网络工程Datacom-HCIA
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原文位于：https://atmujie.com
这是我学完HCIA写的笔记
网络工程 Datacom-HCIA
先放张协议地图
网工说白了，学的就是这些东西
网络模型
目前普遍使用的是由阿帕网演化的TCP/IP四层模型，用于学习的是ISO组织推出的OSI七层模型
| OSI | TCP/IP | 作用 |
|---|---|---|
| 应用层 | 就是应用 | |
| 表示层 | 应用层 | 对应用层产生的数据进行编译或者解码 |
| 会话层 | 建立连接-维持连接-断开连接 | |
| 传输层 | 传输层/运输层 | 确定端口号=port ；实现数据具体的传输方式 |
| 网络层 | 网际层 | ip寻址 |
| 数据链路层 | 网络接口层 | 定位mac地址，数据校验 |
| 物理层 | 连接设备，发送电信号 |
数据的传输形式
第一代：电路交换：共同维护逻辑的一条链路-仅仅供两端设备之间访问，如果链路未释放，其他终端仍然无法使用链路
第二代：报文交换：在传输数据外面，添加发送者的信息，以实现报文的精确转发。
第三代：分组转发：将每个数据的大小进行定义，按照相同大小数据进行转发
现在使用的是分组转发技术
物理层
物理层的单位是：比特 —— byte
网线规格
从最初到现在，一共出现过9种网线规格，现在仍在使用的网线从五类网线开始（包括五类）
1、一类：早期的电话线缆–2芯–56Kb
2、二类：可以传输语音-数据接收4芯-4兆
3、三类：4芯—10兆
4、四类：8芯—16兆
5、五类：增加了绝缘层—100M
6、超五类：增加了屏蔽层—250M–1000M
7、六类：中间加入塑料十字架–1G
8、超六类：增加屏蔽层–1G
9、七类：用于万兆网络—都是屏蔽双绞线—10G
网络制作规格
网线制作两种规格：
568A:白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕
568B：白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕
现在常用568B规格
光纤
| 单模光纤 | 多模光纤 |
|---|---|
| 玻璃丝-细 | 玻璃丝-粗 |
| 光信号损耗小 | 信号损耗大 |
| 传输距离远 | 传输距离近 |
| 成本开销高（需要激光信号发射） | 成本开销低 |
| 适合数据中心 | 适合企业网 |
解决冲突域
在物理层发送数据时，如果有两个使用同一网线的设备同时发送数据，就会产生冲突
这个范围叫做冲突域
解决冲突域使用CMSS/CD协议
CSMA/CD：载波侦听多路访问/冲突检测
特点：
- 1、先听后发
- 2、边发边听
- 3、冲突停发
- 4、停发后随机延时 2ms-216ms 再发（根据带宽进行计算）
数据链路层
数据链路层的单位是：帧
以太网数据帧的结构
以太网数据帧有两种结构，分别是IEEE 802.3,简称802.3和Ethernet 2,简称E2
早期还有Novell(诺威尔软件公司)的IPX/SPX和IBM(蓝色巨人)的SNA,现在均已经淘汰
E 2
报头长度18B
E2的数据报文结构如上，由 目的MAC[D.MAC] ，源MAC[S.MAC]，类型[Type]和帧尾的FCS(帧校验序列)组成
TYPE: 类型 作用是标识上层(网络层)的协议
- IPV4 : 0x0800
- ARP：0x0806
FCS： 帧校验序列 通过 CRC[循环冗余校验算法] 判断数据有没有在传输过程种发生错误
IEEE 802.3
报头长度：26B
802.3结构如上所示，802.3将E2中的Type改为Length、LLC、SNAP三个字段
Length: 表示该帧携带了多长的数据，值为数据长度
LLC: 逻辑链路控制
- D.SAP： 目标服务（接收方网络层应该使用什么协议处理）
- S.SAP： 发送者使用的服务（发送方网络层使用的协议）
- control：控制器，迄今为止没有开发出来
SNAP：子网络接入服务点，用于标识私有路由技术（协议）
- org code：标识私有路由协议研发者
- Type/PID：标识这个私有路由协议的名称
总结：E2承载开放协议，802.3既可以承载开放协议，也可以承载私有协议。
上层协议对链路层帧结构的判断方法
Length/Type > 1536(0x0600) E2
Lenght/Type < 1500(0x05DC) 802.3
由于E2结构中Type字段表示上层所用的协议类型，所以值一定大于数据包最大长度，即大于1536
而802.3结构中Length字段表示携带数据的长度，所以值一定小于数据包最大长度，即小于1500
Length和Tpye都在数据帧第12B到14B，所以上层只需要检查第12B到14B的值，就可以知道数据链路层使用的帧结构
数据泛洪传输
在二层网络中(交换机网络)，数据均以在广播域中泛洪的方式传输
比如有设备PC1、PC2、PC3、PC4在同一广播域
当PC1发送数据给PC2时，并不是仅仅发送给PC2，而是同时发送给PC2、PC3、PC4，这就是数据泛洪
当设备接收到一个数据包，会先判断是不是发送给自己的，是则接收，否则丢弃
单播
单播是数据帧发送时，目的MAC为目标设备MAC，源MAC为发送者自己
所以有且只有一个发送者和一个接收者，是点到点
- 单播报文，目的MAC第8个bit(1B(字节)是8个bit)是0【看MAC地址第二个数字的二进制最后一位】
其他设备收到数据包，判断目的MAC是不是自己，是则接收，否则丢弃
组播
组播是发送时，源MAC是自己，目的MAC为使用IGMP协议生成的，可以代表组内MAC地址的虚拟MAC
所以有一个发送者和多个接收者，是点到多点
- 组播报文，目的MAC第8个bit是1
其他设备收到数据包，判断自己的MAC在不在组内，在则接收，否则丢弃
广播
广播报文源MAC是自己，目的MAC全为1：FF-FF-FF-FF-FF-FF
在广播域内的所有设备都直接接收广播报文
MAC地址的分配
MAC地址6B,24字节，前12字节由IEEE通过OUI向厂商发放购买
后12字节由厂商购买后自己决定
由此让每个设备的MAC唯一
网络层
IP报文结构
第一行主要对报头进行识别：
1、Version: 版本，标识使用IPV4或者IPV6
IPV4 = 0100
IPV6 = 0110
2、Header Length: 报头长度。表示IP报文的报头有多长，（20B-60B）
报头长度计算： 行数 * 4 = 报头长度（一行32bit,4字节） 如：5 * 4 = 20B ; 15 * 4 = 60B3、DS Field: 区分服务，结合QOS使用，属于IE的知识点
4、Total Length: IP报文总长度(报头+数据)
第二行主要对IP报文分片：
计算机的传输能力是有限的，所以规定每次发送的数据都不能超过最大传输单元，否则就要分成几段（片）发送，这就是IP报文的分片
MTU：最大传输单元，单位为字节
1、identification：标识报文id
分片是，同一个报文分出的所以数据包，这个值都相同
主要用于区分不同报文分片产生的数据包
2、Flags：标识数据是否接收完毕
当Flags为0时，表示这个数据包是某个报文分出的最后一个包，
此时网络层默认该报文全部接收完毕，开始重组分片
3、Fragment Offset：分片偏移。表示分片原本的位置
一个报文的最后一个分片会携带8B的ICMP协议数据
第三行主要标识控制信息：
1、Time to Live：老化时间/生存时间，简称TTL
每个数据包发送时，TTL均为255，每经过一台设备就减一，
当减到1时认为网络不可达，丢弃该数据包
2、portocol：协议，标识上层(传输层)使用的协议
ICMP协议portocol=1；TCP协议值为6；UDP协议值为17；OSPF协议值为89
3、Header Checksum：头部校验和，检查IP数据包报头有没有出错
第四行源IP地址，第五行目的IP地址，各占32bit
最后一行是扩展行，留待之后用，最少0B,最多40B
IP地址与IP地址分类
ip地址是以点分十进制表示的四组二进制数字
192.168.1.1 ==> 1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 0001
192 => 1100 0000
168 => 1010 1000
1 => 0000 0001
所以ip地址最小是0.0.0.0最大是255.255.255.255 (二进制：1111 1111 = 十进制：255)
IP地址分类
IP地址分为ABCDE五类，在网络中用到的只有ABC三类
A类地址必须是以0开头
0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 最小值：0.0.0.0
0111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 最大值：127.255.255.255
B类地址必须以10开头
1000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 最小值：128.0.0.0
1011 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 最大值: 191.255.255.255
C类地址必须以110开头
1100 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 最小值：192.0.0.0
1101 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 最大值：223.255.255.255
ABC三类地址是设备上可以配置的单播地址
D类地址必须以1110开头
1110 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 最小值：224.0.0.0
1110 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 最大值：239.255.255.255
D类地址用于组播地址，不作为单播地址使用
E类地址必须以1111开头
1111 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 . 0000 0000 最小值：240.0.0.0
1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 最大值：255.255.255.255
E类地址用于科研【科研阶段技术不成熟，使用ABC类会对正常网络产生影响，所以科研技术全部使用E类地址】
DE两类地址均不能作为正常IP地址使用
特殊IP地址
在分为五类的基础上，还有一些特殊地址，这些地址同样不能作为公网通信的IP使用
本地环回地址：
127.0.0.0 —— 127.255.255.255 这个网段（简称127网段）是环回地址
用于检查设备自己的TCP/IP协议栈有没有出现问题
默认地址/缺省地址/所有地址：
这三者都是在说0.0.0.0 这个地址，它可以代表所有IPV4地址
私网地址
IP地址最多只能分配47亿公网IP,不够全球使用，所以每个公网IP下都可以设置大量私网地址用于分配
公网地址需要购买才可以使用，私网地址可以随便设置
我们随身携带的设备一般都是私网地址，并非公网地址
A类IP私网网段：10.0.0.0 —— 10.255.255.255 【简称10网段】
B类IP私网网段：172.16.0.0 —— 172.31.255.255
C类IP私网网段：192.168.0.0 —— 192.168.255.255 【简称192.168网段】
B类私网地址不是一整个172网段属于历史遗留问题，RFC就是这样规定的
子网掩码与子网划分(VLSM)
子网掩码与IP地址对应
A类地址的默认子网掩码为255.0.0.0 即/8
B类地址的默认子网掩码为255.255.0.0 即 /16
C类地址的默认子网掩码为255.255.255.0 即 /24
一个完整的IP地址分网络位和主机位，子网掩码用于标识网络位
192.168.1.1/24
IP： 1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 0001
掩码：1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 0000 0000
二进制中掩码对应为1的叫做网络位，对应为0的叫做主机位
| 地址 | 网络位 | 主机位 | 地址范围 | 主机数量 |
|---|---|---|---|---|
| A | /8=255.0.0.0 | 24 | 1-126 | 16,777,216-2 |
| B | /16=255.255.0.0 | 16 | 128-191 | 65,536-2 |
| C | /24=255.255.255.0 | 8 | 192-223 | 256-2 |
网络位相同的IP地址属于同一网段
主机位特殊的IP地址
1、主机位全0，表示一个网段的所有地址，一般用来指代网段
2、主机位全1，是广播地址，由主机位全1的IP发送的数据，同网段内所有IP都可以收到
所以主机位全0和全1的地址不能用于设备单播
子网划分（VLSM）
VLSM：可变长子网掩码
顾名思义，子网掩码并非默认不变，而是可以增加或者减少
增减子网掩码位数后网段和主机数目会产生变化，顾称子网划分
[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-Rqk3VZLP-1675766909067)(image-20220804113034513.png)]
如上图，C类网络掩码+1，网络位从原来的24到25，主机位从8到7
网络位变成了x.x.x.0和x.x.x.1
111 1111 = 127,所以这个网段被重新划分为两个子网，每个子网有0-127，共128-2个可用地址(主机位全0或全1不可用于单播)
.0网段和.1网段网络位不同，是独立的网段，这就是子网划分
当掩码为32位时，只有网络位没有主机位，此时唯一标识一个主机 192.168.1.1/32
注：增加掩码是划分子网，减少掩码是划分超网
ICMP协议实现ping
ICMP报文在正常的数据通信中，出现在IP报文的最后一个分片的IP首部之后，是IP层协议，被网络层和传输层使用
ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
报文格式：
在ICMP协议中，8位类型Type和8位代码Code，决定ICMP报文类型
在ping测试中，发送方发送type/code= 8/0 (echo request) 回应请求报文
接收方收到后发送type/code=0/0 （echo reply） 回应应答报文
ICMP报文详情不是IA知识，放在之后解释，具体参考ICMP报文详解
传输层
传输层主要负责区分设备上的不同应用，主要有TCP协议和UDP协议
端口
网络层确定大体位置，链路层确定设备，但是一个设备中有许多的应用程序。
传输层通过划分端口，确定要将一个数据交给哪个应用。每个端口号只对应一个服务，一个服务可以占用多个端口
端口号总数：0-65535=65536
知名端口 0-1023 = 1024个
几乎每个设备都会用到的服务，会划分给知名端口
IA阶段需要了解的有：
TCP协议下的：
- HTTP协议 80 ；web服务
- HTTPS协议 443 ； 加密的web服务
- Tenlet协议 21 ； 远程连接
- SSH协议 22 ； 加密远程连接
- FTP协议 21/20 ； 文件传输
UDP协议下的：
- DNS协议 53 ； 域名解析
- DHCP协议 67/68 ；动态IP地址分配
使用到端口的协议都是应用层协议
高随机端口 1024-65535
类似qq，微信这种，常用但并非每个设备都必备的应用，在发送数据时，就会请求一个空闲高位的随机端口
情景举例：
-
A向B通过qq发送一条消息
-
A的qq端申请了一个空闲高位端口，以这个端口为源端口，发送数据给B的qq端
【在开发层面，每个应用启动时会监听一到多个固定端口，这个固定端口就是该应用的目的端口
，在关闭应用时，会释放监听的端口】
如果有两个应用目的端口一致，就会发生冲突，应用无法启动，直到一个应用退出
-
B的目的端口收到A传来的数据后，B的qq端申请一个高位随机端口，
以这个高位端口为源端口，A设备的高位端口为目的端口，发送确认报文并建立通信
-
通信结束后，A、B设备申请的高位端口被释放
TCP协议报文
TCP：传输控制协议，面向连接的协议；可靠传输；基于已经建立好的连接；主要用于传输大文件
传输的过程可概况为三次握手和四次挥手
三次握手
第一步：PC1发送SYN，表示我想跟你建立连接
第二步：PC2收到报文后，回复ACK进行确认同时发送SYN表示我也想跟你建立连接
第三步：PC1收到报文后，回复ACK进行确认
四次挥手
第一步：PC1数据发送完毕，发送FIN，表示我想跟你断开连接
第二步：PC2收到报文后，回复ACK进行确认
第三步：PC2数据接收完毕，发送FIN，表示我想跟你断开连接
第四步：PC1收到报文后，回复ACK进行确认
TCP协议报文字段解释
第一行是源端口和目的端口，源端口随机获取，目的端口是服务器或者另一个客户端的固定端口
第二、三行字段保证可靠性传输
-
Sequence number：序列号
TCP将每个字节的数据都进行了编号，序列号字段的值是该报文第一个字节的编号
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Acknowledge number：确认号
当接受方收到报文时，接受方会发送包含确认号的确认报文
如发送方发送序列号为1，长度100的报文，那么接受方的确认报文就是1+100=101，表示101之前的数据收到了，下一个报文应该从101开始
确认号 = 序列号 + 数据长度
第四行字段负责建立连接
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Header Length：报文首部长度
-
Resv. ： 保留位，目前无意义
-
六个标识位
URG：紧急指针是否有效
ACK：确认号是否有效
PSH：提示接收端应用程序立刻从缓冲区读走
RST：要求对方重新建立连接，携带RST的标识的报文称为复位报文段
SYN：请求建立连接，携带SYN标识的报文称为同步报文段
FIN：结束标识&