网络小课堂
计算机网络和云计算概述
网络模型
- OSI七层模型：包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有其特定的功能和协议。
OSI层 功能 数据单元 特点 应用层 抽象语言----编码 数据报文 提供网络服务给应用程序 表示层 编码----二进制 数据报文 数据的表示和加密 会话层 提供会话号 数据报文 管理会话和同步 传输层 TCP/UDP 数据段 分段、端口号、流量控制 网络层 互联网协议 数据包 路由、寻址 数据链路层 介质访问控制层MAC+逻辑链路控制层LLC 数据帧 MAC地址、帧同步 物理层 传输比特流 比特流 传输媒介、信号编码
- 数据链路层负责在物理网络中传输数据帧，包括MAC地址和LLC（逻辑链路控制）。
- 应用层提供网络服务给应用程序，如HTTP、FTP等。
- 表示层负责数据的表示和加密，如数据压缩、加密等。
- 会话层管理会话和同步，如会话建立、维护和终止。
- 传输层负责数据的分段、端口号和流量控制，如TCP和UDP。
- 网络层负责路由、寻址，如IP协议。
- 物理层负责传输比特流，如电缆、光纤等。
MTU（最大传输单元）：
- MTU是数据链路层可以传输的最大数据包大小，默认值为1500字节。
- 当数据包过大时，需要进行分段，以保证数据包的完整性。
TTL（生存时间）：
- TTL是数据包在网络中的生存时间，每经过一个路由器，TTL值减1。
- 当TTL值为0时，数据包将被丢弃。
端口号：
- 端口号用于标识不同的应用程序或服务，范围从0到65535。
- 1-1023为著名端口，1024-65535为高端口，动态端口。
- TCP/IP协议：是互联网的基础协议，包括传输控制协议（TCP）和互联网协议（IP）。TCP提供可靠的、面向连接的服务，而IP负责数据包的寻址和路由。
TCP的分段和IP的分片
IP分片的原因：受到二层数据链路层 MTU（最大传输单元）的限制。
TCP的分段：MSS——TCP数据报最大分段长度。
网络设备和拓扑结构
- 交换机：工作在数据链路层，根据MAC地址表转发数据帧，可以减少冲突和提高网络效率。
- 路由器：工作在网络层，根据IP地址表转发数据包，连接不同的网络。
- 拓扑结构：包括总线型、环形、星型、树状和全网状拓扑，每种结构都有其优缺点。
MAC地址表的老化时间300s，MAC地址只能在本区域使用
交换机带来的优势
- 无线的传输距离
- 没有冲突------所有节点同时发送信息
- 形成单播------一对一的数据传输
- 提高端口密度
交换机（只认MAC地址）的工作原理：
- 当数据帧进制交换机后，交换机会先查看数据的源MAC地址并进入交换机的接口进行映射并记录记载在自己的MAC地址表中；
- 在根据数据帧中的目标MAC地址查询自己的MAC地址表；
- 若表中存在记录，则按照记录自己进行单播。
- 若没有记录，则泛洪该数据。
泛洪：向除了进入接口以外的所有接口进行发送
IP地址和子网掩码
| 类别 | 范围 | 网络位 | 主机位 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| A类 | 1~126 | 前8位 | 后24位 | 网络位较少，主机位较多 |
| B类 | 128~191 | 前16位 | 后16位 | 中等网络位和主机位 |
| C类 | 192~223 | 前24位 | 后8位 | 网络位较多，主机位较少 |
| D类 | 224~239 | 部分网络位和主机位 | - | 用于组播 |
| E类 | 240~255 | - | - | 保留地址 |
- IPV4地址由32位二进制构成，使用点分十进制标识，每8位一分。
- A、B、C类地址用于单播，D类地址用于组播，E类地址保留。
- 特殊地址包括环回地址、受限广播地址、网络地址、直接广播地址、无地址和本地链路地址。
| 特殊地址 | 描述 | 用途 |
|---|---|---|
| 127.0.0.1 - 127.255.255.255 | 环回地址 | 用于设备上的网络软件测试，不发送到网络 |
| 255.255.255.255 | 受限广播地址 | 用于向同一子网内的所有设备发送数据包 |
| 192.168.1.0/24 | 网络地址 | 代表一个网段，不能被分配给单个设备 |
| 192.168.1.255/24 | 直接广播地址 | 用于向同一子网内的所有设备发送数据包 |
| 0.0.0.0 | 未指定地址 | 代表没有地址，或代表所有地址 |
| 169.254.0.0/16 | 本地链路地址 | 用于在没有DHCP服务器的情况下自动配置私有地址 |
- 子网掩码用于区分IP地址中的网络部分和主机部分，由连续的1和连续的0构成。
- IPV6地址由128位二进制构成，使用冒分十六进制标识。
地址解析协议（ARP）
| 步骤 | 描述 | 动作 |
|---|---|---|
| 1 | ARP请求 | 发送广播ARP请求包，包含目标IP地址 |
| 2 | 记录映射关系 | 所有收到ARP请求的设备记录源IP和源MAC地址的映射关系 |
| 3 | 检查目标IP | 设备检查目标IP是否为自己的IP地址 |
| 4 | 丢弃/回复 | 如果不是自己的IP地址，丢弃ARP请求；如果是，发送单播ARP回复包 |
| 5 | 更新ARP缓存表 | 将源IP和源MAC地址的映射关系记录在ARP缓存表中 |
| 6 | 数据传输 | 在之后的传输中，优先查看ARP缓存表，如果有记录，则直接按照记录发包；如果没有记录，则进行ARP请求 |
- ARP（地址解析协议）用于通过IP地址获取MAC地址。
- ARP请求包是广播包，ARP回复包是单播包。
- ARP缓存表用于存储IP地址和MAC地址的映射关系，老化时间为180秒。
路由器（路由表）
| 步骤 | 描述 | 动作 |
|---|---|---|
| 1 | PC1发送数据包 | PC1发送数据包到PC2 |
| 2 | 子网掩码判断 | PC1检查PC2是否在同一子网 |
| 3 | 同一子网 | 如果在同一子网，PC1通过ARP获取PC2的MAC地址 |
| 4 | 交换机转发 | 交换机根据MAC地址表转发数据包 |
| 5 | 不同子网 | 如果不在同一子网，PC1将目标MAC地址改为网关的MAC地址 |
| 6 | 发送至网关 | PC1将数据包发送至网关 |
| 7 | 路由器处理 | 路由器根据目标IP地址查询本地路由表 |
| 8 | 转发/丢弃 | 如果路由表中有记录，路由器转发数据包；如果没有记录，路由器丢弃数据包 |
- 路由器工作在网络层，负责在不同的网络之间转发数据包。
- 网关是连接不同网络的设备，通常位于路由器上。
- 网关既有IP地址也有MAC地址。
- 路由器根据目标IP地址查询本地路由表，以确定数据包的转发路径。
协议
传输层协议：TCP/UDP
TCP（传输控制协议）是一种面向连接的协议，通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接。
| 步骤 | 描述 | 端口号 | 动作 |
|---|---|---|---|
| 1 | TCP三次握手：SYN（发起连接） | - | 客户端发送SYN包 |
| 2 | TCP三次握手：SYN-ACK（确认连接） | - | 服务器发送SYN-ACK包 |
| 3 | TCP三次握手：ACK（确认连接） | - | 客户端发送ACK包 |
| 4 | 数据传输：TCP数据包 | - | 双方交换数据 |
| 5 | TCP四次挥手：FIN（断开连接） | - | 任何一方发送FIN包 |
| 6 | TCP四次挥手：ACK（确认断开） | - | 另一方发送ACK包 |
| 7 | TCP四次挥手：FIN（断开连接） | - | 另一方发送FIN包 |
| 8 | TCP四次挥手：ACK（确认断开） | - | 任何一方发送ACK包 |
（在完成了传输层工作的同时，还需要保证数据传输的可靠性）
SYN：发起连接，并告知自身状态。
ACK：表示确认。
RST：重置连接，用于重连。
FIN：断开连接。
PSH：加急接收。
URG：紧急指针。
三次挥手：在Client发送FIN包时，如果Server同时也没有数据传输，则会回复ACK+FIN包。
可靠传输机制：确认、重传、排序和流控（窗口滑动）。
UDP用户数据报文协议：非面向连接的不可靠协议
（仅完成传输层的基础工作）
| 协议名称 | 协议类型 | 端口号 | 描述 |
|---|---|---|---|
| HTTP | TCP | 80 | 超文本传输协议 |
| HTTPS | TCP | 443 | 安全传输协议 |
| FTP | TCP | 20/21 | 文件传输协议 |
| TFTP | UDP | 69 | 简单文件传输 |
| Telnet | TCP | 23 | 远程登录协议 |
| SSH | TCP | 22 | 安全外壳协议 |
| DNS | UDP/TCP | 53 | 域名解析协议（C/S架构协议） |
| DHCP | UDP | 67/68 | 动态主机配置协议（C/S架构协议） |
动态主机配置协议（DHCP）
- 用于自动分配IP地址给网络中的设备，通过租约管理IP地址的分配和回收。
| 步骤 | 描述 | 端口号 | 动作 |
|---|---|---|---|
| 1 | DHCP客户端发送DHCP Discover包 | 68 | 广播（源IP: 0.0.0.0, 目标IP: 255.255.255.255） |
| 2 | DHCP服务器发送DHCP Offer包 | 67 | 单播/广播（包含临时IP地址） |
| 3 | DHCP客户端发送DHCP Request包 | 68 | 广播（源IP: 0.0.0.0） |
| 4 | DHCP服务器发送DHCP ACK包 | 67 | 单播/广播（确认IP地址分配） |
| 5 | DHCP客户端发送DHCP Request包（续租） | 68 | 单播（T1: 租期50%） |
| 6 | DHCP客户端发送DHCP Request包（续租） | 68 | 广播（T2: 租期87.5%） |
| 7 | DHCP服务器发送DHCP NAK包 | 67 | 单播/广播（IP地址冲突） |
- DHCP客户端和DHCP服务器分别使用UDP端口68和67。
- DHCP Discover和DHCP Offer包用于IP地址的初始分配。
- DHCP Request和DHCP ACK包用于确认IP地址的分配。
- DHCP Request包在租期达到50%和87.5%时用于续租。
- DHCP NAK包用于通知客户端IP地址冲突。
租期：DHCP客户端获得的IP地址租期通常为24小时。
T1和T2：
- T1：租期的50%（12小时），客户端发送单播DHCP Request包尝试续租。
- T2：租期的87.5%（21小时），客户端发送广播DHCP Request包尝试续租。