網路協議從入門到底層原理

互聯網（internet）
為什么要學習網路協議
客戶端-服務器
跨平臺的原理（Java、C++）
網路互連模型（OSI參考模型）
計算機之間的通信基礎
- 計算機之間的連接方式 - 網線直連
- 計算機之間的連接方式 - 同軸電纜(Coaxial)
- 計算機之間的連接方式 - 集線器(Hub)
- 計算機之間的連接方式 - 網橋（Bridge）
- 計算機之間的連接方式 - 交換機（Switch）
- 計算機之間的連接方式 - 路由器（Router）
MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）
- MAC地址的表示格式（Windows、Linux）
- MAC地址操作（`ipconfig /all`）
- MAC地址的獲取（`arp -a`）
IP地址（127.0.0.1）
- IP地址的組成（網路ID + 主機ID）
- IP地址的分類（A類、B類、C類、D類、E類）
- 子網掩碼的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）
子網劃分
- 為什么要進行子網劃分？
- 子網劃分
- 等長子網劃分 - C類子網劃分（2、4、8等分）
- 等長子網劃分 - A、B類子網劃分
- 子網劃分實踐
- 變長子網劃分
- 思考題：雙方子網掩碼不同，計算對方所處網段
超網 - 合并網段
- 合并4個網段
- 子網合并的規律
判斷一個網段是子網還是超網

互聯網（internet）

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資料是如何從一個設備傳遞到另一個設備的？
答：網路協議

為什么要學習網路協議

互聯網、移動互聯網、物聯網，都離不開網路協議：

最熟悉的網路協議：HTTP
為了滿足各種需求，有各式各樣的網路協議（HTTPS、SMTP、MQTT、RTMP等）

網路協議方面的面試題目近年來要求提高了：

TCP和UDP的區別？說一下它們的報文格式？
TCP的流量控制和和擁塞控制？TCP如何實作可靠性傳輸？
為什么連接是3次握手，關閉是4次揮手？
7層模型與4層模型的區別？每一層的作用是什么？
交換機與路由器的區別？

客戶端-服務器

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跨平臺的原理（Java、C++）

Java跨平臺的原理：
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解釋型語言跨平臺的原理與 Java 類似：例如 JavaScript，甚至不需要經過編譯，有瀏覽器即可決議，

C++跨平臺的原理：使用平臺相關的編譯器生成對應平臺的可執行檔案
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網路互連模型（OSI參考模型）

什么是協議？為什么要有協議？

協議就是通用的標準，
如果沒有一個國際通用的標準，那么各大公司按照自己的標準來，相互之間的互動就會很麻煩，比如我撰寫的代碼在微軟的服務器可以運行，但是要在蘋果的服務器運行又需要重新撰寫…

為了更好地促進互聯網路的研究和發展，國際標準化組織 ISO 在 1985 年制定了網路互連模型 OSI 參考模型(Open System Interconnect Reference Model)，具有7層結構，

實際上 OSI參考模型(7層) 更偏理論，而 TCP/IP 協議(4層) 在才是在實際中使用的協議，而為了研究和學習計算機網路，又常將之劃分為 5層，
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請求程序：不管什么協議都是經過下列的包裝 + 解包的程序，

計算機之間的通信基礎

1、需要得知對方的 IP地址

2、最終是根據 MAC地址（網卡地址），輸送資料到網卡，被網卡接收

如果網卡發現資料的目標MAC地址是自己，就會將資料傳遞給上一層進行處理
如果網卡發現資料的目標MAC地址不是自己，就會將資料丟棄，不會傳遞給上一層

計算機之間的連接方式 - 網線直連

需要用 交叉線（不是直通線）
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ARP協議的作用：已知 IP地址，通過廣播獲取 MAC地址，

為什么右邊出現3個ARP包，實際上是 一次完整的發送請求，接收回應的程序，
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計算機之間的連接方式 - 同軸電纜(Coaxial)

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注意：同軸電纜只要有一個地方線斷了，整個線路都癱瘓了，

計算機之間的連接方式 - 集線器(Hub)

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集線器相比同軸電纜唯一的優點就是：哪怕連著集線器的某一個設備中間線路出問題，不會影響到連著集線器的其他設備，

計算機之間的連接方式 - 網橋（Bridge）

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所謂隔絕沖突域是通過：記錄設備的MAC地址在左還是在右，

例如，6向7發資料包，
當6發出請求ARP廣播時，網橋會記錄6的MAC地址在左；
當7發出回應ARP廣播時，網橋會記錄7的MAC地址在左，
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計算機之間的連接方式 - 交換機（Switch）

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若全球所有設備都用交換機連接：
1、他們必然處于同一網段，因此 IP地址可能會不夠用
2、即使使用交換機，第一次發送資料包仍然需要ARP廣播，耗費大量時間，
3、形成廣播風暴，只要有一個設備發送ARP廣播，全球設備都能收到

計算機之間的連接方式 - 路由器（Router）

主機在發資料之前，首先會判斷目標主機的IP地址跟它是否在同一個網段：

在同一個網段：ARP廣播、通過交換機\集線器傳遞資料
不在同一個網段：通過路由器轉發資料

網線直連、同軸電纜、集線器、網橋、交換機

連接的設備必須在同一網段
連接的設備處在同一廣播域

路由器

可以在不同網段之間轉發資料
隔絕廣播域

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MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）

每個網卡都有一個 6位元組(48bit) 的 MAC地址（Media Access Control Address）

MAC地址全球唯一，固化在網卡的ROM中，由 IEEE802 標準規定

前3位元組：OUI（Organizationally Unique Identifier），組織唯一識別符號
由 IEEE 的注冊管理機構分配給廠商
后3位元組：網路介面識別符號
由廠商自行分配

OUI 查詢：

http://standards-oui.ieee.org/oui.txt
https://mac.bmcx.com/

MAC地址的表示格式（Windows、Linux）

Windows
40-55-82-0A-8C-6D
Linux、Android、Mac、iOS（類Unix作業系統）
40:55:82:0A:8C:6D
Packet Tracer
4055.820A.8C6D

注：當48位全為1時，代表廣播地址：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：更改配接器選項-屬性-配置-高級-網路地址（填寫的時候需要把減號- 去掉）
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注：有時可以通過修改 MAC地址蹭網，，，，

MAC地址的獲取（`arp -a`）

當不知道對方主機的MAC地址時，可以通過發送ARP廣播獲取對方的MAC地址

獲取成功后，會快取IP地址、MAC地址的映射資訊，俗稱：ARP快取
通過ARP廣播獲取的MAC地址，屬于 動態（dynamic）快取
存盤時間比較短（默認是2分鐘），過期就自動洗掉

arp -a [主機地址]：查看ARP快取
arp -d [主機地址]：洗掉ARP快取
arp -s 主機地址 MAC地址：增加一條快取資訊（這是靜態快取，存盤時間較久，不同系統的存盤時間不同）

IP地址（127.0.0.1）

IP地址（Internet Protocol Address）：互聯網上的每一個主機都有一個IP地址

最初是 IPv4 版本，32bit（4位元組），2019年11月25日，全球的IP地址已經用完
后面推出了 IPv6 版本，128bit（16位元組）
我們在學習中討論的都是 IPV4

IP地址的組成（網路ID + 主機ID）

IP地址由2部分組成：網路標識（網路ID）、主機標識（主機ID）

通過子網掩碼（subnet mask）可以得知網路ID 、主機ID

主機所在的網段 = 子網掩碼 & IP地址
例如：

IP地址：192.168.1.10
子網掩碼：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

網段：192.168.1.0

網段是由子網掩碼計算得出，只有IP地址無法得知網段，

IP地址：130.168.1.10
子網掩碼：255.255.0.0
網段：130.168.0.0

該網段最多有 256*256-2 個IP地址
-2是因為: 全0代表網段,全1代表廣播
網段和廣播無法分配IP地址.

計算機和其他計算機通信前，會先判斷目標主機和自己是否在同一網段：

同一網段：不需要由路由器進行轉發
不同網段：交由路由器進行轉發

IP地址的分類（A類、B類、C類、D類、E類）

注：判斷IP地址的類別只要看第一部分即可，

只有 A\B\C 類地址才能分配給主機

主機ID為全0，表示主機所在的網段，如 192.168.1.0
主機ID為全1，表示主機所在網段的全部主機（廣播），如 192.168.1.255
可以嘗試用ping給某個網段的全部主機發資料

A類地址：默認子網掩碼是 255.0.0.0
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網路ID

0 不能用，127 作為保留網段，
其中 127.0.0.1 是 本地環回地址（Loopback），代表本機地址
可以分配給主機的第1部分的取值范圍是：1~126

主機ID

第2、3、4部分的取值范圍是：0~255
每個A類網路能容納的最大主機數是：256*256*256–2 = 2²⁴–2 = 16777214

B類地址：默認子網掩碼是 255.255.0.0
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網路ID

第1部分的取值范圍是：128~191
第2部分的取值范圍是：0~255

主機ID

第3、4部分的取值范圍是：0~255
每個B類網路能容納的最大主機數是：256*256-2 = 2¹⁶-2 = 65534

C類地址：默認子網掩碼是 255.255.255.0
目前用的最多的是 C類地址！
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網路ID

第1部分的取值范圍是：192~223
第2、3部分的取值范圍是：0~255

主機ID

第4部分的取值范圍是：0~255
每個C類網路能容納的最大主機數是：256-2 = 254

D類地址：沒有子網掩碼，用于多播（組播）地址
以 1110 開頭，多播地址
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第一部分取值是：224~239

E類地址：以 1111 開頭，保留為今后使用
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第一部分取值是：240~255

子網掩碼的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：無類別域間路由

子網掩碼的CIDR表示方法

192.168.1.100/24，代表子網掩碼有24個1，也就是 255.255.255.0
123.210.100.200/16，代表子網掩碼有16個1，也就是 255.255.0.0

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

子網劃分

為什么要進行子網劃分？

如果需要讓 200 臺主機在同一個網段內，可以分配一個 C類網段，比如192.168.1.0/24

共 254 個可用IP地址：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254
多出 54 個空閑的IP地址，這種情況并不算浪費資源

如果需要讓 500 臺主機在同一個網段內，那就分配一個 B類網段，比如191.100.0.0/16

共 65534 個可用IP地址：191.100.0.1 ~ 191.100.255.254
多出 65034 個空閑的IP地址，這種情況屬于極大的浪費資源

如何盡量避免浪費IP地址資源？

合理進行 子網劃分

子網劃分

子網劃分：借用主機位作子網位，劃分出多個子網

等長子網劃分：將一個網段等分成多個子網，每個子網的可用IP地址數量一樣
變長子網劃分：每個子網的可用IP地址數量可以是不一樣的

子網劃分器：http://www.ab126.com/web/3552.html

子網劃分的步驟

確定子網的子網掩碼長度
確定子網中第1個、最后1個主機可用的IP地址

等長子網劃分 - C類子網劃分（2、4、8等分）

例：

本來有一個C類網段: 192.168.0.0/24

劃分成兩個子網后:

A子網: 192.168.0.0/25 子網掩碼: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 共 126 個

B子網: 192.168.0.128/25 子網掩碼: 255.255.255.128
可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 個

等分成 2 個子網：
在這里插入圖片描述
等分成 4 個子網：

等分成 4 個子網的廣播地址：

等分成 8 個子網：

等長子網劃分 - A、B類子網劃分

B類子網劃分：
在這里插入圖片描述
A類子網劃分：

子網劃分實踐

如此劃分(，他們還是屬于同一個網段，可以直接 ping 通，
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下面這樣劃分就不是一個網段了，分別屬于 192.168.0.0 和 192.168.0.128 網段，需要用路由器并設定網關才可以 ping 通，

變長子網劃分

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思考題：雙方子網掩碼不同，計算對方所處網段

問：下列兩臺計算機可以正常通信嗎？
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答：不可以，計算機0 想要發送資料包，先判斷計算機1是否和自己處于同一個網段，計算網段的方法是：IP地址 & 子網掩碼，計算機0判斷計算機1的網段為 192.168.10.10 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0，而計算機0判斷自身所處網段為 192.168.0.10 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0，雙方不處于同一網段，所以計算機0無法將資料包發給計算機1（不同網段的資料通信需要路由器）
在這里插入圖片描述
解決方案：利用路由器，

超網 - 合并網段

超網：跟子網反過來，它是將多個連續的網段合并成一個更大的網段

需求：原本有200臺計算機使用 192.168.0.0/24 網段，現在希望增加200臺設備到同一個網段

200臺在 192.168.0.0/24 網段，200臺在 192.168.1.0/24 網段
合并 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24 為一個網段：192.168.0.0/23
（子網掩碼往左移動1位）

問：192.168.0.255/23 這個IP地址，可以分配給計算機使用么？

192.168.0.255/24 是廣播，不能分配給計算機，
192.168.0.255/23 如下：

主機部分并不全為1，所以是可以分配給計算機使用的，

合并4個網段

子網掩碼向左移動 2 位，可以合并 4 個網段
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將 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24 合并為192.168.0.0/22 網段

子網合并的規律

假設 n 是 2 的 k 次冪（k≥1），子網掩碼左移 k 位能夠將能夠合并 n 個網段
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假設 n 是 2 的 k 次冪（k≥1），如果第一個網段的網路號能被 n 整除，那么由它開始連續的 n 個網段，能通過左移 k 位子網掩碼進行合并，

第一個網段的網路號以二進制 0 結尾，那么由它開始連續的 2 個網段，能通過左移1位子網掩碼進行合并
第一個網段的網路號以二進制 00 結尾，那么由它開始連續的 4 個網段，能通過左移2位子網掩碼進行合并
第一個網段的網路號以二進制 000 結尾，那么由它開始連續的 8 個網段，能通過左移3位子網掩碼進行合并

在這里插入圖片描述

判斷一個網段是子網還是超網

首先看該網段的型別，是A類網路、B類網路、C類網路？

A類子網掩碼的位數是8（255.0.0.0）
B類子網掩碼的位數是16（255.255.0.0）
C類子網掩碼的位數是24（255.255.255.0）

如果該網段的子網掩碼位數比默認子網掩碼多，就是子網
如果該網段的子網掩碼位數比默認子網掩碼少，則是超網

例如：
判斷 25.100.0.0/16 是子網還是超網：

根據 25 判斷出這是個 A 類網路，默認子網掩碼 8 位
由于該網段子網掩碼 16 位，比默認多，所以是子網

判斷 200.100.0.0/16 是子網還是超網：

根據 200 判斷出這是個 C 類網路，默認子網掩碼 24 位
由于該網段子網掩碼 16 位，比默認少，所以是超網

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網路協議從入門到底層原理（1） — 基本概念、MAC地址、IP地址、子網劃分、超網

網路協議從入門到底層原理

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計算機之間的連接方式 - 同軸電纜(Coaxial)

計算機之間的連接方式 - 集線器(Hub)

計算機之間的連接方式 - 網橋（Bridge）

計算機之間的連接方式 - 交換機（Switch）

計算機之間的連接方式 - 路由器（Router）

MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）

MAC地址的表示格式（Windows、Linux）

MAC地址操作（ipconfig /all）

MAC地址的獲取（arp -a）

IP地址（127.0.0.1）

IP地址的組成（網路ID + 主機ID）

IP地址的分類（A類、B類、C類、D類、E類）

子網掩碼的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）

子網劃分

為什么要進行子網劃分？

子網劃分

等長子網劃分 - C類子網劃分（2、4、8等分）

等長子網劃分 - A、B類子網劃分

子網劃分實踐

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MAC地址操作（`ipconfig /all`）

MAC地址的獲取（`arp -a`）