TCPIP协议概述

2022-02-11  本文已影响0人  有事找叮当

数据是如何从一个设备传递到另一个设备的？
答：网络协议

为什么要学习网络协议

互联网、移动互联网、物联网，都离不开网络协议：

网络协议方面的问题：

客户端-服务器

客户端-服务器
客户端-服务器

跨平台的原理（Java、C++）
Java跨平台的原理：



解释型语言跨平台的原理与 Java 类似：例如 JavaScript，甚至不需要经过编译，有浏览器即可解析。

C++跨平台的原理：使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件



网络互连模型（OSI参考模型）
什么是协议？为什么要有协议？

协议就是通用的标准。
如果没有一个国际通用的标准，那么各大公司按照自己的标准来，相互之间的交互就会很麻烦。比如我编写的代码在微软的服务器可以运行，但是要在苹果的服务器运行又需要重新编写…
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)，具有7层结构。

实际上 OSI参考模型(7层) 更偏理论，而 TCP/IP 协议(4层) 在才是在实际中使用的协议，而为了研究和学习计算机网络，又常将之划分为 5层。



请求过程：不管什么协议都是经过下列的 包装 + 解包 的过程。
计算机之间的通信基础
1、需要得知对方的 IP地址

2、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
计算机之间的连接方式 - 网线直连
需要用 交叉线（不是直通线）



ARP协议的作用：已知 IP地址，通过 广播 获取 MAC地址。

为什么右边出现3个ARP包，实际上是 一次完整的发送请求，接收响应的过程。



计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)



注意：同轴电缆只要有一个地方线断了，整个线路都瘫痪了。

计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)


集线器相比同轴电缆唯一的优点就是：哪怕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。

计算机之间的连接方式 - 网桥（Bridge）


所谓隔绝冲突域是通过：记录设备的MAC地址在左还是在右。

例如，6向7发数据包，
当6发出请求ARP广播时，网桥会记录6的MAC地址在左；
当7发出响应ARP广播时，网桥会记录7的MAC地址在左。
计算机之间的连接方式 - 交换机（Switch）



若全球所有设备都用交换机连接：
1、他们必然处于同一网段，因此 IP地址可能会不够用
2、即使使用交换机，第一次发送数据包仍然需要ARP广播，耗费大量时间。
3、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

计算机之间的连接方式 - 路由器（Router）

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：
1.在同一个网段：ARP广播、通过 交换机/集线器 传递数据
2.不在同一个网段：通过路由器转发数据

网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机

路由器


MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）
每个网卡都有一个 6字节(48bit) 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

OUI 查询：可以根据OUI查询出对应的厂商

MAC地址的表示格式（Windows、Linux）

注：当48位全为1时，代表广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

MAC地址操作（ipconfig /all）

查看MAC地址：ipconfig /all
修改MAC地址：更改适配器选项-属性-配置-高级-网络地址（填写的时候需要把 减号- 去掉）



注： 有时可以通过修改 MAC地址蹭网。。。。

MAC地址的获取（arp -a）
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

arp -a [主机地址]：查看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（这是静态缓存，存储时间较久，不同系统的存储时间不同）

ARP（Address Resolution Protocol）

ARP (Address Resolution Protocol)，地址解析协议

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)，逆地址解析协议
ICMP（Internet Control Message Protocol）

ICMP (Internet Control Message Protocol)，互联网控制消息协议

IP地址（127.0.0.1）

IP地址 (Internet Protocol Address)：互联网上的每一个主机都有一个IP地址

IP地址的组成（网络ID + 主机ID）

IP地址 由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）

主机所在的网段 = 子网掩码 & IP地址
例如：

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

网段是由子网掩码计算得出，只有IP地址无法得知网段。

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
-2是因为: 全0代表网段,全1代表广播
网段和广播无法分配IP地址.

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：

IP地址的分类（A类、B类、C类、D类、E类）

注：判断IP地址的类别只要看第一部分即可。

只有 A\B\C 类地址才能分配给主机

A类地址：默认子网掩码是 255.0.0.0



网络ID

主机ID

B类地址：默认子网掩码是 255.255.0.0

网络ID

主机ID

C类地址：默认子网掩码是 255.255.255.0

目前用的最多的是 C类地址！


网络ID

主机ID

D类地址：没有子网掩码，用于多播（组播）地址
以 1110 开头，多播地址


第一部分取值是：224~239

E类地址：以 1111 开头，保留为今后使用



第一部分取值是：240~255

子网掩码的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)，无类别域间路由

子网掩码的CIDR表示方法

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

子网划分

为什么要进行子网划分？

如果需要让 200 台主机在同一个网段内，可以分配一个 C类网段，比如192.168.1.0/24

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

如何尽量避免浪费IP地址资源？

子网划分

子网划分：借用主机位作子网位，划分出多个子网

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

子网划分的步骤

  1. 确定子网的子网掩码长度
  2. 确定子网中第1个、最后1个主机可用的IP地址

等长子网划分 - C类子网划分（2、4、8等分）

例：

本来有一个C类网段: 192.168.0.0/24

划分成两个子网后:

A子网: 192.168.0.0/25 子网掩码: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 共 126 个

B子网: 192.168.0.128/25 子网掩码: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 个

等分成 2 个子网：

等分成 4 个子网：

等分成 4 个子网的广播地址：


等分成 8 个子网：


等长子网划分 - A、B类子网划分
B类子网划分：



A类子网划分 ：


子网划分实践
如此划分，他们还是属于同一个网段，可以直接 ping 通。


下面这样划分就不是一个网段了，它们分别属于 192.168.0.0 和 192.168.0.128 网段，需要用路由器并设置网关才可以 ping 通。
注：经过评论区老哥提醒，下图 192.168.0.129/25 和 192.168.0.1/25 写反了。。

变长子网划分



思考题：双方子网掩码不同，计算对方所处网段
问：下列两台计算机可以正常通信吗？



答：不可以。计算机0 想要发送数据包，先判断计算机1是否和自己处于同一个网段，计算网段的方法是：IP地址 & 子网掩码，计算机0判断计算机1的网段为 192.168.10.10 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0，而计算机0判断自身所处网段为 192.168.0.10 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0，双方不处于同一网段，所以计算机0无法将数据包发给计算机1（不同网段的数据通信需要路由器）

解决方案：利用路由器。


超网 - 合并网段

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

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）



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

192.168.0.255/24 是广播，不能分配给计算机。
192.168.0.255/23 如下：


主机部分并不全为1，所以是可以分配给计算机使用的。

合并4个网段

子网掩码向左移动 2 位，可以合并 4 个网段


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

子网合并的规律

假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），子网掩码左移 k 位能够将能够合并 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。

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
首先看该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络？

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，则是超网

例如：
判断 25.100.0.0/16 是子网还是超网：

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
判断 200.100.0.0/16 是子网还是超网：

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

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