网络--网络分层，网络协议，IP地址

1.以太网

1.1什么是以太网？

以太网是目前最为广泛应用的计算机网络技术。他分为两种：一种是经典以太网，另一种是交换式以太网，使用了交换机连接
不同的设备。交换式以太网的网速大于经典式以太网。以太网的标准拓朴结构为总线型拓扑。但在实际中快速以太网为了减少冲
突，将能提高网速和使用的效率最大化，使用集线器来进行网络连接和组织。于是，拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网
还是总线型拓扑和CSMA/CD(载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。以太网实现了网络上无线电系统多个结点发送信息的想法，
每个节点必须获取电缆或者信道的才能传送信息。每个节点有全球唯一的48位地址的MAC地址，以保证以太网上所有的节点能
互相鉴别。

注：CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)

经典以太网用一个长电缆围绕着建筑物，这根电缆连接着所有的计算机。

经典以太网物理层:以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制，这个范围的长度可以正常传播，超过这个范围信号将无法传播。为了建设更大的网络，用中继器（物理设备，能接收，放大并在两个方向上重发信号，信号发送使用的曼彻斯特编码）将多条电缆连接起来。
MAC子层：坚持1-CSMA/CD算法，即当站有帧要发送时要监听介质，介质空闲便立即发送。在发送的同时监测信道上
是否有冲突。如果有冲突，则立即终止传输，并发出一个短冲突加强信号，再等待一段随机时间后重发。

交换式以太网：交换式以太网核心是交换机，包含一块所有端口的高速背板。从外面看交换机很像集线器，他们都是盒子，通常
有4~48个端口。交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成或者删除一台继器。

1.2 以太网中用到的CSMA/CD技术是什么？

CSMA/CD即带冲突检测的载波监听多路访问技术。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。其工作原理总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。

2.网络分层模型

2.1 OSI体系结构和TCP/IP体系结构分别分为那几层？每层都包含那些协议？

OSI（Open system interconnect）体系结构：把网络通信分为7层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。
TCP/IP体系结构（Transmission Control Protocol / Internet Protocol）传输控制协议/因特网互联协议分为：数据链路层，网路（IP）层，传输层，应用层

2.2应用层协议：文件传输，电子邮件，虚拟终端,TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet
（1）FTP(FIile Transfar Protocol)文件传输协议，应用在网络上进行文件传输的一套标准协议。允许用户以文件操作的方式（增，删，改，查，传送等）与另一主机相互通信。用户并不真正登录到自己想要存取的计算机上面而成为完全用户，可用FTP程序访问远程资源，实现用户往返传输文件，目录管理以及访问电子邮件等等，即使双方配有不同的操作系统和文件存储传输方式。目标是提高文件的共享性，但FTP有极高的延时，从开始请求到第一次接收数据的时间，会非常长。

（2）SMTP（简单电子邮件Simple Mail Transfar Ptrotocol）协议：属于TCP/IP协议族，一般通过端口号25，110，143建立连接。他帮助计算机在发送和中转信件时找到下一个目的地。

（3）http（HyperText Transfer Protocol）超文本传输协议，是基于客户端-服务器模型的请求-响应模式。架构在TCP/IP之上。

（4）Telnet是远程终端协议。它为用户提供了在本地计算机上远程管理的主机的能力。

（5）DNS（Domain name system）解析协议：将同一资源定位符转换为ip地址。DNS服务器采用的是分布式的方法。查询时先在本局域网的dns服务器上查询，如果不存在则通过该服务器转发到其他dns服务器进行查询。

（6）SNMP(简单网络管理Simple Network Mangement Protocol)协议，SNMP 是专门设计用于在 IP 网络管理网络节点（服务器、工作站、路由器、交换机及HUBS等）的一种标准协议。
2.3传输层：提供端对端的接口TCP,UDP

（1）TCP面向连接的，可靠的，流协议。流是一种不间断的数据结构，应用程序在发送数据时，可以保证数据的顺序，就像没有间隔的数据流发送给接收端。TCP还提供可靠性传输，实行“顺序控制”和“重发机制”。此外，还具备“流控制”，“拥塞控制”以及提高网络利用率等诸多功能。TCP应该应用在传输层有必要实现可靠性传输的情况下。

（2）UDP无连接，不可靠，数据报协议。在UDP协议下，可以确保数据包的大小，却不能确保数据包可以到达。因此，有时根据自己的需要重发。UDP应用在传输层讲究高速传输和时效性的情况下。

2.4网络层：为数据包选择路由IP,ICMP,RIP,OSPF,BGP,IGMP

（1）IP（Internet Protocol）协议，用于Internet网络之间的通信，将数据从一个网络传输到另一个网络必须遵守的规则是TCP/IP协议的核心。因特网是虚拟的不存的一种网络，将全世界愿意接入因特网的计算机局域网连接起来，进行通信。IP协议是点到点的，协议简单，是以无连接数据报机制，不能保证数据可靠传输。

（2）ICMP（Internet Control Message Protocol）网络控制报文协议。用于在IP主机和路由器之间传递控制消息。ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。ICMP 是 TCP/IP 模型中网络层的重要成员，与 IP 协议、ARP 协议、RARP 协议及 IGMP 协议共同构成 TCP/IP 模型中的网络层。ping和 tracert 都利用 ICMP 协议来实现网络功能，它们是把网络协议应用到日常网络管理的典型实例。

（3）RIP（Routing Information Protocol）路由信息协议。是基于距离矢量算法的路由协议，利用跳数来作为计量标准。在带宽、配置和管理方面要求较低，主要适合于规模较小的网络中。

（4）ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议。是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

（5）IGMP(Internet Group Mangement Protocol)网络组信息管理。因特网协议里面大的组播协议。该协议运行在组播和路由器之间。

2.5附加题：网络为什么要分层？

网络协议中的分层不仅仅是从负责的功能上简单划分，而且层与层之间还包括不可或缺的封装和传递。对于每层的封装都是根据网络模型从上到下的工作流程来划分的。总的来说，这是从功能需求划分，协议维护和方便升级，降低网络通信复杂性出发考虑，只有把网络分层。

注释：
TCP提供IP下的数据可靠传输，它提供的服务包括数据流传送，可靠性，有效流控，全双工操作和多路复用。通过面向连接，端到端和可靠的数据包发送。
UDP则不为IP提供可靠性，流控或者差错恢复功能，是非面向连接，不可靠的传输。
TCP支持的应用协议主要有;Telnet,FTP,SMTP,http等。
UDP支持的应用层协议主要有：NFS,SNMP,DNS,TFTP等。

3.IP地址分类

3.1 A类IP地址及范围：A类IP地址由一个字节的网络号和三个字节的主机号组成，且有一个最高位0。地址范围（1.0.0.0到127.0.0.0）可用A类网络由127个，每个网络能容纳16777214个主机。127.0.0.1是个特殊地址，表示本机，用于本机测试。

注：
A:0-127，其中0代表任何地址，127为回环测试地址，因此，A类ip地址的实际范围是1-126。
默认子网掩码为255.0.0.0

3.2 B类IP地址及范围：B类IP地址由两个字节的网络号和两个字节额主机号组成，且网络地址最高位必须是10。地址范围是128.0.0.0到191.255.255.255。一共有16382个网络，每个网络有6万多个主机。

注：
B:128-191，其中128.0.0.0和191.255.0.0为保留ip，实际范围是128.1.0.0--191.254.0.0。

3.3 C类IP地址及范围：一个C类IP地址有三个网络地址和一个主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围是从192.0.0.0

到223.255.255.255。C类网络有209万多个，每个网络有254个主机。

注：C:192-223，其中192.0.0.0和223.255.255.0为保留ip，实际范围是192.0.1.0--223.255.254.0

D类和E类地址属于特殊地址，D类地址为多播地址，而E类地址为将来使用。

3.4附加题

3.4.1 为什么有时候需要子网掩码？子网掩码作用是什么？

子网掩码是用来判断任意两台计算机是否属于同一子网的根据。子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址，那为什么要分离呢？因为两台主机要通信，首先要判断是否处于同一网段，即网络地址是否相同。如果相同，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。结果如果相同，则说明这两台主机是处于同一个网段，实现正常通信。

作用：

（1）用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络：

因为随着互联网的发展，越来越多的网络产生，有的网络多则几百台，有的只有区区几台，这样就浪费了很多IP地址，所以要划分子网。使用子网可以提高网络应用的效率。

（2）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：

子网掩码一旦设置，网络地址和主机地址就固定了。子网一个最显著的特征就是具有子网掩码。与IP地址相同，子网掩码的长度也是32位，也可以使用十进制的形式。

3.4.2一个子网掩码是255.255.255.248，请问可以连接多少个主机？

3.4.3描述ipv6地址格式

（1）首选格式，IPv6的128位地址每16位划分为一段，总共8段，每段用冒号隔开，这种表示方法叫做“冒号十六进制表示法”。

eg:fe80:0000:0000:0000:0000:0000:0001:0000

（2）压缩格式，有时候首先格式中的IP地址中有好多0，就可以把连续的一段0压缩为 :: ,即用冒号表示，但是一个IP地址中只能有一个::。 eg:fe80:0000:0000:0000:0000:0000:0001:0000 —>fe80::0001:0000

（3）内嵌ipv4格式，在IPv4向IPv6过度的过程中，IPv4的地址会内嵌到IPv6中去，因此在IPv6地址的第一部分使用IPv6的格式（十六进制表示），第二部分使用IPv4的格式（十进制表示）。

eg:0:0:0:0:0:0:192.168.12.1 或者 ::192.168.12.1

4.单播，广播，多播

4.1 单播的概念和特点：

概念：一个发送者和一个接受者通过网络进行通信。

特点：1.服务器及时响应客户机请求。

2.服务器对不同的客户机请求发送不同的数据，容易提供个性化服务。

4.2广播的概念和特点：

概念：一个发送者和所有人通过网络进行通信。

特点:1.设备简单，维护简单，布网成本低廉

2.不用向每个客户端单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

4.3多播（组播）概念和特点：

概念：一个发送者和多个接收者（不是所有人）通过网络进行通信。

特点：1.需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播的所有优点。

2.IP协议允许有2亿6千多万个组播，所以其提供的服务非常丰富。

3.此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

5.以太网数据帧

5.1IEEE 802.3帧格式

5.1.1Ethernet 802.3协议报头结构

5.1.2每个字段详细解析：

目标地址：数据包目标MAC地址

源地址：数据包源MAC地址

长度：数据包帧包含的数量必须小于或者等于1500

数据：高层协议（IPX/SPX），数据填充符,范围在46~1500字节。

FCS：数据帧校验序列，用于确定数据包在传输过程中是否损坏。

5.2以太网帧的数据为什么要有最小长度和最大长度？并且最小长度是46？

传统的以太网是共享性局域网，采用载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD协议。最小帧长必须大于整个网络的最大时延位（最大时延时间内可以传输的数据位）。

如果帧长度太小，就可能出现网络上同时有两个帧在传播，就会产生冲突（碰撞）而造成网络无法发送数据。
如果数据帧太长就会出现有的工作长时间不能发送数据，而且可能超出接受端的缓冲区大小，造成缓冲益出。

不论是在Ethernet II还是IEEE 802.3标准中，从前序到FCS字段的帧长度最小必须是64字节。最小帧长度保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确地检测冲突，这一最小时间是根据网络的最大电缆长度和帧沿电缆长度传播所要求的时间确定的。基于最小帧长为64字节和使用六字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为46字节。

6.ARP(地址解析协议)：

6.1为什么需要ARP?

在局域网中，以太网中的数据传输是以“帧”传递，而帧包含目标主机的MAC地址。一台主机和另一台主机在互相通信时，必须知道目标主机的MAC地址。那如何得到目标MAC地址呢？那就是通过地址协议获得的。“地址解析协议”就是主机将目标地址的IP地址转换成MAC地址的过程。

功能：OSI结构模型，将网络通信分为七层，IP地址在第三层，MAC地址在第二层。以太网在发送数据包时第三层有IP地址报文头，第二层有MAC地址报文头。因此，数据在传输时不能直接跨过二，三层。所以需要地址解析协议，把IP地址解析成目标硬件地址，因而保证通信的顺利进行。

工作原理：流程：

第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。

第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。

第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。

第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。

第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

6.2命令查看ARP缓存：

arp -a 或者arp -g 查看缓存中的所有项。

arp -a Ip 如果有多个网卡，加上Ip地址，就只显示与该接口相关的缓存项目。

arp -s Ip 给缓存中添加一个静态项目。

arp -d Ip 删除静态项目。

注释：

DHCP（动态主机配置协议 Dynamic Host Configuration Protocol）服务器：一种局域网网络层协议。它是指一组由服务器控制的一段IP地址范围，客户机在登陆时自动获得由服务器分配IP地址和子网掩码。需要管理员手动安装的必要设备。

DUCP由三种机制分配IP地址：（1）自动分配（2）动态分配（3）手工分配

采用客户端/服务器模型，功能如下：

(1)DHCP同一时刻下任何IP地址只能分配给唯一一台客户机使用。

(2)DHCP可以分配永久的IP地址。

(3)与其他方法得到的IP地址共存。

(4)DHCP应该向现有的客户端提供服务。

只有动态分配才能重复使用客户端不需要的IP地址

IPX协议

　　说明：全称Internetwork Packet Exchange（网间数据包交换），IPX协议是Novell NetWare自带的最底层网络协议，主要用来控制局域网内或局域网之间数据包的寻址和路由，只负责数据包在局域网中的传送，并不保证消息的完整性，也不提供纠错服务。

　　应用：在局域网中传输数据包时，如果接收节点在同一网段内，通过IPX协议就直接按该节点的ID将数据传给它；如果接收节点不在同一网段内，那么通过IPX协议可以将数据包交给NetWare服务器，再继续传输。在使用过程中，网络管理员可以通过使用相应的IPX路由命令，比如“routing ipx add/set staticroute”表示在IPX路由表中添加或配置静态IPX路由，“routing ipx set global”表示配置全局IPX路由设置。

SPX协议

　　说明：全称Sequences Packet Exchange（顺序包交换），SPX协议是基于施乐的Xerox SPP（Sequences Packet Protocol，顺序包协议）协议，同样是由Novell公司开发的一种用于局域网的网络协议。在局域网中，SPX协议主要负责对整个传输的数据进行无差错处理，即纠错。

　　应用：SPX协议一般和上面介绍的IPX协议组合成IPX/SPX协议来使用，多用于Netware网络环境以及联网游戏。

IPX/SPX协议

　　说明：IPX/SPX协议即IPX与SPX协议的组合，它是Novell公司为了适应网络的发展而开发的通信协议，具有很强的适应性，安装方便，同时还具有路由功能，可以实现多网段间的通信。其中，IPX协议负责数据包的传送；SPX负责数据包传输的完整性。在微软的NT操作系统中，一般使用NWLink IPX/SPX兼容协议和NWLink NetBIOX两种IPX/SPX的兼容协议，即NWLink协议，该兼容协议继承了IPX/SPX协议的优点，更适应Windows的网络环境。

　　应用：IPX/SPX协议一般可以应用于大型网络（比如Novell）和局域网游戏环境中（比如反恐精英、星际争霸）。不过，如果不是在Novell网络环境中，一般不使用IPX/SPX协议，而是使用IPX/SPX兼容协议，尤其是在Windows 9x/2000组成的对等网中。
　　在Windows中安装IPX/SPX兼容协议的方法大致如下：比如在Windows XP中，首先打开“网络连接”窗口，右击“本地连接”，选择“属性”打开本地连接属性窗口；接着，单击“安装”按钮，选择“协议”组件，单击“添加”按钮；在打开的窗口中选择“NWLink IPX/SPX/NetBIOS Compatible Transport Protocol”，最后，单击“确定”按钮即可进行安装。