补充:
(1)互联网是什么?
(2)互联网
1)两个重要基本特点:连通性和资源共享
2)从互联网的工作方式上看,可以划分为两大块:
*边缘部分:由所有连接在互联网上的主机(又称为端系统)组成,由用户直接使用,用来进行通信和资源共享。
端系统的两种通信方式:客户、服务器方式(客户主动而服务器被动)和对等方式(每个主机可以是服务器也可以是客户)。
*核心部分:由大量网络和连接这些网络的路由器(其核心作用,是实现分组交换的关键)组成,为边缘部分提供服务(连通性)。
(3)计算机网络由什么组成?
由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成,而节点可以是计算机、集线器、交换机和路由器等。
(4)网络与互连网:
网络:把许多计算机连接在一起。
互连网:把许多网络通过一些路由器连接在一起。
注意:互联网和互连网可不一样哦
简单来说,两者都是由由众多计算机网络通过路由器连接而成,互联网是全球性的、开放的网络系统,而互连网是范围更大的计算机网络,因此两者的应用也有所不同。
互联网主要提供各种信息和服务,如电子邮件、文件传输、远程登录等。
互连网不仅在物理上连接在一起,还在逻辑上连接在一起,包括协议组的转换、数据包的封装等。
1、分组交换、电路交换、报文交换(互联网的核心部分采用的是分组交换技术):
(1)电路交换(专用通道,资源独占,稳定性,固定宽带):
1|每一部电话都直接连接到交换机上,而交换机使用交换的方法,让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
2|工作原理:建立连接(占用通信资源);通话(一直占用通信资源);释放连接(归还通信资源)。
3|比较简单,但线路的利用率低。
(2)分组交换(采用存储转发技术)(共享通道,灵活性,数据包传输,延迟,效率高):
1|分组交换以“分组”作为数据传输单元(各分组由首部和数据组成)(首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息)。
2|路由器(起核心作用,是实现分组交换的关键,把各网络连接起来),处理分组的过程:暂存收到的分组->检查分组首部->查找转发表->按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去。
3|工作原理:发送端依次把各分组发送到接收端,接收端收到分组后剥去首部,还原成原来的报文。
4|分组交换的优点
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5|分组交换的缺点:
排队延迟,不保证带宽(动态规划),增加开销。
(3)报文交换(基于存储转发原理)
1|时延较长
*三种交换方式的比较:
1|连续传送大量的数据,且其传送时间远大于连接建立时间,则电路交换的传输速率较快。
2|报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽,在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
3|由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度,因此分组交换比报文交换的时延小,同时也具有更好的灵活性。
2、计算机网络的分类方法
(1)按照网络的作用范围进行分类;
1.1、局域网常用的拓扑结构的特点
*局域网的主要特点:为一个单位所有,地理范围和站点数目有限
*星形网络拓扑结构
1)网络结构简单,便于管理(集中式);
2)线路利用率低;
3)处理机负载重(需处理所有的服务),因为任何两台入网机之间交换信息,都必须通过中心处理机;
4)入网主机故障不影响整个网络的正常工作,中心处理机的故障将导致网络的瘫痪。
*总线形网络拓扑结构:易于实现广播通信,简单,可靠
1)多台机器共用一条传输信道,信道利用率较高;
2)同一时刻只能由两台计算机通信;
3)某个结点的故障不影响网络的工作;
4)网络的延伸距离有限,结点数有限。
*环形网络拓扑结构
(入网设备通过转发器接入网络,每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路)
1)实时性较好(信息在网中传输的最大时间固定);
2)每个结点只与相邻两个结点有物理链路;
3)传输控制机制比较简单;
4)某个结点的故障将导致物理瘫痪;
5)单个环网的结点数有限。
*网状网络拓扑结构
1)高可靠性
2)高冗余性:网状结构提供了多条数据传输路径,减少了单点故障的风险。
3)扩展性强:可以轻松添加新节点,而无需对现有网络进行大规模修改。
4)复杂的管理和维护
5)高带宽利用率:多条路径可以同时传输数据,提高了网络的带宽利用率。
1.2、局域网的共享带宽和独享带宽
*共享带宽
特点:
1)资源共享:多个设备共享同一条带宽资源,所有设备的数据传输都使用同一条通信通道。
2)竞争访问:设备之间需要竞争带宽资源,可能会导致网络拥塞和延迟。
3)成本较低:共享带宽的设备和布线成本较低。
4)适用场景:适用于小型网络或对带宽需求不高的应用,如家庭网络或小型办公室。
例子:
集线器(Hub):集线器是一种典型的共享带宽设备,所有连接到集线器的设备共享同一条带宽资源。
*独享带宽
特点:
1)专用资源:每个设备都有独立的带宽资源,不需要与其他设备共享。
2)高性能:由于没有带宽竞争,数据传输速度更快,延迟更低,适合高带宽需求的应用。
3)成本较高:独享带宽的设备和布线成本较高,适用于对性能要求较高的网络部署。
4)适用场景:适用于大型企业网络、数据中心或需要高带宽和低延迟的应用,如视频会议和在线游戏。
例子:
交换机(Switch):交换机是一种典型的独享带宽设备,每个端口都有独立的带宽资源,设备之间的数据传输不会相互影响。
(2)按照网络的使用者进行分类;
(3)用来把用户接入到互联网的网络:
1|接入网 AN (Access Network)
又称为本地接入网或居民接入网。
用于将用户接入互联网。
3、时延的计算(传播时延、发送时延、处理时延、排队时延相关)
1|指的是数据从网络的一端传送到另外一端所需的时间,也称延迟或迟延
补充:
2|发送时延(也称传输时延)
注意:对于高速网络链路,我们提高的仅仅是数据的发送速率,而不是比特在链路上的传播速率。
3|传播时延(信道中传播一定的距离需要花费的时间)
注意:发送时延是发生在机器内部的发送器中,与传输信道的长度无关。
4|处理时延
主机或路由器在收到分组时,为处理分组(例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由)所花费的时间。
5|排队时延
分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。
6|总时延
注意:必须指出,在总时延中,究竟是哪一种时延占主导地位,必须具体分析。
7|时延带宽积:
4、网络协议(两种形式:文字描述和程序代码)三要素:语法、语义、同步
5、五层协议的体系结构,TCP/IP四层体系结构,OSI七层体系结构
(1)OSI参考模型各层的传输的数据单元
物理层:比特(bit)
注意:1B(字节)=8bit,1KB=1024b,后面1MB,1GB,1TB以此类推
数据链路层:帧
网络层:分组
传输层:段或数据报
会话层:数据
表示层:数据
应用层:数据
(3)各层对应的主要协议及对应的主要硬件设备(路由器、交换机、网桥、传输介质等),以及各协议的主要功能(MAC、IP、ICMP、ARP、TCP、UDP、HTTP、DNS、SMTP、POP3、WWW、URL、FTP、TELNET等);
(2)应用层(DNS,HTTP,SMTP)
1|通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
2|万维网应用层WWW协议的作用
*WWW协议,即万维网协议(World Wide Web Protocol),是用于在互联网上传输和显示网页的标准协议。
HTTP :用于在Web服务器和Web浏览器之间传递超文本数据。
HTML:用于描述Web页面的语言。
URL:用于描述Web资源的地址。
各层URL的组成:URL是一种资源的在网络上的地址,包括以下几个部分:
协议:指示使用何种协议(如HTTP、HTTPS等)访问资源。
主机名:指示资源所在的服务器的主机名或IP地址。
端口号:指示访问资源所需的端口号(如果不指定,则默认为80)。
路径:指示资源的位置。
注意:Web上每一个页面都有一个标识符,这种标识符统称为URL。
HTTPS:基于HTTP的加密版本,用于保护网络数据的安全性。
FTP:用于在两台计算机之间传递文件。
SMTP:用于在计算机之间传递电子邮件。
DNS:用于将域名映射到IP地址。
3|DNS的递归和迭代查询
*递归:客户端只发一次请求,要求对方给出最终结果
在递归查询中,客户端(如浏览器)向本地DNS服务器发送查询请求。
如果本地DNS服务器没有所需的记录,它会代表客户端继续查询其他DNS服务器,直到找到所需的记录或返回错误。
也就是说,本地DNS服务器会向根DNS服务器、顶级域DNS服务器、权威DNS服务器等逐级查询,直到获得最终结果。
最后,本地DNS服务器将结果返回给客户端。
*迭代:客户端发出一次请求,对方如果没有授权回答,它就会返回一个能解答这个查询的其它名称服务器列表,
客户端会再向返回的列表中发出请求,直到找到最终负责所查域名的名称服务器,从它得到最终结果。
在迭代查询中,客户端向本地DNS服务器发送查询请求。
也就是说,如果本地DNS服务器没有所需的记录,它会返回一个指向其他DNS服务器的参考信息,而不是继续查询。
客户端根据参考信息向下一个DNS服务器发送查询请求,重复这一过程,直到找到所需的记录或返回错误。
每次查询都是由客户端发起的,DNS服务器只提供参考信息。
注意:可以用数据结构中的循环语句和递归理解
(3)运输层(TCP:传输控制协议;UDP:用户数据报协议)
3.1 TCP的重传和确认机制
1)超时重传:
发送端在发送数据包后启动定时器,如果在指定时间内未收到接收端的确认(ACK),则重新发送数据包。
超时重传时间(RTO)通常略大于数据包的往返时间(RTT)。
2)快速重传:
发送端连续收到三个相同的ACK消息时,立即重传丢失的数据包,而不必等待超时定时器触发。
3)选择性确认(SACK):
接收端通知发送端哪些数据包已成功接收,哪些数据包丢失。发送端只需重传丢失的数据包。
4)重复SACK(D-SACK):
接收端通知发送端哪些数据包被重复接收,帮助发送端调整重传策略,避免不必要的重传。
(4)网络层(也叫网际层或IP层)
1|无连接的网际协议 IP (Internet Protocol) 和许多种路由选择协议
2|网际协议IP
(地址解析协议 ARP 网际控制报文协议 ICMP 网际组管理协议 IGMP)
1)ARP(高速缓存)协议
作用:是用来将一个IP地址解析为对应的物理地址。
原理(网络中的工作流程):
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ARP请求:
一台主机需要与另外一台主机通信时,先检查ARP缓存中是否已有目标IP地址对应的MAC地址
如果已经有了,就可以直接通信了,如果没有,则向目标地址发送ARP请求包,包含发送者的IP和MAC
ARP响应:
网络中的所有主机都会接收到ARP请求包,但只有目标主机会响应。
目标主机接收到ARP请求后,会发送一个ARP响应包,包含目标主机的IP地址和MAC地址。
更新ARP缓存,以便下一次可直接使用
开始通信:
ARP缓存中有了目标主机的MAC地址,发送主机就可以使用这个MAC地址将数据帧发送到目标主机。
2)*IP地址
分为网络地址和主机地址两部分,会使用子网掩码计算网络地址,能判断IP地址是否属于同一网段,能判断IP地址是否合法,能判断可用的IP地址和不可用的IP地址、判断A、B、C类IP地址
1)IPv4地址:32位二进制代码,8位一组,IPv6地址:128位二进制代码
2)IP地址在整个互联网范围内是唯一的,IP地址指明了连接到某个网络上的一个主机
3)子网掩码:32位
目的:让机器从 IP 地址迅速算出网络地址。
由一连串 1 和接着的一连串 0 组成,而 1 的个数就是网络前缀的长度。
例题:
/20 地址块的地址掩码:11111111 11111111 11110000 00000000
点分十进制记法:255.255.240.0
CIDR 记法:255.255.240.0/20。
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4)网络地址:网络地址 = (二进制的 IP 地址) AND (地址掩码):同1取1,不同取0
例题:
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*判断有类的IP地址(A、B、C类)。
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注意:8位为1字节
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3)*CIDR(无分类域间路由选择)的作用,超网和子网等。
1)CIDR的作用:
可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间,但无法解决 IP 地址枯竭的问题。
与前者的区别就是,n可以是0-32之间的任意值
2)CIDR要点:网络前缀,地址块,地址掩码(也称:子网掩码)
3)构造超网:CIDR编址
注意:MAC地址是数据链路层使用的地址,而IP地址是网络层及以上使用的地址
4)掌握IP划分子网的方法(平均划分子网和可变长子网掩码VLSM两种都必须掌握)
4.1每个子网段的子网掩码的确定和作用
4.2网络号和主机号的计算(通过子网掩码)
4.3每个子网可用主机数目、子网地址块、子网可分配给主机使用的最小地址和最大地址的计算方法
4.4各网段的广播地址,各网段的网关配置。
(5)数据链路层
1|协议数据单元:帧
2|三个基本问题:封装成帧,透明传输,差错检测
3|差错检测:
1)计算误码率(BER)= 传输错误的比特/传输比特总数
2)CRC(循环冗余检测)的计算,CRC的工作原理,掌握CRC的生成多项式
*工作原理:
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*CRC冗余码的计算:
这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列 FCS
例题:
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X最高次方为n,就在发送的数据后面添加几个0做被除数
生成的多项式转换成2进制编码做除数
被除数/除数得到的余数为校验序列FCS(帧检测序列)/CRC码
最终校验数据:原发送数据+余数
注意:FCS通常使用CRC算法来生成校验码,用于检测数据传输中的错误。
*循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
*CRC 是一种常用的检错方法,而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
*FCS 可以用 CRC 这种方法得出,但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。
5|主要协议:
*PPP协议(点对点协议)
功能:提供点对点连接的帧传输,支持多种网络层协议,提供认证、加密和压缩功能。
*Ethernet(以太网,IEEE 802.3)
功能:提供有线局域网的帧传输,定义了帧格式、地址解析和介质访问控制
*Wi-Fi(无线局域网,IEEE 802.11)
功能:提供无线局域网的帧传输,定义了无线信号的频率、调制方式和介质
*高级数据链路控制(HDLC)
功能:提供可靠的帧传输,支持全双工通信和错误检测。
6|主要硬件设备:(物理层有写)
*路由器
*交换机
*网桥
*传输介质
功能:物理层和数据链路层的核心部分,负责实际的数据传输。包括有线介质(如双绞线、同轴电缆、光纤)和无线介质(如无线电波、微波)。
3)CSMA/CD协议:
CSMA/CD是以太网网络中使用的一种媒体访问控制协议,它允许多个设备共享一个通信信道,并有助于防止网络拥塞。
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*要点:多点接入,载波监听,碰撞检测。
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*工作流程
总线缺点:多个站点同时发送时,会产生发送碰撞或冲突,导致发送失败。
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4)以太网协议中分析MTU与误码率、丢包率之间的关系
(1)MTU(最大传输单元)是指网络能够传输的最大数据包大小。
(2)误码率:误码率是指在传输过程中发生错误的比率,MTU越大,误码率越高。
(3)丢包率:丢包率是指在传输过程中丢失数据包的比率,MTU越大,丢包率一般也会越大。
5)在CSMA/CD网络中计算最短帧长。
例题一、假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传输速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。
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单位换算:
1s = 103ms = 106us = 109ns
1Gb = 103Mb = 106Kb = 109 b
注意:这里和字节单位换算不同
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6)交换机MAC学习过程以及包转发过程
在数据链路层扩展以太网:
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(5)物理层:连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
1|主要协议
以太网(IEEE 802.3):
功能:定义了有线局域网(LAN)的物理层和数据链路层规范,包括电缆类型、信号编码和传输速率。
提供可靠的有线数据传输,支持高速和稳定的网络连接。
无线局域网(IEEE 802.11):
功能:定义了无线局域网的物理层和数据链路层规范,包括无线信号的频率、调制方式和传输速率。
同步光纤网络/同步数字体系(SONET/SDH):
功能:定义了光纤通信的物理层规范,支持高带宽和长距离传输。
数字用户线路(DSL):
功能:定义了通过电话线传输数据的物理层规范,支持高速互联网接入。
2|主要硬件设备
*路由器:
功能:在不同网络之间分组转发数据包,通常工作在网络层,但也涉及物理层的接口和传输。
*交换机:
功能:在同一网络内转发数据包,主要工作在数据链路层,但也涉及物理层的接口和传输。
*网桥:
功能:连接两个或多个网络段,主要工作在数据链路层,但也涉及物理层的接口和传输。
*传输介质:
功能:物理层的核心部分,负责实际的数据传输。包括有线介质(如双绞线、同轴电缆、光纤)和无线介质(如无线电波、微波)。
*集线器:
功能:把输入端的数据包简单地放到输出端并进行广播,使得所有接入网络的设备都能收到数据。
3|各协议的主要功能
以太网(IEEE 802.3):提供可靠的有线数据传输,支持高速和稳定的网络连接。
无线局域网(IEEE 802.11):提供灵活的无线数据传输,支持移动设备的网络连接。
同步光纤网络(SONET/SDH):提供高带宽和长距离的数据传输,适用于电信和骨干网。
数字用户线路(DSL):提供通过电话线的高速互联网接入,适用于家庭和小型企业。
4|信道:一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体
5|码元(码元传输的速率越高....在接收端的波形的失真就越严重)(代表不同离散数值的基本波形)
使用二进制编码时,只有两种不同的码元:0,1
6|限制码元在信道上的传输速率的两个因素:
信道能够通过的频率范围。
信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比(记作S/N)
1)根据香农公式计算信道的信噪比S/N、传输速率。根据奈氏准则的计算。
1|提高信息的传输速率的方法
用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
7|物理层下面的传输媒体:
引导型传输媒体:
双绞线(绞合度越高,可用的数据传输率越高)
同轴电缆(具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据)
光纤(发送端,有光源;接收端,有光检测器)
补充:
- 复用(包括:频分复用,时分复用,统计时分复用,波分复用,码分复用):允许用户使用一个共享信道进行通信。
- 频分复用(FDM):将整个带宽分成多个频带。
- 时分复用(TDM):将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。
- 统计时分复用(STDM):与时分复用区别,STDM 帧不是固定分配时隙,而是按需动态地分配时隙,因此可以提高线路的利用率。
- 波分复用(WDM):光的频分复用,使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
- 码分复用(CDM):同样的时间用同样的频带进行通信,使用经过特殊挑选的不同码型,因此不会造成干扰。
- 码分多址:码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时,就称为码分多址 CDMA。
- CDMA工作原理
6、NAT的作用、有哪些私有地址段。
1)NAT(网络地址转换)的主要作用是将私有IP地址转换为公共IP地址,从而实现内网设备与外网的通信。
2)常见的私有地址段包括:
10.0.0.0 - 10.255.255.255(10.0.0.0/8)
172.16.0.0 - 172.31.255.255(172.16.0.0/12)
192.168.0.0 - 192.168.255.255(192.168.0.0/16)
7、单工、半双工、全双工
单工通信(Simplex):单工通信只支持数据在一个方向上传输,常见于物理层。例如,计算机和打印机之间的通信就是单工模式,因为数据只从计算机传输到打印机。
半双工通信(Half-Duplex):半双工通信允许数据在两个方向上传输,但不能同时进行。它也主要在物理层实现。例如,对讲机的通信方式就是半双工,因为在一个时间点上只能有一方讲话。
全双工通信(Full-Duplex):全双工通信允许数据同时在两个方向上传输,通常在数据链路层实现。例如,电话通信就是全双工模式,因为双方可以同时讲话和听到对方的声音。
8、协议中哪些协议是面向连接的可靠通信,哪些协议是面向无连接的不可靠通信。
1)面向连接的可靠通信协议
TCP(传输控制协议)(传输层):TCP是面向连接的协议,提供可靠的数据传输。它通过建立连接、确认数据包、重传丢失的数据包等机制,确保数据的完整性和顺序性。
SCTP(流控制传输协议)(传输层):SCTP也是面向连接的协议,提供多流传输和可靠的数据传输,常用于电信和VoIP应用。
2)面向无连接的不可靠通信协议
UDP(用户数据报协议)(传输层):UDP是面向无连接的协议,不提供可靠的数据传输。它不保证数据包的顺序和完整性,适用于需要快速传输且对丢包不敏感的应用,如视频流和在线游戏。
ICMP(互联网控制消息协议)(网络层):ICMP也是面向无连接的协议,主要用于网络设备之间的诊断和错误报告,如ping命令。
9、滑动窗口的工作机制,序号和确认号的作用及应用。
1)滑动窗口机制是TCP(传输控制协议)中用于流量控制和可靠传输的重要机制。
滑动窗口机制允许发送方在等待确认之前发送多个数据包,从而提高传输效率。窗口大小决定了发送方可以连续发送的数据包数量,而无需等待接收方的确认。
2)序号(Sequence Number):
序号用于标识每个数据包的顺序。发送方为每个数据包分配一个唯一的序号,接收方根据序号重组数据包,确保数据按正确顺序到达。
序号还用于检测丢失的数据包。如果接收方发现序号不连续,就会请求发送方重传丢失的数据包。
3)确认号(Acknowledgment Number):
确认号用于确认接收到的数据包。接收方在收到数据包后,会发送一个包含确认号的ACK消息,告知发送方已成功接收的数据包。
10、拥塞避免算法中拥塞窗口的计算(慢开始、拥塞避免、ssthresh值、快重传、快恢复等),能说明拥塞控制窗口变化的原因。
11、能根据路由器建立的路由表,对收到的分组的目的地址分析计算后得到下一跳 。
12、根据UDP协议的首部格式来分析首部具体数据的意义,熟练UDP首部的四个字段。
UDP首部字段:源端口,目标端口,长度,检验和
13、网络设备配置:
(进入全局配置模式,包括设备重命名,创建VLAN,VLAN命名,配置trunk,接口划分VLAN,进入接口配置模式,启用接口,子接口创建配置,封装dot1Q协议,RIP协议配置,接口配置IP地址、DHCP地址池、默认网关配置等),参考实验指导书的各个实验配置及配置命令
14、MAC地址(物理地址)与IP地址及寻址原理。
(1)
(2)MAC
寻址原理:在局域网中,交换机根据MAC地址表将数据帧转发到正确的端口。每个数据帧包含源MAC地址和目标MAC地址,交换机通过查找目标MAC地址,将数据帧发送到对应的设备。
(3)IP地址
寻址原理:路由器根据IP地址进行数据包的转发。每个数据包包含源IP地址和目标IP地址,路由器通过查找路由表,将数据包转发到下一个合适的路由器或最终目标设备。
16、IP数据报的分片计算
首部的前一部分是固定长度,共 20 字节,是所有IP数据报必须具有的。
17、集线器、交换机和路由器的工作原理和区别
*集线器:通过把输入端的数据包简单地放到输出端并进行广播,使得所有接入网络的设备都能收到数据。
*交换机:通过学习源地址的方法,把数据包传送到目的地址。交换机的每个端口独立工作,可以独立地将数据包转发到目的地址
*路由器:通过使用路由表和协议,对数据包进行路径规划和转发。路由器可以根据目的地址选择最优路径,使数据包到达目的地址的速度更快。
区别:
*集线器:
在物理层工作
仅进行简单的比特转发,不进行碰撞检测
*交换机:
在数据链路层工作
可以学习源地址并将数据包传送到目的地址
不能根据目的地址选择最优路径。
*路由器:
网络层工作
题目:
IPv6地址的规范书写
标准表示法:IPv6地址由8组16位的十六进制数表示,每组之间用冒号(:)分隔。例如:2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
简化表示法:可以省略每组前导的零。例如:2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334。
双冒号表示法:连续的零组可以用双冒号(::)表示,但一个地址中只能出现一次。例如:2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。