計算機網絡基礎知識總結（上）
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計算機網絡學習的核心內容就是網絡協議的學習。網絡協議是為計算機網絡中進行數據交換而建立的規則、標準或者說是約定的集合。因為不同用戶的數據終端可能采取的字符集是不同的，兩者需要進行通信，必須要在一定的標準上進行。一個很形象地比喻就是我們的語言，我們大天朝地廣人多，地方性語言也非常豐富，而且方言之間差距巨大。A地區的方言可能B地區的人根本無法接受，所以我們要為全國人名進行溝通建立一個語言標準，這就是我們的普通話的作用。同樣，放眼，我們與外國友人溝通的標準語言是英語，所以我們才要苦逼的學習英語。
計算機網絡協議同我們的語言一樣，多種多樣。而ARPA公司與1977年到1979年推出了一種名為ARPANET的網絡協議受到了廣泛的熱捧，其中*主要的原因就是它推出了人盡皆知的TCP/IP標準網絡協議。目前TCP/IP協議已經成為Internet中的“通用語言”，下圖為不同計算機群之間利用TCP/IP進行通信的示意圖。
1. 網絡層次劃分
為了使不同計算機廠家生產的計算機能夠相互通信，以便在更大的范圍內建立計算機網絡，國際標準化組織（ISO）在1978年提出了“開放系統互聯參考模型”，即著名的OSI/RM模型（Open System Interconnection/Reference Model）。它將計算機網絡體系結構的通信協議劃分為七層，自下而上依次為：物理層（Physics Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）、網絡層（Network Layer）、傳輸層（Transport Layer）、會話層（Session Layer）、表示層（Presentation Layer）、應用層（Application Layer）。其中第四層完成數據傳送服務，上面三層面向用戶。
除了標準的OSI七層模型以外，常見的網絡層次劃分還有TCP/IP四層協議以及TCP/IP五層協議，它們之間的對應關系如下圖所示：
2. OSI七層網絡模型
TCP/IP協議毫無疑問是互聯網的基礎協議，沒有它就根本不可能上網，任何和互聯網有關的操作都離不開TCP/IP協議。不管是OSI七層模型還是TCP/IP的四層、五層模型，每一層中都要自己的專屬協議，完成自己相應的工作以及與上下層級之間進行溝通。由于OSI七層模型為網絡的標準層次劃分，所以我們以OSI七層模型為例從下向上進行一一介紹。
1）物理層（Physical Layer）
激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上層協議提供了一個傳輸數據的可靠的物理媒體。簡單的說，物理層確保原始的數據可在各種物理媒體上傳輸。物理層記住兩個重要的設備名稱，中繼器（Repeater，也叫放大器）和集線器。
2）數據鏈路層（Data Link Layer）
數據鏈路層在物理層提供的服務的基礎上向網絡層提供服務，其*基本的服務是將源自網絡層來的數據可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網絡層。為達到這一目的，數據鏈路必須具備一系列相應的功能，主要有：如何將數據組合成數據塊，在數據鏈路層中稱這種數據塊為幀（frame），幀是數據鏈路層的傳送單位；如何控制幀在物理信道上的傳輸，包括如何處理傳輸差錯，如何調節發送速率以使與接收方相匹配；以及在兩個網絡實體之間提供數據鏈路通路的建立、維持和釋放的管理。數據鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數據的成幀、流量控制、數據的檢錯、重發等。
有關數據鏈路層的重要知識點：
1> 數據鏈路層為網絡層提供可靠的數據傳輸；
2> 基本數據單位為幀；
3> 主要的協議：以太網協議；
4> 兩個重要設備名稱：網橋和交換機。
3）網絡層（Network Layer）
網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網絡中的數據傳輸和交換技術。如果您想用盡量少的詞來記住網絡層，那就是“路徑選擇、路由及邏輯尋址”。
網絡層中涉及眾多的協議，其中包括*重要的協議，也是TCP/IP的核心協議——IP協議。IP協議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協議的主要功能有：無連接數據報傳輸、數據報路由選擇和差錯控制。與IP協議配套使用實現其功能的還有地址解析協議ARP、逆地址解析協議RARP、因特網報文協議ICMP、因特網組管理協議IGMP。具體的協議我們會在接下來的部分進行總結，有關網絡層的重點為：
1> 網絡層負責對子網間的數據包進行路由選擇。此外，網絡層還可以實現擁塞控制、網際互連等功能；
2> 基本數據單位為IP數據報；
3> 包含的主要協議：
IP協議（Internet Protocol，因特網互聯協議）;
ICMP協議（Internet Control Message Protocol，因特網控制報文協議）;
ARP協議（Address Resolution Protocol，地址解析協議）;
RARP協議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協議）。
4> 重要的設備：路由器。
4）傳輸層（Transport Layer）
第一個端到端，即主機到主機的層次。傳輸層負責將上層數據分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。
傳輸層的任務是根據通信子網的特性，*佳的利用網絡資源，為兩個端系統的會話層之間，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責端到端的可靠數據傳輸。在這一層，信息傳送的協議數據單元稱為段或報文。
網絡層只是根據網絡地址將源結點發出的數據包傳送到目的結點，而傳輸層則負責將數據可靠地傳送到相應的端口。
有關網絡層的重點：
1> 傳輸層負責將上層數據分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸以及端到端的差錯控制和流量控制問題；
2> 包含的主要協議：TCP協議（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）、UDP協議（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）；
3> 重要設備：網關。
5）會話層
會話層管理主機之間的會話進程，即負責建立、管理、終止進程之間的會話。會話層還利用在數據中插入校驗點來實現數據的同步。
6）表示層
表示層對上層數據或信息進行變換以保證一個主機應用層信息可以被另一個主機的應用程序理解。表示層的數據轉換包括數據的加密、壓縮、格式轉換等。
7）應用層
為操作系統或網絡應用程序提供訪問網絡服務的接口。
會話層、表示層和應用層重點：
1> 數據傳輸基本單位為報文；
2> 包含的主要協議：FTP（文件傳送協議）、Telnet（遠程登錄協議）、DNS（域名解析協議）、SMTP（郵件傳送協議），POP3協議（郵局協議），HTTP協議（Hyper Text Transfer Protocol）。
3. IP地址
1）網絡地址
IP地址由網絡號（包括子網號）和主機號組成，網絡地址的主機號為全0，網絡地址代表著整個網絡。
2）廣播地址
廣播地址通常稱為直接廣播地址，是為了區分受限廣播地址。
廣播地址與網絡地址的主機號正好相反，廣播地址中，主機號為全1。當向某個網絡的廣播地址發送消息時，該網絡內的所有主機都能收到該廣播消息。
3）組播地址
D類地址就是組播地址。
先回憶下A，B，C，D類地址吧：
A類地址以00開頭，第一個字節作為網絡號，地址范圍為：0.0.0.0~127.255.255.255；
B類地址以10開頭，前兩個字節作為網絡號，地址范圍是：128.0.0.0~191.255.255.255;
C類地址以110開頭，前三個字節作為網絡號，地址范圍是：192.0.0.0~223.255.255.255。
D類地址以1110開頭，地址范圍是224.0.0.0~239.255.255.255，D類地址作為組播地址（一對多的通信）；
E類地址以1111開頭，地址范圍是240.0.0.0~255.255.255.255，E類地址為保留地址，供以后使用。
注：只有A,B,C有網絡號和主機號之分，D類地址和E類地址沒有劃分網絡號和主機號。
4）255.255.255.255
該IP地址指的是受限的廣播地址。受限廣播地址與一般廣播地址（直接廣播地址）的區別在于，受限廣播地址只能用于本地網絡，路由器不會轉發以受限廣播地址為目的地址的分組；一般廣播地址既可在本地廣播，也可跨網段廣播。例如：主機192.168.1.1/30上的直接廣播數據包后，另外一個網段192.168.1.5/30也能收到該數據報；若發送受限廣播數據報，則不能收到。
注：一般的廣播地址（直接廣播地址）能夠通過某些路由器（當然不是所有的路由器），而受限的廣播地址不能通過路由器。
5）0.0.0.0
常用于尋找自己的IP地址，例如在我們的RARP，BOOTP和DHCP協議中，若某個未知IP地址的無盤機想要知道自己的IP地址，它就以255.255.255.255為目的地址，向本地范圍（具體而言是被各個路由器屏蔽的范圍內）的服務器發送IP請求分組。
6）回環地址
127.0.0.0/8被用作回環地址，回環地址表示本機的地址，常用于對本機的測試，用的*多的是127.0.0.1。
7）A、B、C類私有地址
私有地址(private address)也叫專用地址，它們不會在使用，只具有本地意義。
A類私有地址：10.0.0.0/8，范圍是：10.0.0.0~10.255.255.255
B類私有地址：172.16.0.0/12，范圍是：172.16.0.0~172.31.255.255
C類私有地址：192.168.0.0/16，范圍是：192.168.0.0~192.168.255.255
4. 子網掩碼及網絡劃分
隨著互連網應用的不斷擴大，原先的IPv4的弊端也逐漸暴露出來，即網絡號占位太多，而主機號位太少，所以其能提供的主機地址也越來越稀缺，目前除了使用NAT在企業內部利用保留地址自行分配以外，通常都對一個高類別的IP地址進行再劃分，以形成多個子網，提供給不同規模的用戶群使用。
這里主要是為了在網絡分段情況下有效地利用IP地址，通過對主機號的高位部分取作為子網號，從通常的網絡位界限中擴展或壓縮子網掩碼，用來創建某類地址的更多子網。但創建更多的子網時，在每個子網上的可用主機地址數目會比原先減少。
什么是子網掩碼？
子網掩碼是標志兩個IP地址是否同屬于一個子網的，也是32位二進制地址，其每一個為1代表該位是網絡位，為0代表主機位。它和IP地址一樣也是使用點式十進制來表示的。如果兩個IP地址在子網掩碼的按位與的計算下所得結果相同，即表明它們共屬于同一子網中。
在計算子網掩碼時，我們要注意IP地址中的保留地址，即“ 0”地址和廣播地址，它們是指主機地址或網絡地址全為“ 0”或“ 1”時的IP地址，它們代表著本網絡地址和廣播地址，一般是不能被計算在內的。
子網掩碼的計算：
對于無須再劃分成子網的IP地址來說，其子網掩碼非常簡單，即按照其定義即可寫出：如某B類IP地址為 10.12.3.0，無須再分割子網，則該IP地址的子網掩碼255.255.0.0。如果它是一個C類地址，則其子網掩碼為 255.255.255.0。其它類推，不再詳述。下面我們關鍵要介紹的是一個IP地址，還需要將其高位主機位再作為劃分出的子網網絡號，剩下的是每個子網的主機號，這時該如何進行每個子網的掩碼計算。
下面總結一下有關子網掩碼和網絡劃分常見的面試考題：
1）利用子網數來計算
在求子網掩碼之前必須先搞清楚要劃分的子網數目，以及每個子網內的所需主機數目。
(1) 將子網數目轉化為二進制來表示;
如欲將B類IP地址168.195.0.0劃分成27個子網：27=11011；
(2) 取得該二進制的位數，為N；
該二進制為五位數，N = 5
(3) 取得該IP地址的類子網掩碼，將其主機地址部分的的前N位置1即得出該IP地址劃分子網的子網掩碼。
將B類地址的子網掩碼255.255.0.0的主機地址前5位置 1，得到 255.255.248.0
2）利用主機數來計算
如欲將B類IP地址168.195.0.0劃分成若干子網，每個子網內有主機700臺：
(1) 將主機數目轉化為二進制來表示；
700=1010111100；
(2) 如果主機數小于或等于254（注意去掉保留的兩個IP地址），則取得該主機的二進制位數，為N，這里肯定 N<8。如果大于254，則 n="">8，這就是說主機地址將占據不止8位；
該二進制為十位數，N=10；
(3) 使用255.255.255.255來將該類IP地址的主機地址位數全部置1，然后從后向前的將N位全部置為 0，即為子網掩碼值。
將該B類地址的子網掩碼255.255.0.0的主機地址全部置1，得到255.255.255.255，然后再從后向前將后 10位置0,即為：11111111.11111111.11111100.00000000，即255.255.252.0。這就是該欲劃分成主機為700臺的B類IP地址 168.195.0.0的子網掩碼。
3）還有一種題型，要你根據每個網絡的主機數量進行子網地址的規劃和計算子網掩碼。這也可按上述原則進行計算。
比如一個子網有10臺主機，那么對于這個子網需要的IP地址是：
10＋1＋1＋1＝13
注意：加的第一個1是指這個網絡連接時所需的網關地址，接著的兩個1分別是指網絡地址和廣播地址。
因為13小于16（16等于2的4次方），所以主機位為4位。而256－16＝240，所以該子網掩碼為255.255.255.240。
如果一個子網有14臺主機，不少人常犯的錯誤是：依然分配具有16個地址空間的子網，而忘記了給網關分配地址。這樣就錯誤了，因為14＋1＋1＋1＝17，17大于16，所以我們只能分配具有32個地址（32等于2的5次方）空間的子網。這時子網掩碼為：255.255.255.224。
5. ARP/RARP協議
地址解析協議，即ARP（Address Resolution Protocol），是根據IP地址獲取物理地址的一個TCP/IP協議。主機發送信息時將包含目標IP地址的ARP請求廣播到網絡上的所有主機，并接收返回消息，以此確定目標的物理地址；收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機ARP緩存中并保留一定時間，下次請求時直接查詢ARP緩存以節約資源。地址解析協議是建立在網絡中各個主機互相信任的基礎上的，網絡上的主機可以自主發送ARP應答消息，其他主機收到應答報文時不會檢測該報文的真實性就會將其記入本機ARP緩存；由此攻擊者就可以向某一主機發送偽ARP應答報文，使其發送的信息無法到達預期的主機或到達錯誤的主機，這就構成了一個ARP欺騙。ARP命令可用于查詢本機ARP緩存中IP地址和MAC地址的對應關系、添加或刪除靜態對應關系等。
ARP工作流程舉例：
主機A的IP地址為192.168.1.1，MAC地址為0A-11-22-33-44-01；
主機B的IP地址為192.168.1.2，MAC地址為0A-11-22-33-44-02；
當主機A要與主機B通信時，地址解析協議可以將主機B的IP地址（192.168.1.2）解析成主機B的MAC地址，以下為工作流程：
（1）根據主機A上的路由表內容，IP確定用于訪問主機B的轉發IP地址是192.168.1.2。然后A主機在自己的本地ARP緩存中檢查主機B的匹配MAC地址。
（2）如果主機A在ARP緩存中沒有找到映射，它將詢問192.168.1.2的硬件地址，從而將ARP請求幀廣播到本地網絡上的所有主機。源主機A的IP地址和MAC地址都包括在ARP請求中。本地網絡上的每臺主機都接收到ARP請求并且檢查是否與自己的IP地址匹配。如果主機發現請求的IP地址與自己的IP地址不匹配，它將丟棄ARP請求。
（3）主機B確定ARP請求中的IP地址與自己的IP地址匹配，則將主機A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP緩存中。
（4）主機B將包含其MAC地址的ARP回復消息直接發送回主機A。
（5）當主機A收到從主機B發來的ARP回復消息時，會用主機B的IP和MAC地址映射更新ARP緩存。本機緩存是有生存期的，生存期結束后，將再次重復上面的過程。主機B的MAC地址一旦確定，主機A就能向主機B發送IP通信了。
逆地址解析協議，即RARP，功能和ARP協議相對，其將局域網中某個主機的物理地址轉換為IP地址，比如局域網中有一臺主機只知道物理地址而不知道IP地址，那么可以通過RARP協議發出征求自身IP地址的廣播請求，然后由RARP服務器負責回答。
RARP協議工作流程：
（1）給主機發送一個本地的RARP廣播，在此廣播包中，聲明自己的MAC地址并且請求任何收到此請求的RARP服務器分配一個IP地址；
（2）本地網段上的RARP服務器收到此請求后，檢查其RARP列表，查找該MAC地址對應的IP地址；
（3）如果存在，RARP服務器就給源主機發送一個響應數據包并將此IP地址提供給對方主機使用；
（4）如果不存在，RARP服務器對此不做任何的響應；
（5）源主機收到從RARP服務器的響應信息，就利用得到的IP地址進行通訊；如果一直沒有收到RARP服務器的響應信息，表示初始化失敗。
6. 路由選擇協議
常見的路由選擇協議有：RIP協議、OSPF協議。
RIP協議 ：底層是貝爾曼福特算法，它選擇路由的度量標準（metric)是跳數，*大跳數是15跳，如果大于15跳，它就會丟棄數據包。
OSPF協議 ：Open Shortest Path First開放式*短路徑優先，底層是迪杰斯特拉算法，是鏈路狀態路由選擇協議，它選擇路由的度量標準是帶寬，延遲。