计算机简介

1、什么是IP地址？

1. IP地址是什么？

IP 地址是互联网协议特有的一种地址，它是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

2、那么，我们为什么要使用 IP 地址呢？

在单个局域网网段中，计算机与计算机之间可以使用网络访问层提供的 MAC 地址进行通信。如果在路由式网络中，计算机之间进行通信就不能利用 MAC 地址实现数据传输了：因为 MAC 地址不能跨路由接口运行；即使强行实现跨越，使用 MAC 地址传输数据也是非常麻烦的。

这是由于内置在网卡里的固定 MAC 地址不能在地址空间上引入逻辑结构，使其无法具备真正的地址来表示国家、省、市、区、街道、路、号这类层次。因此，要进行数据传输，必须使用一种逻辑化、层次化的寻址方案对网络进行组织，这就是 IP 地址。

3、IP地址表示

IP地址表示

IP地址是长度是32 bit，由4个字节组成。为了阅读和书写方便，IP地址通常采用点分十进制数来表示。

点分十进制表示法

IP地址表现形式能够帮助我们更好的使用和配置网络，但通信设备在对IP地址进行计算时使用的是二进制的操作方式，因此掌握十进制、二进制的转换运算非常有必要。

IPv4地址范围

00000000.00000000.00000000.00000000~11111111.11111111.11111111.11111111，即0.0.0.0~255.255.255.255。

4、ip地址格式

IPv4地址由如下两部分组成：

网络部分 (网络号)：用来标识一个网络。

IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息，只能通过网络号码字段判断出主机属于哪个网络。

对于网络号相同的设备，无论实际所处的物理位置如何，它们都是处在同一个网络中。

主机部分 (主机号)：用来区分一个网络内的不同主机。

网络掩码 (Netmask)，又称子网掩码 (Subnet Mask):

网络掩码为32 bit，与IP地址的位数一样，通常也以点分十进制数来表示。

网络掩码不是一个IP地址，在二进制的表示上是一堆连续的1、后面接一堆连续的0。

通常将网络掩码中1的个数称为这个网络掩码的长度。如：掩码0.0.0.0的长度是0，掩码252.0.0.0的长度是6。

网络掩码一般与IP地址结合使用，其中值为1的比特对应IP地址中的网络位；值为0的比特对应IP地址中的主机位，以此来辅助我们识别一个IP地址中的网络位与主机位。即网络掩码中1的个数就是IP地址的网络号的位数，0的个数就是IP地址的主机号的位数。

5、IP地址分类

为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类：

A、B、C、D、E类的类别字段分别是二进制数0、10、110、1110、1111，通过网络号码字段的前几个比特就可以判断IP地址属于哪一类，这是区分各类地址最简单的方法。

A、B、C三类地址是单播IP地址 (除一些特殊地址外)，只有这三类地址才能分配给主机接口使用。

D类地址属于组播IP地址。

E类地址专门用于特殊的实验目的。

本节内容，只关注A、B、C三类地址。

A、B、C类地址比较：

使用A类地址的网络称为A类网络；使用B类地址的网络称为B类网络；使用C类地址的网络称为C类网络。

A类网络的网络号为8 bit，个数很少，但所允许的主机接口的个数很多；首位恒定为0，地址空间为：0.0.0.0~127.255.255.255。

B类网络的网络号为16 bit，介于A类和C类网络之间；首两位恒定为10，地址空间为：128.0.0.0~191.255.255.255。

C类网络的网络号为24 bit，个数很多，但所允许的主机接口的个数就很少；首三位恒定为110，地址空间为：192.0.0.0~223.255.255.255。

注：

主机 (Host)，通常指路由器和计算机的统称。并且常把主机的某个接口的IP地址简称为主机IP地址。

组播地址：组播能实现一对多传递消息。

特殊的IP地址

公网IP地址：IP地址是由IANA统一分配的，以保证任何一个IP地址在Internet上的唯一性。这里的IP地址是指公网IP地址。

私网IP地址：实际上一些网络不需要连接到Internet，比如一个大学的封闭实验室内的网络，只要同一网络中的网络设备的IP地址不冲突即可。

• 子网划分

1、需要划分成多少个网络（子网）？

假如要划分4个网络，则2X=4，X=2、要划分8个网络，则2X=8，X=3，现在知道为什么要先搞懂2的幂了吧，这里X就是=2的幂值。

那么X代表什么意思呢？X就是取值多少位1，如11000000，就是借2位，即X=2，反推知道一个字节（8位）如果为11000000，则表示可以划分4个网络（22=4）；如果为11110000，则表示借4位，可以划分16个网络（24=16）。

2、每个网络需要多少个IP？

计算公式：2y-2，y代表取值多少位0，如11111000，代表取值3位0，即y=3,得出23=8-2=6，即每个网络可用的IP数量是6个。

3、有哪些子网网络（块大小）？

计算公式：256-子网掩码。假如子网掩码为255.255.255.192，则块大小为256-192=64，即块大小为64。从0开始以64为基数不断递增，直到达到子网掩码值，中间的结果即为子网，本例中子网即0、64、128、192。

4、每个子网的子网号和广播地址是多少？

子网号很简单，即子网块值，如掩码为192，则子网块为256-192=64，得出子网为0、64、128、192，即子网号为0、64、128、192。再如掩码为128，则子网为128，则子网好0、128。

广播地址也很简单，总是下一个子网前面的数。如子网号为0、64、128、192、则广播地址为63、127、191。再如子网号为0、128，则广播地址为127.

看到这里大家知道为啥在计算每个网络可用的IP数时，公式里要-2吗？这是因为每个子网号（子网号也是一个IP地址）和广播地址是不能配给主机用的。

5、每个子网的可用（合法）的主机地址是哪些？

规则就是除去每个每个子网的子网号、广播地址，剩下的就是可用的主机地址，如子网号为0、64、128、192，则可用的主机地址为1-62、65-126、129-190，因为0是子网地址，63是广播地址，同样128、192是子网地址，127、191是广播地址。

• TCP/IP协议

1、什么是TCP/IP？

顾名思义 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol),传输控制协议/网际协议,TCP/IP是现代Internet的核心技术,由IETF定义。所有的系统、终端、线路、用户、开发者，都必须遵守TCP/IP协议族所规定的法则！IP世界的根本法就是TCP/IP协议族。这里我又扯到协议族了,就像快乐家族,不仅仅我们很熟悉的何炅、谢娜。不仅包括主持人,还有导演、摄像等等其他工作人员。TCP/IP也就像一个组，协议族。其中还包括HTTP、Telnet、FTP、RIP、UDP等等。其名字来源于其中最主要的两个协议-------TCP与IP。它们分别在TCP/IP模型的第二层与第三层。

2、TCP/IP参考模型

IP世界是由通信实体过程的，而通信实体，是要分层的。分层的好处在于：

1、各层之间是独立的。

2、灵活性好。

3、结构上可分割开。

4、易于实现和维护。

5、能促进标准化工作。

所以通信实体必须分出层次，以保证各种网络技术能和谐地共存和良好地配合，并不断激励技术创新。所以在1984年,国际标准化组织(ISO)建立了一套非常抽象的分层结构，这就是著名的ISO/OSI(国际标准化组织的开发网络架构),这对我们分析网络通信是非常有帮助的。

对比ISO/OSI的七层结构,读者会奇怪了:怎么没有表示层和会话层了呢?的确,在TCP/IP参考模型中这两层并不是必需的。其中还有个四层模型的说法数据链路层与物理层表示成网络接口层。TCP\IP体系结构最核心的部分就是上面三层:应用层、传输层、网络层。

(1)网络接口层:TCP/IP并没有严格定义该层,它只是要求能够提供给其上层-----网络层的一个访问接口,以便在其上传递IP分组。由于这一层次未被定义,所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。以太网是IP通信中数据链路层最常见的形式,除此之外还有PPP、HDLC等10Gbit/s以下的以太网一般应用于局域网,而PPP、HDLC则应用于广域网居多。

(2)网络层:俗称IP层,它处理机器之间的通信。IP是一个不可靠的、无连接协议,它接收来自传输层的请求,传输某个具有目的地址信息的分组。IP负责给互联网的每一台计算机或者终端分配一个地址,并将信息以IP包的形式传送到正确的目的地。这是TCP/IP的核心。IP协议族中最关键的是路由协议。

(3)传输层:传输层控制协议(TCP)与用户数据报协议(UDP)是该层的重要协议。TCP是一个面向连接的,可靠地协议。它将一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他主机。在发送端,它负责把上层传送下来的字节流分成报文段并传递给下层。在接收端,它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。TCP还要处理端到端的流量控制(滑动窗口机制)。UDP则是一个不靠谱,无连接的协议,主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。(比如在信息传输中像重要文档与短信等等适用于TCP而视频传输可使用UDP)。

3、TCP的三次握手和四次挥手

TCP的连接和建立都是采用客户端服务器方式。主动发起连接建立的进程叫做客户端(Client)。被动等待连接建立的叫做服务器(Server)。

建立TCP连接需要三次握手如图

第一次握手:Client(主机A)想Server(主机B)发送一个连接请求,在这个包中标志位SYN=1,发送序号SEQ=x,上图中令x=200,Client进入SYN_SEND状态,等待Server确认。

第二次握手:Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,确认序号ACK=x+1=201,随机阐释一个发送序号y,令y=500。并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手:Client收到去人后,检查确认序号ACK是否为x+1=201;标志位ACK是否为1,如果正确,则将标志位ACK置1,确认序号ACK=y+1=501,并将该数据包发送给Server,Server检查确认需号ACK是否为y+1=501,标志位是否为1,如果正确则 连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态。

形象地来理解,加入客户端是小明,服务器是小红,小明寄了一份邮件给小红邮件的标号就是SEQ,SYN就是短信里面小明想处对象的意图。小红收到后,也寄了信给小明,SEQ同样是小红邮件的编号,ACK=SEQ+1就是表面自己已经收到小明前一份信息,ACK标志位置1表明小红同意了小明处对象的请求,SYN也表示小红有相处对象的意图。于是同理小明就开始寄信说我要开始追你了。然后两人开始聊起未来······。三次握手走向未来~~~~~~！所以男生还是要主动点。

断开TCP连接的四次挥

第一次挥手:当客户端A要断开TCP连接时,发送一个包,其中标志位FIN=1,ACK=1,发送序号SEQ=X,确认序号ACK=Z,Client进入FIN_WAIT状态。

第二次挥手:客户B知道A要断开后,发送一个确认包,其中标志位ACK=1,发送序号SEQ=Z确认序号ACK=x+1,Server进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手:客户B也断开TCP连接,此时发送一个包,其中,标志位FIN=1,发送序号SEQ=Z+1

,Server进入LAST_ACK状态。

第四次挥手:客户A收到B的断开请求后,Client进入TIME_WAIT状态,接着发送一个确认包,标志位ACK=1,发送序号SEQ=x+1,确认序号ACK=Z+2,Server进入CLOSE状态。

同样举个栗子,就不拿小红和小明作比较了毕竟刚刚才进入热恋状态,接下来是小涛和小翠。男人有钱就变坏,小涛是个渣男,所以首先签了离婚协议书还有自己的一些证件(要求一个人小翠去办理)(ack),然后附带自己的分手信(seq)寄给小翠。ACK置1,FIN置1。小翠收到信件后,也二话没说,先回了一份信并且说明已经收到小涛的分手信且同意了(seq+1)然后也把证件先递过去(ack)。最后等待离婚证下来(ack+1)然后再把离婚证给小涛寄过去(ACK=1,FIN=1)。最后小涛还可耻的嘲笑了小翠一番(seq+1)ACK=1。

4、TCP/IP协议体系的常见术语

(1)包

包(Packet)是网络上传输的数据片段,也称为分组。包是一种统称,在不同的协议,不同层次,包有不同的名字,如TCP/IP中,数据链路层的包叫做帧(Frame),IP层的包称为IP数据报,TCP层的包常称为TCP报文等。大多数包都由包头和信息组成:包头常常包括源地址和目的地址、包的长度和类型指示符等。

(2)封装

不同设备的对等层之间依靠封装和解封装来实现相互间的通信。封装就像洗完澡光着身子穿衣服,解封装就像洗澡前脱衣服,脱了一层又一层直到脱光。TCP/IP也是一种计算机数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中,可以形象的理解为有两个信封,TCP和IP就像信封,要传递的信息被划分成若干段,每一段塞入一个TCP信封,并在上面记录分段信息,然后再塞入IP大信封里面。同理接收端一步一步拆开来并校验,若发现错误,TCP机制则会要求重发。因此,TCP/IP在互联网中几乎可以无差错地传送数据。

(3)数据段,数据包.数据帧

通信过程中,TCP/IP层与层之间有协议数据单元(Protocol Data Unit)来交换彼此的信息,确保网络设备之间能够通信。传输层在上层数据的基础上加上TCP报头得到的PDU叫做数据段(Segment),依次往下数据段传给网络层,并添加IP报头得到的PDU叫做数据包(Packet),数据包传给数据链路层添加报头得到的PDU称作数据帧(Frame)。最后Frame被转换为bit在物理层通过网络介质传播。

• 什么是VLAN？

VLAN（Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，是将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间可以直接通信，而VLAN间则不能直接互通。这样，广播报文就被限制在一个VLAN内。

1、为什么需要VLAN

早期以太网是一种基于CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的共享通讯介质的数据网络通讯技术。当主机数目较多时会导致冲突严重、广播泛滥、性能显著下降甚至造成网络不可用等问题。通过二层设备实现LAN互连虽然可以解决冲突严重的问题，但仍然不能隔离广播报文和提升网络质量。

在这种情况下出现了VLAN技术。这种技术可以把一个LAN划分成多个逻辑的VLAN，每个VLAN是一个广播域，VLAN内的主机间通信就和在一个LAN内一样，而VLAN间则不能直接互通，广播报文就被限制在一个VLAN内。如下图所示。

VLAN的作用

因此，VLAN具备以下优点：

• 限制广播域：广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，提高了网络处理能力。
• 增强局域网的安全性：不同VLAN内的报文在传输时相互隔离，即一个VLAN内的用户不能和其它VLAN内的用户直接通信。
• 提高了网络的健壮性：故障被限制在一个VLAN内，本VLAN内的故障不会影响其他VLAN的正常工作。
• 灵活构建虚拟工作组：用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组，同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，网络构建和维护更方便灵活。

2、VLAN vs 子网

通过将IP地址的网络部分进一步划分为若干个子网，可以解决IP地址空间利用率低和两级IP地址不够灵活的问题。

与VLAN相类似的是，子网也可以隔离主机间的通信。属于不同VLAN的主机之间不能直接通信，属于不同的子网的主机之间也不能直接通信。但二者没有必然的对应关系。

3、VLAN的接口类型和VLAN标签的处理机制

现网中属于同一个VLAN的用户可能会被连接在不同的交换机上，且跨越交换机的VLAN可能不止一个，如果需要用户间的互通，就需要交换机间的接口能够同时识别和发送多个VLAN的数据帧。根据接口连接对象以及对收发数据帧处理的不同，当前有VLAN的多种接口类型，以适应不同的连接和组网。

不同厂商对VLAN接口类型的定义可能不同。对于华为设备来说，常见的VLAN接口类型有三种，包括：Access、Trunk和Hybrid。

Access接口

Access接口一般用于和不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）相连，或者不需要区分不同VLAN成员时使用。

在一个VLAN交换网络中，以太网数据帧主要有以下两种形式：

• 无标记帧（Untagged帧）：原始的、未加入4字节VLAN标签的帧。
• 有标记帧（Tagged帧）：加入了4字节VLAN标签的帧。

Access接口大部分情况只能收发Untagged帧，且只能为Untagged帧添加唯一VLAN的Tag。交换机内部只处理Tagged帧，所以Access接口需要给收到的数据帧添加VLAN Tag，也就必须配置缺省VLAN。配置缺省VLAN后，该Access接口也就加入了该VLAN。

当Access接口收到带有Tag的帧，并且帧中VID与PVID相同时，Access接口也能接收并处理该帧。

在发送带有Tag的帧前，Access接口会剥离Tag。

Trunk接口

Trunk接口一般用于连接交换机、路由器、AP以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，但只允许属于缺省VLAN的帧从该类接口上发出时不带Tag（即剥除Tag）。

Trunk接口上的缺省VLAN，有的厂商也将它定义为native VLAN。当Trunk接口收到Untagged帧时，会为Untagged帧打上Native VLAN对应的Tag。

Hybrid接口

Hybrid接口既可以用于连接不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）和网络设备（如Hub），也可以用于连接交换机、路由器以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端、AP。它可以允许多个VLAN的帧带Tag通过，且允许从该类接口发出的帧根据需要配置某些VLAN的帧带Tag（即不剥除Tag）、某些VLAN的帧不带Tag（即剥除Tag）。

Hybrid接口和Trunk接口在很多应用场景下可以通用，但在某些应用场景下，必须使用Hybrid接口。比如在灵活QinQ中，服务提供商网络的多个VLAN的报文在进入用户网络前，需要剥离外层VLAN Tag，此时Trunk接口不能实现该功能，因为Trunk接口只能使该接口缺省VLAN的报文不带VLAN Tag通过。

4、VLAN的使用场景

VLAN的常见使用场景包括：VLAN间用户的二层隔离，VLAN间用户的三层互访。

VLAN间用户的二层隔离

如下图所示，某商务楼内有多家公司，为了降低成本，多家公司共用网络资源，各公司分别连接到一台二层交换机的不同接口，并通过统一的出口访问Internet。

基于接口的VLAN划分组网图

为了保证各公司业务的独立和安全，可将每个公司所连接的接口划分到不同的VLAN，实现公司间业务数据的完全隔离。可以认为每个公司拥有独立的“虚拟路由器”，每个VLAN就是一个“虚拟工作组”。

再比如，某公司有两个部门，分别分配了固定的IP网段。为加强员工间的学习与交流，员工的位置有时会相互调动，但公司希望各部门员工访问的网络资源的权限不变。

基于IP的VLAN划分组网图

为了保证部门内员工的位置调整后，访问网络资源的权限不变，可在公司的交换机Switch_1上配置基于IP子网划分VLAN。这样，服务器的不同网段就划分到不同的VLAN，访问服务器不同应用服务的数据流就会隔离，提高了安全性。

VLAN间用户的三层互访

如下图所示，某小型公司的两个部门分别通过二层交换机接入到一台三层交换机Switch_3，所属VLAN分别为VLAN2和VLAN3，部门1和部门2的用户互通时，需要经过三层交换机。

通过VLANIF实现VLAN间用户的三层互访

可在Switch_1和Switch_2上划分VLAN并将VLAN透传到Switch_3上，然后在Switch_3上为每个VLAN配置一个VLANIF接口，实现VLAN2和VLAN3间的路由。