网络协议底层原理——基础知识

1.基础知识

1）说明是互联网
数据是通过网络协议从一个设备传递到另一个设备的

2）客户端与服务端之间的联系

客户端向服务器发出请求
服务器收到请求向客户端发出响应

3）网络互联模型
OSI参考模型（7层）比较偏向于理论知识，，TCP/IP（4层）是我们在实际中使用的协议，为了方便学习计算机网络，又常将其划分为五层

4）数据传输过程
数据传输时会由应用层逐步向下传递，向下时每层会添加自己标识，到最底层时就将数据发送到线路中，然后路由器会根据包的目的之地将数据送到目标地址，一步一步去掉每层的标识，最终获取数据。

5）计算机之间的通信
需要得知对方的 IP地址，最终是根据 MAC地址（网卡地址），输送数据到网卡，被网卡接收，网卡发现数据的目标MAC地址是自己，就会将数据传递给上一层进行处理，网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层。

2.网桥-集线器

1.计算机基础设备

1.同轴电缆

注意：同轴电缆只要有一个地方线断了，整个线路都瘫痪了

2.集线器

集线器相比同轴电缆唯一的优点就是：哪怕连着集线器的某一个设备中间线路出问题，不会影响到连着集线器的其他设备。
集线器在OSI的7层模型中处于物理层，本质是一个中继器。
主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。正因为集线器只是一个信号放大和中转的设备，所以它不具备交换功能，但是由于集线器价格便宜、组网灵活，所以经常使用它。
集线器使用于星型网络布线，如果一个工作站出现问题，不会影响整个网络的正常运行

3.网桥

网桥工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）

4.交换机

交换机工作在数据链路层，采用交换技术来增加数据的输入输出总和和安装介质的带宽。
一般交换机转发延迟很小，能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。可以理解为高级的网桥，他有网桥的功能，但性能比网桥强。
若全球所有设备都用交换机连接：
1）、他们必然处于同一网段，因此 IP地址可能会不够用
2）、即使使用交换机，第一次发送数据包仍然需要ARP广播，耗费大量时间。
3）、形成广播风暴，只要有一个设备发送ARP广播，全球设备都能收到

5.路由器

在网络通信中，路由器具有判断网络地址以及选择IP路径的作用，可以在多个网络环境中，构建灵活的链接系统，通过不同的数据分组以及介质访问方式对各个子网进行链接。路由器在操作中仅接受源站或者其他相关路由器传递的信息，是一种基于网络层的互联设备。
路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发

1）路由器可以在不同网段之间转发数据，隔绝广播域

PC1,2:192.168.1.10/11 24
PC3 4:192.168.2.10/11 24
GE0/0/3:192.168.1.1/24
GE0/0/2:192.168.2.1/24
2）实现PC2和PC5的通信

主机发送之前，首先会判断目标主机的IP地址跟他是否在同一网段，在用一网段可以直接传递，不在同一网段需要网关
3）配置路由器的网关

这里面插入配置之后的检查，选择仿真然后选择上方的添加简单的PDU这时候选择任意PC机可以查看是否ping同

然后测试PC2与PC5的通信（这之前要首先设置网关）

这就是跨网段传递数据

3.MAC地址，IP地址，子网掩码

1.mac地址

每个网卡都有一个 6字节(48bit) 的 MAC地址 (Media Access Control Address)MAC地址全球唯一，固化在网卡的ROM中，由 IEEE802 标准规定
前3字节：OUI (Organizationally Unique Identifier)，组织唯一标识符， IEEE 的注册管理机构分配给厂商。
后3字节：网络接口标识符，厂商自行分配。

1.MAC地址的形式
Windows
40-55-82-0A-8C-6D
Linux、Android、Mac、iOS（类Unix操作系统）
40:55:82:0A:8C:6D
Packet Tracer
4055.820A.8C6D

2.MAC地址查看：ipconfig / all
修改MAC地址：属性-配置-高级-网络地址

3.MAC地址获取
当不知道对方主机的MAC地址时，可以通过ARP光比获取对方的MAC地址
当获取成功后，会缓存IP地址，MAC地址映射信息，俗称：ARP缓存
arp -a 主机地址：查询ARP缓存
arp -d 主机地址：删除ARP缓存

2.IP地址

IP地址：每一个主机都有一个IP地址
IPv4是32bit（4字节） ipv6是128bit(16字节)

1.IP地址的组成（网络ID+主机IP）
同一网段的计算机，网络ID相同
主机所在的网段 = 子网掩码 & IP地址

IP地址：192.168.1.10
子网掩码：255.255.255.0

1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 1010

&1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 0000 0000

1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 0000

网段：192.168.1.0
网段是由子网掩码计算得出的，只有IP地址无法得知网段

2.IP地址的分类（A类、B类、C类、D类、E类）
A类地址：默认子网掩码是255.0.0.0


网络ID：0 不能用，127 作为保留网段。
其中 127.0.0.1 是 本地环回地址（Loopback），代表本机地址
可以分配给主机的第1部分的取值范围是：1~126

主机ID：第2、3、4部分的取值范围是：0~255
每个A类网络能容纳的最大主机数是：256256256–2 = 224–2 = 16777214

B类地址：默认子网掩码是255.255.0.0


网络ID：第1部分的取值范围是：128~191
第2部分的取值范围是：0~255
主机ID：第3、4部分的取值范围是：0~255
每个B类网络能容纳的最大主机数是：256*256-2 = 216-2 = 65534

C类地址：默认子网掩码是255.255.255.0


网络ID：第1部分的取值范围是：192~223
第2、3部分的取值范围是：0~255
主机ID：第4部分的取值范围是：0~255
每个C类网络能容纳的最大主机数是：256-2 = 254

D类地址：没有子网掩码，用于多播地址
以 1110 开头，多播地址

E类地址：以1111开头，保留为今后使用

常用A B C类地址：
A类IP段　 0.0.0.0 到127.255.255.255
　　B类IP段　 128.0.0.0 到191.255.255.255
　　C类IP段　 192.0.0.0 到223.255.255.255

3.子网划分

现在需要让500台主机在同一个网段，则需要分配一个B类网段，例如：192.168.1.0/16
但一个B类网段有655534个可用IP地址，500个相对来说太少啦，浪费了网络资源，所以就诞生出了子网划分策略。

子网划分：借用主机位作子网位，划分出多个子网可用
等长子网划分：将一个网段等分成多个子网，每个子网的可用IP地址数量是一样的
变长子网划分：每个子网的可用IP地址数量是不一样的
子网划分工具：子网划分器

1.等长子网划分
划分子网分两步：
确认子网掩码
确认子网第一个可用地址和最后一个可用地址
本来有一个C类网段: 192.168.0.0/24
划分成两个子网后:
A子网: 192.168.0.0/25 子网掩码: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 共 126 个
B子网: 192.168.0.128/25 子网掩码: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 个

等分成两个子网：

等分成 4 个子网：

2.变长子网划分

子网划分实践

PC通信前会计算对方的网段，我们利用之前的方法计算一下
192.168.0.10 & 255.255.255.0--------192.168.0.0
198.168.10.10
& 255.255.0.0
192.168.0.0 所有网段相同，可以通信
不同通信，正确的计算方法是
198.168.10.10
& 255.255.255.0
192.168.10.0网段不相同，不能通信

4.超网-合并网段

子网掩码向左移动 2 位，可以合并 4 个网段：将 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24 合并为192.168.0.0/22 网段
假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），子网掩码左移 k 位能够将能够合并 n 个网段

假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），如果第一个网段的网络号能被 n 整除，那么由它开始连续的 n 个网段，能通过左移 k 位子网掩码进行合并。

第一个网段的网络号以二进制 0 结尾，那么由它开始连续的 2 个网段，能通过左移1位子网掩码进行合并
第一个网段的网络号以二进制 00 结尾，那么由它开始连续的 4 个网段，能通过左移2位子网掩码进行合并
第一个网段的网络号以二进制 000 结尾，那么由它开始连续的 8 个网段，能通过左移3位子网掩码进行合并

判断一个网段是子网还是超网
首先看该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络？

A类子网掩码的位数是8（255.0.0.0）
B类子网掩码的位数是16（255.255.0.0）
C类子网掩码的位数是24（255.255.255.0）
如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码多，就是子网
如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码少，则是超网

例如：
判断 25.100.0.0/16 是子网还是超网：

根据 25 判断出这是个 A 类网络，默认子网掩码 8 位
由于该网段子网掩码 16 位，比默认多，所以是子网
判断 200.100.0.0/16 是子网还是超网：

根据 200 判断出这是个 C 类网络，默认子网掩码 24 位
由于该网段子网掩码 16 位，比默认少，所以是超网

5.网络常见概念

1.网络分类（局域网、城域网、广域网）

2.常见接口（FastEthernet、GigabitEthernet、Serial）
FastEthernet —— 快速以太网接口（100M）
GigabitEthernet —— 千兆以太网接口（1000M）
Serial —— 串行接口

3.公网IP、私网IP
IP地址也分为：公网IP、私网IP

公网IP（Public）
Internet 上的路由器中只有到达公网的路由表，没有到达私网的路由表
公网IP 由因特网信息中心（Internet Network Information Cetner, Inter NIC ）统一分配和管理
ISP 需要向 Inter NIC 申请 公网IP

私网IP（Private）主要用于局域网。下面是保留的私网网段
A类：10.0.0.0/8，1个A类网络
B类：172.16.0.0/16 ~ 172.31.0.0/16，16个B类网络
C类：192.168.0.0/24 ~ 192.168.255.0/24，256个C类网络

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