由器时，路由器将 根据映射关系再次进行地址转换。
方 向 字 段 旧IP和端口号 新IP和端口号
出境方向
入境方向
源IP：源端口号
目的IP：目的端口号
172.16.0.3:12345
202.195.168.1:54321
202.195.168.1:54321
172.16.0.3:12345
上图中地址表中除了有IP地址外，还有端口号(Port Number)(端口号用于区分节点中不同的应用进程) 当私有网络中的多台主机同时需要访问Internet，则路 由器必须将其映射为多个公有IP方可加以区分。而在 地址转换过程将IP地址与端口一起使用，则可以用同 一个IP地址，不同的端口号来对应多台主机。 在NAT中同时使用IP地址和端口号的转换方式称为 NAPT(网络端口地址转换)或PAT(端口地址转换)。
1. 查看收到的IP数据报首部中的目的IP地址字段。 2. 将目的IP地址与路由表中的路由条目按顺序进行比较， 具体来讲：将目的IP与每一个路由条目中的子网掩码进 行与运算。 3. 如果运算结果与该路由条目所指出的目的网络地址相 等，则找到匹配(请读者考虑为什么？)，路由器将IP数 据报转发给该路由条目中所指出的下一跳路由器。 4. 如果没有找到匹配，但存在默认路由，则将IP数据报 转发到默认路由所指出的下一跳路由器，否则，转至 第5步。 5. 丢弃分组并报告错误。
第四章(一)网络层
网络地址：192.168.1.0
11000000.10101000.00000001 00000000
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子网掩码的作用
在实际应用中，即使最小的网络（C类），也常常比用户需
要的更大；其提供的地址也远超过用户的需求。
从节约IP地址的角度出发，可以考虑将IP地址的主机部分
源IP、目的IP地址：各32 bit，
目 的 IP 地 址
标识此报文的产生者（源地 址）及接收者（目的地址）。
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IP分片（一）
分片原则：IP把数据长度与MTU进行比较，前者大于后者则
需要进行分片 分片可以发生在发送端主机上，也可以发送在中间路由器上 把一份IP数据包分片后，只有到达目的地才能重组 IP首部用于分片的字段有：
标志 片 偏 移
部长度，单位为4字节。除了 20字节固定字段外，还可能 有选项字段，头部最多60字 节。
服务类型：8bit，有各种定义，
协 议 报头校验和
源 IP 地 址
用来指明本报文希望享受到 的服务或者用于表明本报文 的优先级。
总长度：16bit，标明本IP报
目 的 IP 地 址
文的总长度，单位字节，即 IP报文最长65535字节。
IP地址分为两部分
网络地址部分net-id，它标志主机（或路由器）所连接 到的网络 主机地址部分host-id，它标志该主机（或路由器）
IP地址采用点分十进制格式显示
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二进制与十进制的转化
第4章 网络层知识点
第4章网络层4.1网络层提供的两种服务网络层提供两种类型的的服务，即：虚电路服务（面向连接）和数据报服务（面向无连接）。
面向连接的通信方式建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。
图示虚电路服务虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。
请注意，电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。
因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。
如果再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组无差错按序到达终点。
无连接的通信方式网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
图示数据报服务4.2网际协议IP网际协议IP 是TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。
与IP 协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP (Address Resolution Protocol)逆地址解析协议RARP (Reverse Address Resolution Protocol)网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)注：ICMP 不是高层协议，而是IP 层的协议。
网际组管理协议IGMP (Internet Group Management Protocol)1）网际层的IP 协议及配套协议注：ICMP 网际控制报文协议2）虚拟互连网络：网络互相连接起来要使用一些中间设备中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。
物理层中继系统：转发器(repeater)、中继器。
数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。
网络层中继系统：路由器(router)。
网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。
网络层以上的中继系统：网关(gateway)。
a)网络互连使用路由器网关由于比较复杂，目前使用得较少。
互联网都是指用路由器进行互连的网络。
计算机网络 第7版 第4章 网络层 (4.5.3 至4.5.4 节)
第4章网络层一、课程引入1.OSPF的名字是开放最短路径优先(Open Shortest Path First)，是为克服 RIP 的缺点在 1989 年开发出来的。
2.OSPF 的原理很简单，但实现起来却较复杂。
二、新课讲授第4章网络层4.5.3 内部网关协议 OSPF1. OSPF 协议的基本特点⏹“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。
⏹“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF⏹采用分布式的链路状态协议 (link state protocol)。
⏹注意：OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。
2.三个要点：⏹向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。
⏹发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。
⏹“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。
⏹只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。
3.链路状态数据库 (link-state database：(1)由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。
(2)这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）。
(3)OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新，使各个路由器能及时更新其路由表。
(4)OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点。
4.OSPF 的区域 (area)：(1)为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。
(2)每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。
(3)区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。
5.OSPF 的其他特点：(1)OSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价。
C4 网络层 路由原理
第四章网络层：IP路由原理4.1 路由、路由表与静态路由路由(route)就是分组在因特网上从一台计算机传输到另一台计算机的实际路径。
这一概念看似简单，但读者应该明确两个要点：第一，由于因特网是分组交换网络，因此每个IP分组都有其独立的路由；第二，因特网是依靠路由器将物理网络连接而成的逻辑网络，在这一图像的背景上，路由实际上是IP分组所经过的一连串路由器的序列。
路由的概念毕竟是简单而直观的，真正微妙的问题在于:因特网上的路由器是怎样为每个IP分组找到正确的路由的(routing)？答案是：因特网上的每个路由器都存储有一张表，称为路由表(routing table)，路由器正是依据路由表的内容将各个IP分组转发到正确的去处。
一个概念路由表的例子请读者对照图4-1的网络拓扑仔细阅读表4-1，不难领会出路由表表达路由信息的方式。
路由器计算机图4-1 网络及路由器表4-1 路由器R3上的逻辑路由表表项 涵 义（N1，R2）从R3到达N1的最优路径是经过R2（N2，- ） N2与R3邻接（N3，- ） N3与R3邻接（N4，R4）从R3到达N4的最优路径是经过R4（N5，R4）从R3到达N5的最优路径是经过R4（N6，R4）从R3到达N6的最优路径是经过R4路由表小结一个路由器上的路由表反映的是该路由器与相邻路由器的连接关系，以及任何一个可达网络与某个邻接路由器的“目标-经过”关系；一个路由器上的路由表从来不会去反映该路由器与任何非邻接路由器的连接关系。
每个表项（D，N）中的D多数情况下是目标网络的IP地址，而非目标计算机的IP地址，这样做的目的是为了最大限度地提高路由表示的效率。
表4-1表达的是概念化的路由表，路由器上实际存储的路由表要复杂得多，而且各个路由器开发商都有自己独特的实现方式, 但是都较普遍地包含以下五个属性，这些也是任何路由表表项最重要的属性：目标网络的IP地址：一个32位数1。
目标网络的子网掩码：一个32位数。
ch4_网络层及路由技术
4.1.4 IP分组的路由
路由器在结构上可分为路由选择和分组 转发两大部分。
路由选择部分也称为控制部分，核心部 件是路由表和路由选择处理机。
分组转发由三部分组成：交换部件、一 组输入端口和一组输出端口。在讨论路由 选择原理时，往往不区分转发表和路由表 的区别，而是笼统地使用路由表这一名词。
4.1.4 IP分组的路由
4.2.4 CIDR无类子网划分技术
2．CIDR地址块的分配 在RFC 1519标准中，将世界划分为4个区域，
由于网络中的主机经常发生变化（如重启、 开机等），所以ARP表要及时刷新。每个主机启 动时，都会广播它的IP地址和MAC地址。
4.1.6 ICMP协议工作原理
ICMP（因特网控制报文协议）主要用 来报告IP分组在传输中的出错和测试信息， 以及主机探测、路由维护、路由选择、流 量控制等。
ICMP报文需要封装在IP分组中进行传 输。
4.2.3 有类子网划分技术
1．网络的子网化 子网划分是网络管理员将一个给定的网络分
为若干个更小的部分，这些更小的部分被称为子 网。
子网划分的方法是用主机地址的一部分作为 子网号。网络管理员需要从原有IP地址的主机位 中借出连续的若干高位作为子网络标识。
4.2.3 有类子网划分技术
2．子网掩码 子网掩码是说明子网与主机关系的一种特殊
4.2.1 IP地址分类
4．IP地址的规划与分配 IP地址可以采用静态分配和动态分配两种方式。
静态分配是由网络管理员为用户指定一个固定不变 的IP地址，并由用户手工在主机上进行配置。
动态分配通过服务器或路由器提供的动态主机控制 协议（DHCP）来实现，用户无需设置。无论使 用哪种地址分配方法，都不允许任何两个接口拥 有相同的IP地址，否则将导致地址冲突。
04网络层
网络层1.网络层提供的服务负责在不同网络之间尽力转发数据包基于数据包的IP地址转发不负责丢失重传不负责顺序2.网络设备与OSI参考模型的关系如果不是一个网段的需要ARP广播得到路由器的MAC地址M2 将数据包转发给路由器2.网络层的协议ARP协议（只能本网段广播，路由器是隔绝广播的）地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。
主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。
地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。
ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC 地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。
相关协议有RARP、代理ARP。
NDP用于在IPv6中代替地址解析协议查看arp缓存arp–a添加静态arp Mac地址arp–s ip地址mac地址清除缓存arp -d局域网中使用网络执法官进行arp欺骗3.ICMP协议ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。
它是TCP/IP 协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。
控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。
这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。
重要命令：PING (Packet Internet Groper)，因特网包探索器，用于测试网络连接量的程序。
第四章网络层
H2 B D
H4
E
C H3 (b) A—E A—D C—D H5
数据报实现 在每个节点同样要有一个路由表，按照每个分组所携带的目的地址查找路由 表来决定应沿哪条链路转发分组。
第一节 网络层的功能与服务
4.1.2.3 虚电路服务与数据报服务的比较
第二节
4.2.1 理想的路由算法
路由选择
路由算法：网络节点在收到一个分组后，决定在那一条输出链路上传送 下去所使用的策略。 理想的路由算法的一些特点： (1)正确性。必须是信息快速、正确的传输。 (2)简单性。计算简单可以减少时延。另外，路由选择的计算不应使网络的通 信量增加太多的额外开销。 (3)坚固性。算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，要有自适应性。有时称 这种自适应性为“健壮性”(robustness)。 (4)稳定性。当通信量和网络拓扑发生变化时，路由算法应收敛于一个可以接 受的解，而不应产生过多的振荡。 (5)公平性。算法应对所有用户（除对少数优先级高的用户）都是平等的。 (6)最佳性。是指以最低的费用来实现路由算法。实际上，所谓“最佳”只能 是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。
第三节
拥塞控制
吞吐量
拥塞：当到达通信子网中某部分 的分组量过多时，就会造成网络性 能的下降的现象，称为拥塞。 网络性能下降的表现：信息报传 输延迟增加和网络吞吐量下降。
理想的拥塞控制 实际的拥塞控制 无拥塞控制 死锁 拥塞 输入负载
4.3.1 拥塞产生的原因
出现资源拥塞的条件：
图4-12 流量控制所起的作用
∑对资源的需求＞可用资源
解决网络拥塞的办法是采用流量控制。 拥塞控制的主要功能： (1)防止网络因过载而引起吞吐量下降和时延增加； (2)避免死锁； (3)在互相竞争的各用户之间公平地分配资源。 单纯的增加资源不 一定能解决拥塞问 题，甚至可能更坏！
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第四章网络层一、选择题1.下面关于IP协议哪些是正确的（ABCD ）。
A.I P协议提供尽力发送(best effort)服务B.I P提供不可靠、无连接的数据报传送服务。
C.I P协议根据其版本分为IPv4和IPv6协议D.I P是TCP/IP 协议族中最为核心的协议。
2.检查数据包能否到达远程主机最常使用哪一种协议（D ）：A. UDPB. SMTPC. FTPD. ICMP3.当一个路由器收到了一个TTL值为0的IP包时，它进行一些什么样的处理？（ A ）A.将该IP包丢弃B.根据目的地址寻找一条路径并进行转发C.将该IP包TTL值加1D.将该IP包TTL值设置为2554.在给你的计算机设置IP地址的时候，那些地址是保留不被使用的（FGH ）：E.202.197.95.4F.0.0.0.0G.127.0.0.1 H.255.255.255.255I.230.197.95.45.在IPV6中IP地址是多少位（二进制）：（C ）A.32B.64C.128D.2566.ICMP协议位于（A ）A.网络层B.传输层C.应用层数D.据链路层7.若两台主机在同一子网中，则两台主机的IP地址分别与它们的子网掩码相“与”的结果一定（C ）A.为全0B.为全1C.相同D.不同8.要控制网络上的广播风暴，可以采用哪个手段？AA.用路由器将网络分段B.用网桥将网络分段C.将网络转接成10BaseTD.用网络分析仪跟踪正在发送广播信息的计算机9.以下四个IP地址哪个是不合法的主机地址:( B )A.10011110.11100011.01100100.10010100B.11101110.10101011.01010100.00101001C.11011110.11100011.01101101.10001100D.10011110.11100011.01100100.0000110010.如果网络内部使用数据报，那么（D ）A.仅在建立时作一次路由选择B.为每个到来的分组作路由选择C.仅在网络拥塞时作新的路由选择D.不必作路由选择11.在OSI参考模型的各层次中，（C ）的数据传送单位是分组。
A.物理层B.数据链路层C.网络层D.运输层12.下述协议中，不建立于IP协议之上的协议是（A ）。
A.ARPB.ICMPC.SNMPD.TCP13.在OSI七层结构模型中，处于数据链路层与运输层之间的是( B )A.物理层B.网络层C.会话层D.表示层14.完成路径选择功能是在OSI模型的(C)A.物理层B.数据链路层C.网络层D.运输层15.一个IP报头的头长度字段为4位，当其值为0101（2进制）时以下说法正确的是（C ）A.此IP报数据部分长为32字节B.此IP报头部长为32字节并且带有12字节的任选项目C.此IP报头部长为20字节并且无任选项目D.此IP报头部长为20字节并且带有12字节的任选项目16.在给你的计算机设置IP地址的时候，以下哪个地址是可以使用的（ A ）A.202.197.95.4B.0.0.0.0C.127.0.0.1D.255.255.255.25517.使用ping 命令的–f参数是指不对数据包进行分段，这时下面哪种说法是正确的（ D ）A.TCP头中的SYN位被设置为1B.IP包头中的MF位被设置为1C.TCP头中的ACK位被设置为1D.IP包头中的DF位被设置为118.在下面的IP地址中属于C类地址的是( C )。
A.141.0.0.0B. 3.3.3.3C.197.234.111.123D.23.34.45.5619.IP地址由一组( C )的二进制数字组成。
A.8位B.16位C.32位D.64位20.某自治系统采用RIP协议，若该自治系统内的路由器R1收到其邻居路由器R2的距离矢量中包含的信息<net1，16>，则可能得出的结论是( D )A. R2可以经过R1到达net1，跳数为17B. R2可以到达net1，跳数为16C. R1可以经过R2到达net1，跳数为17D.R1不能经过R2到达net121.若路由器R因为拥塞丢弃IP分组，则此时R可向发出该IP分组的源主机的ICMP报文件的类型是(C )A. 路由重定向B. 目的不可达C. 源抑制D. 超时22.某网络的IP地址空间为192.168.5.0/24采用长子网划分，子网掩码为255.255.255.248，则该网络的最大子网个数、每个子网内的最大可分配地址个数为( A )A、32，8B、32，6C、8，32D、8，3023.下列网络设备中，能够抑制网络风暴的是（D ）I中断器II集线器III网桥IV路由器A、仅I和IIB、仅IIIC、仅III和IVD、仅IV25.某公司网络的地址是200.16.192.0/18，被划分成16个子网，下面的选项中不属于这16个子网的地址是__D_____。
A.200.16.236.0/22B.200.16.224.0/22C.200.16.208.0/22D.200.16.254.0/2226.Tracert命令通过多次向目标发送 B 来确定到达目标的路径，在连续发送的多个IP数据包中，字段都是不同的。
A.ICMP请求报文，目标地址B.ICMP请求报文，TTLC.ICMP回应报文，TTLD.ICMP回应报文，源地址27.在IP报头中设置“生命周期”域的目的是 C 。
A.提高数据报的转发速率B.提高数据报转发过程中的安全性C.防止数据报在网络中无休止的流动D.确保数据报可以正确分片28.关于数据报和虚电路，下面哪个说法是正确的 B 。
A.数据报提供的是面向连接的不可靠的服务B.虚电路提供的是面向连接的可靠的服务C.数据报提供的是无连接的可靠的服务D.虚电路提供的是无连接的不可靠的服务29.以下4个子网掩码， D 是推荐使用的。
A.176.0.0.0B.96.0.0.0C.127.192.0.0D.255.128.0.030.下列错误的说法是 B 。
A.IP协议提供了一个不可靠的、面向无连接的数据报传输服务B.ARP协议广泛用于有盘工作站获取IP地址C.RARP协议广泛用于无盘工作站获取IP地址D.ICMP协议通常用来提供报告差错、或提供有关意外情况31.假设一个IP主机地址为192.168.5.121而子网掩码为255.255.255.248，那么该主机的网络号为__D_____。
A.192.168.5.12B.192.169.5.121C.192.169.5.120D.192.168.5.12032.使用CIDR技术把4个C类网络192.24.12.0/24，192.24.13.0/24，192.24.14.0/24和192.24.15.0/24汇聚成一个超网，得到的地址是__B_____。
A.192.24.8.0/22B.192.24.12.0/22C.192.24.8.0/21D.192.24.12.0/2133.基于链路状态信息的路由协议是 B 。
A.RIPB.OSPFC.EGPD.BGP34.以下合法的C类地址是 C 。
A.120.106.1.1B.190.222.1.15C.202.205.18.1D.254.206.2.235.以下关于数据报服务的描述， B 是不正确的。
A.同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网B.在每次数据传输前必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接C.同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、丢失现象D.每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址36.在WINDOW2000中，查看高速cache中IP地址和MAC地址的映射表的命令是 A 。
A.arp -aB.tracertC.pingD.ipconfig37.给定一个子网掩码为255.255.255.248的C类网络，每个子网有 B 个主机。
A.4B.6C.8D.1638.在 OSI 参考模型中，IP协议的作用范围是 C 。
A.进程间的逻辑通信B.链路间的逻辑通信C.主机间的逻辑通信D.数据链路间的逻辑通信39.网络层是如何从源端向目的地端发送数据报的？__A_____。
A.使用IP路由表B.使用ARP响应C.查询名字服务器D.查询网桥40.在OSI的七层参考模型中，工作在第三层以上的网间连接设备是 B 。
A.集线器B.网关C.网桥D.中继器41.以下有效IP地址是 B 。
A.202.280.130.45B.130.192.33.45C.192.256.130.45D.280.192.33.4542.下述协议中，不建立于IP协议之上的协议是 A 。
A.ARPB.ICMPC.SNMPD.IGMP43.如果IP地址是139.56.97.235，子网掩码为255.255.240.0，那么网络地址是 B 。
A.139.56.97.0B.139.56.96.0C.139.56.0.0D.139.56.97.23544.IP数据报头中用于控制数据报分段和重组字段的是 C 。
A.标识字段、选项字段和片偏移字段B.选项字段、标志字段和片偏移字段C.标识字段、标志字段和片偏移字段.D.生命期字段、标志字段和片偏移字段45.以下无效IP地址是___D_____。
A.212.56.133.40B.130.192.33.45C.128.96.40.41D.130.265.33.4546.一台主机的IP地址是212.58.130.21，子网掩码是255.255.224.0，那么该主机所在网段的网络地址是___A_____A.212.58.128.0B.212.58.129.0C.212.58.130.0D.212.58.130.147.为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了ICMP。
ICMP的重要应用有___C____它使用的ICMP报文种类是_______。
A.ping, 时间超过差错报告报文B.tracert, 时间超过差错报告报文C.ping，回送请求与回答D.tracert, 终点不可达差错报告报文48.RIP是一种基于距离向量的路由选择协议，其中距离也称为跳数，它允许一条路径最多只能包含___A____个路由器。
A.15B.16C.17D.1849.当一个IP分组在两台主机间直接交换时，要求这两台主机具有相同的D 。
A.IP地址B.主机号C.物理地址D.网络地址二、填空题1、现在我们所使用的IP地址的版本是，共含有个字节。
下一代IP地址的版本是，共含有个字节。
2、以ISO的七层模型为基准，网桥工作在层，路由器工作在层。
3、OSPF是INTERNET上的主要内部网关协议，它的中文含义是。
4、在数据报服务中，网络节点要为每个分组选择路由，在虚电路服务中，网络节点只在建立连接时选择路由。