网络技术101

网络的本源： 沟通和共享

即CS (Connnect the Separated) & DOTA (Don't Own Them Alone)

网络的组成

1.内容提供商 网络上的内容是真正吸引你的地方，像门户网站(sohu，sina)上的新闻，优酷上的视频等等，内容提供商将自己的资源放在服务器(Server)内（规模大一些的为服务器集群），通过向ISP租用固定IP使人们能够访问到自己。一般来讲，内容提供商收入的主要来源是广告。

2.网络运营商 常常简称为ISP(Internet Service Provider)，典型代表有电信，网通，移动等。ISP是我们和内容提供商之间的桥梁，说白了就是卖带宽的，一般来说，ISP从网络设备厂商（比如cisco，juniper）买入设备，组建好网络，然后由网络工程师运营和维护，这样就可以向客户提供网络接入的服务了。

我们所处的网络世界

因特网(Internet)，前身是美国的ARPANET，最初由美国的四个ISP互联而成，而今已席卷全球，Internet上互联的ISP数以万计，我国的电信和网通都是其中的一员。中国大陆这一块，我们可以简单认为是由电信，网通和中国教育网互联而成的。

以前的数据传输方式是CS，即Client/Server模式，比如A有一部电影，他就牛啊，因为B和C想看这部电影都得从A那里下。ISP也喜欢CS，因为这种模式便于预测流量走向并进行流量控制，也好借机向流量的集中方（即内容提供商）收取高额费用。

但后来BT，eMule这一类P2P(Peer to Peer)软件的兴起打破了这一局面，每一台运行P2P软件的PC既是Client也是Server，这使得获取资源的成本降至为0，流量的走向也变得不可捉摸，最可怕的是激发了人们下载的欲望，使得ISP的设备每天24小时都处于高负荷的状态，链路上始终充斥着这些廉价的流量，做着亏本的买卖。

我们平常能接触到的上网方式

1.校园网 通过中国教育网(CERNET)接入Internet，CERNET由全国的主要教育机构互联而成，天津大学为天津地区骨干节点，CERNET由赛尔网络公司负责运营，所以也称为赛尔网。

大学校园网可以认为是一个大的“局域网”，应用的是“以太网技术”（寻址均基于Mac地址，所以申请帐号时需提供本机Mac），不过校园网节点众多，部署的设备，使用的接口模块类型，应用的交换技术和安全策略也更为复杂，不能和网吧这等比较。

2.ADSL 即我们所说的“拉外网”或在家“宽带上网”，由电信或网通这样的ISP提供。ADSL基于电信网通原有的PSTN(电话网络)设备部署，成本低，提供的带宽也为国人所接受，因此得以流行开来。

ADSL应用的技术为PPPOE (Point to Point Protocol over Ethernet)，即在Ethernet数据帧上封装一层PPP报文头，PPPOE使得ISP顺应以太网成为局域网技术主流的同时，可以借助PPP本身的特点进行身份验证，流量审计和计费。

记住，我们在用ADSL上网的时候，获得的IP地址是由当地网通或电信的DHCP服务器所分配得到的，属于临时租用，不是固定IP。DHCP技术开发的目的是缓解IPv4地址的紧缺。

3.光纤到户 目前在美国，日本已大规模部署，出于成本的制约和消极的市场需求，在中国一般只有高档住宅和大型网吧才使用这种方式上网，光纤的特点是速率高(10M,100M，1000M等)，成本也高，记住一条光纤里面有两根芯，一根用于发送数据，一根用于接收数据。

网络设备

我们目前能接触到的设备一般只有三种（且均在板砖大小）：路由器（Router） & 交换机（Switch） & 集线器（Hub），目前需要掌握的是：

1. Hub是一层设备，除了端口多，和网线没什么差异，性能低下，只有40%左右的带宽利用率，在买设备的时候注意 Hub-Switch = Hub （厂商忽悠人而已）

2. Swith是二层设备，知道什么叫Mac，但不知道什么是IP，Switch性能较Hub有很大改进，制造成本取决于背板带宽，端口数等。

3.Router是三层设备，知道什么叫IP，当然也知道什么叫Mac，不过我们宿舍所用的板砖不是真正意义上的路由器，因为并没有发挥路由器的本职工作：跨网段的数据传输。只不过这板砖既然能知道什么是IP，就姑且定义为三层设备，实际功能上只是集成了PAT和DHCP功能的交换机而已。

以上所提到的“层”的概念，基于OSI七层模型，记住一条基本规则：上层对下层了如指掌，下层对上层一无所知。

PS：PAT是NAT技术的加强版，NAT技术是将私有地址转换为公有地址，为一一映射，而PAT可以将多个私有地址转换一个公有地址，为多对一映射，PAT技术目的是为了缓解IPv4地址的紧缺。

为什么要进行这样转换？

因为公有地址全球唯一，只有公有地址才能在因特网上进行路由！

你拥有的IP不能在Internet上进行路由 = 你上不了网，挂不了QQ，下不了歌，玩不了跑跑......（似乎生命没有意义了）

注意：以下会提到“一个IP地址对应一台PC”这样的概念，要明确其真正含义。

IP地址是一个接口概念，而不是主机概念，我们说IP地址对应一台PC，实际上是对应这台PC上那块网卡的接口，因为PC处于网络的边缘，有一个接口足够用。

但是像路由器这样处于网络中的设备，负责数据包的传输，一个接口是不可能够用的，所以得用多个接口，每一个接口都要配一个IP地址。

IP & Mac地址

Internet是一个圈子，进去这个圈子就要有相应的身份，就像我们去篮球场打球，首先得是个“人”才能进去，其次要亮出自己的学生证说明自己是“天大这个圈子里的人”。

在这个比较中，人对应的就是Mac地址，是物理属性；学生证上的学号对应的就是IP地址，是逻辑属性。以下是几种地址的格式：

IPv4地址 长度为32bits 点分十进制表示 比如192.168.1.1
IPv6地址 长度128bits 双点分十六进制 如3FFE:FFFF:7654:FEDA:1245:BA98:3210:4562
Mac地址 长度为48bits 用十六进制表示 比如44-45-53-5F-3D-00

Mac地址是厂商烧录在网卡(NIC)中的地址，所以也叫物理地址，网络底层的数据传输就是通过Mac地址来识别主机的，在不考虑软件改写的情况下，Mac地址全球唯一。

在Windows XP中，依次单击如下命令可以看到自己的MAC地址和IP地址：
“开始”→“运行”→输入“CMD”→回车→输入“ipconfig/all”→回车

IPv4地址解析

1.从路由的角度来讲，IPv4地址分为网络位和主机位，网络位用于“定位某一网段”，主机位则用于“定位该网段的一台PC(也就是那块网卡)”，主机位同时也决定了一个网段可以容纳的主机数。

简单联想一下，网络位就是地名，主机位就是人名，路由器就是邮局，数据包就是信件。比如家里有封信寄给你，邮局作为中转站，送信的时候并不关心你叫什么，而是关心你在天大，送到了天大自然有人认识你，然后把信给你，邮局作为外人没有必要知道你是男是女，长得帅不帅。

路由器也是这样，它只在乎网络位是什么（即网络地址是什么），并不看主机位，一旦送到了正确的网段，主机位可以在这个局域网内唯一的确定一台主机，从而完成数据包的转发。

2.什么是子网掩码

子网掩码：一个用来标识网络位的数，长为32bit，和IP地址位一一对应
如何标识：凡是网络位都标识为1，凡是主机位都标识为0
子网掩码也用点分十进制表示，但一般会简写为“/24”这样的形式，24这个数值代表网络位的位数。
举例来讲，192.168.1.1/24 = IP地址 192.168.1.1 子网掩码 255.255.255.0

/24表示这个IP地址的前24位是网络位，后8位是主机位，所以子网掩码的前24位都是1，后8位都是0，即子网掩码是255.255.255.0

3.知道了子网掩码能怎么样？

有了IP地址和子网掩码，通过进行“逻辑与”运算，我们就可以知道该IP所属哪个网段，即“网络地址”是什么。路由器进行路由需要的就是网络地址，它认为要想找对PC，首先得知道这台PC在哪。

比如 192.168.1.1 And 255.255.255.0 = 192.168.1.0

我们发现网络地址就是将主机位全部为0得到的地址，这个地址是不能够用来标记一台具体PC的，它代表的是整个网段。

那么如果主机位全是1呢，比如192.168.1.255/24 ？ 记住，主机位都是1的地址我们也不能不用于标记一台具体主机，因为它代表“该网段内的全体成员”，称之为“广播地址”。

4.最最基本的转发原则：

处于不同网段（即网络地址不同）的PC之间不能进行通信，要想通信必须借助路由器进行路由转发。

处于同一网段（即网络地址相同）的PC之间可以通信，一个网段内不能有重复的IP地址

5.为什么有公有IP才能上Internet ?

IPv4地址分为公有地址和私有地址，公有地址全球唯一，可以在Internet上进行路由；

私有地址也称为保留地址，任何局域网都可以用，这就造成了地址不唯一的现象，所以私有地址不能在Internet上进行路由，但是可以通过PAT转换成公有地址，从而实现多台配有私有IP的PC共享一个公有IP上网。

说简单些，想上Internet要有公有IP地址。私有IP谁都可以用，如果你想看Sohu的网页，但是有N个人和你一样将主机地址设为192.168.1.1，Sohu怎么就非得把网页发给你？记住，就路由寻址来讲，“唯一性” 是确定一定以及肯定要保证的。

6.IPv4一共有 2^32 = 42亿多个地址，范围从0.0.0.0 - 255.255.255.255。

IP地址可以分为ABCDE五类，其中ABC类为单播地址，D类为组播地址，E地址留做科研使用（即不用）

IP地址在数值上如何区分：（就看第一个八位组）

A 类地址以0开头 第一个八位组数值的范围 0-127
B 类地址以10开头 第一个八位组数值的范围 128-191
C 类地址以110开头 第一个八位组数值的范围 192-223
D 类地址以1110开头 第一个八位组数值的范围 224-239

这里先说一下为什么要有这么多种“播”，PC在发数据包之前得写上目的IP地址，那么：

1)如果目的地址写着192.168.1.1这样的 单播地址 就是把数据发给192.168.1.1这台主机

2)如果目的地址写着192.168.1.254这样的 广播地址 就是把数据发给处于192.168.1.0网段内的所有主机

3)如果目的地址写着224.1.1.10这样的 组播地址 就是把数据发给处于加入了224.1.1.10这个组的主机

组播和广播都是一对多的数据传输，有什么区别？

广播是强迫的，不管想不想听，你都得听～ 即不管你是否请求这个数据，数据都会给你。组播是自愿的，当你想要这个数据，可以加入相应的组播组，凡是组成员都会收到这个数据。

IP地址中有一些很特殊（其实特殊的多了去了，只是举几个常见的）：

127.0.0.1 是用做操作系统的还回口地址，检验网卡是否正常。
0.0.0.0 表示任何网络
255.255.255.255 全网广播地址

7.ABC 类作为单播地址在网络位和主机位上有何不同：

A类地址 前8bit是网络位 后24bit是主机位 默认子网掩码 255.0.0.0 每个网段主机数上限为2^32-2个

B类地址 前16bit是网络位 后16bit是主机位 默认子网掩码 255.255.0.0 每个网段主机数上限为2^16-2个

C类地址 前24bit是网络位 后8bit是主机位 默认子网掩码 255.255.255.0 每个网段主机数上限为2^8-2=254个

至于这个-2，是减去每一个网段的网络地址和广播地址，即主机位全0和全1的地址，因为这两种地址有“全局性”，不能标记一台具体PC。

PS：私有地址范围如下

A类地址 10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类地址 172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类地址 192.168.0.0 - 192.168.255.255

OSI & TCP/IP

网络模型的提出是为了让厂商在研发自己的产品时有统一的标准，同时各厂商设备可以相互兼容，从而实现广泛的网络互联，否则各厂商会为了垄断市场而互不相让，设备也不能相通。

OSI七层模型：应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

TCP/IP模型： 应用层 主机到主机层 Internet层 网络接口层

PS: TCP/IP的应用层对应OSI的上三层，网络接口层对应OSI的最后两层

OSI是法定的国际标准，并没有市场化，目前多用于理论教学,当我们说设备是哪一层的时候，都是依据OSI模型。

TCP/IP是事实上的工业标准，所有的网络设备和技术在开发时都是符合这个标准的，比如以太网就是定义在网络接口层的一项技术标准。

学习OSI模型我们要注意的地方：

1. Mac地址是以太网技术中的概念，而以太网是局域网技术中的一种，只因为太过流行所以几乎成了代名词，但是数据链路层不仅仅定义了局域网技术，同时也包括Frame Relay，PPP这样的广域网技术，要记住Mac地址，但是不能以偏概全。

2. OSI模型中将数据链路层分为了LLC子层和Mac子层，但实际上厂商制造网卡的时候，遵循的是TCP/IP模型而不是OSI模型，所以技术规范并不涉及LLC子层。

3. 链路大体有两种类型：点到点 & 多路访问

多路访问：共享型的链路，以以太网最为典型，中心节点为大家共用的通道，如果没有Mac地址进行标记，这么多PC，怎么就非得把数据发给你？
点到点：无所谓寻址，因为只能发到对面去。

4. 数据链路层只进行错误检测，不进行错误纠正，因为这个有传输层去做

关于网线

网线类型：直通线 全反线 交叉线 （一般我们买到的网线都是直通线）

EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B

标准568A：橙白--1，橙--2，绿白--3，蓝--4，蓝白--5，绿--6，棕白--7，棕--8
标准568B：绿白--1，绿--2，橙白--3，蓝--4，蓝白--5，橙--6，棕白--7，棕--8

网络设备的以太网接口有两种：MDI (级连口) 和 MDI-X (普通口)

通常 PC 和 Router 的接口属于 MDI

SW 和 Hub 的接口属于 MDI-X (上连 Router & 下连 PC)

MDI 的1-8号针脚信号定义： TX+ TX- RX+ N N Rx- N N

MDI-X的1-8号针脚信号定义： RX+ RX- TX+ N N TX- N N

一根铜芯的两端必定是transmit & receive，且极性一致，所以

MDI 与 MDI-X 接口的互联使用直通线，MDI 或 MDI-X之间的互联使用交叉线

从接口角度讲，1、2用于发送，3、6用于接收，4、5、7、8并不用

从线的角度将，1、3针脚一根线，3、6针脚一根线，4、5、7、8是双向线

单接1236，只能满足10M的速率要求，如果网络传输速度不快，距离不长的话，没有问题

但如果速度和距离上去之后，容易出现传输错误，因为另外四根线是用来消除干扰的，没有了自然干扰会增大

如果看插孔，使针脚接触点在上方，那么最左边是1，最右边是8

如果看插头，将插头的末端面对眼睛，而且针脚的接触点插头的在下方，那么最左边是1，最右边是8

双绞线的最大传输距离为 100m

以太网技术规格：

首先介绍一个物理层上的概念：

半双工：线路上可以双向传输数据，但同一时刻只能向一个方向传数据
全双工：线路上可以同时双向传输数据 （比如电话线路就是全双工）

传统以太网 10 Base 2 & 10 Base T

10 Base 2 用的是同轴电缆，总线型意味着只有一个信道，物理层上只能是半双工，为了在半双工上实现共享 才出现了CSMA/CD ，那会虽然有Mac，但是总线型的共享就是这样，像水涌进河床一样，不管是不是给你的你都得接，拿过来拆开看不是再扔掉，这样就那个正确的接收者没有扔掉，实现了所谓的“一对一”。

10 Base T 用的是双绞线和Hub（HUB就是多端口的集线器），虽然你用了RG-45接口，有两对线（4根）对应两个信道，一对发，一对收，但是Hub逻辑上还是总线型，这种网络结构要是现共享同时避免冲突，就只能是半双工+CSMA/CD。而半双工的时候就是同一时刻只能发，或者只能收，也就是说那两对线，同一时刻只有一对在用。

交换式以太网 100 Base T （一般宿舍，小型企业组网的规范都是100 Base T）
用交换机来解决问题，首先交换机有缓存，不像HUB猴急的有1发1，有0发0，然后进入交换机内部一个很大的中转空间，最后转发到输出端口。每个端口的输入和输出可同时进行，所以每个端口和连接的PC间就可以实现全双工的通信。

总的来说：

1.要想用全双工，关键是让中心设备争点气，才能把两对线都利用上，要利用就得先解决冲突域的问题

2.总线型的网络拓展用 中继器（一层扩展，单纯的重生放大信号）& 网桥（二层扩展，可以隔离冲突域）

星型的网络拓展用 HUB（一层扩展，单纯的重生放大信号） & 交换机（二层扩展，可以隔离冲突域）

3.信号跑的马路叫“信道”，逻辑拓扑是总线型就只有一条信道，用半双工，即使是用双绞线的工业标准，一对发送，一对接收，但是同一时刻只在用一对 （Hub逻辑上也是总线型，称为“bus in a box”）

逻辑拓扑是星型的有两条信道，一个发送，一个接收，两个信道都能用上，前提是中心节点是用交换机，实现交换式的网络

CSMA/CD （载波侦听 多路访问 冲突检测 ）

1.监听信道直到其空闲
2.发送数据并一直监听，直到这个帧成功发送完毕
3.如果遇到碰撞，立即停止发送，并采用退避算法等待一个随机时间，再从新发送
4.如果重传16次都不成功，就丢弃该帧，并向上层报告

冲突域：冲突可能发生的地域，那什么是冲突，冲突就是数据帧撞在一起，损坏了。
广播域：一个广播能够波及的范围，在3层和2层均有定义。

规则：

1.路由器的每一个端口既是一个冲突域，也是一个广播域
2.交换机的一个端口是一个冲突域，不能划分广播域
3.HUB既不能划分冲突域，也不能划分广播域

网桥是如何划分冲突域的？

关键就是一个转发表，在形成转发表时，看的是数据帧的源Mac；在转发帧时，看的是数据帧的目的Mac，如果没有对应表项怎么办，就向除接收端以外的所有端口发出去，这叫做防洪（flooding）。

Flooding的原因是网桥认为，既然收到去往未知目的地的数据帧，说明自己的转发表并不能代表真实的网络拓扑，全部端口都转发是一种保险的办法。

网桥这样就像一个关口一样，对总线上的数据进行检查，如果源和目的在网桥的同一侧，网桥就会丢弃帧，另一侧的PC共享的总线并没有收到影响，冲突域因此而划分开了。

网桥和交换机的异同？

网桥和交换机同为二层设备，接口都有缓存，都能够识别Mac地址，并依据记录进行转发。

不同点有以下4点：

1.交换机端口比网桥多很多，即使PC多也够用，这样就避免了用HUB进行扩展，造成半双工传输
2.网桥的数据帧转发基于软件，而交换机基于硬件，转发效率更高
3.网桥用于总线型拓扑的二层扩展，交换机用于星型拓扑。
4.交换机属于“微分段”的网桥，即每一个端口都是一个网桥，意思就是它的Mac转发表是细致的，能够记录每个接口对应的Mac地址。

二层设备为什么不能划分广播域，而三层设备行？

关键：行不行取决于--这设备知道多少东西

因为广播域的概念最高定位在三层，一个广播域 = 一个IP子网 = 一个IP网段，而一个广播数据包在二层封装的时候目的Mac是全F（即FF-FF-FF-FF-FF-FF），也就是说一个广播在二层和三层都会有体现。

路由器作为三层设备能够识别IP地址，当收到一个广播数据包的时候，它知道目的IP网段对应的是哪个接口，便不会发向其它端口；

但是二层设备不知道IP为何物，不能在三层上解决问题，但是在二层，对于全F的Mac地址，交换机会无条件向所有端口转发。

二层设备和三层设备在二层处理数据帧上有什么区别？

二层设备转发数据帧成为透明桥接，即只是查看帧，但是不做任何变动，但是三层设备不同，它会把源Mac改为自己出口的Mac地址，把目的Mac改为下一跳路由器的入口Mac地址。

交换机好在哪里？

1.有缓冲区 不像HUB那样有0发0，有1发1，而是能把数据帧留着，先审查一番。
2.Mac地址表 Mac地址表明细，记录了端口号和所连接的PC网卡的Mac地址，这个特性也成为“微分段”。
3.交换矩阵 背板带宽决定了交换效率，每个帧的转发都是不受干扰的，每个端口的输入和输出可同时进行，如果说HUB里是几个单行道的话，SW里就是超级宽敞的多车道双向中转线路。

交换机的工作原理
1.Mac地址学习（通过记录数据帧的源Mac地址）
2.依据Mac地址表进行转发/过滤 （通过查看数据帧的目的Mac地址）
3.避免桥接环路 （通过二层生成树协议即STP实现，可以查看相关资料）