[网络协议]知识分享（网络）

1 一些基础概念

网络设备

中继器：主要是对接受信号进行再生和发送，其不解释也不改变接收到数字信号。工作在物理层。

集线器：是一个多端口的中继器。

网桥：通过分析帧地址字段，来决定是否将收到的帧发送到另一个网段上。其工作在数据链路层。

交换机：是一个多端口网桥。

路由器：工作在网络层，主要完成协议转换。

网关：对不同的传输层、会话层、表示层和应用层的协议进行翻译和转换。

简单网络:两个终端用一条能承载数据传输的物理介质(也称为传输介质)连接起来，就
组成了一个最简单的网络。

网络产生的主要原因:终端相互传递信息和资源共享的需求;

同轴电缆是一种早期使用的传输介质同轴电缆的标准分为两种:

双绞线
屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP):屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一
个金属屏蔽层，可以屏蔽电磁干扰。
非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)

3类双绞线支持10Mbps传输速率;5类双绞线支持100Mbps传输速率;超5类双绞线及更高级别的 双绞线支持千兆以太网传输。

双绞线使用RJ-45接头连接网络设备。为保证终端能够正确收发数据，RJ-45接头中的针脚必须按照一定的线序排列。

网线水晶头的排列顺序有两种做法，一种是交叉线，一种是平行（直通）线。
交叉线的做法是：一头采用568A标准，一头采用568B标准
平行（直通）线的做法是：两头同为568A标准或568B标准
568A标准：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕
568B标准：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕

双绞线和同轴电缆传输数据时使用的是电信号，而光纤传输数据时使用的是光信号

光纤支持的传输速率包括10Mbps，100Mbps，1Gbps，10Gbps，甚至更高。根据光纤传输光信号模式的不同，光纤又可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤:只能传输一种模式的光，不存在模间色散，因此适用于长距离高速传输。
多模光纤:允许不同模式的光在一根光纤上传输，由于模间色散较大而导致信号脉冲展宽
严重，因此多模光纤主要用于局域网中的短距离传输。

串口电缆 V.35接头 V.24接头
冲突域:

? 连接在同一导线上的所有工作站的集合。
中继器和集线器连接的所有节点处在同一冲突域中，网桥、交换机和路由器可以分割冲突域。

广播域：

? 指接受同样广播消息的节点的集合。网桥和交换机连接的所有节点处在同一广播域，路由器和三层交换设备可以分割广播域。

CSMA/CD的基本工作过程:
先听后发: 终端设备不停地检测共享线路的状态。如果线路空闲，则可以发送数据;如果线
路不空闲，则等待一段时间后继续检测(延时时间由退避算法决定)。

边发边听: 如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送自的数据会产生冲突

冲突停发: 终端设备检测到冲突之后，会马上停止发送自己的娄数据，并发送特殊阻塞信息，以强化冲突信号，使线路上其他站点能够尽早检测到冲突。

随机延迟后重发:终端设备检测到冲突后，等待一段时间之后再进行数据发送(延时时间由退避算法决定)。

以太网上的通信模式:
半双工:通信双方都能发送和接收数据，但不能同时进行。当一台设备发送时，另一台只能
接收，反之亦然。对讲机是半双工的典型例子。
半双工模式下，共享物理介质的通信双方必须采用CSMA/CD机制来避免冲突
全双工:通信双方都能同时接收和发送数据。电话网络是典型的全双工例子。
同一物理链路上相连的两台设备的双工模式必须保持一致。

2 以太网帧结构

? 以太网是根据IEEE 802.3标准来管理和控制数据帧的。
一般地，关注于逻辑数据关系的协议通常被称为上层协议，而关注于物理数据流的协议通常被称为底层协议。

国际标准化组织ISO于1984年提出了OSI RM(Open System Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型)。

OSI参考模型具有以下优点:

1.简化了相关的网络操作;

2.提供了不同厂商之间的兼容性;

3.促进了标准化工作;

4.结构上进行了分层;

5.易于学习和操作。

OSI参考模型各个层次的基本功能如下:

1.物理层:在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚。
2.数据链路层:将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址(以太网使用
MAC地址)来访问介质，并进行差错检测。
3.网络层:提供逻辑地址，供路由器确定路径。
4.传输层:提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。
5.会话层:负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中
的应用程序之间的服务请求和响应组成。
6.表示层:提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数
据能被另一个系统的应用层识别。
7.应用层:OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。

TCP/IP 模型:

1.网络接口层:
2.网络层解决网络之间的逻辑转发问题;
3.传输层保证源端到目的端之间的可靠传输;
4.应用层通过各种协议向终端用户提供业务应用;
TCP/IP模型不关注底层物理介质，主要关注终端之间的逻辑数据流转发。

3 IP编址

IP 编址:
IPv4地址为32 比特的二进制数，通常用点分十进制表示。

? … 0 0 0 0 0 0 0 0 8位

? 128 64 32 16 8 4 2 1 255

? … 2^7 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^0 2^(n-1)

? 192.168.10.1 转换为二进制

? 11000000 10101000 00001010 00000001

?

? IP地址包括两部分:第一部分是网络号，表示IP地址所属的网段;
第二部分是主机号，用来唯一标识本网段上的某台网络设备。
每个网段上都有两个特殊地址不能分配给主机或网络设备。第一个是该网段的网络地址该IP地址的主机位为全0，表示一个网段。第二个地址是该网段中的广播地址，广播地址
的主机位为全1。

10.0.0.0~10.255.255.255
172.16.0.0~172.31.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255

特殊地址:

0.0.0.0 严格讲这不是一个ip地址，在本网络上的本主机。可做源地址。

127.0.0.1 本机地址，用于测试TCP/IP协议能否正常工作。

255.255.255.255 限制广播地址。同一广播域的所有主机，这个地址不被路由转发。可以做目的地

169.254.X.X（自动专有地址）当DHCP服务器出现故障或者响应时间太长而超出系统规定时间，Windows会分配一个这样的地址。

224.0.0.0是一个组播地址。224.0.0.1指所有主机；224.0.0.2指所有路由器；224.0.0.5 OSPF路由协议专用。

子网掩码的作用是什么?
32位的IP子网掩码用于区分IP地址中的网络号和主机号。

主机数:2的n次幂
可用主机数:2的n次幂-2 (n为主机位)

192.168.10.1 / 0

192.168.10.1 /24 #意味着主机位有8位，最大主机数2^8-2(除了0号和255号)，这就是为什么 我们平时用的基本是1~244的原因

192.168.10.1 /28 #意味着主机位只有32-28=4位，最大主机数2^4-2也就是14个主机位

192.168.10.1 /32

IP包分片:

网络中转发的IP报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文就需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。将报文分割成多个片段的过程叫做分片。
接收端根据分片报文中的标识符(Identification),标志(Flags)，及片偏移(Fragment Offset)字段对分片报文进行重组。标识符用于识别属于同一个数据包的分片，以区别于同一主机或其他主机发送的其它数据包分片，保证分片被正确的重新组合。标志字段用于判断是否已经收到最后一个分片。最后一个分片的标志字段设置为0，其他分片的标志字段设置为1，目的端在收到标志字段为0的分片后，开始重组报文。片偏移字段表示每个分片在原始报文中的位置。第一个分片的片偏移为0，第二个分片的片偏移表示紧跟第一个分片后的第一个比特的位置。比如，如果首片报文包含1259 比特，那么第二分片报文的片偏移字段值就应该为1260。
生存时间:
为避免环路导致的网络拥塞，IP 报文头中包含一个生存时间 TTL(Time To Live)字段。报文每经过一台三层设备，TTL 值减1。初始 TTL 值由源端设备设置。当报文中的TTL降为0时，报文会被丢弃。同时，丢弃报文的设备会根据报文头中的源 IP地址向源端发送ICMP错误消息。

网关的作用是什么?
网关是指接收并处理本地网段主机发送的报文并转发到目的网段的设备。

IPV6

数据报包有一个40字节的基本首部，其后允许有0个或多个扩展首部，然后是数据部分。扩展首部和数据部分统称为有效载荷。

IPV6使用了两种安全性扩展，即IP身份验证头和IP封装安全性净荷IPV6地址空间采用128位地址长度。

其表示方法有：

（1）IPV6地址长度128位，采用冒号分开十六进制表示。

（2）某些IPV6地址中有一长串0，此时可将连续的0压缩为一个0。也可以将连续多个0000用双冒号替代。

21DA：0000：0000：0000：00C2：0EF0：A57E：78EA

21DA：0：0：0：C2：EF0：A57E：78EA

21DA：：C2：EF0：A57E：78EA

（3）0压缩只能出现1次

4 TCP/UDP

传输层定义了主机应用程序之间端到端的连通性。

传输层中最为常见的两个协议分别是:
传输控制协议TCP(Transmission Control Protoco1);

? 用户数据包协议UDP(User Datagram Protoco1);

TCP协议:
TCP位于TCP/IP模型的传输层，它是一种面向连接的端到端协议。 TCP作为传输控制协议，可以为主机提供可靠的数据传输。

TCP端口号:
TCP允许一个主机同时运行多个应用进程。每台主机可以拥有多个应用端口，每对端口号、源和目标IP地址的组合唯一地标识了一个会话。端口分为知名端口和动态端口。有些网络服务会使用固定的端口，这类端口称为知名端口，端口号范围为0-1023。如FTP、HTTP、 Telnet、SNMP服务均使用知名端口。动态端口号(非知名)范围从1024到65535，这些端口号一般不固定分配给某个服务，也就是说许多服务都可以使用这些端口。只要运行的程序向系统提出访问网络的申请，那么系统就可以从这些端口号中分配一个供该程序使用。
每个TCP头部都包含源和目的端的端口号这两个值加上IP头部中的源IP地址和目的 IP地址可以唯一确定一个TCP连接。

TCP通过三次握手建立可靠连接

TCP通过四次握手终止连接

5 交换机对数据帧的转发

交换机中有一个MAC地址表，里面存放了MAC地址与交换机端口的映射关系。 MAC地址表也称为CAM(Content Addressable Memory)表。

交换机对帧的转发操作行为一共有三种:
泛洪(Flooding)，转发(Forwarding)，丢弃(Discarding)。
1.泛洪:交换机把从某一端口进来的帧通过所有其它的端口转发出去(注意，“所有其它
的端口”是指除了这个帧进入交换机的那个端口以外的所有端口)。
2.转发:交换机把从某一端口进来的帧通过另一个端口转发出去(注意，“另一个端口”
不能是这个帧进入交换机的那个端口)。
3.丢弃:交换机把从某一端口进来的帧直接丢弃。

交换机的基本工作原理:
1.如果进入交换机的是一个单播帧，则交换机会去MAC地址表中查找这个帧的目的MAC地址。
1)如果查不到这个MAC地址，则交换机执行泛洪操作。
2)如果查到了这个MAC地址，则比较这个MAC地址在MAC地址表中对应的端口是不是
这个帧进入交换机的那个端口。如果不是，则交换机执行转发操作。如果是，则交换机执行丢弃操作。
2.如果进入交换机的是一个广播帧，则交换机不会去查 MAC地址表，而是直接执行泛洪操作。

? 交换机还具有学习能力。当一个帧进入交换机后，交换机会检查这个帧的源MAC地址，并将该源MAC地址与这个帧进入交换机的那个端口进行映射，然后将这个映射关系存放进 MAC地址表。
缺省情况下，交换机学习到的MAC地址表项的老化时间为300秒。在老化时间内再次从同一端口收到主机发送的数据帧，MAC地址表项老化时间会被刷新。
当一台主机从交换机的一个端口移除时，交换机检测到物理链路 Down，因此会从MAC地址表中清除对应主机的MAC表项。一旦主机连接到交换机另外一个端口，交换机会检测到新端口对应的物理链路UP。主机发送报文后，交换机就会学习到主机的MAC 地址和新端口的映射关系，并且添加到MAC地址表中。

6 路由分类

按照来源不同，路由可以分为以下3种。
(1)直连路由。直连路由是由链路层协议发现的。直连路由无须配置，在接口存在IP地址时，由路由进程自动生成。它的特点是开销小，配置简单，无须人工维护，但只能发现本接口所属网段的路由。
(2)静态路由。由管理员手工配置而成的路由称为静态路由。静态路由无开销，配置简单，适合简单拓扑结构的网络。静态路由的缺点是无法自动根据网络拓扑变化而改变。当一个网络故障发生后，静态路由不会自动修正，而必须由管理员介人进行配置。
(3)动态路由。动态路由协议自动发现和维护的路由称为动态路由。动态路由的优点是无须人工配置具体路由表项，而由路由协议自动发现和计算。当网络拓扑结构复杂时，使用动态路由可减少管理员的配置工作，且减少配置错误。另外，动态路由协议支持路由备份，如果原有链路故障导致路由表项失效，协议可自动计算和使用其他的路径,无须人工维护。系统启用动态路由协议后，系统之间交互协议报文，会占用一部分链路开销;并且动态路由协议配置复杂，需要管理员掌握一定的路由协议知识。

各类路由各有优缺点，可根据网络结构和实际需求来选择。

如果网络拓扑是星状,各节点之间没有冗余链路，则可以使用静态路由;

如果网络中有冗余链路,如全互联或环型拓扑，则可以使用动态路由,以增强路由可靠性。

如果网络是分层的，则通常在接人层使用静态路由来降低设备资源的消耗;而在汇聚或核心层使用动态路由来增加可靠性。

7 DHCP

? 使用动态主机配置协议DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)来分配IP地计等网络参数，可以减少管理员的工作量，避免用户手工配置网络参数时造成的地址冲突。

DHCP 报文:
1.DHCP客户端初次接入网络时，会发送DHCP发现报文(DHCP Discover)，用于查找和定
位DHCP 服务器。(广播)

? 2.DHCP 服务器在收到DHCP 发现报文后，发送DHCP 提供报文(DHCP Offer)，此报文中包含IP 地址等配置信息。(单播)

? 3.在DHCP客户端收到服务器发送的DHCP提供报文后，会发送DHCP 请求报文(DHCR Request)，另外在DHCP客户端获取IP地址并重启后，同样也会发送DHCP 请求报文。用于确认分配的IP地址等配置信息。DHCP客户端获取的IP地址租期快要到期时，也发送DHCP请求报文向服务器申请延长IP地址租期。(单播或广播)

? 4.收到DHCP客户端发送的DHCP请求报文后DHCP服务器会6回复DHCP确认报文(DHCP ACK)。客户端收到DHCP确认报文后，会将获取的IP地址等信息进行配置和使用。(单播)

? 5.如果DHCP服务器收到DHCP-REQUEST报文后，没有找到相应的租约记录，则发送 DHCP-NAK报文作为应答，告知DHCP客户端无法分配合适IP地址。(单播)

? 6.DHCP客户端通过发送DHCP释放报文(DHCPRelease)来释放IP地址。收到DHCP释放报文后，DHCP服务器可以把该IP地址分配给其他DHCP 客户端。(单播)

DHCP服务器的地址池是用来定义分配给主机的IP地址范围，有两种形式。
1.接口地址池为连接到同一网段的主机或终端分配IP地址。可以在服务器的接口下执行
dhcp select interface命令，配置DHCP服务器采用接口地址池的DHCP服务器模式为客户端分配IP地址。
2.全局地址池为所有连接到DHCP服务器的终端分配IP地址。可以在服务器的接口下执行
dhcp select global命令，配置DHCP服务器采用全局地址池的DHCP服务器模式为客户端分配IP地址。
接口地址池的优先级比全局地址池高。配置了全局地址池后，如果又在接口上配置了地址池，客户端将会从接口地址池中获取IP地址。在X7系列交换机上，只能在VLANIF逻辑接口上配置接口地址池。

DHCP工作原理:
DHCP客户端需要和DHCP服务器进行报文交互。
1.首先，DHCP 客户端发送 DHCP 发现报文来发现 DHCP 服务器。DHCP 服务器会选取一个未分配的IP地址，向 DHCP 客户端发送 DHCP 提供报文。此报文中包含分配给客户端的IP地址和其他配置信息。如果存在多个DHCP 服务器，每个 DHCP 服务器都会响应。
2.如果有多个 DHCP服务器向 DHCP 客户端发送 DHCP 提供报文，DHCP 客户端将会选择收到的第一个DHCP提供报文，然后发送DHCP请求报文,报文中包含请求的IP地址。收到 DHCP请求报文后，提供该IP地址的 DHCP服务器会向 DHCP 客户端发送一个DHCP 确认报文，包含提供的 IP 地址和其他配置信息。
3.DHCP客户端收到DHCP确认报文后，会发送免费ARP报文，检查网络中是否有其他主机使用分配的IP地址。如果指定时间内没有收到ARP应答，DHCP客户端会使用这个IP地址。如果有主机使用该IP地址，DHCP客户端会向DHCP 服务器发送DHCP 拒绝报文，通知服务器该IP地址已被占用。然后DHCP客户端会向服务器重新申请一个IP地址。

申请到IP地址后，DHCP客户端中会保存三个定时器，分别用来控制租期更新，租期重绑定和租期失效。

租期更新:
DHCP服务器为DHCP客户端分配IP地址时会指定三个定时器的值。如果 DHCP 服务器没有指定定时器的值，DHCP客户端会使用缺省值，缺省租期为1天。默认情况下，还剩下50%的租期时，DHCP客户端开始租约更新过程，DHCP客户端向分配IP 地址的服务器发送DHCP请求报文来申请延长IP地址的租期。DHCP服务器向客户端发送DHCP确认报文，给予DHCP客户端一个新的租期。

重绑定:
DHCP客户端发送DHCP请求报文续租时，如果DHCP客户端没有收到 DHCP 服务器的 DHCP应答报文。默认情况下，重绑定定时器在租期剩余12.5%的时候超时，超时后，DHCP 客户端会认为原DHCP服务器不可用，开始重新发送DHCP 请求报文。网络上任何一台 DHCP 服务器都可以应答DHCP确认或DHCP 非确认报文。
如果收到DHCP确认报文，DHCP客户端重新进入绑定状态，复位租期更新定时器和重绑定定时器。如果收到DHCP非确认报文，DHCP客户端进入初始化状态。此时，DHCP客户端必须立刻停止使用现有IP地址，重新申请IP地址。

IP 地址释放:
租期定时器是地址失效进程中的最后一个定时器，超时时间为IP 地址的租期时间。如果DHCP客户端在租期失效定时器超时前没有收到服务器的任何回应，DHCP客户端必须立刻停止使用现有IP地址，发送DHCP Release报文，并进入初始化状态。然后，DHCP 客户端重新发送DHCP发现报文，申请IP地址。

DHCP 三大定时器:
1.租约更新:租约时间已用50%时客户端单播请求服务器续租;
2.重绑定:租约时间已用87.5%时客户端广播请求服务器重绑定;
3.IP地址释放:分为主动释放和被动释放，主动释放指客户端在租约时间内释放地址，
被动释放是指租约时间到期释放地址;

8 NAT

? 网络地址转换技术NAT(Network Address Translation)主要用于实现位于内部网络的主机访问外部网络的功能。当局域网内的主机需要访问外部网络时，通过NAT技术可以将其私网地址转换为公网地址，并且多个私网用户可以共用一个公网地址，这样既可保证网络互通，又节省了公网地址。

私有地址不能在公网中路由:
NAT是将IP数据报文头部中的IP地址转换为另一个IP 地址的过程，主要用于实现内部网络(私有iP地址)访问外部网络(公有IP地址)的功能。NAT一般部署在连接内网和外网的网关设备上。此外，网关上还会创建一个 NAT 映射表，以便判断从公网收到的报文应该发往的私网目的地址。

静态NAT:
静态NAT实现了私有地址和公有地址的一对一映射。一个公网IP只会分配给唯一且固定的内网主机。

动态 NAT:
动态NAT基于地址池来实现私有地址和公有地址的转换。

网络地址端口转换NAPT(Network Address Port Translation)

允许多个内部地址映射到同一个公有地址的不同端口。

Easy IP:
EasyIP允许将多个内部地址映射到网关出接口地址上的不同端口。
EasyIP适用于小规模局域网中的主机访问Internet的场景。小规模局域网通常部署在小型的网吧或者办公室中，这些地方内部主机不多，出接口可以通过拨号方式获取一个临时公网IP地址。EasyIP可以实现内部主机使用这个临时公网IP地址访问Internet。

NAT服务器:
通过配置NAT 服务器,可以使外网用户访问内网服务器。
路由器在收到一个公网主机的请求报文后，根据报文的目的IP地址和端口号查询地址转换表项。路由器根据匹配的地址转换表项，将报文的目的IP地址和端口号转换成私网IP地址和端口号，并转发报文到私网中的服务器。

9 进阶

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网吧或者办公室中，这些地方内部主机不多，出接口可以通过拨号方式获取一个临时公网IP地址。EasyIP可以实现内部主机使用这个临时公网IP地址访问Internet。

NAT服务器:
通过配置NAT 服务器,可以使外网用户访问内网服务器。
路由器在收到一个公网主机的请求报文后，根据报文的目的IP地址和端口号查询地址转换表项。路由器根据匹配的地址转换表项，将报文的目的IP地址和端口号转换成私网IP地址和端口号，并转发报文到私网中的服务器。

9 进阶

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