二三层交换及网络基础学习

网络基础知识TCP/IP分层网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，如图所示。每一层负责不同的功能：1） 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。2） 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议）,以及IGMP协议（Internet组管理协议））3） 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。4） 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：Telnet远程登录。FTP文件传输协议。SMTP简单邮件传送协议。SNMP简单网络管理协议。IP地址互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址（也称作IP地址）°IP地址长32bit。

7位24位E类（留待后用）IP地址具有一定的结构，五类不同的互联网地址格式如图7位24位E类（留待后用）这些32位的地址通常写成四个十进制的数，其中每个整数对应一个字节。这种表示方法称作“点分十进制表示法”例如一个B类地址，它表示为：3。A类地址范围：到55B类地址范围：到55C类地址范围：到55D类地址范围：到55E类地址范围：到55主机号全0和全1的地址被占用，不能进行分配。主机号全0表示网络上的主机，即本网络的所有主机，主机号全1表示广播地址，即向该子网内主机全部发送报文。1.3.子网与子网掩码由于A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳主机数为224-2和216-2（注意减2是因为全0和全1的主机号被占用），单很少有在一个网络中安排这么多主机。所以把主机号再分成一个子网号和一个主机号。以B类地址为例，取子网号为8位，则子网划分如图x所示。16位 8位 8位网络号子网号主机号图划分了子网之后，我们需要一种判断方法去判断某个IP地址是否划分了子网，主机号多少等等，这时就需要子网掩码，来表示多少比特用于子网号和多少比特用于主机号。这个掩码也是一个32bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的比特留给主机号。1.4.MAC地址在以太网使用的地址是MAC地址，也就是常说的硬件地址。它由6字节数字组成，如00-50-FC-1F-C0-3A。当地址最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制可表示为：01-00-00-00-00-00。当所有位都为1时表示以太网广播地址：ff-ff-ff-ff-ff-ff.，可看作以太网多播地址的特例。单播、多播与广播1） 单播。通常每个以太网帧仅发给单个目的主机，目的地址指明单个接收端口。在这种方式下，任意两台主机的通信不会影响网内其它主机。2） 多播。有时一个主机需要向网上的多个主机发送帧，称为多播。多播只发送给那些加入多播组的主机，一个主机可以决定加入或离开一个多播组。多播组的维护通过IGMP报文实现。3） 广播。在某些特殊情况下，一个主机需要向网上所有主机（包括自己）发送帧，称为广播。以太网的广播地址为ff-ff-ff-ff-ff-ff。IP广播分为以下4种地址：受限的广播地址。地址为55。在任何情况下，路由器不转发地址为受限的广播地址。指向网络的广播。地址为主机号全1的地址。对该类网络的所有主机广播。指向子网的广播。地址为主机号全1且有特定子网号的地址，需要了解子网的掩码。指向所有子网的广播。地址为子网号和主机号全1的地址。需要了解子网掩码，以便与指向网络的广播地址区分开。ARP与RARP当一台主机要把以太网帧发到位于同一个局域网的另一台主机时，他需要知道其48bit的以太网地址，设备驱动程序从不检测IP地址。ARP为IP地址到对应的硬件MAC地址提供了动态映射，而RARP则为硬件MAC地址到对应IP地址提供了反向映射。ARP实现过程。当需要获取一个IP地址对应的MAC地址时，ARP向局域网内的每台主机发送一个ARP请求，里面包含目的主机的IP地址。目的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出是它的IP地址，于是向发送端发回一个ARP应答。ARP请求报文为广播，而ARP应答报文为单播。免费ARP。主机发送ARP请求查找自己的IP地址，通常发送在系统引导期间。该功能可以确定是否有另一个主机设置了相同的IP地址，或当主机更改了硬件地址时，通知网内的其它主机更新ARP缓存。二三层交换设备2.1.集线器集线器是一个二层设备，属于纯硬件的网络底层设备。集线器将每个端口收到的报文从其它端口广播出去，实现报文的转发。2.2.二层交换机二层交换机相对于集线器具有了少量的智能，具备学习能力可实现精确转发。可支持生成树协议，可以避免多个以太网段之间出现环路。二层交换机的MAC地址学习能力是通过维护FDB表（MAC地址转发表）实现的。交换机从它的所有端口接收MAC地址信息，形成MAC地址表并维护它。当交换机收到一帧数据时，它将根据自己的MAC地址表来决定是将这帧数据进行过滤还是转发。此时，维护的这张MAC表就是FDB地址表。如果收到数据帧的目的MAC地址不在FDB地址表中，那么该数据将被发送给除源端口外该数据包所属VLAN的其他所有端口。当交换机最开始初始化时，其MAC地址转发表为空。比如一台PC1要与PC2进行通信，如图X所示。PC1发送的数据在IP层被封装成包，在链路层被封装成帧，然后发给交换机，到达交换机的端口1,。交换机就会记录PC1的MAC和端口1,加入FDB表。PC2PC1交换机PC2PC1交换机图之后搜索PC2的MAC地址，发现FDB中不存在后就把数据从除端口1之外的端口广播出去，PC2再回发数据时就会记录PC2的MAC地址和端口2。MAC地址和端口号保存在FDB表中，下次遇到则直接通过该端口发送。经过一定的老化时间，如果该表项没有数据传输，则删除该表项，以防止FDB表过大。2.3.路由器路由器是一个三层设备，处于网络层，路由器根据自身维护的路由表RIB）实现IP地址的转发。路由表存储着指向特定网络地址的路径，路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表又分为静态路由表和动态路由表。路由表如下图所示。I蹿由族SRJUaiT姣邙沪新消问的I朮”讪目轨Prttt■干nitifl'NCKWClp標口耐RouteTypeRouteOriginfl.：3.U.U胡24盘•劄1PM-QEndireci45SSs255.255.255缈电［gl町ppp-0Diffrei5S4.Q.0.O«?J004lp-0DirectDfhAltNC：3W.255.255.0192s-!W.14Eth-dOiredDvn^rmc^W.SS?.25S.25SlifjOXl1口审Oir&d；Ofn^rruc2$^.«4.：6$.2S5177J0J0.1IMDig2$$.255.255.255127JDA.1IMDirttt 爭m 严|图路由表记录目的IP地址、子网掩码、下一跳、接口、度量等信息。数据包经过路由器时根据目的IP选择正确的路径转发。如果不存在匹配项，则把数据包由默认路由转发（如图X中路由表第一项），假如默认路由也未设置，则丢弃该数据包。IP选路原理搜索路由表的顺序：1） 搜索匹配的主机地址；2） 搜索匹配的网络地址；3） 搜索默认表项；对1）来说，匹配的主机地址指的是直接接在该路由上的主机，找到了目的IP的主机对2）来说，匹配的网络地址指的是根据掩码算出的网络+子网号与目的IP符合，说明找到对应的网络，可能有多个表项，根据最长掩码匹配原则找到最佳匹配项。对3）来说，如果之前两个都没找到，则走默认路由表项，一般为全0，即最小掩码匹配。最长掩码匹配当路由表中存在多个表项匹配目的地址时，以掩码最长的为最先匹配先，以保证精确匹配。例如：6/28和/16在要查找地址9的时候，这两个表项都匹配。也就是说，两个表项都包含着要查找的地址。这种情况下，掩码最长的路由就是6/28，因为它的子网掩码（/28）比其他表项的掩码（/16）要长，使得它更加明确。9后一半为：00010100000100116/28通过掩码得到的后一半网络和子网为：0001010000010000/16通过掩码得到的后一半网络和子网为：0000000000000000可得到6/28为最佳匹配。2.3.3路由的几种标志U路由可使用G路由是一个网关H路由是一个主机D路由被重定向报文创建M路由被重定向报文修改如果G被设置，说明这是一个间接路由；未设置，则说明是直接路由，区别如下：间接路由（设置G）直接路由（未设置）IP以太地址GatewayIP以太地址Gateway目的下一跳下一跳目的目的本机出口如果H被设置，说明这是一个主机地址；未设置，则说明是网络地址，区别如下:主机地址（设置H）网络地址（未设置H）与目的IP完全匹配只需网络号和子网号匹配2.3.4路由选路举例以图X的路由表为例。1）收到目的地址为4的数据包，先搜索匹配的主机地址，发现与路由表第二项匹配，则将数据包由PPP-0口发往87。2） 收到目的地址为00的数据包，先搜索匹配的主机地址，未发现符合。再搜索匹配的网络地址，经子网掩码计算可发现与路由表中第四项符合，则将数据包由eth-0口发往。3） 收到目的地址为00的数据包，先搜索匹配的主机地址，未发现符合。再搜索匹配的网络地址，也未发现符合。最后查