title: 《网络协议》01. 基本概念
date: 2022-08-30 09:50:52
updated: 2023-11-05 15:28:52
categories: 学习记录:网络协议
excerpt: 互联网、网络互连模型(OSI,TCP/IP)、计算机通信基础、MAC 地址、ARP & ICMP、IP & 子网掩码、CIDR 表示方法、子网、超网、路由、网络 & 互联网 & 因特网、ISP、网络分类、上网方式、公网 & 私网(NAT,端口映射)。
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网络协议
- 1:互联网 & 协议
- 1.1:跨平台原理
- 1.2:客户端与服务器
- 2:网络互连模型
- 3:计算机通信基础
- 3.1:网线直连
- 3.2:同轴电缆
- 3.3:集线器
- 3.4:网桥
- 3.5:交换机
- 3.6:路由器
- 4:MAC 地址
- 4.1:MAC 地址格式
- 4.2:MAC 地址操作
- 5:ARP & ICMP
- 6:IP 地址
- 6.1:IP & 子网掩码
- 6.2:IP 地址分类
- 6.2.1:A 类地址
- 6.2.2:B 类地址
- 6.2.3:C 类地址
- 6.2.4:D 类地址
- 6.2.5:E 类地址
- 6.3:CIDR 表示方法
- 7:子网
- 7.1:等长子网划分
- 7.1.1:C 类子网划分
- 7.1.1.1:等分成 2 个子网
- 7.1.1.2:等分成 4 个子网
- 7.1.1.3:等分成 8 个子网
- 7.1.2:B 类子网划分
- 7.1.3:A 类子网划分
- 7.2:变长子网划分
- 8:超网
- 8.1:合并 4 个网段
- 8.2:合并网段的规律
- 8.3:判断一个网段是子网还是超网
- 9:路由
- 9.1:路由表示例一
- 9.2:路由表示例二
- 10:数据包的传输过程
- 10.1:第一个包的丢失
- 11:网络 & 互联网 & 因特网
- 12:ISP
- 13:网络分类
- 13.1:局域网
- 13.2:城域网
- 13.3:广域网
- 14:上网方式
- 14.1:电话线入户
- 14.2:光纤入户
- 14.3:网线入户
- 14.4:家用无线路由器的逻辑结构
- 14.5:常见接口
- 15:公网 & 私网
- 15.1:公网 IP
- 15.2:私网 IP
- 15.3:NAT
- 15.4:端口映射
网络协议从入门到底层原理。
1:互联网 & 协议
互联网(internet)的出现,彻底改变了人们的生活方式,足不出户就可以购物、聊天、看电影、买车票、上班等。
数据是如何从一个设备传递到另一个设备的?
- 这一切都是由网络协议来规定的。
- 没有网络协议,就没有今天的互联网。
什么是协议?
- 协议就是通用的标准。
- 如果没有一个国际通用的标准,那么相互之间的交互就会很麻烦。
1.1:跨平台原理
C/C++ 跨平台原理:
使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件。
Java 跨平台的原理:
C/C++ 编译之后可直接生成平台对应的可执行文件。
Java编译之后生成字节码文件。对于操作系统来说,不是可执行文件。
1.2:客户端与服务器
其中,后端使用 Java 的一种结构如下:
客户端向服务器请求:
http://IP地址:端口号/项目
例:
http://10.10.125.41:8080/qq/login/...
2:网络互连模型
- 国际标准:OSI 参考模型(7层)
- 实际应用:TCP/IP 协议(4层)
- 学习研究:(5层)
为了更好地促进互联网络的研究和发展,国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型 OSI 参考模型(Open System Interconnect Reference Model)。
网络请求过程:不管什么协议,都是经过下列的 包装 + 解包 过程。
3:计算机通信基础
先不考虑无线连接的问题。
- 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。
3.1:网线直连
- 需要用交叉线(不是直通线)
- 同一网段
- ping 走的是 ICMP 协议。
- ARP 协议:已知 IP 地址,不知道 MAC 地址时,通过广播获取 MAC 地址。
右边出现的 3 个 ARP 包,实际上是一次完整的发送请求、接收响应的过程。
ICMP 包同理。
3.2:同轴电缆
同轴电缆(Coaxial),连接同一网段。
3.3:集线器
集线器(Hub),连接同一网段。
集线器相比同轴电缆唯一的优点: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的通信。
3.4:网桥
网桥(Bridge)。还是连接同一网段。
能够通过自学习得知每个接口那侧的 MAC 地址,从而起到隔绝冲突域的作用。
3.5:交换机
交换机(Switch)。依旧是连接同一网段。
若全球所有设备都用交换机连接:
- 他们必然处于同一网段,因此 IP 地址可能会不够用。
- 第一次发送数据包仍然需要 ARP 广播,耗费大量时间。
- 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。
3.6:路由器
路由器(Router)。路由器含有网关(Gateway),网关也有 IP 和 MAC 地址。
主机在发数据之前,首先会判断目标主机的 IP 地址跟它是否在同一个网段:
- 在同一个网段:ARP广播、通过交换机 / 集线器传递数据
- 不在同一个网段:通过路由器转发数据
4:MAC 地址
每个网卡都有一个 6 字节(48 bit)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。
由 IEEE 的注册管理机构分配给厂商 - 后 3 字节:网络接口标识符。
由厂商自行分配
OUI 查询:可以根据 OUI 查询出对应的厂商。
- http://standards-oui.ieee.org/oui.txt
- https://mac.bmcx.com/
4.1:MAC 地址格式
- Windows
40-55-82-0A-8C-6D
- Linux、Unix、Android、Mac、iOS
40:55:82:0A:8C:6D
- Packet Tracer
4055.820A.8C6D
当 48 位全为 1 时(
FF-FF-FF-FF-FF-FF
),代表广播地址。
4.2:MAC 地址操作
查看 MAC 地址(Windows):
ipconfig /all
修改 MAC 地址:
更改适配器选项 -> 属性 -> 配置 -> 高级 -> 网络地址
这里修改 MAC 地址只是以这个值作为 MAC 地址上网,网卡的 MAC 地址无法修改。
有时可通过修改 MAC 地址蹭网。
- 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(dynamic)缓存。
存储时间比较短(默认是 2 分钟),过期就自动删除。
查看ARP缓存:
arp -a [<IP>]
删除ARP缓存:
arp -d [<IP>]
增加一条缓存信息(静态缓存):
arp -s <IP> <MAC 地址>
5:ARP & ICMP
ARP(Address Resolution Protocol,地址解析协议)
- 通过 IP 地址获取 MAC 地址
RARP(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议)
- 使用与 ARP 相同的报头结构
- 作用与 ARP 相反,通过 MAC 地址获取 IP 地址
- 后来被 BOOTP、DHCP 所取代
ICMP(Internet Control Message Protocol,互联网控制消息协议)
- IPv4 中的 ICMP 被称作 ICMPv4,IPv6 中的 ICMP 则被称作 ICMPv6
- 通常用于返回错误信息。比如 TTL 值过期、目的不可达
- ICMP 的错误消息总是包括了源数据并返回给发送者
6:IP 地址
IP 地址(Internet Protocol Address):互联网上的每一个主机都有 IP 地址。
- 最初是 IPv4 版本,32 bit(4字节),2019 年 11 月 25 日,全球的 IP 地址已经用完
- 后面推出了 IPv6 版本,128 bit(16字节)
这里先讨论 IPv4。
IP 按字节分为 4 部分:
6.1:IP & 子网掩码
IP 地址由两部分组成:
- 网络标识(网络 ID)
- 主机标识(主机 ID)
网络 id 相同的主机处在同一网段。
通过子网掩码(subnet mask)可以计算出网络 ID
- 网络 ID = 子网掩码 & IP
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
例:
IP 地址: 130.168.1.10
子网掩码: 255.255.0.0
网段: 130.168.0.0
该网段最多有 256*256-2 个 IP 地址
130.168.0.0 代表网段
130.168.255.255 代表广播
网段和广播无法分配 IP 地址
- 主机 ID 全为 0,表示主机所在的网段。
- 主机 ID 全为 1,表示主机所在网段的全部主机(广播)。
可以尝试用广播 ping 某个网段的全部主机。
6.2:IP 地址分类
IP 地址分为 5 类。
- A 类地址:默认子网掩码是
255.0.0.0
,网络 ID 以0
开头。 - B 类地址:默认子网掩码是
255.255.0.0
,网络 ID 以10
开头。 - C 类地址:默认子网掩码是
255.255.255.0
,网络 ID 以110
开头。 - D 类地址:没有子网掩码,网络 ID 以
1110
开头。 - E 类地址:保留为今后使用,以
1111
开头。
只有 A/B/C 类地址用来分配给主机。
6.2.1:A 类地址
默认子网掩码是 255.0.0.0
,网络 ID 以 0
开头。
- 网络 ID:
- 0 不能用,127 作为保留网段。
- 其中 127.0.0.1 是本地回环地址(Loopback),代表本机地址。
- 第 1 部分可以分配的取值范围是: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:
256 * 256 * 256 - 2 = 2^24 - 2 = 16777214
。
6.2.2:B 类地址
默认子网掩码是 255.255.0.0
,网络 ID 以 10
开头。
- 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 = 2^16 - 2 = 65534
6.2.3:C 类地址
默认子网掩码是 255.255.255.0
,网络 ID 以 110
开头。
- 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
6.2.4:D 类地址
没有子网掩码,网络 ID 以 1110
开头。
- 用于多播(组播)地址。
- 第一部分取值范围:224 ~ 239。
6.2.5:E 类地址
保留为今后使用,以 1111
开头。
- 保留为今后使用。
- 第一部分取值是:240 ~ 255。
6.3:CIDR 表示方法
CIDR(Classless Inter-Domain Routing),无类别域间路由
子网掩码的 CIDR 表示方法:
192.168.1.100/24
,代表子网掩码有 24 个 1,也就是 255.255.255.0123.210.100.200/16
,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
7:子网
子网划分:借用主机位作子网位,划分出多个子网。
子网划分可以分为:
- 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 地址数量一样。
- 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。
子网划分的步骤:
- 确定子网的子网掩码长度
- 确定子网中第 1 个、最后 1 个主机可用的 IP 地址
为什么要进行子网划分?
- 如果需要让 200 台主机在同一个网段内,可以分配一个 C 类网段,比如 192.168.1.0/24。
- 共 254 个可用 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 台主机在同一个网段内,那就分配一个 B 类网段,比如 191.100.0.0/16。
- 共 65534 个可用 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
- 如何尽量避免浪费 IP 地址资源:合理进行子网划分。
7.1:等长子网划分
7.1.1:C 类子网划分
7.1.1.1:等分成 2 个子网
7.1.1.2:等分成 4 个子网
等分成 4 个子网的广播地址:
7.1.1.3:等分成 8 个子网
7.1.2:B 类子网划分
7.1.3:A 类子网划分
7.2: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,子网掩码不同。
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
8:超网
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。
示例:
- 原本有 200 台计算机使用 192.168.0.0/24 网段,现在希望增加 200 台设备到同一个网段。
- 200 台在 192.168.0.0/24 网段,200 台在 192.168.1.0/24 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)
思考:对于上面的例子,192.168.0.255/23 这个 IP 地址,可以分配给计算机使用吗?
由下图知,主机位不全为 0 或 1,所以可以。
192.168.0.255/24 与 192.168.1.255/23 则不能分配给计算机。
8.1:合并 4 个网段
子网掩码向左移动 2 位,可以合并 4 个网段。
如上图,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:192.168.1.0/24、192.168.2.0/24 两个网段,能通过子网掩码向左移动 1 位进行合并吗?
答:不能。
8.2:合并网段的规律
- 假设 n 是 2 的 k 次幂( k >= 1),子网掩码左移 k 位能够合并 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。
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
8.3: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?
- 默认情况下
- 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,就是超网。
例:
25.100.0.0/16 是 A 类子网:
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。
200.100.0.0/16 是 C 类超网:
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。
9:路由
在不同网段之间转发数据,需要有路由器的支持。
默认情况下,路由器只知道跟它直连的网段,非直连的网段需要通过静态路由和动态路由告诉它。
- 静态路由
- 管理员手动添加路由信息
- 适用于小规模网络
- 动态路由
- 路由器通过路由选择协议(比如 RIP、OSPF)自动获取路由信息
- 适用于大规模网络
9.1:路由表示例一
让 4 台主机之间可以互相通信:
路由器 0 的路由表:
路由器 1 的路由表:
9.2:路由表示例二
让 4 台主机之间可以互相通信:
路由表:
10:数据包的传输过程
这里仅仅是简述一下数据包的传输过程,之后介绍网络分层时,会再次详细讲解数据包的传输过程。
源 IP、目标 IP 没有变;源 MAC、目标 MAC 一直在变。
10.1:第一个包的丢失
如图,从 192.168.1.10/24 往 192.168.2.10/24 虽然可以 ping 通,但是丢失了第一个数据包。
原因:计算机0 往路由器发送了 ARP 包,路由器收到后回复了 ARP 包,从而计算机0 就开始发送 ICMP 包,路由器0 收到 ICMP 包后准备发往计算机1,但是路由器还不知道计算机1 的 MAC 地址,所以要往计算机1 发送 ARP 包,因此就把 ICMP 包给丢了,所以第一次 ping 会超时。
11:网络 & 互联网 & 因特网
- 网络(
Network
) - 互联网(
internet
) - 因特网(
Internet
)
全世界最大的互联网:因特网(Internet),将全世界所有的计算机都连接在一起。
- 一般使用大写
I
开头的 Internet 特指因特网。 - 日常生活中说的:你的电脑上不了网。其实就是指:你的电脑没有连接到因特网。
12:ISP
ISP(Internet Service Provider),Internet 服务提供商,比如移动、电信、网通、铁通等。
我们平时拉的宽带都是通过 ISP 连接到 Internet 的。
平时见到左边的下载列表,其实是给使用不同 ISP 的用户对应的选择。
13:网络分类
按照不同的分类方式,可以将网络分为以下几类:
- 局域网(LAN)
- 城域网(MAN)
- 广域网(WAN)
- 个人区域网(PAN)
- 无线局域网(WLAN)
- 全球局域网(GAN)
- 虚拟局域网(VLAN)
按照网络的范围进行分类,可以分为:局域网、城域网、广域网等
13.1:局域网
局域网(Local Area Network,LAN)
- 一般是范围在几百米到十几公里内的计算机所构成的计算机网络
- 常用于公司、家庭、学校、医院、机关、一幢大楼等
- 局域网中使用最广泛的网络技术叫:以太网(Ethernet)
- 在电脑、手机上经常见到的一个英文 WLAN(Wireless LAN),意思是无线局域网。
13.2:城域网
城域网(Metropolitan Area Network,MAN)
- 一般范围是数十公里到数百公里,可以覆盖一个城市
13.3:广域网
广域网(Wide Area Network,WAN)
- 一般范围是几百公里到几千公里,可以覆盖一个国家。通常都需要租用 ISP 的线路。
14:上网方式
14.1:电话线入户
ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),电话拨号上网。
- 非对称数字用户线路,提供上、下行不对称的传输带宽
- 猫(Modem),调制解调器,进行数字信号和模拟信号的转换
14.2:光纤入户
光猫(Optical Modem),光调制解调器,进行数字信号和光信号的转换。
14.3:网线入户
14.4:家用无线路由器的逻辑结构
14.5:常见接口
- FastEthernet:快速以太网接口(100M)
- GigabitEthernet:千兆以太网接口(1000M)
- Serial:串行接口
15:公网 & 私网
IP 地址也分为:公网 IP、私网 IP(内网)。
为什么要分公网、私网?
IP 地址不够用。
便于管理。
15.1:公网 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)统一分配管理
- ISP 需要向 Inter NIC 申请公网 IP
15.2:私网 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
15.3:NAT
NAT(Network Address Translation)。
私网 IP 想访问 Internet 需要进行 NAT 转换,借助公网 IP 上网。这一步可以由路由器完成。
特点:
- 节约公网 IP 资源
- 隐藏内部真实 IP
分类:
- 静态转换
手动配置 NAT 映射表
一对一转换 - 动态转换
定义外部地址池,动态随机转换
一对一转换 - PAT(Port Address Translation),目前应用最广泛的 NAT 实现方式
多对一转换,最大程度节约公网 IP 资源
采用端口多路复用方式,通过端口号标识不同的数据流
15.4:端口映射
端口(0 ~ 65535)是每个软件的一个通讯进出口。
类似于 NAT。
端口映射,就是将内网主机的一个端口映射到外网主机的一个端口。当用户访问外网 IP 的这个端口时,外网主机自动将请求映射到内网对应的机器上。
无奈夜长人不寐,数声和月到帘栊。
——《捣练子令 · 深院静》(五代)李煜