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互联网（internet）

数据是如何从一个设备传递到另一个设备的？
答：网络协议

为什么要学习网络协议

互联网、移动互联网、物联网，都离不开网络协议：

• 最熟悉的网络协议：HTTP
• 为了满足各种需求，有各式各样的网络协议（HTTPS、SMTP、MQTT、RTMP等）

网络协议方面的面试题目近年来要求提高了：

• TCP和UDP的区别？说一下它们的报文格式？
• TCP的流量控制和和拥塞控制？TCP如何实现可靠性传输？
• 为什么连接是3次握手，关闭是4次挥手？
• 7层模型与4层模型的区别？每一层的作用是什么？
• 交换机与路由器的区别？

客户端-服务器

跨平台的原理（Java、C++）

Java跨平台的原理：

解释型语言跨平台的原理与 Java 类似：例如 JavaScript，甚至不需要经过编译，有浏览器即可解析。

C++跨平台的原理：使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件

网络互连模型（OSI参考模型）

什么是协议？为什么要有协议？

协议就是通用的标准。

如果没有一个国际通用的标准，那么各大公司按照自己的标准来，相互之间的交互就会很麻烦。比如我编写的代码在微软的服务器可以运行，但是要在苹果的服务器运行又需要重新编写…

为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型 OSI 参考模型(Open System Interconnect Reference Model)，具有7层结构。

实际上 OSI参考模型(7层) 更偏理论，而 TCP/IP 协议(4层) 在才是在实际中使用的协议，而为了研究和学习计算机网络，又常将之划分为 5层。

请求过程：不管什么协议都是经过下列的 包装 + 解包 的过程。

计算机之间的通信基础

1、需要得知对方的 IP地址

2、最终是根据 MAC地址（网卡地址），输送数据到网卡，被网卡接收

如果网卡发现数据的目标MAC地址是自己，就会将数据传递给上一层进行处理

如果网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层

计算机之间的连接方式 – 网线直连

需要用 交叉线（不是直通线）

ARP协议的作用：已知 IP地址，通过 广播 获取 MAC地址。

为什么右边出现3个ARP包，实际上是 一次完整的发送请求，接收响应的过程。

计算机之间的连接方式 – 同轴电缆(Coaxial)

注意：同轴电缆只要有一个地方线断了，整个线路都瘫痪了。

计算机之间的连接方式 – 集线器(Hub)

集线器相比同轴电缆唯一的优点就是：哪怕连着集线器的某一个设备中间线路出问题，不会影响到连着集线器的其他设备。

计算机之间的连接方式 – 网桥（Bridge）

所谓隔绝冲突域是通过：记录设备的MAC地址在左还是在右。

例如，6向7发数据包，
当6发出请求ARP广播时，网桥会记录6的MAC地址在左；
当7发出响应ARP广播时，网桥会记录7的MAC地址在左。

计算机之间的连接方式 – 交换机（Switch）

若全球所有设备都用交换机连接：
1、他们必然处于同一网段，因此 IP地址可能会不够用
2、即使使用交换机，第一次发送数据包仍然需要ARP广播，耗费大量时间。
3、形成广播风暴，只要有一个设备发送ARP广播，全球设备都能收到

计算机之间的连接方式 – 路由器（Router）

主机在发数据之前，首先会判断目标主机的IP地址跟它是否在同一个网段：

在同一个网段：ARP广播、通过 交换机/集线器 传递数据

不在同一个网段：通过路由器转发数据

网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机

连接的设备必须在同一网段

连接的设备处在同一广播域

路由器

可以在不同网段之间转发数据

隔绝广播域

MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）

每个网卡都有一个 6字节(48bit) 的 MAC地址 (Media Access Control Address)

MAC地址全球唯一，固化在网卡的ROM中，由 IEEE802 标准规定

前3字节：OUI (Organizationally Unique Identifier)，组织唯一标识符

由 IEEE 的注册管理机构分配给厂商

后3字节：网络接口标识符

由厂商自行分配

OUI 查询：可以根据OUI查询出对应的厂商

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（类Unix操作系统）

40:55:82:0A:8C:6D

Packet Tracer

4055.820A.8C6D

注：当48位全为1时，代表广播地址：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：更改适配器选项-属性-配置-高级-网络地址（填写的时候需要把 减号– 去掉）

注： 有时可以通过修改 MAC地址蹭网。。。。

MAC地址的获取（arp -a）

当不知道对方主机的MAC地址时，可以通过发送ARP广播获取对方的MAC地址

获取成功后，会缓存IP地址、MAC地址的映射信息，俗称：ARP缓存

通过ARP广播获取的MAC地址，属于 动态（dynamic）缓存

存储时间比较短（默认是2分钟），过期就自动删除

arp -a [主机地址]：查看ARP缓存

arp -d [主机地址]：删除ARP缓存

arp -s 主机地址 MAC地址：增加一条缓存信息（这是静态缓存，存储时间较久，不同系统的存储时间不同）

ARP（Address Resolution Protocol）

ARP (Address Resolution Protocol)，地址解析协议

• 作用：通过 IP地址 获取 MAC地址

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)，逆地址解析协议

• 使用与ARP相同的报头结构
• 作用与ARP相反，用于将MAC地址转换为IP地址
• 后来被 BOOTP、DHCP 所取代

ICMP（Internet Control Message Protocol）

ICMP (Internet Control Message Protocol)，互联网控制消息协议

IPv4中的ICMP被称作 ICMPv4，IPv6中的ICMP则被称作 ICMPv6

通常用于返回错误信息

比如 TTL值过期、目的不可达

ICMP的错误消息总是包括了源数据并返回给发送者

IP地址（127.0.0.1）

IP地址 (Internet Protocol Address)：互联网上的每一个主机都有一个IP地址

最初是 IPv4 版本，32bit（4字节），2019年11月25日，全球的IP地址已经用完

后面推出了 IPv6 版本，128bit（16字节）

我们在学习中讨论的都是 IPV4

IP地址的组成（网络ID + 主机ID）

IP地址 由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）

• 通过子网掩码（subnet mask）可以得知 网络ID 、主机ID

主机所在的网段 = 子网掩码 & IP地址
例如：

IP地址：192.168.1.10

子网掩码：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

网段：192.168.1.0

网段是由子网掩码计算得出，只有IP地址无法得知网段。

IP地址：130.168.1.10

子网掩码：255.255.0.0

网段：130.168.0.0

该网段最多有 256*256-2 个IP地址

-2是因为: 全0代表网段,全1代表广播

网段和广播无法分配IP地址.

计算机和其他计算机通信前，会先判断目标主机和自己是否在同一网段：

• 同一网段：不需要由路由器进行转发
• 不同网段：交由路由器进行转发

IP地址的分类（A类、B类、C类、D类、E类）

注：判断IP地址的类别只要看第一部分即可。

只有 A\B\C 类地址才能分配给主机

主机ID为 全0，表示主机所在的网段，如 192.168.1.0

主机ID为 全1，表示主机所在网段的全部主机（广播），如 192.168.1.255

可以尝试用ping给某个网段的全部主机发数据

网络ID

0 不能用，127 作为保留网段。

其中 127.0.0.1 是 本地环回地址（Loopback），代表本机地址

可以分配给主机的第1部分的取值范围是：1~126

主机ID

第2、3、4部分的取值范围是：0~255

每个A类网络能容纳的最大主机数是：256*256*256–2 = 224–2 =

网络ID

• 第1部分的取值范围是：128~191
• 第2部分的取值范围是：0~255

主机ID

• 第3、4部分的取值范围是：0~255
• 每个B类网络能容纳的最大主机数是：256*256-2 = 216-2 = 65534

C类地址：默认子网掩码是 255.255.255.0
目前用的最多的是 C类地址！

网络ID

• 第1部分的取值范围是：192~223
• 第2、3部分的取值范围是：0~255

主机ID

• 第4部分的取值范围是：0~255
• 每个C类网络能容纳的最大主机数是：256-2 = 254

D类地址：没有子网掩码，用于多播（组播）地址
以 1110 开头，多播地址

第一部分取值是：224~239

E类地址：以 1111 开头，保留为今后使用

第一部分取值是：240~255

子网掩码的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)，无类别域间路由

子网掩码的CIDR表示方法

192.168.1.100/24，代表子网掩码有24个1，也就是 255.255.255.0

123.210.100.200/16，代表子网掩码有16个1，也就是 255.255.0.0

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

子网划分

为什么要进行子网划分？

如果需要让 200 台主机在同一个网段内，可以分配一个 C类网段，比如192.168.1.0/24

共 254 个可用IP地址：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254

多出 54 个空闲的IP地址，这种情况并不算浪费资源

如果需要让 500 台主机在同一个网段内，那就分配一个 B类网段，比如191.100.0.0/16

共 65534 个可用IP地址：191.100.0.1 ~ 191.100.255.254

多出 65034 个空闲的IP地址，这种情况属于极大的浪费资源

如何尽量避免浪费IP地址资源？

合理进行 子网划分

子网划分

子网划分：借用主机位作子网位，划分出多个子网

• 等长子网划分：将一个网段等分成多个子网，每个子网的可用IP地址数量一样
• 变长子网划分：每个子网的可用IP地址数量可以是不一样的

子网划分器：http://www.ab126.com/web/3552.html

子网划分的步骤

1. 确定子网的子网掩码长度
2. 确定子网中第1个、最后1个主机可用的IP地址

等长子网划分 – C类子网划分（2、4、8等分）

例：

本来有一个C类网段: 192.168.0.0/24

划分成两个子网后:

A子网: 192.168.0.0/25 子网掩码: 255.255.255.128

可用IP地址: 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 共 126 个

B子网: 192.168.0.128/25 子网掩码: 255.255.255.128

可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 个

等分成 2 个子网：

等分成 4 个子网的广播地址：

等分成 8 个子网：

等长子网划分 – A、B类子网划分

B类子网划分：

A类子网划分 ：

子网划分实践

如此划分，他们还是属于同一个网段，可以直接 ping 通。

下面这样划分就不是一个网段了，它们分别属于 192.168.0.0 和 192.168.0.128 网段，需要用路由器并设置网关才可以 ping 通。

注：经过评论区老哥提醒，下图 192.168.0.129/25 和 192.168.0.1/25 写反了。。

变长子网划分

思考题：双方子网掩码不同，计算对方所处网段

问：下列两台计算机可以正常通信吗？

答：不可以。计算机0 想要发送数据包，先判断计算机1是否和自己处于同一个网段，计算网段的方法是：IP地址 & 子网掩码，计算机0判断计算机1的网段为 192.168.10.10 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0，而计算机0判断自身所处网段为 192.168.0.10 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0，双方不处于同一网段，所以计算机0无法将数据包发给计算机1（不同网段的数据通信需要路由器）

解决方案：利用路由器。

超网 – 合并网段

超网：跟子网反过来，它是将多个连续的网段合并成一个更大的网段

需求：原本有200台计算机使用 192.168.0.0/24 网段，现在希望增加200台设备到同一个网段

200台在 192.168.0.0/24 网段，200台在 192.168.1.0/24 网段

合并 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24 为一个网段：192.168.0.0/23

（子网掩码往左移动1位）

问：192.168.0.255/23 这个IP地址，可以分配给计算机使用么？

• 192.168.0.255/24 是广播，不能分配给计算机。
• 192.168.0.255/23 如下：

主机部分并不全为1，所以是可以分配给计算机使用的。

合并4个网段

子网掩码向左移动 2 位，可以合并 4 个网段

将 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24 合并为192.168.0.0/22 网段

子网合并的规律

假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），子网掩码左移 k 位能够将能够合并 n 个网段

假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），如果第一个网段的网络号能被 n 整除，那么由它开始连续的 n 个网段，能通过左移 k 位子网掩码进行合并。

第一个网段的网络号以二进制 0 结尾，那么由它开始连续的 2 个网段，能通过左移1位子网掩码进行合并

第一个网段的网络号以二进制 00 结尾，那么由它开始连续的 4 个网段，能通过左移2位子网掩码进行合并

第一个网段的网络号以二进制 000 结尾，那么由它开始连续的 8 个网段，能通过左移3位子网掩码进行合并

判断一个网段是子网还是超网：

首先看该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络？

A类子网掩码的位数是8（255.0.0.0）

B类子网掩码的位数是16（255.255.0.0）

C类子网掩码的位数是24（255.255.255.0）

如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码多，就是子网

如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码少，则是超网

例如：

判断 25.100.0.0/16 是子网还是超网：

根据 25 判断出这是个 A 类网络，默认子网掩码 8 位

由于该网段子网掩码 16 位，比默认多，所以是子网

判断 200.100.0.0/16 是子网还是超网：

根据 200 判断出这是个 C 类网络，默认子网掩码 24 位

由于该网段子网掩码 16 位，比默认少，所以是超网

原文地址：https://kernel.0voice.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1406