Linux运维入门（二）：网络基础知识梳理02

一，交换机的基本原理

1.1 数据链路层的功能

（1）数据链路层负责网络中相邻节点之间可靠的数据通信，并进行有效的流量控制。

（2）数据链路层的作用包括数据链路的建立，维护与拆除，帧包装，帧传输，帧同步，帧的差错控制以及流量控制等。

（3）数据链路层在物理线路上提供可靠的数据传输，对网络层而言为一条无差错的线路。

1.2 以太网及其发展

以太网工作在数据链路层

1.3 MAC地址

（1）计算机联网必须的硬件是安装在计算机上的网卡

（2）通信中，用来标识主机身份的地址就是制作在网卡上的一个硬件地址。每块网卡在生产出来后，都有一个全球唯一的编号来标识自己，这个地址就是MAC地址，即网卡的物理地址

（3）MAC地址由48位二进制数组成，通常分成六段，用16进制表示，其中前24位是生产厂商向IEEE申请的厂商编号，后24位是网络接口卡序列号

（4）MAC地址的第8位为0时，表示该MAC地址为单播地址；为1时，表示该MAC地址为组播MAC地址。

（5）单播的发送方式为一对一，即一台主机发送的数据只发送给另一台主机。

（6）广播方式为一对多，即一台主机发送一个数据，在这个网段的所有主机都能收到

（7）组播方式介于单播和广播之间，也是一对多，但接收者不是网段上的全体成员，而是一个特定的组的成员。

1.4 以太网帧格式

以太网有多种帧格式，这里介绍最为常用的Ethernet 2的帧格式

类型	用途
目的地址（DA）	标识了帧的目的站点的MAC地址
源地址（SA）	标识了发送帧的站点的MAC地址
类型	用来标识上层协议的类型
数据	封装了通过以太网传输的高层协议信息
帧校验序列（FCS）	是从DA开始到数据域结束这部分的校验和。校验和的算法是32位的循环冗余校验法（CRC）

1.5 了解交换机

（1）交换机的品牌众多，像Cisco，华为，H3C，TP-Link，神州数码，锐捷等厂家都生产了很多不同型号的交换机

（2）常见的Cisco的交换产品系列主要包括Cisco 2960系列，Cisco 3560系列，Cisco 4500系列和Cisco 6500系列

a）Cisco 2960是一款入门级交换机，常用于连接客户端主机实现10/100/1000兆位以太网互连

b）Cisco 3560是一款企业级交换机，可用于直接连接客户端主机，也可用于互连入门级交换机

1.6 交换机的工作原理

（1）交换机并不会把收到的每个数据信息都以广播的方式发给客户端，是由于交换机可以根据MAC地址智能地转发数据帧

（2）交换机存储的MAC地址表将MAC地址和交换机的接口编号对应在一起，每当交换机收到客户端发送的数据帧时，它就会根据MAC地址表的信息判断如何转发

1.6.1 MAC地址的学习

假设A主机发送数据帧（源MAC地址为00-00-00-11-11-11，目标MAC地址为00-00-00-22-22-22）到交换机的1号接口，交换机首先查询MAC地址表中1号接口对应的源MAC地址条目。如果条目中没有数据帧的源MAC地址，交换机就会将这个帧的源地址和收到该数据帧的接口编号（1号口）对应起来，添加到MAC地址表中

1.6.2 广播未知数据帧

如果交换机没有在MAC地址表中找到数据帧目的地址所对应的条目，交换机就无法确定该从哪个接口将数据帧转发出去，于是它被迫选用广播的方式，即除了1号口之外的所有接口都将转发这个数据帧。于是，网络中的主机B和主机C都会收到。

1.6.3 接收方回应消息

主机B会响应这个广播，并回应一个数据帧（源MAC地址为00-00-00-22-22-22，目标MAC地址为00-00-00-11-11-11），交换机也会将此帧的源MAC地址和接口标号（2号口）对应起来，添加到MAC地址表中

1.6.4 交换机实现单播通信

现在，主机A和主机B之间的通信不用借助广播了，因为MAC地址表中已经有它们的条目。主机A发送数据帧的目标地址为00-00-00-22-22-22，交换机会发现这个地址对应的接口标号为2，于是交换机将只向2号口转发数据帧

1.6.5 老化时间

（1）由于交换机MAC地址条目是动态的，所以它不会永远存在MAC地址表中，而是在300s（老化时间）后会自动消失

（2）但是如果在此期间，交换机又收到对应该条目MAC地址的数据帧，老化时间将重新开计时（重置300s）

二，IP地址概述与应用

2.1 IP地址的定义及分类

2.1.1 IP地址的格式

互联网上连接的网络设备和计算机都有唯一的地址，以此作为该主机在Internet上的唯一标识，称其为IP地址。如同我们写一封信，要标明信件的发信人地址和收信人地址，邮件人员通过该地址来投递信件一样，在计算机网络中，每个被传输的数据包也要包括一个源IP地址和一个目的IP地址。

IP地址由32位二进制数组成，如某台连接在互联网上的计算机的IP地址如下所示：

11010010.01001001.10001100.00000110

很显然，这些数字对于人来说不太容易记忆且可读性比较差，因此，人们就将组成计算机IP地址的32位二进制数分成四段，每段八位，中间用圆点隔开，然后将每八位二进制数转换成十进制数（这种形式叫做点分十进制）。这样，上述计算机的IP地址就变成了210.73.140.6

2.1.2 IP地址的分类

[x] IP地址由两部分组成：网络部分和主机部分。
- 网络部分：用于标识不同的网络
- 主机部分：用于标识在一个网络中特定的主机
[x] IP地址的网络部分由IANA（Internet地址分配机构）统一分配，以保证IP地址的唯一性。为了便于管理，IANA将IP地址分为A，B，C，D，E五类，按照二进制表示方法根据IP地址前几个比特位，可以判断IP地址属于哪类。目前在Internet上使用最多的IP地址是A，B，C这三类，IANA根据机构或组织的具体需求为其分配A，B，C类网络地址。具体主机的IP地址由得到某一网络地址的机构或组织自行决定如何分配。

[x] 每个类别的IP地址的网络部分和主机部分都有相应的规则。

A类地址：

（1）在A类地址中，规定第1个八位组为网络部分，其余三个八位组为主机部分，即A类地址=网络部分+主机部分+主机部分+主机部分。

（2）IP地址的前几个比特位称为引导位，对A类地址来说，它的第1个八位组的第1个比特位是0.因此它的第1个八位组的范围就是00000000～01111111.换算成十进制就是0～127，其中127又是一个比较特殊的地址，我们用于本机测试的地址就是127.0.0.1。

（3）由于A类地址的第一个地址块（网络号为0）和最后一个地址块（网络号为127）保留使用，即全0表示本地网络，全1表示保留作诊断用。因此A类地址的有效网络范围为1～126.全世界只有126个A类网络，每个A类网络可以拥有的主机数就是后面24个比特位的组合，为2的24次方个。

特别提示：

主机部分不能全为0或1，都是0代表的是网络ID，全为1代表的是本网络的广播地址，因此每个A类网络拥有的最大可用主机数为2的24次方-2.

A类地址适宜在大型网络中使用

B类地址：

（1）在B类地址中，规定前两个八位组为网络部分，后两个八位组为主机部分，即B类地址=网络部分+主机部分+主机部分。

（2）B类地址中作为引导位的前两个比特位必须是10，因此它的网络部分的范围就是1000000.00000000～10111111.11111111。其中第1个八位组换算成十进制就是128～191.B类地址的有效网络范围是网络部分中后14个比特位的组合。为2^{14个。每个B类地址拥有的最大主机数为2}16-2。B类地址适宜在中等规模的网络中使用。

C类地址

（1）在C类地址中，规定前三个八位组为网络部分。最后一个八位组为主机部分。即C类地址=网络部分+网络部分+网络部分+主机部分。

（2）C类地址中作为引导位的前三个比特位必须是110.因此它的网路部分的范围就是11000000.00000000.00000000~11011111.11111111.11111111。其中第1个八位组换算成十进制就是192～223。C类地址的有效网络范围是网络部分中后21个比特位的组合。为2^{21个。每个C类地址拥有的最大主机数为2}8-2。C类地址适合在主机数量比较少的中小型网络中使用。

特别提示：

D类地址是用于组播通信的地址，E类地址是用于科学研究的保留地址，它们都不能在互联网上作为节点地址使用。

2.1.3 Internet 上的合法IP地址

目前在Internet上只使用A，B，C这三类地址，而且为了满足企业用户在Internet上使用的需求，从A，B，C这三类地址中分别划出一部分地址供企业内部网络使用。这部分地址称为私有地址，私有地址是不能在Internet上使用的。私有地址包括以下三组。

[x] 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
[x] 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
[x] 192.168.0.0 ~ 192.1678.255.255

2.1.4 子网掩码

前面学习了IP地址及其分类，下面来看一个与IP地址密切相关的概念---子网掩码。在网络中，不同主机之间通信的情况可以分为如下两种。

[x] 同一个网段中两台主机之间相互通信
[x] 不同网段中两台主机之间相互通信

特别提示：

具有相同网络地址的IP地址称为同一个网段的IP地址

如果是同一网段内两台主机通信，则主机将数据直接发送给另一台主机；如果不在同一网段内的两台主机通信，则主机将数据发送给网关，由网关再进行转发。

为了区分这两种情况，进行通信的计算机需要获取远程主机IP地址的网络部分以做出判断。

[x] 如果源主机的网络地址=目标主机的网络地址，则为相同网段主机之间的通信
[x] 如果源主机的网络地址！=目标主机的网络地址，则为不同网段主机之间的通信

因此对一台计算机来说，关键问题就是如何获取远程主机IP地址的网络地址信息，这就需要借助子网掩码（Netmask）。

下面介绍子网掩码的组成。与IP地址一样，子网掩码也是由32个二进制位组成。对应IP地址的网络部分用1表示，对应IP地址的主机部分用0表示。通常也是用四个点分开的十进制数表示。当为IP网络中的节点分配IP地址时，也要一并给出每个节点所使用的子网掩码。对A，B，C这三类地址来说，通常情况下都使用默认子网掩码。

[x] A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0
[x] B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0
[x] C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0

有子网掩码后，只要把IP地址和子网掩码做逻辑“与”运算，所得的结果就是IP地址的网络地址。

例如：给出IP地址192.168.1.189 子网掩码255.255.255.0。将IP地址和子网掩码进行“与”运算就可以计算出IP地址的网络ID。运算过程如下所述。

计算出网络ID就可以判断不同的IP地址是否位于同一网段了。

使用点分十进制的形式表示掩码。书写比较麻烦。为了书写简便，经常使用位计数形式表示掩码。位计数形式是在地址后加“/”,"/"后面是网络部分的位数，即二进制掩码中“1”的个数。例如：IP地址192.168.1.100。掩码255.255.255.0。可以表示成192.168.1.100/24。