談談網路協議 – 基礎知識

悠悠清風~發表於2021-05-21
協議

基本概念

網際網路 (internet)

網際網路就是各種終端通過轉發裝置（交換機，路由器）進行環型的連線形成一個圖的結構，使之每個裝置都能夠互相連通，如下圖：

計算機之間的連線方式

  • 同臺電腦直連
  • 同軸電纜（Coaxial）
  • 集線器（hub）
  • 網橋（Bridge）
  • 交換機（Swtch）
  • 路由器（Router）

上面的裝置都是用於連線終端裝置的，發展使也是從上往下

RJ45介面 與 網線

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直通線與交叉線

  • 直通線：介面兩端同樣的顏色會對應同一個介面位

  • 交叉線：有些線的位置需要調整，如下圖

同臺電腦直連

直接使用網線將兩臺PC連線，需要使用 直通線

同軸電纜（Coaxial）

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特點

  • 半雙工通訊（傳送和接收不能同時進行）
  • 容易衝突
  • 不安全
  • 中間斷了，整個網路都癱瘓

集線器（hub）

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用於連線多臺PC終端，所有PC都需要在同一網段

特點

  • 半雙工通訊（傳送和接收不能同時進行）
  • 容易衝突
  • 不安全
  • 和同軸電纜一樣：沒有智商

網橋（Bridge）

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主要用於隔絕衝突域，連線2邊的集線器，能夠通過自學習得到每個介面那側的MAC地址

所以它會快取兩邊的PC的MAC地址，當發起ARP（Address Resolution Protocol 地址解析協議）的時候就不需要再去廣播了，所以說它是有智商的

交換機（Switch）

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特點

  • 相當於介面更多的網橋
  • 全雙工通訊（可以同時接和收）
  • 比集線器安全
  • 智慧

路由器（Router）

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特點

  • 隔絕廣播域
  • 可以在不同網段之間轉發資料
  • 路由器兩端也必須是不同網段

網線直連、同軸電纜、集線器、網橋、交換機

  • 連線的裝置必需在同一網段

  • 連線的裝置處在同一廣播域（廣播是針對同一網段的）

MAC地址、IP地址

MAC地址

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  • 每個網路卡都有一個唯一6位元組（48bit）的MAC地址（Media Access Control Address）
  • 全球唯一，固化在網路卡的ROM中，由IEEE802標準規定
  • 前3位元組：OUI（Orgnaizationally Unique Identifier）,組織唯一識別符號，由IEEEE的註冊管理機構分析給廠商
  • 後3位元組：網路介面識別符號，由廠商自行分配

OUI查詢

http://standards-oui.ieee.org/oui/oui.txt

https://mac.bmcx.com/

MAC地址表示格式

  • Windows
    • 60-38-78-10-8C-34
  • Linux、Android、Mac、iOS
    • 60:38:78:10:8C:34
  • Packet Tracer
    • 6038.7810.8C34
  • 當48位全為1時，代表廣播地址
    • FF-FF-FF-FF-FF-FF

MAC地址操作

  • 檢視MAC地址
    • windows: ipconfig /all
    • linux: ifconfig
  • 修改MAC地址
    • 更改介面卡選項 -> 屬性 -> 配置 -> 高階 -> 網路地址
    • 填寫時需要把減號(-)去掉

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MAC地址的獲取

  • 當不知道對方主機的MAC地址時，可以通過傳送ARP廣播獲取對方的MAC地址
    • 獲取成功後，會快取IP地址、MAC地址的對映資訊，俗稱：ARP快取
    • 通過ARP廣播獲取的MAC地址，屬於動態（dynamic）快取
      • 儲存時間比較短（預設是2分鐘），過期後自動刪除
  • 相關命令
    • arp -a [主機地址]: 查詢當前裝置或指定IP的ARP快取
    • arp -d [主機地址]: 刪除AR快取
    • arps -s 主機地址 MAC地址: 手動增加一條ARP快取，屬於靜態快取，不同系統儲存時長不同

ARP欺騙

ARP攻擊就是通過偽造IP地址和MAC地址實現ARP欺騙，能夠在網路中產生大量的ARP通訊量使網路阻塞，攻擊者只要持續不斷的發出偽造的ARP響應包就能更改目標主機ARP快取中的IP-MAC條目，造成網路中斷或中間人攻擊

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攻擊主機PC2傳送ARP應答包給被攻擊主機PC1和閘道器，分別修改它們的ARP快取表, 將它們的ip地址所對應的MAC地址，全修改為攻擊主機PC2的MAC地址，這樣它們之間資料都被攻擊主機PC2截獲

簡單描述：

我是PC2，PC1是被攻擊者，我通過ARP包告訴閘道器我是PC1，告訴PC1我是閘道器，這樣他們傳送的資料就都會發給我，從而實現資料攔截（可以實現對目標進行限速等操作）

IP地址

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  • IP地址（Internet Protocol Address）：網際網路上的每一個主機都有一個IP地址

    • 最初是IPv4版本，32bit（4位元組），2019年11月25日，全球的IP地址已經用完

    • 後面推出了IPv6版本，128bit（16位元組），目前使用的還是IPv4，特殊地方才用IP6

IP地址的組成

  • IP地址由2部分組成：網路標識（網路ID）、主機標識（主機ID）
    • 通過子網掩碼（subnet mask）可以得到網路ID、主機ID
  • 主機所在的網段：子網掩碼 & IP地址
  • 計算機再與其它計算機通訊前，會先判斷是否在同一網段
    • 同一網段：不需要路由器進行轉發
    • 不同網段：需要路由器進行轉發

網段計算

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上面的IP地址與子網掩碼計算的網段為：192.168.1.0

&操作

只有當兩個都為1的時候才為1，其它為0

IP地址的分類

  • A類地址：子網掩碼預設是255.0.0.0

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  • B類地址：子網掩碼預設是255.255.0.0

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  • C類地址：子網掩碼預設是255.255.255.0

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  • D類地址：以1110開頭，多播地址

  • E類地址：以1111開頭，保留為今後使用

注

  • 只有A\B\C類地址才能分配給主機
    • 主機ID為全0，表示主機所在的網段
    • 主機ID為全1 ，表示主機所在的網段所有主 要（用於廣播）
    • 使用ping廣播地址可以實現獲取當前網段內的所有線上主機

A類地址

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  • 網路ID
    • 0不能用，127作為保留網段。其中 127.0.0.1 是本地環回地址（Loopback），代表本地地址
    • 1~126 為可以分配給主機用
  • 主機ID
    • 第2、3、4部分的取值範圍：0~255
    • A類網路最大能容納主機數：256 * 256* 256 - 2 = 2的24次方 - 2 = 16777214
      • 減2原因：0不能用，網段不能用

B類地址

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  • 網路ID
    • 可分配給主機的
      • 第1部分：128~191
      • 第2部分：0~255
  • 主機ID
    • 第3、4部分的取值範圍：0~255
    • B類網路最大能容納主機數：256 * 256 - 2 = 2的16次方 - 2 = 65534

C類地址

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  • 網路ID
    • 可分配給主機的
      • 第1部分：192~223
      • 第2、3部分：0~255
  • 主機ID
    • 第4部分的取值範圍：255
    • B類網路最大能容納主機數：256 - 2 = 254

D類地址

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  • 沒有子網掩碼，用於多播（組播）地址
  • 第1部分取值範圍：224~239

E類地址

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  • 沒有子網掩碼，用於多播（組播）地址

  • 第1部分取值範圍：240~255

子網掩碼的CIDR表示方法

  • CIDR （Classless Inter-Domain Routing）：無類別域間路由
  • 子網掩碼的CIDR表示方法
    • 192.168.1.100/24，代表子網掩碼為 24個1，也就是 255.255.255.0
    • 123.210.100.200/16，代表子網掩碼為 16個1，也就是 255.255.0.0
  • 計算工具

子網劃分

為什麼要進行子網劃分

  • 200臺主機在同一網段，分配一個C類網段，如：192.168.1.0/24

    • 共254個可用IP地址：192.168.1.1~192.168.1.254
    • 多出54個空閒的IP地址，這到不算浪費

  • 如果 500臺主機在同一網段，分配一個B類網段，如：191.100.0.0/16

    • 共65534個可用IP地址：191.100.0.1~191.100.255.254
    • 多出65034個空閒的IP地址，這種情況屬於極大的浪費資源

  • 為了避免浪費IP地址資源，就需要進行子網劃分

如何子網劃分

  • 借用主機位做子網位，劃分出多個子網
  • 2種劃分方式
    • 等長子網劃分：將一個子網劃分成多個子網，並且每個子網可用IP地址數一樣
    • 變長子網劃分：劃分成多個可用IP地址不一樣的子網
  • 子網線上劃分器：http://www.ab126.com/web/3552.html
  • 子網劃分步驟：
    • 確定子網的子網掩碼長度
    • 確定子網中第1個、最後1個主機可用IP地址

等長子網劃分

等分成2個子網

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上圖是將 192.168.0.0/24 C類網段劃分成兩個子網

  • A子網

    • 可用IP地址：192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 （0 和 127 不能用，0是網段，127是廣播地址）

  • B子網

    • 可用IP地址：192.168.0.129 ~ 192.168.0.254（128 和 255 不能用，128是網段，255是廣播地址）

  • 2個網段的子網掩碼都是：255.255.255.128/25，每個網段可用主機數為：126

演算法解析

如上圖，將網路位往主機部借1位時，主機部分可用的位數就只有7位，此時網路部分可分為 ：

  • A子網：192.168.0|0
  • B子網：192.168.0|1

主機部分全0和全1是不能做為可用IP地址的，全0是網段，全1就是廣播地址

  • A子網的主機部分可用IP就是 0|0000001 ~ 0|1111110 （1~126）
  • B子網的主機部分可用IP就是 1|0000001 ~ 1|1111110 （129~254）
  • 注：雖然向主機位借位，但計算主機IP個數時還是按之前的8位來算，需要加上被借的那1位
等分成4個子網

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  • A子網：192.168.0.1 ~ 192.168.0.62
  • B子網：192.168.0.65 ~ 192.168.0.126
  • C子網：192.168.0.129 ~ 192.168.0.190
  • D子網：192.168.0.193 ~ 192.168.0.254
  • 4個子網的子網掩碼都是：255.255.255.192/26，每個網段可用主機數：62
等分成8個子網

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  • A子網：192.168.0.1~192.168.0.30

  • B子網：192.168.0.33~192.168.0.62

  • C子網：192.168.0.65~192.168.0.94

  • D子網：192.168.0.97~192.168.0.126

  • E子網：192.168.0.129~192.168.0.158

  • F子網：192.168.0.161~192.168.0.190

  • G子網：192.168.0.193~192.168.0.222

  • H子網：192.168.0.225~192.168.0.254

  • 8個子網的子網掩碼都是：255.255.255.224/27，每個網段可用主機數：30

規律

如果一個子網是是原來網路2/1，子網掩碼往後移1位就行，如果是4/1，移2位，是8/1，移3位，簡單點就是 移幾位就是2的幾次方

  • 1位 = 2^1 = 2

  • 2位 = 2^2 = 4

  • 3位 = 2^3 = 8

變長子網劃分

  • 等長子網劃分是每個子網都使用 **相同 **的子網掩碼
  • 變長子網劃分是每個子網都使用 **不同 **的子網掩碼

例子

對 192.168.100.0/24 網段進行變長子網劃分，需要主機數分別為 A: 80，B: 50，C: 24，D: 10 不同數量的網段,如果使用等長子網劃分，劃分成4個網段，那樣每個網段的主機數只有 62個，不滿足 80 個主機的要求，此時就可以使用變長子網劃分

步驟：

  • 滿足A：先將 192.168.100.0/24 往後移一位，劃分出 192.168.100.0/25 與 192.168.100.128/25 兩個網段，將 192.168.100.0/25 網段的 126 個地址分配給 A 用
  • 滿足B：再將剩餘的 192.168.100.128/25 網段再往後移一位，劃分出 192.168.100.128/26 與 192.168.100.192/26 兩個網段，將 192.168.100.128/26 網段的 62個地址分配給B用
  • 滿足C：再將 192.168.100.192/26 再往後移一位，劃分出 192.168.100.192/27 與 192.168.100.224/27 兩個網段，將 192.168.100.192/27 網段的 30個地址分配給C用
  • 滿足D：再將 192.168.100.224/27 再往後移一位，劃分出 192.168.100.224/28 與 192.168.100.240/28 兩個網段，將 192.168.100.224/28 網段的 13個地址分配給D用

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思考問題

【PC1】 192.168.0.10/24 與 【PC2】192.168.10.10/16 能進行通訊嗎？

思路：先將兩臺PC的網段算出來，看是不是同一網段

  • PC1：192.168.0.0/24
  • PC2：192.168.0.0/16

看上去好像兩個是同一網段，實際是不能進行通訊的，為什麼呢？當一臺裝置與另一臺裝置進行通訊之前是怎麼處理的？首先它並不知道目標裝置的子網掩碼，只知道目標裝置的IP地址，所以它要判斷該裝置是否和自己是同一網段，它是直接拿自己的子網掩碼去和目標IP進行&運算得到網段，網段一樣才會通訊，計算如下：

【PC1=>PC2】 192.168.10.10/24 = 192.168.10.0 與自己的網段 192.168.0.0 不一樣，所以無法通訊

【PC2=>PC1】 192.168.0.10/16 = 192.168.0.0 與自己的網段 192.168.0.0 一樣，可以通訊

注意：PC1 不能發給 PC2，但 PC2 能發給 PC1，只有兩同裝置都能夠互相通訊，才能真正通訊

超網

  • 它和子網是反過來，將多個連續的網段合併成一個更大的網段
  • 比如原來有200臺裝置使用192.168.0.0/24網段，現在想再增加 200臺裝置到同一網段
    • 200臺在 192.168.0.0/24網段，另外200臺在 192.168.1.0/24網段
    • 合併 192.168.0.0/24 與 192.168.1.0/24 網段為 192.168.0.0/23 網段（子網掩碼往左移動1位）
合併2個子網

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合併4個子網

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思考：下面這2個網段向左移一位能合併嗎？

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答案是不可以的，為什麼呢？因為如果只向左移一位的話，它們的網段還是不相同的，當然就不是同一網段了，所以至少移2位才可以

判斷一個網段是子網還是超網

  • 首頁判斷IP地址的型別，是A類、B類、C類？
  • A類子網掩碼是8位，就是 255.0.0.0，如果 當前IP地址是A類，再看子網掩碼是往左移位還是往右移位，往左移位就是超網,往右移位就是子網
  • B類是16位
  • C類是24位

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