02_基本概念

一、网络互联模型

为了更好地促进互联网的研究和发展，国际标准组织ISO在1985年制定了网络互连模型：OSI参考模型，具有7层结构


Snip20200915_28.png
请求过程
Snip20200915_29.png

二、计算机之间的通信

计算机之间通信的基础

  • 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
  • 如果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
  • 如果网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层进行处理
关于ARP协议
  • 广播，在同一网段中传播
  • 在计算机第一次建立连接的时候，通过发广播的形式获取对方的MAC地址
  • 目标mac地址全为1（FFFF.FFFF.FFFF）时，代表广播地址

计算机之间的通信方式

1. 网线直接连接（使用的是交叉线）
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2. 同轴电缆（Coaxial）
  • 半双工通信
  • 容易冲突
  • 不安全
  • 中间断了，整个都瘫了

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3. 集线器（Hub）
  • 半双工通信
  • 容易冲突
  • 不安全
  • 和同轴电缆一样，没有智商
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4. 网桥（Bridge）
  • 能够通过自学习得知每个接口那侧的MAC地址

  • 从而起到隔绝冲突的作用
    当网桥已经记录目标mac地址，并且确定在源mac地址的同一侧时，而且另一组数据目标mac地址和源mac地址都在另一侧时，左侧和右侧可以同时发送数据
    例如：mac已经记录计算机6、计算机7、计算机3、计算机2的mac地址，此时如果计算机6给计算机7发送消息，计算机3给计算机2发送消息，他们可以同时发送


    Snip20200924_4.png
5. 交换机（Switch）
  • 相当于接口更多的网桥
  • 全双工通信
  • 比集线器安全

  • 但是，如果设备过多的话，ARP获取MAC地址阶段也会发送给所有设备，产生广播风暴；由于交换机连接的是同一网段的设备，ip地址会不够用


    Snip20200924_5.png
网线直连、同轴电缆、网桥、交换机的局限性
  • 连接的设备必须在同一网段
  • 连接的设备处在同一广播域
6. 路由器（Router）

计算机和其他计算机通信前，会先判断目标主机和自己是否在同一网段，在同一网段，则不需要由路由器进行转发，不在同一网段，交给路由器进行转发

路由器的作用：

  • 可以在不同网段之间转发数据
  • 隔绝广播域

路由器转发数据的过程
发数据之前，首先会判断目标主机的ip地址是否在同一网段

  • 在同一网段：发送ARP广播，通过交换机/集线器传递数据
  • 不在同一网段：通过路由器转发数据
    1. 给路由器的网关配置ip，给计算机配置网关ip
    2. 主机发送ARP广播获取网关的mac地址，并且传数据到网关
    3. 路由器会找到目标主机对应的网关，并发送ARP广播，获取目标主机的mac地址
    4. 网关将数据传给目标主机

三、MAC地址

简介
  • 每一个网卡都有一个6字节（48bit）的MAC地址
  • 全球唯一，固化在了网卡的ROM中，由IEEE802标准规定
    • 前3个字节：OUI，组织唯一标识符，由IEEE的注册管理机构分配给厂商
    • 后3个字节： 网络接口标识符，由厂商自行分配
  • OUI查询
表示格式
  • Windows：40-55-82-0A-8C-6D
  • Linux、Android、Mac、iOS：40:55:82:0A:8C:6D
  • Packer Tracer：4055.820A.8C6D
  • 当48位全为1时，代表广播地址
    FF:FF:FF:FF:FF:FF
MAC地址操作
  • 查看MAC地址：
    Windows：ipconfig /all
    unix：ifconfig
MAC地址的获取

当不知道对方主机的MAC地址时，可以通过发送ARP广播获取对方的MAC地址

  • 获取成功后，会缓存IP地址、MAC地址的映射信息，俗称：ARP缓存
  • 通过ARP广播获取的MAC地址，属于动态缓存，存储的时间比较短（默认是2分钟），过期了就自动删除
相关命令
  • arp -a [主机地址]：查询ARP缓存
  • arp -d [主机地址]：删除ARP缓存
  • arp -s 主机地址 MAC地址：增加一条缓存信息（静态缓存，存储时间较久，不同系统的存储时间不同）

四、IP地址

IP地址：互联网上的每一个主机都有一个IP地址

  • 最初是IPv4版本，32bit（4字节），2019年11月25日，全球的IP地址已经用完


    Snip20201014_13.png

  • 后面推出IPv6版本，128bit（16字节）

IP地址的组成

IP地址（Internet Protocol Address）由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）

  • 通过子网掩码可以得知网络ID、主机ID

  • 同一个网段的计算机，网络ID相同

  • 通过子网掩码可以计算出网络ID：子网掩码 & IP地址

  • 主机ID为全0，表示主机所在的网段；主机ID为全1，表示主机所在网段的全部主机（广播）

  • 可以尝试用ping给某个网段的全部主机发数据，如ping 192.168.1.255

  • 示例：

    1. IP地址：192.168.1.10 ，子网掩码：255.255.255.0 ，那么网络ID就是 192.168.1.10 & 255.255.255.0 ，即192.168.1.0，主机ID就是10。192.168.1..0网段共有 256 - 2个ip地址。
    2. IP地址：130.168.1.10，子网掩码：255.255.0.0，那么网络ID就是130.168.0.0，主机ID就是1.10；130.168.0.0网段共有 256 * 256 - 2个ip地址，130.168.0.0代表广播ip地址，130.168.255.255代表130.168.0.0这一网段内的所有IP地址
IP地址的分类

只有A、B、C类地址才能分配给主机

1. A类地址

默认子网掩码是255.0.0.0，主机ID占24bit，网络ID占8bit，网络ID以0开头


Snip20201014_16.png
  • 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，代表本机地址，因此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，因此每个A类网络能容纳的最大主机数是：256 * 256 * 256 - 2 = 2^24 - 2 = 16777214
2. B类地址

默认子网掩码是255.255.0.0，主机ID占16bit，网络ID占16bit，网络ID以10开头


Snip20201014_17.png
  • 网络ID
    可以分配给主机的第1部分取值范围是：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 = 2^16 - 2 = 65534
3. C类地址

默认子网掩码是255.255.255.0，主机ID占8bit，网络ID占24bit，网络ID以110开头


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  • 网络ID
    可以分配给主机的第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，因此每个C类网络能容纳的最大主机数是：256-2 = 254
4. D类地址

没有子网掩码，网络ID以1110开头，多播地址


Snip20201014_20.png

第1部分取值范围是：224～239

5. E类地址

网络ID以1111开头，保留为今后使用


Snip20201014_21.png

第1部分取值范围是：240～255

子网掩码的CIDR表示方法

CIDR：无类别域间路由
示例：

  • 192.168.1.100/24 ，代表子网掩码有24个1，也就是255.255.255.0
  • 123.210.100.200/16，代表子网掩码有16个1，也就是255.255.0.0

计算工具：https://www.sojson.com/convert/subnetmask.html

五、子网划分

为什么要进行子网划分
  • 如果需要让200台主机在同一网段内
    可以分配一个C类网段，比如192.168.1.0/24，共254个可用的IP地址：192.168.1.1～192.168.1.254，多出54个空闲的IP地址，这种情况并不算浪费资源
  • 如果需要让500台主机在同一网段内
    那就分配一个B类网段，比如191.100.0.0/16，共65534个可用的IP地址：191.100.0.1～191.100.255.254，多出65034个空闲的IP地址，这种情况属于极大的浪费资源

那么如何避免浪费IP地址资源？
合理的进行子网划分

子网划分

借用 主机位作子网位，划分出多个子网

  • 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地址数量可以是不一样的

子网划分器：http://www.ab126.com/web/3552.html

1. 等长子网划分
等分成2个子网
Snip20201014_22.png
  • A子网
    网段：192.168.0.0/25
    子网掩码：255.255.255.128/25
    主机可用IP地址：192.168.0.1～192.168.0.126
  • B子网
    网段：192.168.0.128
    子网掩码：255.255.255.128/25
    主机可用IP地址：192.168.0.129～192.168.0.254
等分成4个子网
Snip20201015_1.png
  • 4个子网的子网掩码都是：255.255.255.192/26
  • A子网的主机可用IP地址：192.168.0.1～192.168.0.62
  • B子网的主机可用IP地址：192.168.0.65～192.168.0.126
  • C子网的主机可用IP地址：192.168.0.129～192.168.0.190
  • D子网的主机可用IP地址：192.168.0.193～192.168.0.254
等分成8个子网
Snip20201015_3.png
  • 8个子网的子网掩码都是：255.255.255.224/27
  • A子网的主机可用IP地址：192.168.0.1～192.168.0.30
  • B子网的主机可用IP地址：192.168.0.33～192.168.0.62
  • C子网的主机可用IP地址：192.168.0.65～192.168.0.94
  • D子网的主机可用IP地址：192.168.0.97～192.168.0.126
  • E子网的主机可用IP地址：192.168.0.129～192.168.0.158
  • F子网的主机可用IP地址：192.168.0.161～192.168.0.190
  • G子网的主机可用IP地址：192.168.0.193～192.168.0.222
  • H子网的主机可用IP地址：192.168.0.225～192.168.0.254
B类子网划分
Snip20201015_4.png
A类子网划分
Snip20201015_5.png
等分成4个子网的广播地址
Snip20201015_2.png
2. 变长子网划分

如果一个子网地址块的长度是原网段的(1/2)^n，那么

  • 子网的子网掩码，就是在原网段的子网掩码基础上增加n个1

  • 不等长的子网，它们的子网掩码也不同


    Snip20201015_6.png

假设上图是对192.168.0.0/24进行变长子网划分
C网段：子网掩码是255.255.255.128/25
B网段：子网掩码是255.255.255.192/26
A网段：子网掩码是255.255.255.224/27
D网段：子网掩码是255.255.255.252/30
E网段：子网掩码是255.255.255.252/30

思考题

这2台设备能正常通信么？

Snip20201015_7.png

答案：不能
解析：当一台主机给另外一台计算机发消息的时候，要判断另外一台计算机和自己是否在同一网段，即利用自己的子网掩码和另外一台计算机的ip地址进行&操作

  • 当计算机0给计算机1发送消息时
    计算机0的网段：192.168.0.10 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
    计算机1的网段：192.168.10.10 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0
    得知计算机1和自己并不在同一网段，因此不能直接通信

  • 当计算机1给计算机0发送消息时
    计算机1的网段：192.168.10.10 & 255.255.0.0 = 192.168.0.0
    计算机0的网段：192.168.0.10 & 255.255.0.0 = 192.168.0.0
    得知计算机0和自己在同一网段，可以给计算机0发送消息，但是计算机0在给计算机1回复消息的时候，发现计算机1和自己不在同一网段，不能回复消息，因此也无法正常通信

六、超网

跟子网反过来，它是将多个连续的网段合并成一个更大的网段

1. 合并两个网段

需求：原本有200台计算机使用192.168.0.0/24网段，现在希望增加200台设备到同一网段

  • 200台在192.168.0.0/24网段，200台在192.168.0.0/23网段

  • 合并192.168.0.0/24、192.168.1.0/24为一个网段：192.168.0.0/23（子网掩码往左移动1位）


    Snip20201015_8.png
思考

192.168.0.255/23这个IP地址，可以分配给计算机使用么？
答：可以

解析：

Snip20201015_9.png

192.168.0.255/23，主机部分2进制值为011111111，不是全0（网段），也不是全1（广播），因此可以分配给计算机使用
另，广播ip地址为192.168.1.255，不能给计算机使用

2. 合并4个网段

子网掩码向左移动2位，可以合并4个网段


Snip20201015_10.png

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

思考

下面2个网段，能通过子网掩码向左移动1位进行合并么？
答：不可以


Snip20201015_11.png
合并网段的规律

  1. 假设n时2的k次幂（k>=1），子网掩码左移k位能够合并n个网段


    Snip20201015_12.png

  2. 假设n时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，能够通过左移k位子网掩码进行合并
    例如：

  • 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

  1. 判断该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络，默认情况下，A类网络子网掩码的位数是8，B类网络子网掩码的位数是16，C类网络子网掩码的位数是24
  2. 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

25.100.0.1/16是一个A类子网
200.100.0.1/16是一个C类超网

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