计算机网络的概述与发展

一、计算机网络的概述

（1）计算机网络的发展史

应用层：将人类语言转化为计算机编码。

表示层：将计算机编码转化为二进制（0，1）。

介质访问控制层：将二进制转化为电信号。

物理层：传输电信号。

（2）计算机网络规模

延长网络信号传输的距离

同轴电缆：

优点：抗弯折性强；传输距离长；较好的屏蔽功能。

缺点：成本高相对较高；传输速度慢；安装困难。

双绞线：

结构：八根铜丝，两两相绞。

线序：

T568A：白绿、绿 白橙、蓝 白蓝、橙 白棕、棕 T568B：白橙、橙 白绿、蓝 白蓝、绿 白棕、棕

水晶头型号：RJ45、RJ11 线型： 非屏蔽双绞线： 屏蔽双绞线：

优点：成本低、传输速度高了。 缺点：传输距离最大100m。 光纤： 单模光纤：纤芯较细，可传递单一光源，传输距离在5km,波长：1310nm，黄色。 多模光纤：纤芯较粗，可传递多种光源,传输距离在2km,波长：850nm，橙色、水绿色。 Mbps  Mb/s b/s Kb/s Mb/s Gb/s Tb/s B KB MB GB(1000) B = Byte  1B=8b 1000Mb/s=125MB/s*0.85

光模块 无线传输介质：蓝牙、红外线。 增加接入网的数量 (3)网络拓扑结构： 总线型网络、星型网络、环型网络、树型网络、全网状型网络、部分网状网络。 节点：指网络中所有的网络设备。

 总线型网络：

结构：所有的节点共享一条通信线路。

优点：对通信线路利用率高，且同一时刻只有两个节点相互通信。

消耗低成本的传输媒介。

缺点：安全性不高，一个节点发出的消息所有的节点都会收到。

不太容易新增新节点。

通信线路故障，会造成整个网络瘫痪。

传输距离有限，当网络规模增加时，信号衰减会明显影响到网络性能。

星型网络：

结构：所有节点都与中心节点相连。

优点：网组结构简单。

中心节点可用来监控其他节点，易于实现网络监控。

缺点：中心节点故障，会造成整个网络瘫痪。

所有节点之间的通信，都需要通过中心节点的转发，造成网络安全性较低。

环型网络：

结构：节点之间首尾互联，形成一个封闭的环形。

优点：网组结构简单，节省材料。

缺点：不易新增新节点。

出现故障的节点越多，造成的问题就越严重。

树型网络：

结构：它是一棵以一个节点为根节点的有向树。

优点：易于扩展新节点、分布式控制、数据传输效率高、稳定性高。

缺点：单点故障影响大、扩展性受限、节点等级不同。

网状型网络：

结构：所有节点两两互联。

优点：稳定性高：由于每个节点都有多个相互独立的连接，因此即使整个网络中的某些节点出现故障，数据传输仍会在其他路径上继续发送。

自愈能力强：在网状型网络中，当某些节点出现问题时，网络可以自动寻找其他路径来转发数据，从而保证网络的连通性和稳定性。

缺点：组网结构太复杂：由于网络中的节点和连接非常多，网状型网络的配置和管理往往比较困难，需要具备相应的技术和专业知识和工具。

不太容易新增新节点：对于大型全连接网络，其节点数量可能很大，构建和维护起来非常复杂。

二、网络设备简介

1、集线器

 特点：内部为总线型网络，一种共享性的介质。

一个节点出发的消息，其他节点都能收到。

对通信线路的利用率高，且同一时刻只有两个节点相互通信。

冲突域：冲突形成的范围。

问题：

泛洪传输的问题：一个接口发出的消息，其他接口都能接受到。

地址问题：MAC地址（物理地址），48位二进制，12位十六进制构成。全球唯一地址。前24位二进制代表产商，后24位二进制由产家编写。

冲突的问题：CSMA/CD---载波侦听多点接入/冲突检查。 

2、网桥：网桥的每一个接口都是一个独立的冲突域。

3、2交换机：多接口的网桥，有自学习的功能。

MAC地址表

接口MAC地址

g0/0/1 MAC1

g0/0/2 MAC2

MAC地址表学习过程       

 MAC地址表的特征：

（1）MAC地址表的老化时间是300秒。

（2）自动学习，在传输数据包时交换机会自动查看源MAC地址并将其记录到MAC地址表中。

（3）一个MAC地址只能绑定一个接口，而一个接口可以接多个MAC地址。

（4）MAC地址的泛洪攻击（广播风暴），导致交换机的内存不足，影响交换机的转发性能（主机数量控制在200-300之间），所以交换机会定期清理过期的MAC地址，防止表项过多导致交换机性能下降。

交换机处理数据的方式：

（1）泛洪（广播）：目的MAC地址在交换机的MAC地址表不存在时，交换机会进行泛洪操作。

（2）单播：目标MAC地址在MAC地址表中存在时，交换机会进行单播转发操作。

（3）丢弃：当目的MAC地址与自身MAC地址不一致时，会执行丢弃操作。

（4）过滤数据包：交换机可以根据数据包类型、源IP地址、目标IP地址等信息过滤数据包，从而实现安全性控制和网络优化等功能。

 数据的传输模式：

（1）单播：指将一个数据包从发送方点传输到一个接收方。（一对一的通信）

        在单播模式下，每个数据包只能被一个主机接收，通信双方之间始终保持一对一的连接。由于数据包只需要经过一个路径传输，所以单播传输通常具有较低的网络延迟和更高的带宽利用率，适用于需要实时传输、稳定可靠的应用场景，比如网页浏览、即时通讯、视频会议等。

（2）广播：指将一个数据包从发送方传输到所有的接收方。（一对所有的通信）

        在广播模式下，数据包会被发送到一网络中的所有主机，每个主机都可以接收到该数据包。广播可以用于向局域网内所有计算机同时发送信息，比如网络管理和监控、组播流媒体、获取IP地址等应用场景。

（3）组播：指将一个数据包从发送方同时传输到多个接收方。（一对特定的群体）

        在组播模式下，数据包将被传输到同一组网络中的多个主机。通信双方会通过加入相同的IP多播组地址来建立通信，并且只有那些已经加入组播组的主机才能够接收到该组播数据包。与广播不同的是，组播具有更高的效率和带宽利用率，因为每个数据包只需要被发送一次就可以传输到目标组中的多个主机。组播适用于需要向多个主机同时传输信息的应用场景，比如视频直播、在线游戏、实时音频等。

4、路由器 

特点：网关。路由器的每个接口都是一个独立的广播域。提供路由，转发数据。

广播域：广播形成的范围。

IP地址：实际上是逻辑地址，是一个虚拟的地址。用来识别不同的广播域。

IPV4：32位二进制构成，可用点分十进制表示，方便人记忆观看。

IPv4地址........:172.220.30.134

子网掩码........:255.255.0.0

IPV4的构成：网络位+主机位

二进制与十进制的转换

0000 0000=0 0000 0001=1 0000 0010=2 0000 0100=4 0000 1000=8 1111 1111=128+64+32+16+8+4+2+1=255

十进制转二进制 172=128+32+8+4=1010 1100 220=128+64+16+8+4=1101 1100 30=16+8+4+2=0001 1110 134=128+4+2=1000 0110 IPV6：128位二进制构成，fe e80:0000:0001:0000:0440:44ff:1233:5678 冒分十六进制表示 ARP----地址解析协议，作用：根据已知的IP地址解析出相应的MAC地址 工作原理：

 

 目标IP：192.168.1.2/24 源IP：192.168.1.1/24 源MAC：MAC1+数据

组网完成时，ARP表是空的；

主机1广播发送 ARP REQUEST报文给主机2，广播寻找主机2的MAC地址；

网络所有的主机会收到此报文，会将自身的IP地址与数据中的目标IP地址做对比，如两者一致则接收，反之丢弃；

主机2单播arp reply回复主机1，将主机2的MAC地址回复给主机1；

总结：广播发送，单播回复。

ARP特点：

（1）老化时间是180秒。 

（2）提供IP地址到物理MAC地址的转换。

（3）ARP操作简单高效。

（4）容易受到欺骗攻击。

总之，ARP是一种简单、高效且常用的地址解析协议，其应用于许多常见的局域网环境中，但同时需要注意安全性问题。

ARP分类：

（1）正向ARP：将已知的IP地址解析出相应的MAC地址。

（2）反向ARP：将已知的MAC地址解析出相应的IP地址。

（3）免费ARP：自我介绍；检测IP地址的冲突。

路由器工作原理

发送端：目标IP：10.2.0.1/16 源IP：10.1.0.1/16  目标MAC：C 源MAC：A+数据

接收端：目标IP：10.2.0.1/16 源IP：10.1.0.1/16 目标MAC：B 源MAC：D+数据

（1）接收数据包。路由器会从连接的接口处接收到各种不同类型的数据包。

（2）转换目标地址。当路由器接收到数据包（通常是IP层数据包）时，会根据其目标地址判断需要将该数据包发送到哪一个接口上。

（3）转发数据包。一旦确定了发送接口，路由器就将数据包从输入端的物理接口复制并转发到输出端的物理接口。

（4）更新路由表。路由器同时会不断地更新路由表，这样可以跟踪其他子网的状态变化。对于某些“固定”的网络环境，路由器通过配置静态路由表来实现长期路由规划，而对于网络环境相对动态的情况，路由器则采用动态路由协议来维护路由表里面的路由信息。

三、IP地址详讲

（1）IP地址分类（共五类：A、B、C、D、E）

 A类：0-126：0.1.1.1   255.0.0.0   0.X.X.X/8-----126.X.X.X/8--------主机数量：2^24

B类：128-191：255.255.0.0    128.X.X.X/16-----128.X.X.X/16-------主机数量：2^16

C类：192-223：255.255.255.0   192.X.X.X/24-----192.X.X.X/24-------主机数量：2^8

D类：224-239：组播地址

E类：239-255：保留地址

练习：

172.16.0.1/16   B类 222.222.1.1/24  C类 125.0.0.1/8   A类         （2）特殊IP地址

 127.0.0.1/8----127.255.255.254/8：换回地址，测试TCP/IP组件是否完好

255.255.255.255-----广播地址-----受限广播----受路由器限制---作为目标IP地址

主机位全为0：172.168.0.0/16----- 网络地址 172.168.0.1/16----172.168.255.254/16（可用IP地址范围）

主机位全为1：172.168.1.1/16------广播地址-----作为目标IP地址

0.0.0.0：任意IP地址，没有IP地址

169.254.0.0/16----运营商使用的IP地址

（3）VLSM：可变长的子网掩码，将一个大网划分成多个子网（小网段） 网络位+子网位+主机位 练习1：192.168.1.0/24 划分成四个小网段

192.168.1.0000 0000/26----192.168.1.0/26

IP地址范围：192.168.1.0000 0000/26----192.168.1.0011 1111/26                             192.168.1.0/26----192.168.1.63/26

IP地址可用范围：192.168.1.1/26----192.168.1.62/26----主机数量62=2^6-2

192.168.1.0100 0000/26----192.168.1.64/26

IP地址范围：192.168.1.0100 0000/26----192.168.1.0111 1111/26                             192.168.1.64/26----192.168.1.127/26

IP地址可用范围：192.168.1.65/26----192.168.1.126/26----主机数量62=2^6-2

192.168.1.1000 0000/26----192.168.1.128/26

IP地址范围：192.168.1.1000 0000/26----192.168.1.1011 1111/26                             192.168.1.128/26----192.168.1.191/26

IP地址可用范围：192.168.1.129/26----192.168.1.190/26----主机数量62=2^6-2

192.168.1.1100 0000/26----192.168.1.192/26

IP地址范围：192.168.1.1100 0000/26----192.168.1.1111 1111/26                             192.168.1.192/26----192.168.1.255/26

IP地址可用范围：192.168.1.193/26----192.168.1.254/26----主机数量62=2^6-2

练习2：192.168.1.0/24 划分成8个小网段 192.168.1. 000 0 0000/27------192.168.1.0/27 （1）192.168.1. 000 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 000 0 0000-192.168.1. 000 1 1111-----192.168.1.0/27-192.168.1.31/27 可用IP地址范围:192.168.1.1/27-192.168.1.30/27---- 主机数量30=2^5-2 （2）192.168.1. 001 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 001 0 0000-192.168.1. 001 1 1111-----192.168.1.32/27-192.168.1.63/27 可用IP地址范围:192.168.1.33/27-192.168.1.62/27---- 主机数量30=2^5-2 （3）192.168.1. 010 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 010 0 0000-192.168.1. 010 1 1111-----192.168.1.64/27-192.168.1.95/27 可用IP地址范围:192.168.1.65/27-192.168.1.94/27---- 主机数量30=2^5-2 （4）192.168.1. 011 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 011 0 0000-192.168.1. 011 1 1111-----192.168.1.96/27-192.168.1.127/27 可用IP地址范围:192.168.1.97/27-192.168.1.126/27---- 主机数量30=2^5-2 （5）192.168.1. 100 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 100 0 0000-192.168.1. 100 1 1111-----192.168.1.128/27- 192.168.1.159/27 可用IP地址范围:192.168.1.129/27-192.168.1.158/27---- 主机数量30=2^5-2 （6）192.168.1. 101 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 101 0 0000-192.168.1. 101 1 1111-----192.168.1.160/27- 192.168.1.191/27 可用IP地址范围:192.168.1.161/27-192.168.1.190/27---- 主机数量30=2^5-2 （7）192.168.1. 110 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 110 0 0000-192.168.1. 110 1 1111-----192.168.1.192/27- 192.168.1.223/27 可用IP地址范围:192.168.1.193/27-192.168.1.222/27---- 主机数量30=2^5-2 （8）192.168.1. 111 0 0000/27 IP地址范围：192.168.1. 111 0 0000-192.168.1. 111 1 1111-----192.168.1.224/27- 192.168.1.255/27 可用IP地址范围:192.168.1.225/27-192.168.1.254/27---- 主机数量30=2^5-2 （4）CIDR----无类域间路由（网段汇总） 取相同，去不同 192.168.0.0/24----- 192.168.0000 00 00.0 192.168.1.0/24----- 192.168.0000 00 01.0 192.168.2.0/24----- 192.168.0000 00 10.0 192.168.3.0/24----- 192.168.0000 00 11.0 192.168.000000 00.00000000/22 汇总：192.168.0.0/22 四、作业 练习1：汇总后的网段？ 172.16.0.0/24---- 172.16.00 000000.0 172.16.10.0/24--- 172.16.00 001010.0 172.16.20.0/24--- 172.16.00 010100.0 172.16.30.0/24--- 172.16.00 011110.0 172.16.40.0/24--- 172.16.00 101000.0 172.16.50.0/24--- 172.16.00 110010.0 172.16.00 000000.000000/18 汇总：172.16.0.0/18 练习2：将172.16.0.0/16划分为8个网段 （1）172.16. 000  00000.00000000----172.16.0.0/19 IP地址的范围：172.16. 000  00000.0000000000----172.16. 000  11111.11111111                             172.16.0.0/19----172.16.31.255/19 IP地址的可用范围：172.16.0.1/19----172.16.31.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （2）172.16. 001  00000.00000000----172.16.32.0/19 IP地址的范围：172.16. 001  00000.0000000000----172.16. 001  11111.11111111                             172.16.32.0/19----172.16.63.255/19 IP地址的可用范围：172.16.32.1/19----172.16.63.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （3）172.16. 010  00000.00000000----172.16.64.0/19 IP地址的范围：172.16. 010  00000.0000000000----172.16. 010  11111.11111111                             172.16.64.0/19----172.16.95.255/19 IP地址的可用范围：172.16.64.1/19----172.16.95.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （4）172.16. 011  00000.00000000----172.16.96.0/19 IP地址的范围：172.16. 011  00000.0000000000----172.16. 011  11111.11111111                             172.16.96.0/19----172.16.127.255/19 IP地址的可用范围：172.16.96.1/19----172.16.127.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （5）172.16. 100  00000.00000000----172.16.128.0/19 IP地址的范围：172.16. 100  00000.0000000000----172.16. 100  11111.11111111                             172.16.128.0/19----172.16.159.255/19 IP地址的可用范围：172.16.128.1/19----172.16.159.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （6）172.16. 101  00000.00000000----172.16.160.0/19 IP地址的范围：172.16. 101  00000.0000000000----172.16. 101  11111.11111111                             172.16.160.0/19----172.16.191.255/19 IP地址的可用范围：172.16.160.1/19----172.16.191.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （7）172.16. 110  00000.00000000----172.16.192.0/19 IP地址的范围：172.16. 110  00000.0000000000----172.16. 110  11111.11111111                             172.16.192.0/19----172.16.223.255/19 IP地址的可用范围：172.16.192.1/19----172.16.223.254/19----主机数量：2^13-2=8190 （8）172.16. 111  00000.00000000----172.16.224.0/19 IP地址的范围：172.16. 111  00000.0000000000----172.16. 111  11111.11111111                             172.16.224.0/19----172.16.255.255/19 IP地址的可用范围：172.16.224.1/19----172.16.255.254/19----主机数量：2^13-2=8190

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