网络基础

背景

计算机网络的诞生背景可以追溯到20世纪60年代和70年代的美国。当时，计算机的发展迅速，但是由于计算机之间缺乏互联，使得它们之间的通信和数据共享变得非常困难。在这种情况下，计算机科学家开始研究如何将计算机连接起来，以便它们可以相互通信和共享资源。这导致了计算机网络的发展。
建立计算机网络的目的：信息传递，资源共享。
前言

计算机的底层硬件只能识别高低电平（二进制），那么它是如何识别我们给它输入的文字、图片的呢？

简单地说是这样一个过程（一步一步将我们能看懂的转换为计算机能看懂的）：
应用程序接收我们输入给计算机的一些参数 —> 编码 — 应用层
编码 —> 二进制 — 表示层
二进制 —> 电信号 — 介质访问控制层
处理电信号 — 物理层
网络变大

随着需要，接入网络的计算机从两台到三台，然后越来越多，自然而然网络就需要扩大。

网络变大的两个要素：

• 节点增多
  
• 传输距离延长
  

节点增多，简单地说是指网络中的设备变多了。传输距离延长，是指两台电脑的物理距离变得更远了。
随着传输距离延长，必然会面临介质传输带来的问题：

• 信号衰减 — 电压下降
  中继器：是工作在物理层上的连接设备。主要功能是放大信号、补偿信号衰减，用来扩大网络传输的距离。
  
• 波形失真
  

网络拓扑结构

网络拓扑是指网络形状，或者是网络在物理上的连通性。网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，即用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。
六种基本网络拓扑结构：

• 直线型拓扑结构
  
• 环型拓扑结构
  
• 星型拓扑结构（性价比高）
  集线器Hub
  
• 网状拓扑结构
  

集线器

集线器（Hub）工作在物理层，将网线集结起来，实现最初级的网络互通。将收到的信号放大后再传递出去，扩大网络的传输距离。一般网线的最大传输距离是100M，有了集线器这个中继设备，可以扩大网络传输距离。
缺点
集线器虽然可以提供多个网口和扩大传输距离，但它并不能分辨具体信息发给谁。另外，当一台主机发消息时，其他主机不能发送消息，否则信息间会产生碰撞，碰撞后会造成数据丢失。还存在安全问题、延迟问题等。
为了解决地址问题（区分标识不同的设备）：
MAC地址（Media Access Control Address）是一种用于标识网络设备的唯一地址（物理地址）。它由48位二进制数组成，以16进制表示。前3~24位是由IEEE决定如何分配给每一家制造商，且不重复，后24位是实际生产该网络设备的厂商分配的串号，具备唯一性。
交换机

为了解决Hub所带来的问题，交换机（Switch）诞生了。交换机在集线器原有的功能上，增加了寻址能力和交换功能。
交换机可以识别每台设备的MAC地址，并根据目标MAC地址将数据包转发到正确的端口。这种方式也称为存储转发。原因是交换机会先将整个数据包存储在缓存中，然后再将其转发到目标设备。
交换机可以实现（特性）：

• 端口密度
  
• 完全没有冲突
  
• 一对一的单播
  
• 无限的传输距离
  

交换机转发数据包的过程：
当一个数据包来到交换机之后，交换机会根据数据包中的源目MAC地址进行转发。转发之前会先存储，根据源MAC地址记录自身接口和相连主机的MAC地址的对应关系，之后再进行转发。转发过程中会查看自身的MAC地址表，如果MAC地址表存在相应的记录，则按照MAC地址表中的记录进行转发；如果没有记录，则将数据包泛洪到所有端口，使得所有设备都可以接收到该数据包。
从某个端口收到数据，然后再从除接收端口外的所有端口转发出去，在网络中称之为泛洪。
路由器

路由器（Router）用于连接多个网络并转发数据包。路由器可以在不同的网络之间进行转发，实现不同网络范围的通信。也就是说，不同网络之间必须用路由器传输数据，否则无法通信。路由器会根据自身的路由表转发数据包。
路由器可以实现：

• 隔离泛洪范围
  
• 单播转发
  

IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是一种用于标识网络设备的唯一地址（逻辑地址）。它是一个32位或128位的二进制数。
IP地址分为IPv4和IPv6两种类型。
IPv4是32位的地址，通常表示为4个十进制数，每个数字的取值范围是0到255。
例如：192.168.0.1（11000000.10101000.00000000.00000001）
为了方便记忆采用了点分十进制的标记方式，也就是将32位IP地址以每8位为一组，共分为4组，每组以 . 隔开，再将每组转换成十进制。
子网掩码
子网掩码（Subnet Mask）是一种用于划分IP地址的标识符。它由32位二进制数构成（必须由连续的0和连续的1构成），子网掩码的作用就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。
例如：

1. IPv4：192.168.1.1
2. mask：255.255.255.0
4. 11000000.10101000.00000001.00000001
5. 11111111.11111111.11111111.00000000
7. 前24位是网络地址，后8位是主机地址。

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ARP协议
ARP协议（Address Resolution Protocol）是一种用于将IP地址转换为MAC地址的协议。
在计算机网络中，每个设备都有一个唯一的MAC地址和IP地址。MAC地址用于在局域网中标识设备，而IP地址用于在互联网中标识设备。当一台设备需要与另一台设备通信时，它需要知道目标设备的MAC地址。ARP协议就是用来解决这个问题的。
ARP的工作过程：
当一台设备需要知道另一台设备的MAC地址时，它会广播一个ARP请求，请求目标设备回复自己的MAC地址。目标设备收到请求后，会回复一个ARP响应，其中包含自己的MAC地址。这样，请求设备就可以将目标设备的MAC地址缓存起来，以便后续的通信使用。
IP地址的分类
IP 地址分类成了 5 种类型，分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。

• A类地址：A类地址是指第一个字节的最高位为0的IP地址，范围从1.0.0.0到126.0.0.0。A类地址的前8位用于网络地址，后24位用于主机地址，因此A类地址最多可以支持2^24个主机。
  
• B类地址：B类地址是指第一个字节的最高位为10的IP地址，范围从128.0.0.0到191.255.0.0。B类地址的前16位用于网络地址，后16位用于主机地址，因此B类地址最多可以支持2^16个主机。
  
• C类地址：C类地址是指第一个字节的最高位为110的IP地址，范围从192.0.0.0到223.255.255.0。C类地址的前24位用于网络地址，后8位用于主机地址，因此C类地址最多可以支持2^8个主机。
  
• D类地址：D类地址是用于多播，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。
  
• E类地址：E类地址是保留地址，用于实验和研究，范围从240.0.0.0到255.255.255.255。
  

特殊IP地址

• 主机位全0的地址：这样的地址代表范围，指定某个网络。
  
• 主机位全1的地址：指定某个网络下的所有主机，用于广播，广播地址。
  
• 255.255.255.255受限广播地址：代表广播域内所有的主机，受到路由器的限制。
  
• 0.0.0.0通配地址：用于表示所有网络接口或所有主机。
  
• 127.0.0.1本地回环地址：虚拟的地址，用来测试主机的网络接口是否正常工作。
  
• 169.254.0.0/16 APIPA地址：动态获取地址时，没有获取到地址情况下，自己给自己分配的地址。
  

无类地址
无类地址（Classless Address）是一种不依赖于IP地址分类的地址表示方法，也称为无分类域间路由选择（CIDR）。
CIDR地址表示方法使用了一个斜杠 / 和一个数字来表示网络前缀的长度，例如 192.168.1.0/24 表示网络前缀为 192.168.1.0，子网掩码为 255.255.255.0。
VLSM — 可变长子网掩码（子网划分）
VLSM是一种子网掩码的使用方法，它允许在同一个网络中使用不同长度的子网掩码，从而更有效地利用IP地址空间。

1. 192.168.1.0/25
3. 192.168.00000001.0 0000000
4. 192.168.00000001.0 1111111
6. 前25位为网络号，后7位为主机号

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1. 192.168.1.0/26
3. 192.168.1.00 000000
4. 192.168.1.00 111111
6. 前26位为网络号，后6位为主机号
7. 192.168.1.1 — 192.168.1.62 可用ip地址的数量62（2^6-2)

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例：一个公司分了5个部分，需要我们划分网段 172.16.0.0/16，分给5个部门。

1. 172.16.00000000.00000000
2. 主机号借3位，2^3=8，可以划分8个网段，每个网段可用ip地址数量(2^(32-19)-2)
4. 172.16.000 00000.00000000 19    172.16.0.1 - 172.16.31.254
5. 172.16.001 00000.00000000 19    171.16.32.1 - 172.16.63.254
6. 172.16.010 00000.00000000 19    171.16.64.1 - 172.16.95.254
7. 172.16.011 00000.00000000 19    171.16.96.1 - 172.16.127.254
8. 172.16.100 00000.00000000 19    171.16.128.1 - 172.16.159.254
9. 172.16.101 00000.00000000 19    171.16.160.1 - 172.16.191.254
10. 172.16.110 00000.00000000 19    171.16.192.1 - 172.16.223.254
11. 172.16.111 00000.00000000 19    171.16.224.1 - 172.16.255.254
13. 可以选择其中5个分给这5个部门，其余留作后续的扩展。

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子网汇总
子网汇总（Supernetting）是一种将多个子网合并成一个更大的网络的方法，以便更好地利用IP地址。
子网汇总需要满足一些条件，例如，被合并的子网必须是连续的、没有重叠的，它们的子网掩码必须相同或者可以通过变换得到相同的子网掩码。
子网汇总的方法：取相同，去不同。

1. 192.168.1.0/24和192.168.2.0/24子网汇总
3. 192.168.00000001.00000000 24
5. 192.168.00000010.00000000 24
7. 相同的部分为前22位，保留下来，剩下的10位全部补零即可：
8. 192.168.000000 00.00000000 24
10. 192.168.0.0/22

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