一、IP地址

1.1 什么是IP?

IP地址是互联网协议(Internet Protocol)中用于唯一标识计算机或其他网络设备的一组数字,它是由32位或128位二进制数组成的,用于在网络上定位和交换数据包

1.2 IP地址的作用

网络层的作用主要是通过IP地址帮我们进行逻辑寻址

1.3 IP地址的组成

ip地址是由“网络号”和“主机号”组成

192.168.1.1/24,那么他的网络号是:192.168.1.0,主机号是:0.0.0.1

1.4 IP地址的分类

根据不同的取值范围,IP地址可以分为五类;IP地址中的前5位用于标识IP地址的类别:

A类地址的第一位为0;
B类地址的前两位为10; 
C类地址的前三位为110;
D类地址的前四位为1110;
E类地址的前五位为11110;

image20210715092912456.png

私有地址,其地址范围如下:

A类地址:10.0.0.0~10.255.255.255 
B类地址:172.16.0.0~172.31.255.255 
C类地址:192.168.0.0~192.168.255.255
回环地址:127.0.0.1。 也是本机地址,等效于localhost或本机IP。一般用于测试使用。例如:ping 127.0.0.1来测试本机TCP/IP是否正常。

127.0.0.1 通常情况下和 localhost 是一样的
在连接MySQL时意思不一样
	127.0.0.1
	socket:127.0.0.1:3306
	
	localhost:共享内存
	
	数据库授权远程连接:
		grant all privilegs on db.* to root@'localhost' identified by '123456'
		grant all privilegs on db.* to root@'127.0.0.1' identified by '123456'

二、子网掩码

2.1 子网掩码的概念

子网掩码是一个应用于TCP/IP网络的32位二进制值,每节8位,必须结合IP地址对应使用。 (常见的 255.255.255.0 等)

子网掩码32位都与IP地址32位对应,如果某位是网络地址,则子网掩码为1,否则为0。 (11111111.11111111.11111111.0)

子网掩码可以通过与IP地址 “与”计算,分离出IP地址中的网络地址和主机地址,用于判断该IP地址是在局域网上,还是在广域网上。

子网掩码一般用于将网络进一步划分为若干子网,以避免主机过多而拥堵或过少而IP浪费

子网掩码的作用是用于区分IP地址属于那个具体的子网,以便于管理员进行IP地址的合理划分,比如

2.2 子网掩码划分的原则

1)子网掩码必须要和IP地址同时出现,否则没有意义

2)和子网掩码1对应的IP地址,代表网络地址,和子网掩码0对应的代表主机地址

3)子网中只要1是连续的,就代表是合理的子网掩码

2.3 默认子网掩码

192.168.1.1/24,这个地址就表示是一个C类的地址

172.17.1.1/16,这就表示是一个B类地址

10.1.1.1/8,这就表示是一个A类地址

2.4 为什么需要子网掩码

因为两台计算机要通讯,首先要判断是否处于同一个广播域内,即网络地址是否相同。如果网络地址相同,表明接受方在本网络上,那么可以把数据包直接发送到目标主机,否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。比如:

我们本机ip与子网掩码计算出一个网络地址为 192.168.1.0

另一个ip地址与子网掩码计算出一个网络地址为 192.168.1.0

如果两者的网络地址相等,就代表是在同一个子网中,那么这两个主机可以ping通,反之就需要借助路由器的功能来实现联通。

192.168.1.1/24和192.168.1.1/23位的IP地址属于同一个子网吗?是否可以正常进行通信呢?

经过计算:

192.168.1.1/24,网络号是192.168.1.0
192.168.1.1/23,网络号是192.168.0.0

很明显他们处于不同的子网中,因此是不能直接进行通讯的,那为什么会导致这个问题呢,接下来我们一起看看计算方式

第一步:将192.168.1.1,使用二进制的方式来表示,那就是:
11000000 10101000 00000001 00000001

第二步:将子网掩码使用二进制来表示,那就是:
/24表示:11111111 11111111 11111111 00000000
/23表示:11111111 11111111 11111110 00000000

第三步:将IP地址的二进制和子网掩码的二进制进行“与运算”
192.168.1.1/24:
   11000000 10101000 00000001 00000001
   11111111 11111111 11111111 00000000
   -----------------------------------
   11000000 10101000 00000001 00000000
      192      168     1        0
---   
192.168.1.1/23
   11000000 10101000 00000001 00000001
   11111111 11111111 11111110 00000000
   -----------------------------------
   11000000 10101000 00000000 00000000
      192     168      0        0      

"与运算"的原则是,只有1与1相乘结果才为1,1与任何非1相乘的结果都是0,0与任何相乘结果都是0。通过上面的例子我们看到子网掩码也不在是我们常见的/24,/16,/8,而是其他的长度的掩码,我们把这种子网掩码叫做“可变的子网掩码–VLSM”

2.5 VLSM

顾名思义,VLSM的子网掩码是可以变化的,不在局限于/8, /16,/24这种默认的格式了,可以根据自己的需求来合理来划分子网掩码其实际是网络位向主机位“借位”,比如/25,表示网络位是25位,主机位是7位,以此类推,比如

例如:192.168.1.1/25

11000000  10101000   00000001  00000001    192.168.1.1

11111111  11111111   11111111  00000000    255.255.255.0

11111111  11111111   11111111  10000000    255.255.255.128  #向主机位借1位

在实际生产的活动中,192.168.1.1/24,表示是一个整C的地址,就代表了254的IP地址,也就是说这个IP地址段可以容纳254个主机,但是生产部门的主机总共才20台,那直接分配一个C类的地址就有一些浪费了,这个时候我们就可以利用到VLSM的技术,将子网进行更加细致的划分.

1)、先计算下20个主机需要借几个主机位

2的5次方式32台,可用的主机数32-2=30,这个正好可以满足20台主机的需求,如果是2的4次方就是16台-2台(全0和全1)=14,就不满足20台的需求,那就是说需要向主机位借3位

2)、那计算下来就是

网络号:  192.168.1.0

子网掩码:255.255.255.224

可用IP:2的5次方-2=30

第一个IP地址:192.168.1.1

最后一个IP地址:192.168.1.30

广播地址:192.168.1.31
192.168.1.1转成2进制如下:

192   =1    1   0   0   0    0   0    0

168   =1    0   1   0   1    0   0    0

1     =0    0   0   0   0    0   0    1

1     =0    0   0   0   0    0   0    1

/24代表掩码是24位的,那转换成2进制的

255.255.255.0转成2进制如下:

255=1  1  1  1  1  1  1  1

255=1  1  1  1  1  1  1  1

255=1  1  1  1  1  1  1  1

0=  0  0  0  0  0  0  0  0 

将IP地址和掩码相乘:原则1x1=1,其他任何组合都是0

IP地址:11000000 10101000 00000001 00000001

掩码位:11111111 11111111 11111111 00000000
掩码位:11111111 11111111 11111110 00000000
192.168.0.254
192.168.1.254
网络位:11000000 10101000 00000001 00000000

第一个主机:11000000 10101000 00000001 00000001=192.168.1.1

最后一个主机:11000000 10101000 00000001 00000001=192.168.1.254

广播位:11000000 10101000 00000001 11111111=192.168.1.255

能容纳的主机数:主机位的2的n次方-2=32-24=8位的主机位,2的8次方=256-2=254

2.6 网关

routr add -net 192.168.0.1/24 gw 192.168.10.1
				网段					网关
所有从这个网段访问出去的都要经过该网关

网关是 电信中使用的网络节点,它将具有不同传输协议的两个网络连接在一起。网关充当网络的入口和出口点,因为所有数据在路由之前必须经过网关或与网关通信。在大多数基于IP的网络中,唯一不通过至少一个网关的流量是在同一局域网(LAN)段上的节点之间流动的流量。术语默认网关或网络网关也可用于描述相同的概念。

三、传输层网络协议

3.1 传输层协议类型

传输层协议有两种主要类型:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。

TCP是一种面向连接的、可靠的协议。它通过三次握手建立连接,确保数据传输的可靠性和完整性,并且可以实现流量控制和拥塞控制。TCP常用于传输重要数据,如电子邮件、文件传输等。

UDP是一种面向无连接的协议,它不保证数据的可靠传输。UDP发送数据时不进行握手,也不保证数据到达目的地。UDP具有较低的延迟和较高的吞吐量,适用于一些实时性要求较高的应用,如视频、音频、游戏等。

3.2 TCP与UDP的区别

1、TCP基于连接,而UDP基于无连接的; 

2、对系统资源的要求:TCP较多(TCP有20个字节信息包),UDP少(UDP信息包只有8个字节); 

3、UDP程序结构较简单; 

4、TCP是字节流模式,而UDP是数据报文模式 ;

5、TCP保证数据正确性,安全可靠,并且保证数据顺序,而UDP可能丢包,而且UDP不保证数据顺序。

3.3 TCP/IP三次握手和4次挥手

3.3.1 三次握手
				三次握手

1、客户端向服务器发起一个TCP的连接(sync=1,seq=j)

2、服务器确认客户端发送过来的TCP的连接(ACK=j+1,sync=1,seq=i)

3、客户端确认服务器发送过来的TCP的连接(ACK=i+1)



				四次挥手

  1、客户端主动向服务器发送断开请求(FIN=M)

  2、服务器确认客户端发送过来的断开请求(ACK=M+1)

  3、服务器向客户端发送确认断开连接的请求(FIN=N)

  4、客户端确认服务器发送过来的连接断开请求(ACK=N+1)

​ TCP 提供面向有连接的通信传输,面向有连接是指在传送数据之前必须先建立连接,数据传送完成后要释放连接。

无论哪一方向另一方发送数据之前,都必须先在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,连接是通过三次握手进行初始化的。同时由于TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议,TCP是全双工模式,所以需要四次挥手关闭连接。

​ 所谓三次握手(Three-way Handshake),是指建立一个 TCP 连接时,需要客户端和服务器总共发送3个报文。

三次握手的目的是连接服务器指定端口,建立 TCP 连接,并同步连接双方的序列号和确认号,交换 TCP 窗口大小信息。在 socket 编程中,客户端执行 connect() 时。将触发三次握手。

三次握手过程的示意图如下:

image-20210715113358702

第一次握手:
  客户端将TCP报文标志位SYN置为1,随机产生一个序号值seq=J,保存在TCP首部的序列号(Sequence Number)字段里,指明客户端打算连接的服务器的端口,并将该数据包发送给服务器端,发送完毕后,客户端进入`SYN_SENT`状态,等待服务器端确认。
  
第二次握手:
  服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接,服务器端将TCP报文标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个序号值seq=K,并将该数据包发送给客户端以确认连接请求,服务器端进入`SYN_RCVD`状态。
  
第三次握手:
  客户端收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给服务器端,服务器端检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,客户端和服务器端进入`ESTABLISHED`状态,完成三次握手,随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

注意:我们上面写的ack和ACK,不是同一个概念:

小写的ack代表的是头部的确认号Acknowledge number, 缩写ack,是对上一个包的序号进行确认的号,ack=seq+1。

大写的ACK,则是我们上面说的TCP首部的标志位,用于标志的TCP包是否对上一个包进行了确认操作,如果确认了,则把ACK标志位设置成1。
3.3.2 四次挥手

四次挥手即终止TCP连接,就是指断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中,这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。 由于TCP连接是全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭。

四次挥手过程的示意图如下

image-20210715113700630

挥手请求可以是Client端,也可以是Server端发起的,我们假设是Client端发起:

第一次挥手: Client端发起挥手请求,向Server端发送标志位是FIN报文段,设置序列号seq,此时,Client端进入`FIN_WAIT_1`状态,这表示Client端没有数据要发送给Server端了。

第二次挥手:Server端收到了Client端发送的FIN报文段,向Client端返回一个标志位是ACK的报文段,ack设为seq加1,Client端进入`FIN_WAIT_2`状态,Server端告诉Client端,我确认并同意你的关闭请求。

第三次挥手: Server端向Client端发送标志位是FIN的报文段,请求关闭连接,同时Client端进入`LAST_ACK`状态。

第四次挥手 : Client端收到Server端发送的FIN报文段,向Server端发送标志位是ACK的报文段,然后Client端进入`TIME_WAIT`状态。Server端收到Client端的ACK报文段以后,就关闭连接。此时,Client端等待2MSL的时间后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那好,Client端也可以关闭连接了。 

四、传输介质

数据传输的介质是指数据在传输过程中所采用的物质媒介,常见的介质有以下几种:

1. 有线介质:使用电缆等有线方式进行数据传输,包括同轴电缆、双绞线、光纤等。
2. 无线介质:使用电磁波进行数据传输,包括无线电、微波、红外线、蓝牙、Wi-Fi等。
3. 光学介质:利用光学原理进行数据传输,包括CD、DVD、蓝光光盘等。

在选择数据传输介质时,需要考虑传输速度、传输距离、安全性、成本等因素。不同的应用场景需要选择不同的介质,例如在长距离数据传输时,光纤是一个更好的选择,而在短距离数据传输时,无线介质可以更方便地实现。

4.1 传输介质分类

4.1.1 双绞线

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总共8根双绞线,两两绞合在一起

双绞线是一种网络通信线缆,通常用于数据传输和通信,常用的有5类、超5类和6类等,以下是一些常见的双绞线类型

非屏蔽双绞线(UTP):这种类型的双绞线没有任何屏蔽层,通常用于家庭网络和小型办公室网络。

屏蔽双绞线(STP):这种类型的双绞线具有屏蔽层,可以减少干扰和信号损失,通常用于大型企业网络和高速数据传输。

同轴电缆:这种类型的双绞线由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外部护套组成,通常用于电视信号传输和高速数据传输。

光纤电缆:这种类型的双绞线由光纤和外部护套组成,可以传输高速数据和视频信号,具有较高的带宽和抗干扰能力。

双绞线的类型和规格各不相同,可以根据不同的应用需求选择合适的类型和规格。
4.1.1.1 双绞线标准与分类
1)双绞线按其绞线对数可分为:2对,4对,25对。(如2对的用于电话,4对的用于网络传输,25对的用于电信通讯大对数线缆)

2)按是否有屏蔽层可分为:屏蔽双绞线(STP)与非屏蔽双绞线(UTP)两大类。 

3)按频率和信噪比可分为:3类,4类,5类和超5类。现在很多地方已经用上了六类线甚至七类线。用在计算机网络通信方面至少是3类以上。以下列出各类线说明:
  三类(CAT3):该电缆的传输特性最高规格为16MHz, 数据传输最高速率为10Mb/s.-般用在语音信息传输及低速数据传输的应用中。
  四类(CAT4):该类电缆的传输特性最高规格为20MHz,数据传输最高速率为16Mb/s。目前较少采用。
  五类(CAT5):该类电缆增加了绕线密度,外套是- -种高质量的绝缘材料,传输特性的最高带宽为100MHz,数据传输最高速率为100Mb/s. 一般用在语音信息传输及高速数据传输的应用中。
  超五类(CAT5E):即通常所说的超五类电缆,该类电缆传输特性稍优于五类电缆,主要表现在数据传输速率可达155Mb/s。 - -般用在语音信息传输及高速数据传输中应用。另外,利用最新技术,已经有公司开发出了基于CATSE的622MHz的ATM应用。
  六类(CAT6):它是一个新级别的电缆,除了各项性能参数有较大提高之外,其带宽会扩展至200MHz以上。其最新的传输性能支持1000Mb/s以下的应用。一般用在视频信息传输及超高速数据传输的应用中。
不论是超五类还是六类电缆系统,其连接的结构仍和现在广泛使用的插接模块(RJ-45)相兼容。
七类(CAT7):七类电缆系统是欧洲提出的一种电缆标准。其计划的带宽为600MHz,但是其连接的结构和目前的RJ-45形式完全不兼容,它是一种屏蔽的电缆系统。

 4、双绞线的性能指标对于双绞线,用户最关心的是表征其性能的几个指标。这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。
4.1.1.2 T568A标准和T568B标准

这是超五类双绞线为达到性能指标和统一接线规范而制定的二种国际标准线序。 

可以试想:在制作RJ45水晶头时,如果没有这个标准,那么当一根由别人制作的网线的一端水晶头出现问题时,你还得去看看另一端的线序再回来做这端的RJ45水晶头,这是件多么麻烦的事。而且很有可能由于没有使用正确的绕对而造成串扰。

T568A的线序为:绿白,绿,橙白,蓝,蓝白,橙,棕白,棕

T568B的线序为:橙白,橙,绿白,蓝,蓝白,绿,棕白,棕

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管脚号用途颜色
1发送 +白绿
2发送 -绿
3接收 +白橙
4不被使用
5不被使用白蓝
6接收 -
7不被使用白棕
8不被使用
4.1.1.3 平行线与交叉线(反接线)

平行线两端都使用相同的接线标准。在通常情况下,业界都使用T568B标准交叉线,一端使用T568A线序,另一端则使用T568B线序。

1)何时使用平行线?

 平行线的做用是将不同设备连接在一起:如计算机至交换机

2)何时使用交叉线?

交叉线的做用是将同种设备连接在一起:如计算机至计算机,交换机至交换机。

现在有很多高档一点交换机的端口对线序都是自适应的,很少用到交叉线。

4.1.1.4 RJ45和RJ11

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1、RJ45水晶头是一种有8根针脚的接头,主要用在以太网中,“RJ”表示注册的插孔,“45”代表接口标准的序号。RJ45水晶头通常端接在以太网线上,用来连接各种网络设备,例如计算机、路由器、交换机等

2、RJ11水晶头和RJ45水晶头很类似,但是只有4根针脚,它是由西部电子公司开发的一种接头,常用来连接电话和调制解调器。需要注意的是,RJ11通常指的是6个位置(6针)模块化的插孔或插头,但是只有4针被用到,此外,RJ11也用于4针版本的模块化接插件。
4.1.2 光纤

光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的[纤维,可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。它的特点如下

高带宽:光纤的传输速度非常快,能够以极高的速率传输数据,因此能够提供高带宽的网络连接。

低损耗:光纤传输信号的损耗非常小,因此可以传输信号的距离比传统的电缆更远。

免受电磁干扰:与传统的铜缆不同,光纤信号传输不受电磁干扰的影响,因此能够在高电磁干扰环境下工作。

轻便:光纤的直径很小,因此非常轻便,适合在长距离的通信和传输中使用。

安全:由于光纤的信号传输不会产生电磁场,因此能够防止信息被窃听。

抗腐蚀:光纤不容易受到化学物质的腐蚀,因此比传统的电缆更耐用。

由于光纤特殊的材质,导致我们经常可以在一些电杆子上可以看到如下的图片

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4.1.2.1 光纤分类
光纤可以根据其不同的特性和用途进行分类。以下是常见的几种分类方式:

1)根据传输模式分类
单模光纤:适用于长距离、高速率的传输,通常用于电话、有线电视、数据中心等领域。

多模光纤:适用于短距离、低速率的传输,通常用于局域网、视频监控等领域。

2)根据外径分类
标准光纤:外径为125μm(微米),通常用于一般的光纤通信应用。

大芯径光纤:外径通常在200~1000μm之间,用于高功率激光器、光纤放大器等领域。

3)根据光纤材料分类
硅基光纤:是应用最广泛的一种光纤,主要由二氧化硅制成。

氟化物光纤:由氟化物材料制成,主要用于激光器、高温环境等特殊应用。

4)根据应用场景分类
通信光纤:用于通信领域,如电话、宽带网络等。

传感器光纤:用于传感器领域,如温度、压力、形变等传感器。

医疗光纤:用于医疗领域,如内窥镜、激光手术器等。

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我们重点来了解单模光纤和多模光纤的区别

单模光纤多模光纤
用于高速度、长距离用于低速度、短距离
成本高成本低
端接较难端接较易
窄芯线,需要激光源宽芯线,聚光好,光源可采用激光或发光二极管
耗散极小,高效耗散大,低效
4.1.2.2 光纤接口

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说明:

FC :圆形带螺纹光纤接头

ST :卡接式圆形光纤接头

SC :方型光纤接头

LC :窄体方形光纤接头

MT-RJ :收发一体的方型光纤接头
4.1.2.3 使用光纤线注意事项

使用光纤线需要注意以下几点:

1.避免弯曲:光纤线对弯曲非常敏感,弯曲角度过小或过大都会导致信号衰减和损失,因此要避免对光纤线进行弯曲。

2.避免拉扯:在安装和维护光纤线时,要避免过度拉扯,因为过度拉扯会导致光纤线的损坏和信号衰减。

3.注意连接方式:光纤线的连接方式一般有插入式和固定式两种,插入式连接方式易于拆卸和更换,但连接不紧固会导致信号衰减,固定式连接方式更加牢固,但更换困难。

4.避免污染:光纤线一旦被污染,信号传输将会受到影响,因此要避免将光纤线暴露在灰尘、油污等环境中。

5.注意光功率:在使用光纤线时,要注意光功率的大小,过高或过低的光功率都会导致信号损失。

6.避免强光照射:光纤线不能直接暴露在强光下,因为强光会导致光线散射和损失,影响信号传输。
4.1.3 同轴电缆

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同轴电缆是一种用于传输高频电信号的电缆。它由中心导体、绝缘层、网状屏蔽层和外层护套组成。

中心导体是电缆中传输信号的部分,一般采用铜线或铜管制成,其直径通常为0.8~1.0毫米。

绝缘层是用于包覆中心导体的一层绝缘材料,以防止信号泄漏和干扰。常用的绝缘材料有聚乙烯、聚四氟乙烯等。

网状屏蔽层是用来防止干扰的屏蔽层,它由许多细小的铜线编织而成,形成了一个网状结构,以有效地屏蔽外界电磁干扰信号。

外层护套是用于保护电缆整体的层,常见的材料有PVC、PE等。

同轴电缆常用于电视信号、电缆电视、卫星通信、计算机网络等领域。它具有传输距离远、传输信号稳定等优点,但也有传输距离受限、造价较高等缺点。

4.1.4 局域网传输技术基础

局域网传输技术有很多种,以下是其中几种:

1.以太网(Ethernet):以太网是一种局域网标准,它使用特定的物理介质和协议来实现计算机之间的通信。以太网可以使用各种类型的传输介质,如双绞线、光纤和无线电波。

2.无线局域网(Wi-Fi):Wi-Fi是一种无线局域网技术,它使用无线电波来实现计算机之间的通信。Wi-Fi网络通常使用无线路由器作为中心节点,以便在不同的设备之间传输数据。

3.令牌环(Token Ring):令牌环是一种局域网技术,它使用一个令牌来控制网络中计算机之间的通信。在令牌环网络中,只有持有令牌的计算机才能发送数据,这有助于减少网络冲突和数据丢失的情况。

4.快速以太网(Fast Ethernet):快速以太网是一种以太网技术,它提供比传统以太网更快的数据传输速率。快速以太网的速率通常为100 Mbps,而传统以太网的速率只有10 Mbps。

5.千兆以太网(Gigabit Ethernet):千兆以太网是一种以太网技术,它提供比快速以太网更快的数据传输速率。千兆以太网的速率通常为1000 Mbps,也就是1 Gbps。

6.局域网桥接器(Bridge):桥接器是一种设备,它可以将两个或更多局域网连接在一起,并通过过滤和转发网络数据来控制通信流量。桥接器通常用于扩展网络范围或提高网络性能。

7.局域网交换机(Switch):交换机是一种网络设备,它可以通过分配虚拟通道来提高网络性能,并控制网络流量。交换机通常用于大型网络或需要高性能的网络应用程序中。