【笔记】网络原理1 - 集线器，交换机，网关，路由器

1. 一些零散的知识记录

  • OSI 七层模型：应表会传网数物
  • TCP/IP 五层模型：应传网数物
  • TCP/IP 四层模型：应传网+网络接口
  • 特定格式，在常用五层模型里面
    • 物 -> 电信号（Bits,比特流，有一些类似时钟信号的数据流传输）；
    • 数据链路 -> MAC地址（Frames,帧）；PPP（路由器之间）协议，CSMA/CD（hub,设备间）协议；
    • 网络 -> IP，ICMP（Packets,包）；
    • 传输 -> 端口（Segments,段）;
    • (应+表+会) -> 共同组成用户数据（报文，用户数据 PDU）；
  • 每一层的主要协议
    • 应->http,https,DNS,TELNET,FTP..;
    • 传->TCP,UDP..;
    • 网->IP，ARP;
    • 数据->IEEE802.11,以太网;
    • 物->电信号，光纤信号，比特流，时钟一类..;
  • 常用端口号：
    • HTTP 80 TCP
    • DNS 53 TCP UDP
    • HTTPS 443 TCP
    • SMB 445 TCP
    • TELNET 23 TCP
    • FTP 20/21 TCP
  • 端口：服务器和客户端之间数据交换的窗口。
  • 访问服务器资源：
    • http://IP address: port number/project/subproject
    • http://ip 地址：端口号/资源路径
    • http://127.0.0.1：8080/资源路径 -> 127.0.0.1 主机本身
    • http://localhost:8080/资源路径 -> localhost 主机本身
    • Cisco Packet Tracer,计算机网络仿真软件

2. ARP协议

  • ARP:
    • 通信靠IP是因为好记，但是还需要mac地址来保证通信是正确的。
    • 在两个设备第一次连接的时候其实只知道对方IP,不知道对方的MAC地址,这时候就需要ARP协议来**广播,让同一个网段**中的所有设备都回复自己是不是请求的目的ip。目的ip就会回复它自己的mac地址了。
    • ARP广播包的时候会看到的目标MAC地址是 FFFF.FFFF.FFFF，代表谁都能接收，那就是一个广播。
    • ARP连接成功之后，以后就不会再广播来获取mac地址了（mac地址已经被记住了，不会再继续使用ARP协议），开始使用ICMP或者IP通信了。
    • 如图，一次完整的ARP需要经历三个包：计算机0广播（组包），计算机1回复（请求连接），计算机0响应。

3. Hub和Hub机制

  • Hub没有存储，存不了IP和mac
  • 如下过程：第一次计算机0发送ARP广播给下挂的所有计算机，过hub时会把消息同时给到计算机1和2,计算机1因为查找的不是它所以拒绝了；第二次计算机2回复时过hubhub因为其特性又把给消息同时给了计算机1和计算机0,计算机1因为不匹配再次拒绝。所以整个过程出现了很多ARP包而且计算机1拒绝了2次。
  • 因为hub没有筛选，只能无脑群发，所以就算是已知了ip和mac的ICMP协议和PDU也会再次转发给计算机1，然后计算机1拒绝。
  • 集线器的特性可以用来查找网络里面一共有多少个设备的mac地址。
  • 集线器设备越多，效率就会越低。

4. 网桥Bridge

  • 相比于hub，网桥可以通过自学习得知每个接口（左侧，右侧）侧的mac 地址。
  • 网桥有一个mac表，在已经记录下的mac地址中（学习的过程就逐步的记录mac地址，增加效率），可以排除不在同一侧的mac地址，增加效率。
  • 网桥在记录的很完整的前提下，可以隔离网桥左边和右边接口的冲突域，实现隔离干扰。
  • 网桥的缺点就是接口太少，而且冲突域内部的问题解决不了。

5. 交换机

  • 交换机是具有更多接口的网桥
  • 交换机全双工通信
  • 二层交换机没有IP层，只能在同一个网段之间转发数据。现在市面上已经由三层交换机了。
  • 如图，如果交换机把每个接口的mac地址都学习完了，那么就可以端到端通信了。
  • 在局域网内，交换机就是数据交换的最终解决方案。
  • 交换机不会把数据包群发给其他不必要的设备，就没有被其他设备抓包的风险，这一点就比hub安全很多。
  • 交换机的缺点：交换机的要求是所有设备在同一网段，局域网可以满足。如果在互联网上,IP地址则会显得不够用。另外一方面互联上设备太多，如果全球广播则是灾难，同一时间的全球广播更会造成不可避免的堵塞。

6. 路由器

  • 在不同网段之间转发数据
  • 隔离广播域，路由器会把第一次ARP的包给隔离了（但是路由器上的网关会通过ARP协议）。
  • 交换机+路由器：把同一网段的设备搞一起，不同网段的域由路由器连。
  • 主机发数据之前，首先会判断目标主机的IP地址是否和它在同一个网段:
    • 如果在同一个网络->ARP(ARP只能在同一个网段中传播)；
    • 如果不在同一个网段->需要通过网关（路由器提供）->路由器通过跨网段功能传给目标。
  • 通信的两边，路由器一进一出需要两个网关，一个网关负责一边的网段。在路由器内部进行转换。

7. 路由器配置

  • 网关 1（fa0/0）配置左边的ip段，约定俗成 ip为.1 结尾。子网掩码255.255.255.0
  • 网关 2(fa1/0)配置右边的ip段，约定俗成 ip为.1 结尾。子网掩码255.255.255.0
  • ARP 的广播域过不了路由器
  • 为什么要把路由器的网关IP配置在设备的默认网关上？因为第一次连接的时候，不配置的话设备根本不认识目标网关的ip是哪个。
  • 虽然路由器不能过广播域，但是第一次连接的时候，设备还是广播给路由器，为的是获取默认网关的mac地址。同一网段内的网关本身就是在同一网段内的一个设备，设备和网关之间通信还是需要ip+mac。
  • 路由器网关把自己变成了局域网中的一个设备。路由器处理两个网关之间的数据交互。
  • 生活中没有手动配置网关是因为用到了DHCP。

8. MAC地址

  • 在 ipconfig 里面,MAC地址又可以叫做物理地址（Physical Address）
  • 如果目标MAC地址不是按照正常格式，而是 ffff.ffff.ffff, 这表示一个广播地址。
  • 虽然MAC地址是全球唯一的，网卡硬件不可更改，但是可以在电脑里模拟一个假的的MAC地址骗过协议，更改方法如下图：
  • 当我们不知道对方MAC地址的时候，可以通过ARP广播来获取。
  • ARP广播获取mac地址的过程属于动态缓存，存储时间较短，过期了缓存就没有了，需要重新获取
  • 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arp静态缓存，存储时间比默认的动态缓存长很多。

9. IP地址（IPv4），子网掩码，网段，主机ID

  • IP 地址有两部分组成：网络标识（网段）(192.168.x.)、主机标识(.x)
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    网段的计算（将子网掩码和 IP 按位与运算）：
    如 
    192.168.1.10 -> 1100 0000.1010 1000.0000 0001.000 1010
    255.255.255.0 -> 1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000 
    按位&操作：
    -> 1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 0000 
    -> 192.168.1.0
  • 子网掩码的作用就是和ip做按位与运算，以得出网段。
  • 一般子网掩码 255.255.255.0，因为最低位是0，所以按位与之后得出来的网段一般是IP地位的前三部分。但是如果子网掩码不是255.255.255.0，那么结果就不一样了。
  • 计算技巧：一般子网掩码是 255.255.255.0，那么主机 ID 一般是（256-2）个 / 子网掩码是 255.255.0.0,那么主机 ID 一般是（256*256）-2，长度增加很多倍。（减 2 是因为主机 ID 0 一般不用，255 一般不用）/ 子网掩码 255 所占部分一般理解为网段 ID 占用部分，0 占用部分一般理解为主机 ID 占用部分。
  • 计算机通信之前，首先就会根据 IP 和子网掩码计算出目标主机和自己在不在一个网段，如果在则不需要路由器转发。如果不在就交给路由器转发。
  • 127 是保留网段，不随便用，其中 127.0.0.1 叫做本地环回地址（Loopback），仅代表本机地址。
  • 子网掩码的 CIDR 表示方法：如 192.168.1.100/24，代表子网掩码有24 个 1，就是 255.255.255.0；如 192.168.1.100/16，代表子网掩码有 16 个 1，就是 255.255.0.0

10. 子网，超网

  • 首先判断网段的类型，是 A 类网络，B 类网络，C 类型网络？
  • 默认情况：A 类子网掩码位数是 8，B 类子网掩码位数是 16，C 类子网掩码位数是 24。
  • 然后如果该网段的子网掩码位数比默认的子网掩码位数多，就叫做子网；该段的子网掩码位数比默认的子网掩码位数少，就叫做超网。

11. 路由

  • 在不同网段之间转发数据需要路由器。
  • 默认情况下路由器只知道和他直连的网段（下图中计算机 0 可以ping 通计算机 1），非直连的网段（路由器 0 到路由器 1）需要通过静态路由，动态路由告诉他，不然通不了。路由器和路由器之间连接的 port 口叫做 Serial 口，买路由器的时候可以选支持几个 Serial 口的路由器，和设备或者交换机连的叫 Ethernet 口。
  • 静态路由：管理员手动添加，告诉路由器怎么连。
  • 动态路由，路由器通过 RIP/ASPF 等路由选择协议自动获取路由信息。
  • 静态路由的操作原理:路由器两端相互告诉对方自己直连的网段有哪些，用路由表表达。
  • 路由器之间想要联通，路由器和路由器连接端口的 ip 必须设置，而且他们需要在同一个网段。
  • 路由器配置网络(路由器要跳进去的目标网段)，掩码，下一跳（表示当前路由器要进入的下一个路由器端口的 IP，只需要 IP 不需要子网掩码是因为路由器连接之间的 ip 必须是同一网段）
  • 下图里面 4 个网段，都想要连通就都要配。

  • 路由表长什么样，（C 表示和路由器直接连接在一起的设备，直连的所以往往没有下一跳）S 表示静态（static，是人为配置的静态路由）。
  • 路由表的写法：子网掩码是 255.255.255 相当于把 IP 写死；255.255.255.0 留了一个主机 ID 段出来；0.0.0.0 默认路由，哪个网段都能接收。
  • 路由表就是在查找下一跳，直接跳到对应的路由器端口去。

12. 数据包的传输数据流

  • 在上图中，目的是项从计算机 A 把数据传到计算机 F。途中MA/M0/M1/M2/M3/MF 是网卡的 mac 地址。
  • 源 IP 是 192.168.1.10，目标 IP 是 192.168.3.10 没有问题，但是目标MAC 是 M0，原因是路由器隔离了广播，ARP 只能到对应路由端口侧mac 地址，到不了 MF。
  • Mac 的跳转需要发生好几次变化。

13. 网络

  • LAN，局域网，局域网中用到的广泛网络技术叫做以太网（Ethernet）
  • WLAN，无线局域网（wireless LAN）
  • WAN, 广域网，通常这个程度需要需要租用网络服务供应商（ISP）的服务器了。
  • 猫是调制解调器，电话拨号上网叫做 ADSL。
  • 光猫是光调制解调器，光纤（光信号）取代了电话线（模拟信号）。非对称的概念就是上行带宽和下行带宽可以不一致。
  • 网线直接入户
  • 公网 IP（因特网，ISP 服务器用到）：只能到达公网的路由表，没有到达私网的路由表。
  • 私网 IP 地址（局域网用到）：A 类 10.0.0.0/8 B 类：172.168.0.0/16 ~ 172.31.0.0/16 C 类：192.168.0.0/24 ~ 192.168.255.0/24
  • 公网 IP 一定是唯一的，私网 IP 是可以重复和随意使用的。

14. NAT转换

  • Network address translation,私网 IP 可以通过 NAT 转换变为公网 IP。
  • NAT 转换可以隐藏真实的 IP，但是真要查还是可以从 ISP 那里查到真实 IP。
  • 简单理解，可以用 NAT 来跨网段。
  • 局域网内用NAT来跨网段通信。
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作者
xiao cuncun
发布于
2024年7月21日
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