网络及TCP/IP简明快速基础

- 日理万妓 2022-06-09 11:41 58阅读 0赞

网络基础知识，除了网络管理人员必须掌握之外，对于系统运维人员，数据库管理员以及程序员等多了解和掌握是有百利而无一害。本文简明扼要介绍了网络常见的名词及术语以及TCP/IP模型，并列出了几个网络相关的常见问题，旨在快速了解或者用于归纳型回顾这些知识。供大家参考。

## 一、常规名词术语 ##

MAC地址：  
  媒体访问控制，或称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。在OSI模型中，第三层网络层负责 IP地址，第二层数据链路层则负责 MAC地址。因此一个主机会有一个MAC地址，而每个网络位置会有一个专属于它的IP地址。

CSMA/CD：  
  基带冲突检测的载波监听多路访问技术(载波监听多点接入/冲突检测)，是一种争用型的介质访问控制协议。在传统的共享以太网中，所有的节点共享传输介质。如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。CSMA/CD应用在 OSI 的第二层数据链路层。

Token Ring令牌环：  
  令牌环网（Token Ring）是一种 LAN 协议，定义在 IEEE 802.5 中，其中所有的工作站都连接到一个环上，每个工作站只能同直接相邻的工作站传输数据。通过围绕环的令牌信息授予工作站传输权限。

冲突域：  
  所有在底层设备上能发生冲突的集合，可以使用以下方式解决冲突域  
  网桥：是用来分割冲突域的设备  
  多接口：交换机

广播域：  
  指网络中所有能接收到同样广播消息的设备的集合

单播  
  网络节点之间的通信就好像是人们之间的对话一样。如果一个人对另外一个人说话，那么用网络技术的术语来描述就是“单播”，此时信息的接收和传递只在两个节点之间进行。单播在网络中得到了广泛的应用，网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的，只是一般网络用户不知道而已。例如，你在收发电子邮件、浏览网页时，必须与邮件服务器、Web服务器建立连接，此时使用的就是单播数据传输方式。但是通常使用“点对点通信”（Point to Point）代替“单播”，因为“单播”一般与“多播”和“广播”相对应使用。补充@20170907

多播  
  “多播”也可以称为“组播”，在网络技术的应用并不是很多，网上视频会议、网上视频点播特别适合采用多播方式。因为如果采用单播方式，逐个节点传输，有多少个目标节点，就会有多少次传送过程，这种方式显然效率极低，是不可取的；如果采用不区分目标、全部发送的广播方式，虽然一次可以传送完数据，但是显然达不到区分特定数据接收对象的目的。采用多播方式，既可以实现一次传送所有目标节点的数据，也可以达到只对特定对象传送数据的目的。IP网络的多播一般通过多播IP地址来实现。多播IP地址就是D类IP地址，即224.0.0.0至239.255.255.255之间的IP地址。补充@20170907

物理网络介质：  
  物理层，物理层协议：  
  数据链路层，数据帧，链路层协议  
  网络层：数据包，ip协议  
  传输层：ip内部多一个端口，传输层协议 TCP.UDP  
  TCP:0-65535  
  UDP：0-65535  
  应用层：标记资源

端口：用于标记进程的  
  0-65535：

Socket（套接字）：ip：port  
  源IP地址和目的IP地址以及源端口号和目的端口号的组合称为套接字。其用于标识客户端请求的服务器和服务。  
  网络通信必需的五种信息：  
    连接使用的协议  
    本地主机的IP地址  
    本地进程的协议端口  
    远地主机的IP地址  
    远地进程的协议端口  
  套接字分类  
    流套接字（SOCK\_STREAM），提供面向连接、可靠的数据传输服务，即TCP（The Transmission Control Protocol）协议  
    数据报套接字（SOCK\_DGRAM），该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据报套接字使用UDP（User Datagram Protocol）协议进行数据的传输。  
    原始套接字（SOCK\_RAW），允许对较低层次的协议直接访问，比如IP、 ICMP协议

MTU：Maximum Translater Unit  
  最大传输单元，指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小（以字节为单位，通常为1500）。  
  最大传输单元这个参数通常与通信接口有关（网络接口卡、串口等）。  
  对于大于MTU单位的数据库传输，则需要进行分片(Fragment:IP分片)。  
  MTU越大，则一个协议数据单元的承载的有效数据就越长，通信效率也越高。MTU越大，传送相同的用户数据所需的数据包个数也越低。  
  反过来，MTU越大也容易导致数据包的延迟也越大，数据包中 bit位发生错误的概率也越大。

有限状态机(FSM：Finite State Machine)

协议栈：在内核实现  
  TCP/IP协议簇

## 二、TCP/IP模型及IP地址、路由 ##

物理层: 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明的传送比特流。常用设备有（各种物理设备）网卡、集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆  
  链路层：从设备到设备主机通信，MAC地址，MAC<–>IP(RARP/ARP),解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元称为数据帧  
  网络层: 从源主机到目标主机之间通信，IP地址，IP报文,解决如何使数据包通过各结点传送的问题  
  传输层：从源主机进程到目标主机特定进程之间通信，tcp/udp，即提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题  
  应用层: 向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等

ISO/OSI模型：七层  
  1-4层：通信子网  
  5-7层：资源子网(对应到TCP/IP模型的应用层  
  会话层  
  表示层  
  应用层

TCP：有连接协议，建立逻辑链接  
  SYN,ACK,FIN,RST,PSH,URG

三次握手：  
    SYN=1 ACK=0，FIN=0  
    SYN=1 ACK=1 FIN=0  
    SYN=0 ACK=1 FIN=0  
    四次断开：

主机名：FQDN(Full Qulified Domain Name)  
  唯一表示因特网上一台主机的名称，通常形式为computer\_name.domain.com

IP地址：  
  用于为互联网上的每一个网络和每一台主机分配的一个逻辑地址，用于屏蔽物理地址差异(MAC地址为十六进制，难以记忆)  
  IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。  
  例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。  
  IP地址由网络ID和主机ID组成，即32位二进制中包含了网络ID和主机ID。同一物理网络网络ID相同，主机ID不同。  
  由于使用的场景不同，因此，按使用情形分为大中小型网络，大型网络即子网少，主机多，小型网络则子网多，主机数少

类别  最大网络数      IP地址范围               最大主机数  私有IP地址范围              备注
    ---- ------------   ------------------------  -----------  ----------------------    --------------------------
    A   126（2^7-2)    0.0.0.0-127.255.255.255  16777214    10.0.0.0-10.255.255.255   使用8位表示网络ID，大型网络
    B   16384(2^14)    128.0.0.0-191.255.255.255  65534    172.16.0.0-172.31.255.255  使用16位表示网络ID，中型网络
    C   2097152(2^21)  192.0.0.0-223.255.255.255  254      192.168.0.0-192.168.255.255 使用24位表示网络ID,小型网络
    D                    224.0.0.0-239.255.255.255                               多播(组播)地址(multicast address)
    
    D类IP地址在历史上被叫做多播地址(multicast address)，即组播地址。
    在以太网中，多播地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点。
    多播地址的最高位必须是“1110”，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。    
    
    特殊的网址
    每一个字节都为0的地址（“0.0.0.0”）对应于当前主机；
    IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址；
    IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。
    IP地址中不能以十进制“127”作为开头，该类地址中数字127．0．0．1到127．255．255．255用于回路测试，
        如：127.0.0.1可以代表本机IP地址，用http://127.0.0.1就可以测试本机中配置的Web服务器。
    网络ID的第一个8位组也不能全置为“0”，全“0”表示本地网络。
    全0：网络地址
    全1：广播地址

子网掩码(subnet mask)  
  又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，主要用于指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网ID，以及哪些位标识的是主机ID。  
  子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。  
  缺省的子网掩码  
    A类：255.0.0.0  
    B类：255.255.0.0  
    C类：255.255.255.0

子网划分  
  比如B类私有网络172.16.0.0/255.255.0.0现在需要将其划分子网，设定子网掩码为255.255.255.0  
  由于全1的掩码在同IP地址做与运算时得到网络ID，即原来的网络ID由172.16变成了172.16.255  
  则该地址的范围如下  
    172.16.0.0/255.255.255.0 – 172.16.255.0/255.255.255.0

子网合并  
  假定C类私有网络192.168.0.0/255.255.255.0 – 192.168.255.0/255.255.255.0进行如下合并  
    192.168.0.0/255.255.0.0 则变成大网络

路由表：  
  对于跨网络主机直接的通信与访问，借助于路由表来实现。  
  路由表保存了到达特定网络终端的地址，其表项通常包括以下内容  
    目标地址或目标网络(destination mask pre costdestination)  
    子网掩码(netmask mask) \#\#\# Author : Leshami  
    优先级(pre) \#\#\# Blog : [http://blog.csdn.net/leshami][http_blog.csdn.net_leshami]  
    路由开销(cost) \#\#\# QQ/Weixin : 645746311  
    输出接口(interface)  
    下一跳(nexthop)

路由表生成方式  
    静态设置  
    动态生成（通告）：

cost：开销，成本  
    经过的跳数越少就越小  
  时长  
  路由协议：RIP,OSPF,EIGRP  
  可路由协议：IP协议 MAC协议

## 三、常见问答 ##

如何判断目标主机与本机是否位于同一网段？  
  利用子网掩码的功能来实现。基于二进制的特性， 1逻辑与任何数的结果为任何数，0逻辑与任何数结果为0  
  首先本机利用子网掩码来与本机IP地址做逻辑与运算，即可以得到本机的网络ID以及主机ID  
  其次将目标主机与本机的子网掩码做同样的运算，如果得到的网络ID相同，即位于同一个网络段。否则位于不同的网络段  
  子网掩码连续全1的是网络地址，后面的是主机地址。  
  对于不同的网络段IP地址通信，应通过路由器的路由表(或缺省网关)记录的网络段转发到不同的子网中去

根据IP地址及子网掩码如何计算得到子网ID，广播地址，地址范围，可容纳主机数目？

假如给定IP地址    IP: 58.61.29.11 Netmask：255.255.255.248
    
    网络类型：58小于127，因此当前属于A类网络IP，缺省的掩码应当为255.0.0.0，当前使用非缺省掩码即255.255.255.248
    
        计算子网ID
              IP地址：    00111010.00111101.00011101.00001 011    //使用IP地址与子网掩码做与运算(换算成二进制)
              子网掩码：  11111111.11111111.11111111.11111 000  //留空列前为全1，即为子网地址，子网之后为主机地址 
              与运算结果：00111010.00111101.00011101.00001 000 
              网络ID：        58      61      29      8
    
              子网掩码全是1的为网络地址，也就是29位，如果用点分十进制表示，原IP地址可表示为58.61.29.9/29                
    
        计算广播地址
              与运算结果：00111010.00111101.00011101.00001 111 //将子网地址之后的主机地址变为全1，即为广播地址
              网络ID：       58      61      29      15
    
        计算IP范围
              地址范围是： 网络地址+1至广播地址-1 (网络地址+1即为第一个主机地址，广播地址-1即为最后一个主机地址)
              地址范围：58.61.29.9 - 58.61.29.14 计6个IP地址
              主机数量：2^3-2=6个IP地址

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