网络工程-HCIA课程（一）网络基础

2020/07/16 网络工程 HCIA 网络工程师华为 HCIA 网络基础

前言

最近开始重新系统地学习网络工程课程，为下半年考HCIE做准备。
虽然以前也学过HCIA和IP的课程，但一直没有做总结，这次就边学变做笔记吧~

按惯例，学习先从基础开始，每上一周课就写一次博客，记录下来就当做笔记了~
第一篇都是些很基础的东西，自己基本也都会，就当做查漏补缺+复习吧
万一哪天想不起来了也能回来翻翻，如果对各位有帮助的话就继续看下去吧

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网络设备

网络设备-交换机

交换机：距离终端用户最近的设备，用于终端用户接入网络、对数据帧进行交换等
- 终端设备（PC、服务器等）的网络接入
- 二层交换（Layer 2 Switching）：负责终端、服务、AP的接入，实现局域网内设备互通
- 三层交换机：有路由功能交换机，可以连接主机、服务器、AP，一般连接接入层交换机，负责企业内部不同局域网互通

网络设备-路由器

路由器：网络层设备，可以在因特网中进行数据报文转发。路由器根据所收到的报文的目的地址选择一条合适的路径，将报文传送到下一个路由器或目的地，路径中最后的路由器负责将报文送交目的主机
- 实现同类型网络或异种网络之间的通信
- 隔离广播域
- 维护路由表（Routing Table）、运行路由协议
- 路径（路由信息）选择、IP报文转发
- 广域网接入、网络地址转换
- 连接通过交换机组建的二层网络
- 主要是实现不同局域网的互通

网络设备-防火墙

防火墙：网络安全设备，用于控制两个网络之间的安全通信。它通过监测、限制、更改跨越防火墙的数据流，尽可能地对外部屏蔽网络内部的信息、结构和运行状况，以此来实现对网络的安全保护
- 隔离不同安全级别的网络
- 实现不同安全级别的网络之间的访问控制（安全策略）
- 用户身份认证
- 实现远程接入功能
- 实现数据加密及虚拟专用网业务
- 执行网络地址转换
- 其他安全功能

网络设备-无线设备

AP、AC
- 提供一种高可靠性、易于管理、易于维护的无线数据业务

网络类型

按使用者分类：
- 运营商网络：电信、联通、移动
- 企业网络：保证企业网络内设备互通

按照地理覆盖范围来划分，网络可以分为局域网 (Local Area Network)、城域网 (Metropolitan Area Network) 和广域网 (Wide Area Network)。
- 局域网（LAN）：
  - 在某一地理区域内由计算机、服务器以及各种网络设备组成的网络。局域网的覆盖范围一般是方圆几千米以内。
  - 典型的局域网有：一家公司的办公网络，一个网吧的网络，一个家庭网络等。
- 城域网（MAN）：
  - 在一个城市范围内所建立的计算机通信网络。
  - 典型的城域网有：宽带城域网、教育城域网、市级或省级电子政务专网等。
- 广域网（WAN）：
  - 通常覆盖很大的地理范围，从几十公里到几千公里。它能连接多个城市甚至国家，并能提供远距离通信，形成国际性的大型网络。
  - 典型的广域网有：Internet（因特网）。

网络拓扑

网络拓扑（Network Topology）是指用传输介质（例如双绞线、光纤等）互连各种设备（例如计算机终端、路由器、交换机等）所呈现的结构化布局。

网络拓扑形态

按照网络的拓扑形态来划分，网络可分为星型网络、总线型网络、环形网络、树形网络、全网状网络和部分网状网络。
星型网络：
- 所有节点通过一个中心节点连接在一起
- 优点：容易在网络中增加新的节点。通信数据必须经过中心节点中转，易于实现网络监控
- 缺点：中心节点的故障会影响到整个网络的通信
总线型网络：
- 所有节点通过一条总线（如同轴电缆）连接在一起
- 优点：安装简便，节省线缆。某一节点的故障一般不会影响到整个网络的通信
- 缺点：总线故障会影响到整个网络的通信。某一节点发出的信息可以被所有其他节点收到，安全性低
环型网络：
- 所有节点连成一个封闭的环形
- 优点：节省线缆
- 缺点：增加新的节点比较麻烦，必须先中断原来的环，才能插入新节点以形成新环
树型网络：
- 树型结构实际上是一种层次化的星型结构
- 优点：能够快速将多个星型网络连接在一起，易于扩充网络规模
- 缺点：层级越高的节点故障导致的网络问题越严重

企业网络基本架构

小型企业网

特点：
1. 拓扑简单
2. 成本相对低
3. 存在单点故障
4. 没有层次划分：扁平化结构

中大型企业网

特点：
1. 拓扑复杂
2. 成本相对较高
3. 有冗余备份
4. 层次化结构：
  1. 接入层：负责连接底层终端（主机、服务器、AP、打印机），设备性能要求不高，一般为二层交换机
  2. 汇聚层：负责连接接入层，将接入流量汇聚给核心层，还可以实现内网各个部门互通
  3. 核心层：负责流量的高速转发，一般选用性能较好的设备，可以是核心路由器，也可以是核心交换机

企业网络设计思想：

需求与成本
冗余性
安全性
可扩展性
考虑后期维护

网络参考模型

OSI参考模型

OSI协议开发过于复杂，比较难实现产品化，所以只能提供学习的标准，并没有投入生产使用。

IEEE 802.3的标准为以太网标准，用于实现局域网设备通讯标准。

一、TCP/IP 模型

(1)各层次的作用

应用层：为上层应用提供接口，为数据按照一定的格式进行转化，并且加密或者解密，该层次单元为PDU
传输层：在此层次使用TCP/UDP提供端口号，提供可靠/不可靠的服务，该层次单元为数据段
网络层：提供IP地址头部（源IP地址和目的IP地址），逻辑寻址，该层次单元为数据包
数据链路层：在该层次将数据封装成数据帧，如果在以太网中，会给数据帧加上源目MAC地址
物理层：将数据帧转化为0101的bit流在网络中传输

(2)数据封装与解封装过程

二、TCP/IP常见协议

(1)应用层协议

协议名	端口号(TCP/UDP)	作用
HTTP	80 (TCP)	超文本传输协议，提供浏览网页服务
Telnet	23 (TCP)	远程登陆协议，提供远程管理服务
FTP	20、21 (TCP)	文件传输协议，提供互联网文件资源共享服务（21端口为控制端口，20端口为数据端口）
DNS	53 (TCP)	域名解析
SMTP	25 (TCP)	简单邮件传输协议，提供互联网电子邮件服务
TFTP	69 (UDP)	简单文件传输协议，提供简单的文件传输服务

(2)传输层协议

传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol ）和用户数据包协议UDP（User Datagram Protocol ）
计算机网络中可提供使用的端口号：0-65535
知名端口/保留端口：0-1023 给固定的协议使用
动态端口：1024-65535，一般A访问B时，源端口为随机高端口，目的端口为访问的服务对应端口

1.传输控制协议TCP

面向连接协议：双方通信前先建立连接
可靠，可以提供重传机制
报文格式(部分重点字段)：
- seq number：序列号，与ack number联动保证可靠性
- ack number：一般比对方seq number大1，以保证可靠性
- Flags：
  - Acknowledgment：为1表示ack number存在
  - Reset：为1表示强制断开连接
  - Syn：为1表示请求建立连接
  - Fin：为1表示请求断开连接
- Window size value：滑动窗口，用于网络数据传输时的流量控制
三次握手（结合上面报文格式进行理解）
滑动窗口
- 太复杂了懒得讲，挖坑以后在写
四次挥手
- 四次挥手是TCP协议为保证可靠断开连接而设计的
- 而实际应用中基本不会使用，一般直接把Flags：Reset置位为1进行强制断开

2.用户数据包协议UDP

面向无连接协议：双方通信前，无需建立连接
不可靠
UDP不提供重传机制，占用资源小，处理效率高
使用UDP传输数据时，由应用程序根据需要提供报文到达确认、排序、流量控制等功能
一些时延敏感的流量，如语音、视频等，通常使用UDP作为传输层协议

(3)网络层协议

IPv4( Internet Protocol Version 4)，简称IP，是目前应用最广泛的网络层协议
常见协议还有IPv6，ICMP，IGMP等

(4)数据链路层

数据链路层控制数据帧在物理链路上传输图14

1.帧格式

Ethernet_II：
- 常见场景：设备与设备之间通信
- 长度（length/type）>=1536 表示按照Ethernet_II
- 组成：
  - D.MAC：目的MAC（占6字节）
  - S.MAC：源MAC地址（占6字节）
  - Type：类型，占2字节，表示上层协议（三层协议）
    - ① 如果为0x0800，则表示网络层协议为IP协议
    - ② 如果为0x0806，则表示网络层协议为ARP协议
    - Data：数据（46字节-1500字节）
    - FCS：循环冗余校验和，用于校验数据帧是否完整(以太网数据帧的长度在64-1518字节之间)

IEEE802.3：
- 常见场景：协议与协议之间(STP/ISIS)
- 长度（length/type）<=1500 表示按照Ethernet_II
- 组成：
  - D.MAC：目的MAC
  - S.MAC：源MAC地址
  - Length、LLC、SNAP （代替Ethernet_II的type字段）（见图14）
  - Data:数据
  - FCS：用于校验数据帧的完整

2.MAC地址

MAC地址，又称物理地址/硬件地址，全球唯一，每台设备/接口都有
以16进制表示，共48个Bit位（例：54-89-98-B7-7B-D8）
前24个bit位为OUI，即供应厂商代码，比如华为4c-1f-cc
后24bit 位由厂商自由分配，为序列号
分类：
- 单播：一对一通信
  第8个Bit位为0，则表示该MAC地址为单播
  例：54-89-98-B7-7B-D8 转换：0101 0100 - 省略
- 广播：一对所有通信
  48个Bit位全为1:再将二进制转换为16进制
  则书写为：FF-FF-FF-FF-FF-FF
- 组播：一对多通信
  第8个Bit位为1，则表示该MAC地址为组播
  例：01-00-5E-01-01-01 转换：0000 0001 - 省略

三、数据帧的接收和发送

当一台设备收到数据帧，如何处理？

先查看对方数据帧中的MAC地址，如果是单播MAC，查看目的MAC地址与自己的MAC地址是否一致，一致且通过检查，则接收，通告type字段，判断交给网络层什么协议处理；不一致，则丢弃
先查看对方数据帧中的MAC地址，如果是组播MAC，则查看自己是否加组，有加入，且通过检查，则接收；没加入则丢弃
先查看对方数据帧中的MAC地址，如果是广播MAC，直接接收
如果数据帧的长度不在64-1518 字节范围以内（即视为非正常帧），则直接丢弃

四、常见传输介质

(1)同轴电缆

线缆（粗同轴电缆/细同轴电缆）+BNC头部

成本高、头部制作麻烦，不通用
传输带宽：10M/S
传输距离：100M左右
现在网路中基本不用，一般用于监控

(2)双绞线

双绞线+RJ45连接器（水晶头）

成本低、头部可以大规模制作，比较方便
传输带宽：100M、1000M
传输距离：500M左右
线序：568A：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；
568B（常用）：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕
交叉线：一头采用568A的线序去做，一头采用568B的线序去做。一般用于相同设备
直通线：两端都采用一样的线序去做，一般用于不同设备连接
现在一般用直通线，因为现在的设备都有自适应功能

(3)光纤

单模/多模光纤+ 头部（ST/FC等）

成本相对较高、头部不通用
传输带宽：1000M-40G
传输距离：单模光纤传输较远，多模光纤传输较近

(4)串口电缆

串口电缆+DB-9/DB-25

传输带宽：几kb/S
传输距离：几十米左右

IP编址

当二层的type字段为0X0800时，表示网络层为IP协议

一、报文格式

Version：版本号，有V4版本和V6版本
TTL：生存时间/生存周期
Protocol：协议号，表示上层协议
Source IP Address：源IP地址
Destination IP Address：目的IP地址
Identification、Flags、Fragment Offset:用于分片

二、IP编址

IP地址在网络中用于标识一个节点（或者网络设备的接口）
IP地址用于IP报文在网络中的寻址

(1)IP地址组成

一个IPv4地址有32 bit
IPv4地址通常每8个Bit位为一组，用点隔开，换算成十进制，采用“点分十进制”表示
IPv4地址范围：0.0.0.0~255.255.255.255
网络部分：用来标识一个网络，表示一个范围
主机部分：用来区分一个网络内的不同主机，用于表示具体的某台设备

(2)IP地址分类

A类地址：第一个Bit位固定为0：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
00000000.0000000.0000000.000000 ~ 01111111.11111111.11111111.11111111

B类地址：前两个Bit位固定为10：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
10000000.0000000.0000000.000000 ~ 10111111.11111111.11111111.11111111

C类地址：前三个Bit位固定为110：192.0.0.0 ~223.255.255.255
11000000.0000000.0000000.000000 ~ 11011111.11111111.11111111.11111111

D类地址：前四个Bit位固定为1110： 224.0.0.0~239.255.255.255
11100000.0000000.0000000.000000 ~ 11101111.11111111.11111111.11111111

E类地址：前四个Bit位固定为1111：240.0.0.0~255.255.255.255
11110000.0000000.0000000.000000 ~ 11111111.11111111.11111111.11111111

A B C 类地址属于单播地址
D类地址属于组播地址
E类地址属于保留地址

掩码：由连续的1和0组成
用于区分网络位和主机位，用1表示网络位，用0表示主机位

A类地址默认情况8位网络位，所以A类地址掩码为8
B类地址默认情况16位网络位，所以B类地址掩码为16
C类地址默认情况24位网络位，所以C类地址掩码为24

(3)IP地址分类

网络地址：主机位全为0，用于标识一个网络，表示一个范围

广播地址：主机位全为1，用于向该网络中的所有主机发送数据的特殊地址

可用地址：可分配给网络中的节点或网络设备接口的地址。

例：
IP地址计算：192.168.19.3/24

1）将IP地址转成二进制: 11000000.10101000.0010011.00000011
2）将掩码写成二进制: 11111111.11111111.1111111.00000000
将IP地址与掩码一对一“与”运算得出网络地址：11000000.10101000.0010011.0000000
网络地址：192.168.19.0/24 （主机位全为0）
广播地址：192.168.19.255 （主机位全为1）
IP地址数：2^主机位数 2^8=256
可用IP地址数：256-2=254
可用IP地址范围：网络地址+1 ~ 广播地址-1 即：192.168.19.1 ~ 192.168.19.254

ICMP 因特网控制协议

ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障等方面起着至关重要的作用。

一、三大功能：

(1)ICMP控制功能/重定向

触发条件：设备（R4）收到一个数据，又从该接口发出，产生了次优路径

实现过程：R4收到PC1的数据信息，发现PC1去往服务器的最优下一跳是R3，R4会发送重定向报文，该报文中携带PC1去往服务器的最优下一跳，PC1收到重定向报文以后，会生成 主机路由 ，同时通告R3这个最优下一跳访问服务器

(2)ICMP查询功能（差错检测）

基于ICMP两大报文:

Echo Request：请求报文 type：8
Echo Reply：回复报文 type：0

(3)ICMP错误报告

基于type和code字段判断错误类型

Type	Code	描述
0	0	Echo Reply
3	0	网络不可达，没有对方路由
3	1	主机不可达，主机未开启
3	2	协议不可达
3	3	端口不可达，端口没开启
5	0	重定向
8	0	Echo Request
11	0	tracert

二、两大应用：

Ping:用于测试设备与设备之间的通信是否正常
常用用法：
- ping
- ping -c 3 *** ping三次
- ping -s 100 *** 每次发生的数据为100字节
- ping -t 100 *** 要求每次在100ms内回复信息
- ping -a 1.1.1.1 *** 指定用源1.1.1.1
tracert:不仅可以测试两台设备是否能通信，还可以测试具体的路径
常用用法：
- tracert -m *** 表示可以跟踪5个
- tracert -a 1.1.1.1 *** 指定用源1.1.1.1
- tracert -f 5 *** 修改默认第一跳TTL数字，默认为1

tracert原理：第一次TTL为1，到达第一个路由TTL变为0，则返回数据；第二次TTL为2，到达第二个路由TTL变为0，返回数据；第三次……以此类推直到达到对方路由

ARP 地址解析协议

作用：

通过目的IP 地址去获取目的MAC ，从而完成数据封装。

ARP报文类型：

ARP Request：请求目的IP地址对应的MAC地址，广播发送
ARP Reply：携带请求的MAC地址，单播回复

ARP缓存表：

用来存放目的IP地址与目的MAC地址的映射关系
如果需要访问目的IP地址，ARP存在，则不需要发送ARP报文

ARP解析过程：

设备访问目的主机，如果目的IP地址在自己的缓存表中不存在，则会发出ARP Request 报文
对方收到ARP Request 报文，会记录源IP地址和源MAC的地址关系，放在缓存表中，然后查看目的IP地址和自己的IP地址是否一致，一致则回复ARP Reply 报文，携带自己的IP地址和MAC地址
注意：如果源主机与目的主机不在同一个广播域，则会二层重写，也就是第一次解析到的MAC地址是网关MAC

免费ARP：

产生条件：当设备有IP地址的变动（新配置一个IP地址，删除IP地址等）

报文：源目IP地址都是自己

如果收到回复报文，则说明有设备跟自己使用同一个IP地址，IP地址冲突，如果没有收到回复，则认为IP地址没有冲突。

END

网络工程-HCIA课程（二）华为VRP系统

基于miraiQQ的b站直播通知机器人

本文作者：Dark