HCIA-Routing&Switching华为认证路由交换工程师学习笔记 (1) - 数据通信基本原理及IP地址的规划和设计
企业网络基本架构
- 扁平化架构（小企业）
- 优点：节省资源，省钱
- 缺点：冗余性不足
- 多层网络结构（大企业）
- 接入层：将大量终端接入网络中，一定要保证向下接入的端口数量（如边缘端口），主要是保证接入，做很少的操作（比如简单的认证和流量控制）
- 汇聚层：对流量进行甄别, 对流量进行分类, 比如做流量优化的时候可以在汇聚层对流量分类/打标记, 制定各种分布的策略(比如哪些流量可以走，哪些不能走，哪些数据的带宽是多少，如何限定，多数都会做在汇聚层里面)
- 核心层：（放置很高端的设备）提供高速的转发，把汇聚层流上来的合法流量以最快的速度转发（广义互联网或者上层服务器集群）。如果核心层带宽不够会导致整个网络的吞吐量会下降
传输介质
- 同轴电缆
| 以太网标准 | 电缆类别 | 最长有效传输距离 |
| 10BASE5 | 粗同轴电缆 | 500米 |
| 10BASE2 | 细同轴电缆 | 185米 |
- 双绞线：双绞线、CAT-5
- A->B: 交叉线
- B->B/A->A：直通线
- B->A: 相反线
| 以太网标准 | 线缆类别 | 最长有效传输距离 |
| 10BASE-T | 两对3/4/5类双绞线 | 100米 |
| 100BASE-TX | 两对5类双绞线 | 100米 |
| 1000BASE-T | 四对5e类双绞线 | 100米 |
- 扩展：网线的接法
- 光纤
- 高带宽局域网的连接通常用多模光纤
- 长距离传输通常用单模光纤
| 以太网标准 | 线缆类别 | 最长有效传输距离 |
| 10BASE-F | 单模/多模光纤 | 2000米 |
| 100BASE-FX | 单模/多模光纤 | 2000米 |
| 1000BASE-LX | 单模/多模光纤 | 316米 |
| 1000BASE-SX | 多模光纤 | 316米 |
- 串口电缆
| 线缆类别 | 速率 |
| V.24 | 1.2Kbit/s~16Kbit/s |
| V.35 | 1.2Kbit/s~2.048Mbit/s |
- 冲突域：两台设备同时处于同一个共享介质/共享设备中，则两个设备处于同一个冲突域（同时发信息，形成信号冲突，构成冲突域）
- 双工模式
- 半双工：CSMA/CD协议（带冲突检测的多路访问技术）- 先听后发，边发边听，冲突退避等待
- 全双工：两条通道，一条发，一条收
以太网帧结构
网络标准 IEEE 802.3
网络通信协议
分层模型OSI
为了能过把整个数据传输的过程尽量的拆得更细一些,让人们更容易处理.同时各个层次之间在传递的时候互相之间不会影响
分层模型TCP/IP和数据封装
数据终端通信
数据终端之间的通信要求一定要在数据收尾之间加头（header）和尾(trailer)。数据链路层控制数据帧在物理链路上传输。以太网中大多数数据包的帧格式是Ethernet II格式。IEEE802.3格式是早期以太网的标准，无法标注下层协议，需要靠LLC子层的内容表示和识别。
一个以太网数据包最长不能超过1500字节，加上头尾长度不能超过1536(0x0600)。因此，如果源MAC后2个字节的内容小于等于1500，则该字节是长度，该帧格式是IEEE802.3，否则是该字节是type，该帧格式是Ethernet II。
以太网数据帧（Ethernet_II）的长度：64~1518字节。 Type: 0x0800 (IP); Type: 0x0806 (ARP)
IEEE802.3数据帧的帧长度字段值小于等于1500（0x05DC）
以太网MAC地址
数据帧的发送和接收
IP编址
IP报文头
IP编址
IP地址分为网络位和主机位。网络位用来给路由器进行路由寻址，主机位用来给主机配置 。网段与网段之间是网络位不同，主机与主机之间是主机位不同。IP地址通常用点分十进制表示。
- 网络地址：所有的主机位全部置为0。这个地址是用来给路由器寻址用的，不可以配置给任何主机
- 广播地址：所有的主机位全部置为1。不可以配置给任何主机。如果数据包发送给XXX.XXX.XXX.255，则是一个本地广播，网段上的所有主机都要处理。
IP地址分类
A类网段少，主机多。C类网段多，主机少。D类组播保留E类科研保留。E类中255.255.255.255被当作广播地址使用
强制规定：A类地址必须以0开头，B类地址必须以10开头，C类地址必须以110开头，D类地址必须以1110开头，E类地址必须以1111开头。
私有地址
特点：任何一台公网的设备都没有通往私有地址网段的路由条目。可以被重复使用
范围：
- 10.0.0.0~10.255.255.255
- 172.16.0.0~172.31.255.255
- 192.168.0.0~192.168.255.255
配置私有地址的设备上网时，路由器对私有地址进行了NAT，把私有地址转换为出口的公有地址。
特殊地址
- 127.0.0.0 ~ 127.255.255.255 本地环围测试地址
- 0.0.0.0 路由器中的缺省路由；主机发出DHCP请求时本机没有地址则会使用0.0.0.0作为本机地址
- 255.255.255.255 广播地址，发送数据包的时候没有任何的目的性，常见的广播数据包会使用
RFC中定义了很多特殊地址，需要可以查阅
网络通信
- 在同一网段上的主机可以直接通信
- 不同网段上的主机通信需要路由，数据包将发给两边的网关
子网掩码
作用：标准网络位的长度。子网掩码的值是0表示重置，值是1表示复制
默认的子网掩码
- A类：255.0.0.0 （8位掩码 8/）
- B类：255.255.0.0（16位掩码 16/）
- C类：255.255.255.0（24位掩码 24/）
地址规划
[练习] 求100.102.10.20/27的网络地址，有效主机地址范围，广播地址
首先计算子网掩码，27位掩码是11111111.11111111.11111111.11100000，即255.255.255.224
网段间隔：256-224=32，从而得出可用网段为100.102.10.0；100.102.10.32；100.102.10.64；100.102.10.96；100.102.10.128；100.102.10.160；100.102.10.192；100.102.10.224。因为20在0~32区间内，因此100.102.10.20的网段是100.102.10.0， 广播地址是100.102.10.31（01100100.01100110.00001010.00011111）
有效主机IP范围（可配置地址）：100.122.10.1~100.102.10.30
可变长子网掩码 （VLSM）
有类的IP会造成地址浪费，因此引入VLSM。VLSM可以更灵活的使用网络中的IP地址，节省资源。VLSM保持网络位不变，将主机位借出一部分作为子网位，进行网段划分。如下图，保持C类地址的网络位不变，借出1位主机位作为网络位，网段由原来的192.168.1.0/24变为192.168.1.0/25和192.168.1.128/25。网段的可用主机数变更为126，从而达到了通过减少可用主机数节省地址空间的目的。
[练习] 现有一个C类网络地址段192.168.1.0/24，请用变长子网掩码给三个字网段分配IP地址
分析：3个字网段中最大主机数是30，因此网段可用主机数
-2>=30，所以n=5，所以需要保留5位主机位，从而可用网络位为24+3=27
综上，可以使用192.168.1.0/27，192.168.1.32/27，192.168.1.64/27作为这三个字网段的IP地址
无类域间路由（CIDR）
主机位借用网络位。作用：缩减路由表，加快路由器的数据转发。如下图，“IP network”向外传递数据的时候只需要一个IP地址10.24.0.0/22，其余4个IP地址10.24.0.0/24，10.24.1.0/24，10.24.2.0/24，10.24.3.0/24由中间路由“R”存储
网关
作用：1）转发不同网段之间的数据包；2）处理路由器对主机的ARP（地址解析协议 Address Resolution Protocol）请求
IP包分片
主机传输的数据包大小大于路由器可以一次可以传输的数据量大小，路由器会进行数据拆分。flags中包含分帧位，没有被分包的分帧位或者被分包的第一个数据包的分帧位为0，否则为1。fragment offset是偏移量。
假设主机A发送了2500字节，路由一次能传送的数据量是1000字节，则第一个数据包会被拆成3个，分帧位和fragment offset如下
| 分帧位 |
fragment offset |
|
|---|---|---|
| 第一个数据包 | 0 | 0 |
| 第二个数据包 | 1 | 1000 |
| 第三个数据包 | 1 | 2000 |
生存时间（TTL）
TTL是1个字节（8位），范围是0~255。TTL的主要作用是防环（数据包没经过一个三层设备转发，TTL减1，如果TTL为0，则数据包会被丢掉）
ICMP协议
ICMP（Internet Control Message Protocol）协议是网络层的协议，主要用来在网络设备间传递错误信息、控制信息、查询信息。比如在日常故障排除的时候，或者一些常见节点解决问题的时候，可能会用到ICMP协议。如日常工具ping，tracert都是基于ICMP协议的。
ICMP重定向
如下图，主机A希望访问服务器A，主机A设置的网关是.100，因此主机A向服务器A发送数据包的时候，数据包首先会送达路由器B，路由器B将ICMP重定向的数据包发送给主机A（重定向数据包中包含正确的网关），主机A收到重定向数据包后，根据新的地址重新发送数据包到路由器A。这里，ICMP重定向相当于纠正信息，当网络中一旦出现错误的时候，可以纠正错误。
ICMP差错校验
想知道主机与服务器之间的链路是否有连接性的错误，比如主机A能否访问服务器，服务器能否返回数据，主机与服务器之间的数据能否正常收发。其实就是我们俗说的“ping”
ICMP报告错误
当网络设备无法访问目标时，会自动发送ICMP目的不可达报文到发送端设备。
ICMP报文类型
Type：1个字节，Code：1个字节，Checknum（校验和）：2个字节。不同的类型和代码表示不同的内容。
ICMP消息类型和编码类型
ICMP应用-Tracert
- Tracert数据包使用UDP数据包（有的使用TCP），端口号非常大（比如3、4万）。
- TTL值从1往上加，直到目的地。
- 每次同时发送3个数据包（防止UDP丢包）
举例
- 主机A首先发信息TTL设为1，当信息到达路由器A后，TTL被减为0，于是路由器A给主机A回复ICMP信息（TTL超时）
- 主机A将TTL加1设为2，重新发送信息，当信息到达路由A后，TTL被减1，继续发送给路由器B，当信息到达路由器B后，TTL被减为0，于是路由器B给主机A回复ICMP信息（TTL超时）
- 继续上述过程，直到信息能够到达主机B
- 信息到达主机B后，由于端口号设置的值非常大，所以主机B会回复主机A一条ICMP信息（端口号不可达）
- 主机A收到端口号不可达的ICMP信息，证明数据已经到达目的地，tracert结束。
ARP协议
ARP报文不能穿越路由器，不能被转发到广播域。发包一般是广播帧，回包一般是单播帧。
APR请求
当网络设备知道目的IP地址，但是不知道目的MAC地址的时候，发送ARP请求询问目的MAC地址
ARP响应
ARP代理
主机A和主机B在不同的网段，通过路由器相连。路由器为0/0端口开启ARP代理，则A发送给B的 ARP请求到达路由器后，路由器会将自己的mac地址返回给A。之后A发送给B的信息将全部由路由器转发。
ARP代理的主要作用是访问外网段的地址。
免费ARP
当配置一个IP地址并生效后，发送一个ARP请求来探测是否有其他设备在使用这个IP地址，防止IP冲突。
传输层协议
传输层最常见的两个协议：传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol），用户数据包协议UDP（User Datagram Protocol）
TCP
TCP是一种面向连接的传输层协议，提供可靠传输
TCP端口号
端口号指明上层应用是什么内容。端口号分为源端口号和目的端口号，源端口号通常是随机的，目的端口号代表应用（参考下表中的映射关系）
- SMTP：简单邮件协议
- Telnet：远程网管协议
- HTTP：浏览器界面服务
- FTP：文件传输协议
TCP头部
三次握手
- 第一次发送时的序列号a是随机生成的，如果a=0那么可能是相对值
- SYN位只能出现两次（避免无限等待应答的死循环）。如果消息中有SYN位被置为1，那么接收方一定要回复ACK
- 应答的序列号是请求的序列号+1
TCP流量控制
通过滑动窗口调节流量大小。A的窗口大小是4096，但是B的窗口大小是3072，因此A下降窗口大小调成跟B一致，每次发3个包。
TCP关闭连接
主机在关闭连接前一定要确认收到对方的ACK包
UDP
UDP是面向无连接的传输协议，传输可靠性没有保证。UDP传输由上层应用程序提供报文到达确认，排序，流量控制等功能。UDP不提供重传机制，占用资源小，处理效率高。一些时延敏感的流量通常使用UDP
数据转发过程
