快速学会HCIA基础

计算机

• 应用层：人机交互的接口，自然语言转换成编码
• 表示层：编码转换成二进制
• 网络层
• 介质访问控制层：控制物理层设备，如何将二进制装换成电流
• 物理层：二进制装换成电流，电流输出，CPU计算

对等网

两台电脑，网线连接，出现了数据的交互，也就是网络的雏形。

网络扩大

• 增大距离：网线长度最好100米 通过弱电传播，传播时电压下降和波形失真

  • 信号失真
    • 中继器：加大电压，使波形恢复到相似的程度
  • 信号衰减
    • 换传输介质

• 增加节点

• 网络拓扑结构

  • 总线型

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zjHOCoMR-1664536811642)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220929113216262.png)]

      • 多芯总线：一般网线的铜芯为8，多芯总线的铜芯是由连接的节点控制的。

      • 优点：信道利用高，结构简单，成本低

      • 缺点：同一时刻，只允许两各节点通讯。因为电信号在传输时会相互抵消。

  • 环型

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LdZZbpzy-1664536811643)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220929114741484.png)]

      • 优点：增加和删除节点操作简单

      • 缺点：当某一节点故障时，全网瘫痪

  • 星型：由中心节点和通过链路连接到中心节点的节点组成

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-V7cd90UE-1664536811644)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220929114912955.png)]

      • 优点：结构简单，连接方便，扩展性强，某一PC断开，不影响全网。

      • 缺点：信道利用率不高。对中心节点要求高。

  • 网状（全连接）

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7zfvGKNK-1664536811644)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220929115507115.png)]

• 集线器—HUB：相当于多芯总线。

  • 安全问题：传输时所有接口上的终端都能接收到

  • 延时问题：所有节点都能收到数据包，对自己无用的丢弃，但会占用资源。

  • 地址问题：不知道谁是谁。

    • MAC地址：由48位二进制构成–16进制标识 全球唯一、出厂烧录到网卡 ipconfig/all

  • 冲突问题： 电流与电流的相遇

    • CSMA/CD—载波侦听多路访问/冲突检测机制(先听后发、边听边发、冲突停发、随机延迟后重发)

    • 冲突域：连接在同一根导线上的所有工作站集合

      一个通过共享物理介质进行双向传输的所有节点的集合。当同一冲突域中的主机同时发送数据时，数据到达目的地之前可能会发生冲突。

继续扩大网络

• 网络无限距离传输
• 完全没有冲突，所有节点可以同时收发自己的数据
• 存在一对一数据发送 — 单播

网桥----把物理信号转换为二进制数据，并将数据存在设备内存中，然后重新生成新的物理信号进行发送

交换机

• 二层设备：物理信号—>二进制

• 单播

  • MAC地址表

    • 自学习功能

    • 查表转发—单播

    • 地址老化时间—5分钟

    • 洪泛：除源端口外的所有端口都将该数据进行复制转发。（原因：MAC地址表查找不到）

交换机的作用：

1. 提供端口（接口）密度（继承了HUB的作用）
2. 基于数据识别再转发，实现了理论上的无限传输距离
3. 基于数据识别，存储再转发，解决了冲突问题
4. 基于MAC地址识别，记录，查询，实现了单播通讯

交换机工作在介质访问控制层，将电流与二进制进行识别转换（每一个交换机都会进行识别转换）会将数据写入内存

交换机的工作过程：

数据电流进入交换机后，交换机先将其识别为二层二进制，之后识别数据帧中的源MAC地址，计入到本地的MAC地址表中；（MAC表中记录各个MAC对应的接口），之后再关注数据帧中的目标MAC地址，再查询本地MAC表中是否有记录，若存在记录，仅基于记录的接口唯一转发（单播）；若没有记录将进行洪泛；洪泛：除流量的接口外，其他的所有接口复制转出

路由器

• 划分洪泛范围—隔离广播域（收到所有洪泛信息的设备集合）

  • 每一个接口都是一个广播域

• 转发数据

  • 路由表

通信过程

• 依靠交换机进行转发-------同广播域
• 借助路由器进行转发-------跨广播域

IP地址—逻辑地址

• IPv4

  • 32位二进制组成，点分十进制，8位一分。

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zhJoAxBI-1664536811645)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220929193715186.png)]

  11000000101010000000000100000001====192.168.1.1

  • IP地址是由网络位与主机位共同组成：网络位对应洪泛的范围（网段）；主机位标识范围内唯一；每个ip地址后均携带一个子网掩码，子网掩码的作用在于区分ip地址中网络位与主机位

192.168.2.1和192.168.1.2，当他们的子网掩码为24时，不在同一个范围；当他们的子网掩码为16时，在同一个范围。

10101011.01000100.10000001.00000001 10101011=128+0+32+0+8+0+2+1=171 01000100=0+64+0+0+0+4+0+0=68 10000001=128+0+0+0+0+0+0+1=129 00000001=0+0+0+0+0+0+0+1=1 
171.68.129.1 

192.168.1.123 
192=11000000 
168=10101000 
1=00000001 
123=01111011 
11000000.10101000.00000001.01111011

掩码

• 32bit二进制
• 连续的1+连续的0
• 掩码中的每一位比特位都与IP相对应，其中掩码的1对应的IP地址中的比特位即为网络位。

网关

• 网络的门户，也就是路由器的接口

数据的发送

1. 判断是否为同一广播域
2. 查看ARP缓存表
3. 假设 为同一广播域，将数据转发给交换机，由交换机进行洪泛或单播形式转发。
4. 若不为同广播域，将数据发送给路由器，即网关IP所在设备，再由路由器进行转发。
5. 目的主机接收到该数据报文后，重复上三步操作进行数据发送。

ARP协议

• 原理

  • 根据已知的地址来获取与其对应的另一种地址

• [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wC4df0Re-1664536811645)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930135000712.png)]

• ARP工作过程（目标MAC全F，对于交换机，会洪泛；对于所有主机，都会以为是找自己的。）

  • 发送者PC1：发出广播帧，源IP和源MAC—>PC1；目的IP—>网关IP，目的MAC—>全1 （FFFF:FFFF:FFFF）
    • ARP报文：我是192.168.2.1，我想找192.168.2.254，请回复我。
  • 非目的主机PC4：先收，当看到目的IP时，发现不是找自己的，则丢弃。
  • 目的主机路由器0/0/1接口：源IP和源MAC—>路由器自己的。目的IP和目的MAC—>PC1
    • 单播

  发送者PC1发出ARP报文，源IP和源MAC—>PC1，目的IP—>PC2，目的MAC—>全1（FFFF:FFFF:FFFF） ；发送到交换机，目标MAC全F，迫使交换机广播；非目的路由器，先收，当看到目的IP时，发现不是找自己的，则丢弃；目的主机PC2，当看到目的MAC和IP时，发现是找自己的（记录ARP表），就要回一个报文，源IP和源MAC—>PC2，目的IP和目的MAC—>PC1，PC1接收，记录到ARP表。

• ARP缓存表----180s

• ARP分类

  • 正向ARP-----通过IP获取MAC

  • 反向ARP-----通过MAC获取IP

  • 免费ARP-----冲突检测和自我介绍

  • 逆向ARP-----存在于帧中继网络，也是用于获取IP地址的

  • 代理ARP-----由网关设备代替主机查询MAC地址

数据发送过程（交换机只看MAC)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5bDAZOY0-1664536811646)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930144001098.png)]

• 同广播域：

  假设PC1要与PC2通讯；

  1. PC1不知道PC2的MAC地址，先发送ARP找到PC2的MAC地址；

  2. PC1知道了PC2的MAC地址，开始封装数据包，源MAC—>PC1，目标MAC—>PC2，源IP—>PC1，目标IP—>PC2；

  3. PC2收到数据包，发现是找自己的，回包，源MAC—>PC2，目标MAC—>PC1，源IP—>PC2，目标IP—>PC1；

• 跨广播域（需要将数据发送给网关，这通过路由器发包）：

  假设PC1要与PC3通讯；

  1. PC1开始封装数据包，源MAC—>PC1，目标MAC—>网关，源IP—>PC1，目标IP—>PC3；（如果PC1不知道网关MAC，会发ARP查询）
  2. 网关查看数据包，发现目标MAC是找自己的，而目标IP不是找自己的，而是找PC3的；
  3. 路由器查看路由表，发现找PC3的数据包应该发往另一个接口；
  4. 路由器重新封装数据包，源MAC—>路由器，目标MAC—>PC3，源IP—>路由器，目标IP—>PC3；（如果路由器不知道PC3MAC，会发ARP查询）
  5. PC3收到数据包，发现是找自己的，回包，源MAC—>PC3，目标MAC—>网关，源IP—>PC3，目标IP—>PC1;
  6. 发送到网关，路由器重新封装数据包，源MAC—>路由器，目标MAC—>PC1，源IP—>路由器，目标IP—>PC1；
  7. PC1接收

TCP/IP

OSI七层模型—开放式系统互联模型

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Dy6omvtB-1664536811646)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930152122469.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JcgLKiH2-1664536811647)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220921082710764.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-76A17igp-1664536811648)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220921082617475.png)]

• 应用层：人机交互的接口
• 表示层：编码—>二进制
• 会话层：针对传输的每一种数据建立一条连接

控制层面：上三层

数据层面：下四层

• 传输层：区分流量、定义数据传输方式（TCP、UDP）
• 网络层：通过IP地址进行逻辑寻址
• 数据链路层：逻辑链路控制层—LLC；介质访问控制层—MAC
• 物理层：传输比特流；定义了物理特性；

报文封装与解封装

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dgsSRQbq-1664536811648)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930152524956.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-e6voIri3-1664536811649)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930152545974.png)]

PDU

• 协议数据单元----数据在不同层面的表现形式（称呼）
• 上三层：数据
• 传输层：数据段
• 网络层：数据包
• 数据链路层：数据帧
• 物理层：比特流

TCP/IP协议栈

物理层

• 传输比特流；规定物理特性；

• 集线器、中继器

• 介质

  • 同轴电缆：早期使用

    • 两种标准，传输距离不同，10M

  • 双绞线

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-z0RGeXQ1-1664536811649)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930153031487.png)]
      • 屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）
      • 类型：1、2、3、4、5（100M）、超5（1000M）、6（1000M）（传输频率不同）、超6（10000M）、7

  • 光纤

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8jv4VfE8-1664536811650)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930153557623.png)]
      • 通过光信号进行传输
      • 多模传输快，单模传输慢

• 双工模式

  • 半双工

  • 全双工

  • 同一物理链路连接的设备双工模式必须相同

• 线序-----双绞线

  • 网线由双绞线+RJ-45水晶头组成

  • 线序

    • 568A

      • 将568B中的1、3对调；2、6对调

    • 568B

      • 橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

  • 直连线：两端都是568A或568B

  • 交叉线：一端是568A或568B

数据链路层

• 网桥、交换机

• 链路类型

  • 局域网----以太网

  • 广域网----PPP、HDLC、FR、ATM

• MAC地址

  • 48位二进制；减号分十六进制表示；

  • 两部分

    • 前24位：表示厂商ID

    • 后24位：表示产品ID

• 数据帧

  • 以太网-2、802.3

  • Ethernet_Ⅱ格式

    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WNAj5AAf-1664536811651)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930162007010.png)]

    • FCS帧校验序列----CSC算法

      将数据帧的所有，以一种特定的算法，算出一个数字，为FCS。

  • 帧的发送方式

    • 单播

    • 广播

    • 组播：一对一组

网络层

• 逻辑寻址

• IP地址是有类分址

  • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Fu9LMr77-1664536811651)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930162813559.png)]

    • ABC三类：称为单播地址；D类是组播地址；E类是用于实验。

  • 特殊地址

    • 无效地址：0.X.X.X；0.0.0.0—>所有网络

    • 本地测试地址（环回）：127.X.X.X

    • 广播地址：255.255.255.255 全可以接收

    • 定向广播地址：主机位全1的地址；192.168.1.255/24

    • 本地链路地址：169.254.0.0/16

    • 网段：主机位全0的地址；1.1.1.0/24；X.X.X.0/24、X.X.0.0/16

      • 在任意一个网段中，主机位全1或全0的IP均不能使用。

  • 私有地址

    • A类：10.0.0.0/8（10.0.0.0-10.255.255.255）

      • 一个地址段

    • B类：172.16.0.0-172.31.255.255

      • 16个地址段

    • C类：192.168.0.0-192.168.255.255

      • 256个地址段

  • 公有地址

    • 除了上述私有地址和特殊地址外的地址
    • 在全球具有唯一性。

• IP报文头部

  • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kmW0iuib-1664536811652)(C:\Users\26807\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220930164627187.png)]

  

  IP 报头的最小长度为 20 字节，上图中每个字段的含义如下：

  1、版本（version）

  占 4 位，表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4，即 IPv4。

  2、首部长度（网际报头长度IHL）

  占 4位，可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 字节）。因此，当 IP 的首部长度为 1111 时（即十进制的 15），首部长度就达到 60 字节。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。

  数据部分永远在 4 字节的整数倍开始，这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是，长度有时可能不够用，之所以限制长度为 60 字节，是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节（即首部长度为 0101），这时不使用任何选项。

  3、区分服务（tos）

  也被称为服务类型，占 8 位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

  4、总长度（totlen）

  首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。

  5、标识（identification）

  MTU：最大传输单元，由链路类型决定；而以太网中为46~1500字节。

  用来标识数据报，占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。

  6、标志（flag）

  占 3 位。第一位未使用，其值为 0。第二位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。

  7、片偏移（offsetfrag）

  占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍。

  8、生存时间（TTL）

  表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。

  路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1，则表示这个数据报只能在本局域网中传送。

  9、协议

  表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。

  例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。

  10、首部检验和（checksum）

  用于校验数据报的首部，占 16 位。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如TTL），所以需要重新校验。只校验首部。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。

  11、源地址

  表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。

  12、目的地址

  表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。

  13、可选字段

  该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。

  14、填充

  由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。

  15、数据部分

  表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。