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[email protected] Computer Networks. 第四章 网络层 Teacher: Dr. 周 鹏. 本章内容. 4.1 网络层提供的两种服务 4.2 网际协议 IP 4.3 划分子网和构造超网 4.4 网际控制报文协议 ICMP 4.5 因特网的路由选择协议 4.6 IP 多播 4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT. 学习目的与要求. 了解:网络层与网络互联的基本概念。 掌握: 网络层的功能和提供服务 掌握: IP 协议的特点与基本内容。

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Presentation Transcript


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[email protected]

Computer Networks

第四章 网络层

Teacher: Dr. 周 鹏


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本章内容

4.1 网络层提供的两种服务

4.2 网际协议 IP

4.3 划分子网和构造超网

4.4 网际控制报文协议 ICMP

4.5 因特网的路由选择协议

4.6 IP 多播

4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT


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学习目的与要求

  • 了解:网络层与网络互联的基本概念。

  • 掌握:网络层的功能和提供服务

  • 掌握:IP协议的特点与基本内容。

  • 掌握:地址解析的基本概念与方法。

  • 掌握:IP地址及子网编址的基本方法。

  • 掌握:IP分组的转发与路由选择的概念。

  • 掌握:Internet路由选择协议的概念。

  • 掌握:路由器与三层交换的基本工作原理。

  • 了解:Internet控制报文协议(ICMP)


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4.5 因特网的路由选择协议

1. 理想的路由算法

  • 算法必须是正确的和完整的。

  • 算法在计算上应简单。

  • 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化,这就是说,要有自适应性。

  • 算法应具有稳定性。

  • 算法应是公平的。

  • 算法应是最佳的。


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关于“最佳路由”

  • 不存在一种绝对的最佳路由算法。

    • 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。

    • 实际的路由选择算法,应尽可能接近于理想的算法。

  • 路由选择是个非常复杂的问题

    • 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。

    • 路由选择的环境往往是不断变化的,而这种变化有时无法事先知道。


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路由算法的分类

按照路由算法的自适应性分为

  • 静态路由选择策略—小网络

    • 即非自适应路由选择,其特点是简单和开销较小,但不能及时适应网络状态的变化。

  • 动态路由选择策略—大网络

    • 即自适应路由选择,其特点是能较好地适应网络状态的变化,但实现起来较为复杂,开销也比较大。


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路由算法的分类

  • 那么我们的因特网应该采用的路由算法是?……

  • P145倒数第5段第一句。

    • 因特网采用自适应的、动态的、分层次的路由选择协议。


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因特网路由选择协议

  • 由于规模和隐私、保密的原因,因特网采用分层次的路由选择协议(当然,它首先是动态的、分布式的)。

  • 采用分层次路由选择协议的前提—划分自治系统(AS- Autonomous System)


As autonomous system

自治系统 AS(Autonomous System)

定义:

  • 在单一的技术管理下的一组路由器。

    • 这些路由器使用一种AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由,同时还使用一种AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS之间的路由。


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因特网分层次路由协议的分类

  • 1. 内部网关协议 IGP(Interior Gateway Protocol)

    • 在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多,如 RIP 和 OSPF 协议。

  • 2. 外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)

    • 若源站和目的站处在不同的自治系统中,当数据报传到一个自治系统的边界时,就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。


As igp egp

AS和IGP、EGP协议

自治系统 B

自治系统 A

用外部网关协议

(例如,BGP-4)

R1

R2

用内部网关协议

(例如,OSPF)

用内部网关协议

(例如,RIP)

自治系统之间的路由选择也叫做

域间路由选择(interdomain routing),

在自治系统内部的路由选择叫做

域内路由选择(intradomain routing)


Rip routing information protocol

内部网关协议 RIP(Routing Information Protocol)

1. 工作原理

  • RIP(路由信息协议 )是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。

  • RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。

  • RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。


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“距离”的定义

  • 从一个路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。

  • 从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。

  • RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count),每经过一个路由器,跳数就加 1。


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“距离”的定义 (续)

  • RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少,即“距离短”。

  • RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。

  • “距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见 RIP只适用于小型互联网。

  • RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 选择一个具有最少路由器的路由(即最短路由),哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。


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路由信息协议RIP小结

  • RIP是内部网关协议中一种分布式、基于距离向量的路由选择协议;

  • 路由器周期性地向外发送路由刷新报文,其他路由器在接收到某此报文后,按照最短路径原则对各自的路由表进行刷新;

  • 路由刷新报文主要内容是由若干(V,D,R)组成的表;

  • 矢量V标识该路由器可以到达的目的网络或目的主机,D表示该路由器到达目的网络或目的主机的跳步数,R表示下一跳路由器

  • 路由信息协议RIF适用于相对较小的自治系统,直径一般小于16跳。


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RIP 协议的优缺点

  • 优点

    • RIP 协议最大的优点就是实现简单,开销较小。

  • 缺点:

    • RIP 限制了网络的规模,它能使用的最大距离为 15(16 表示不可达)。

    • 路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表,因而随着网络规模的扩大,开销也就增加。


Ospf open shortest path first

内部网关协议 OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF 协议的基本特点(2个)

  • “开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制,即其规范是公开的,公布的OSPF规范是RFC1247。

  • OSPF基于SPF算法,该算法也称为Dijkstra算法 “最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF。

    • 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”。

    • OSPF是分布式的链路状态协议(不仅仅是RIP的距离向量)。


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三个要点(与RIP比较)

  • 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( RIP 仅向相邻路由器发送)。

  • 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),可以是时间、费用、带宽、距离等等。RIP发送的是到所有网络的距离和下一跳路由器。RIP的“距离”,以经过的路由器数来衡量。

  • 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(RIP每隔30秒定期交换)。


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OSPF 的区域

  • 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,叫作区域。

  • 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)。

  • 区域也不能太大,在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。


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自治系统 AS

OSPF 划分为两种不同的区域

至其他自治系统

主干区域 0.0.0.0

R1

R6

网6

R3

R7

R5

网1

R9

网7

网2

R4

R2

网8

网3

网 4

R8

网5

区域 0.0.0.1

区域 0.0.0.3

区域 0.0.0.2


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OSPF 的优点

  • 当互联网规模很大时,OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。

    • 一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态,而与整个互联网的规模并无直接关系。

    • So,OSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题,据统计,其响应网络变化的时间小于 100 ms。


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最短路径优先协议OSPF小结

  • 分布式的链路状态协议;

  • 路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻,以及链路状态(距离、时延、带宽等)信息;

  • 当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送;

  • 所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库;

  • 将一个自治系统再划分为若干个更小的区域,一个区域内的路由器数不超过200个。


4 5 4 bgp

4.5.4 外部网关协议 BGP

  • BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。

    • Border Gateway Protocol


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BGP 使用的环境与内部网关协议不同

  • 因特网的规模太大,使得自治系统之间路由选择非常困难。对于自治系统之间的路由选择,要寻找最佳路由是很不现实的。

  • 自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略。

    • 边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由(不能兜圈子),而并非要寻找一条最佳路由。


Bgp bgp speaker

BGP发言人(BGP speaker)

  • 每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“ BGP 发言人” 。

  • 一般说来,两个 BGP 发言人都是通过一个共享网络连接在一起的,而 BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器。


Bgp as

BGP 发言人和自治系统 AS 的关系

BGP

发言人

BGP

发言人

AS1

AS2

BGP 发言人

BGP 发言人

AS3

BGP 发言人

AS4

AS5


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BGP 协议的特点

  • BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级,这要比这些自治系统中的网络数少很多。

  • 每一个自治系统中 BGP 发言人(或边界路由器)的数目是很少的。这样就使得自治系统之间的路由选择不致过分复杂。


4 5 5

4.5.5 路由器在网际互连中的作用

  • 1. 概念

    • 路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机,其任务是转发分组。也就是说,将路由器某个输入端口收到的分组,按照分组要去的目的地(即目的网络),把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。


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2.典型的路由器的结构

路由选择处理机

3——网络层

2——数据链路层

1——物理层

路由选择协议

路由

选择

路由表

输入端口

输出端口

3

3

2

2

1

1

分组处理

分组

转发

转发表

输入端口

输出端口

交换结构

3

3

2

2

1

1


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“转发”和“路由选择”的区别

  • “转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。

  • “路由选择”(routing)则是按照分布式算法,根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况,动态地改变所选择的路由。

    • 路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。

    • 在讨论路由选择的原理时,往往不去区分转发表和路由表的区别。


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  • 路由器输入、输出端口对分组的处理过程


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输入端口对线路上收到的分组的处理

  • 数据链路层剥去帧首部和尾部后,将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。

输入端口的处理

网络层处理

分组排队

线

数据链路层

处理

物理层处理

查表和转发


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输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

  • 当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部,交给物理层后发送到外部线路。

输出端口的处理

线

网络层处理

分组排队

数据链路层

处理

物理层处理

缓存管理


4 6 ip

4.6 IP 多播(组播)

概念—

  • 多播:一个主机向特定的多个接收者发送消息的方法。

    • 在Internet上,多媒体业务诸如:流媒体,视频会议和AOD/VOD、网络视频会议、多媒体远程教育、“push”技术(如股票行情等)和虚拟现实游戏等方面等,正在成为信息传送的重要组成部分。

    • 点对点传输的单播方式不能适应这一类业务传输特性—单点发送多点接收。因为服务器必须为每一个接收者提供一个相同内容的IP报文拷贝,同时网络上也重复地传输相同内容的报文,占用了大量资源。


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单播与多播的区别


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  • IP多播(组播)IP多播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送,这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的IP地址标识。

    • 除了目的地址部分,多播报文与普通报文没有区别,网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。


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IP 多播的特点

  • 多播使用组地址—— IP 使用D 类地址支 持多播。多播地址只能用于目的地址,而不能用于源地址。

  • 动态的组成员

    • 主机有权选择加入或者退出某个主机组。


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多播使用组地址

  • 主机组地址也称为“多播地址”,或者D类地址。

    • D类地址:前缀1110。

      范围:224.0.0.0 — 239.255.255.255

    • 每个D类地址标识一组主机。

    • 向某个D类地址发送数据报,即被所有主机组成员接收。


4 6 3 igmp

4.6.3 网际组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议

1. IP多播需要两种协议

  • A.为了使路由器知道多播组成员的信息,需要利用网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol)。

  • B.多播路由选择协议。


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因特网组管理协议IGMP

IGMP:用于帮助多播路由器识别加入的组成员。

  • 有3个版本: IGMPv1(RFC1112)

    IGMPv2 (RFC2326)

    IGMPv3 (RFC3376)。

  • 主机向多播组的多播地址发送IGMP报文声明要成为该组成员,告知本地的组播路由器它想接收的组播流量的主机组地址。多播路由器收到“主机成员报告”消息后把该主机加入指定的主机组。


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多播小结

  • 多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组,而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。

    • 单播地址:一个网络接口的地址。送往一个单播地址的包将被传送至该地址标识的接口上。

    • 多播地址:一组接口(一般属于不同节点)的网络地址。送往一个组播地址的包将被传送至有该地址标识的所有接口上。

    • 广播地址:一个网段内的所有节点。送往一个广播地址的包将被送至网段内的所有节点(广播禁止在Internet宽带网上传输。 )。


4 7 vpn nat

4.7 VPN 和NAT

什么是VPN?

  • 概念:VPN(Virtual Private Network)是指在公用网络上建立专用网络的技术。

  • 目的:在公共网络上建立属于自己的安全的专用网络,用来传输内部信息。


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VPN 的特点

  • 没有专用物理链路,而是建立在公共网上的逻辑专用链路(隧道)。

    • 称为虚拟网主要是因为整个VPN网络的任意两个结点之间的连接并没有传统专网建设所需的点到点的物理链路,而是架构在公用网络服务商ISP所提供的网络平台之上的逻辑网络。

  • 通过逻辑隧道、加密、认证等技术实现点到点的数据传输的专有性。

    • 用户的数据是通过ISP在公共网络(Internet)中建立的逻辑隧道,即点到点的虚拟专线进行传输的。通过相应的加密和认证技术来保证用户内部网络数据在公网上安全传输,从而真正实现网络数据的专有性。


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VPN 的分类

  • 远程接入VPN

    • 远程接入VPN用于实现移动用户或远程办公室安全访问企业网络;

  • Intranet VPN

    • 用于组建跨地区的企业内部机构之间的互联网络;

  • Extranet VPN

    • 用于企业与客户、合作伙伴之间建立互联网络。


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VPN 的组建方式

  • 租用电信运营商的VPN服务

  • 自购VPN设备,在公网上建立VPN

    • 通过宽带网组建的VPN增值潜力大,除了用于数据业务,还可用于语音、视频通信业务,从而实现三网合一的需求

  • VPN设备

    • VPN交换机、VPN路由器、VPN集中器、VPN防火墙、VPN服务器(软件实现,搭配客户端拨号软件,使用免费号码)


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125.1.2.3

194.4.5.6

Y

X

10.2.0.3

10.1.0.1

125.1.2.3

194.4.5.6

R2

Y

R1

X

部门 B

部门 A

10.2.0.3

10.1.0.1

虚拟专用网 VPN

用隧道技术实现虚拟专用网

加密的从X到Y的内部数据报

源地址:125.1.2.3

目的地址:194.4.5.6

外部数据报的数据部分

数据报首部

隧道

部门 B

部门 A

R2

R1

因特网

使用隧道技术


4 7 2 nat network address translation

4.7.2 网络地址转换 NAT(Network Address Translation)

  • 网络地址转换 NAT 方法于1994年提出。

  • 需要在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件。装有 NAT 软件的路由器叫做 NAT路由器,它至少有一个有效的外部全球地址 IPG。

  • 所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在 NAT 路由器上将其本地地址转换成 IPG才能和因特网连接。


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本地专用地址 和全球地址

  • 本地专用地址—仅在机构内部使用的 IP 地址,可以由本机构自行分配,而不需要向因特网的管理机构申请。

  • 全球地址—全球唯一的IP地址,必须向因特网的管理机构申请。

  • 为什么要使用内部地址?

    • 分配方便

    • 节省有限的IP地址空间


Rfc 1918 private address

RFC 1918 指明的专用地址(private address)

  • 10.0.0.0到 10.255.255.255

  • 172.16.0.0到 172.31.255.255

  • 192.168.0.0到 192.168.255.255

    • 这些地址只能用于一个机构的内部通信,而不能用于和因特网上的主机通信。

    • 专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在因特网中的所有路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。


Nat ip

NAT的作用:解决IP地址耗尽问题

  • NAT:每台主机都有一个固定的IP地址用于表示自己在网络中的身份,但一个单位只能分配到一个或少量的公开IP地址,所以单位内部的主机通常都使用私有地址。当内部主机要访问Internet时必须进行“网络地址转换”,即把私有IP地址转换成公开IP地址。


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NAT工作原理


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本章小结

  • 网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互联等基本功能;

  • Internet的网络层采用IP协议。IP协议是一种不可靠、无连接的协议,它提供是一种 “尽力而为”的服务;

  • Internet将路由选择协议分为内部网关协议IGP与外部网关协议EGP;

  • 路由器在网络层实现多个网络互联,第三层交换机可以实现网络层数据分组的快速转发;


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思考

  • 某公司一共有四个部门,部门A有9台计算机,部门B有28台计算机,部门C有17台计算机、部门D有25台电脑,组成公司局域网,每个部门单独构成一个子网,该公司只分配有一个C类网络地址192.168.1.0

    • (1)规划写出各部门子网划分的IP地址分配方案。(包括子网地址、 IP地址范围和子网掩码 )

    • (2)如果各部门独立子网需要互相通信,可采用什么办法?请画出网络连接示意图。


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答案

  • 思路:可以用路由器 + 2层交换机或者3层交换机。

    • 部门IP地址范围 子网掩码 子网号

    • A 192.168.1-192.168.1.62 255.255.255.1920

    • B 192.168.1.65-192.168.1.126 同上 64

    • C192.168.1.129-192.168.1.190 同上 128

    • D 192.168.1.193.-192.168.1.254 同上 255


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作业

  • 4-19

  • 4-24、4-28、4-33

  • 4-35、4-37


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补充—09考研真题

33.在OSI参考模型中,自下而上第一个提供端到端服务的层次是( )

A)数据链路层 B)传输层 C)会话层 D)应用层

34.在无噪声情况下,若某通信链路的带宽为3KHz,采用4个相位,每个相位具有4中振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是( )

A)12kbps B)24kbps C)48kbps D)96kbps


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补充—09考研真题

35.数据链路层采用了后退N帧(GBN)协议,发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计时器超时时,若发送方只收到0、1、2、3号帧的确认,则发送方需要重发的帧数是( )

A)2 B)3 C)4 D)5

36.以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址是( )

A)目的物理地址 B) 目的IP地址

C)源物理地址 D)源IP地址


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补充—09考研真题

37.在一个采用CSMA/CD协议的网络中,传输介质为电缆,传输速率为1Gbps,信号传播速度为200000km/s。若最小数据帧长度减少800比特,则最远的两个站点之间的距离至少需要( )

A)增加160m B)增加80m C)减少160m D)减少80m

38.主机甲和主机乙间已建立一个TCP连接,主机甲向主机乙发送了两个连续的TCP段,分别包含300字节和500字节的有效载荷,第一个段的序列号是200,主机乙正确接收到两个段后,发给主机甲的确认号是( )

A)500 B)700 C)800 D)1000


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补充—09考研真题

39.一个TCP连接总是以1KB的最大段发送TCP段,发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为16KB时发生了超时,如果接下来的4个RTT时间内的TCP段的传输都是成功的,那么当第4个RTT时间内发送的所有TCP段都得到肯定应当时,拥塞窗口的大小是( )

A)7KB B)8KB C)9KB D)16KB

40.FTP客户和服务器之间传递FTP命令时,使用的连接是( )

A)建立在TCP之上的控制连接 B)建立在TCP之上的数据连接

C)建立在UDP之上的控制连接 D)建立在UDP之上的控制连接


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补充—09考研真题答案

33.B 34.B 35.C 36.A

37.D 38.D 39.C 40.A


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互联网

S1

202.102.224.1

局域网1

E1

R1

R2

S0

211.67.2.2

S0

211.67.2.1

域名服务器

211.67.3.2

E2

E1

211.67.3.1

局域网2

补充—09考研真题

  • 47.(9分)希赛公司网络拓扑图如下所示,路由器R1通过接口E1、E2分别连接局域网1、局域网2,通过接口S0连接路由器R2,并通过路由器R2连接域名服务器与互联网。R1的S0接口的IP地址是211.67.2.1;R2的S0接口的IP地址是211.67.2.2,S1接口的IP地址是202.102.224.1,E1接口的IP地址是211.67.3.1;域名服务器的IP地址是211.67.3.2。


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补充—09考研真题

R1和R2的路由表结构为:

(1)将IP地址空间211.67.1.0/24划分为2个子网,分别分配给局域网1、局域网2,每个局域网需分配的IP地址数不少于120个。请给出子网划分结果,说明理由或给出必要的计算过程。

(2)请给出R1的路由表,使其明确包括到局域网1的路由、局域网2的路由、域名服务器的主机路由和互联网的路由。

(3)请采用路由聚合技术,给出R2到局域网1和局域网2的路由。


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补充—09考研真题

(1)将IP地址空间211.67.1.0/24划分为2个子网,分别分配给局域网1、局域网2,每个局域网需分配的IP地址数不少于120个。请给出子网划分结果,说明理由或给出必要的计算过程。

211.67.1.0/24 2n =


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互联网

S1

202.102.224.1

局域网1

E1

R1

R2

S0

211.67.2.2

S0

211.67.2.1

域名服务器

211.67.3.2

E2

E1

211.67.3.1

局域网2

(2)请给出R1的路由表,使其明确包括到局域网1的路由、局域网2的路由、域名服务器的主机路由和互联网的路由。

(3)请采用路由聚合技术,给出R2到局域网1和局域网2的路由。


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