综合讨论区

最后回复者 03-06-2022 未解决
发表问题
495926

网络基本功系列:细说网络那些事儿(3月26日更新)

网络基本功(一):细说网络传输

转载请在文首保留原文出处:EMC中文支持论坛https://community.emc.com/go/chinese image001.gif

介绍

常言道:欲练神功,必先练好基本功。之前做了一个关于IP路由,默认网关和掩码的问答贴,做完这个帖子觉得如果对网络知识点做一个系统的阐述,应该会很有帮助。


本系列文章着重于讲解网络管理实际应用中常常涉及的重要知识点,尽量以实用为主。准备写的几个章节暂时有(可能会有增减):



更多信息


首先来看一个例子:


示例:网络服务器向客户端传送数据的过程:

在详细阐述网络传输过程之前,先来看一个最常见的例子,下图显示了一个网络服务器向客户端传送数据的完整过程:

image002.jpg

     1.     需要传送的数据是网络服务器的HTML页面。

     2.     应用协议HTTP报文头添加到HTML数据之前。报文头信息包括:服务器所使用的HTTP版本,以及表明它包含发给网络客户端信息的状态编码。

     3.     HTTP应用层协议将HTML格式的网页数据发送给传输层。TCP传输层用于管理网络服务器和客户端之间的会话。

     4.     IP信息添加到TCP信息之前。IP指定适当的源和目的IP地址。这些信息就构成了IP报文。

     5.     以太网协议添加到IP报文的两端之后,就形成了数据链路帧。上述帧发送至通向网络客户端的路径上的最近一个路由器。路由器移除以太网信息,观察IP报文,判定最佳路径,将报文插入一个新的帧,并发送至目标路径上下一个相邻路由器。每一个路由器在转发之前都移除并添加新的数据链路层信息。

     6.     数据通过互联网络传输,互联网络包含媒介和中间设备。

     7.     客户端接收到包含数据的数据链路帧,处理各层协议头,之后以添加时相反的顺序移除协议头。首先处理并移除以太网信息,之后是IP协议信息,接下来TCP信息,最后是HTTP信息。

     8.     之后,将网页信息传递给客户端网页浏览器软件。

数据封装:

消息要在网络中传输,必须对它进行编码,以特定的格式进行封装,同时需要适当地封装以足够的控制地址信息,以使它能够从发送方移动到接收方。

消息大小

理论上,视频或邮件信息是能够以大块非中断型流从网络源地址传送到目的地址,但这也意味着同一时刻同一网络其他设备就无法收发消息。这种大型数据流会造成显著延时。并且,如果传输过程中连接断开,整个数据流都会丢失需要全部重传。因此更好的方法是将数据流分割segmentation)为较小的,便于管理的片段,能够带来两点好处:

·         发送较小片段,网络上同时可有多个会话交错进行。这种在网络上将不同会话片段交错进行的过程称为多路传输(multiplexing

·         分割可提高网络通讯的可靠性。各消息片段从源地址到目的地址无需经过相同路径,如果一条路径被堵塞或断开,其余消息可从替换路径到达目的地址。如果部分消息到不了目的地址,那只需重传丢失部分。

通过对片段打上标签的方式来保证顺序以及在接收时重组。

image003.jpg

协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU

应用层数据在传输过程中沿着协议栈传递,每一层协议都会向其中添加信息。这就是封装的过程。

数据片段在各层网络结构中采用的形式就称为协议数据单元(PDU。封装过程中,下一层对从上一层收到的PDU进行封装。在处理的每一个阶段PDU都有不同的名字来反应它的功能。

image004.jpg

PDU按照TCP/IP协议的命名规范:

·         数据(Data:应用层PDU的常用术语

·         分段(Segment):传输层PDU

·         帧(Frame):网络层PDU

·         比特(Bits):在介质上物理传输数据所使用的PDU

封装

封装是指在传输之前为数据添加额外的协议头信息的过程。在绝大多数数据通信过程中,源数据在传输前都会封装以数层协议。在网络上发送消息时,主机上的协议栈从上至下进行操作。

以网络服务器为例,HTTP应用层协议发送HTML格式网页数据到传输层,应用层数据被分成TCP分段。各TCP分段被打上标签,称为头(header),表明接收方哪一个进程应当接收此消息。同时也包含使得接收方能够按照原有的格式来重组数据的信息。

传输层将网页HTML数据封装成分段并发送至网络层,执行IP层协议。整个TCP分段封装成IP报文,也就是再添上IP头标签。IP头包括源和目的IP地址,以及发送报文到目的地址所必须的信息。

之后,IP报文发送到接入层,封装以帧头和帧尾。每个帧头都包含源和目的物理地址。物理地址唯一指定了本地网络上的设备。帧尾包含差错校正信息。最后,由服务器网卡将比特编码传输给介质。   

解封装

接收主机以相反的方式进行操作称为解封装。解封装是接收设备移除一层或多层协议头的过程。数据在协议栈中向上移动直到终端应用层伴随着解封装。

访问本地资源:

访问本地网络资源需要两种类型的地址:网络层地址和数据链路层地址。网络层和数据链路层负责将数据从发送设备传输至接收设备。两层协议都有源和目的地址,但两种地址的目的不同

示例:客户端PC1FTP在同一IP网络的通信

image005.jpg

网络地址

网络层地址或IP地址包含两个部分:网络前缀和主机。路由器使用网络前缀部分将报文转发给适当的网络。最后一个路由器使用主机部分将报文发送给目标设备。同一本地网络中,网络前缀部分是相同的,只有主机设备地址部分不同。

IP地址:发送设备,即客户端PC1IP地址:192.168.1.110

目的IP地址:接收设备,即FTP服务器:192.168.1.9

数据链路地址

数据链路地址的目的是在同一网络中将数据链路帧从一个网络接口发送至另一个网络接口。以太网LAN和无线网LAN是两种不同物理介质的网络示例,分别有自己的数据链路协议。

IP报文的发送方和接收方位于同一网络,数据链路帧直接发送到接收设备。以太网上数据链路地址就是以太网MAC地址。MAC地址是物理植入网卡的48比特地址。

MAC地址:发送IP报文的PC1以太网卡MAC地址,AA-AA-AA-AA-AA-AA

目的MAC地址:当发送设备与接收设备位于同一网络,即为接收设备的数据链路地址。本例中,FTP MAC地址:CC-CC-CC-CC-CC-CC

源和目的MAC地址添加到以太网帧中。

image006.jpg

MACIP地址

发送方必须知道接收方的物理和逻辑地址。发送方主机能够以多种方式学习到接收方的IP地址:比如域名系统(Domain Name System, DNS),或通过应用手动输入,如用户指定FTP地址。

以太网MAC地址是怎么识别的呢?发送方主机使用地址解析协议(Address Resolution Protocol, ARP)以检测本地网络的所有MAC地址。如下图所示,发送主机在整个LAN发送ARP请求消息,这是一条广播消息。ARP请求包含目标设备的IP地址,LAN上的每一个设备都会检查该ARP请求,看看是否包含它自身的IP地址。只有符合该IP地址的设备才会发送ARP响应。ARP响应包含ARP请求中IP地址相对应的MAC地址。

image007.jpg

访问远程资源:

默认网关

当主机发送消息到远端网络,必须使用路由器,也称为默认网关。默认网关就是位于发送主机同一网络上的路由器的接口IP地址。有一点很重要:本地网络上的所有主机都能够配置自己的默认网关地址。如果该主机的TCP/IP设置中没有配置默认网关地址,或指定了错误的默认网关地址,则远端网络消息无法被送达

如下图所示,LAN上的主机PC 1使用IP地址为192.168.1.1R1作为默认网关,如果PDU的目的地址位于另一个网络,则主机将PDU发送至路由器上的默认网关。

image008.jpg

与远端网络设备通讯

下图显示了客户端主机PC 1与远端IP网络服务器进行通讯的网络层地址与数据链路层地址:

image009.jpg

网络地址

当报文的发送方与接收方位于不同网络,源和目的IP地址将会代表不同网络上的主机

IP地址:发送设备即客户端主机PC 1IP地址:192.168.1.110

目的IP地址:接收设备即网络服务器的IP地址:172.16.1.99

数据链路地址

当报文的发送方与接收方位于不同网络,以太网数据链路帧无法直接被发送到目的主机。以太网帧必须先发送给路由器或默认网关。本例中,默认网关是R1R1的接口IP地址与PC 1属于同一网络,因此PC 1能够直接达到路由器。

MAC地址:发送设备即PC 1MAC地址,PC1的以太网接口MAC地址为:AA-AA-AA-AA-AA-AA

目的MAC地址:当报文的发送方与接收方位于不同网络,这一值为路由器或默认网关的以太网MAC地址。本例中,即R1的以太网接口MAC地址,即:11-11-11-11-11-11

IP报文封装成的以太网帧先被传输至R1R1再转发给目的地址即网络服务器。R1可以转发给另一个路由器,如果目的服务器所在网路连接至R1,则直接发送给服务器。

发送设备如何确定路由器的MAC地址?每一个设备通过自己的TCP/IP设置中的默认网关地址得知路由器的IP地址。之后,它通过ARP来得知默认网关的MAC地址,该MAC地址随后添加到帧中。

             

回复数 (234)
342

同是初学者,正准备看这一章,往下一翻就看到了你的评论,于是这一章扫一遍知道“链路聚合”是为了提升带宽的概念就过去了

3781

网络基本功(七):细说IP地址与子网

转载请在文首保留原文出处:EMC中文支持论坛https://community.emc.com/go/chinese image001.gif

介绍

起初,IP地址只有两层结构:网络与主机。子网地址向其中添加了一层新的结构:不同于仅有主机,网络有分为子网与主机。每一个子网的功能近乎于完整的网络。子网的添加构成了三层网络结构:包含子网的网络,各自由若干主机构成。IP地址由此被分为三个部分:网络ID,子网ID与主机IDIP地址长度仍固定为32位,其中,A类网络8位子网掩码,B类网络16位子网掩码,C类网络24位子网掩码。


更多信息

对于每一类网络,网络数以及每一网络中包含的主机数,决定了它们各自占用多少比特位。这一准则同样适用于如何划分子网与主机。子网数量为2的子网ID次方,每一子网内的主机数为2的主机ID次方。假设一个B类网络154.71.0.0,网络ID16位(154.71),主机ID16位。没有子网的情况下一共可容纳65534台主机。按照实际需求将16位划分为子网与主机:1位子网16位主机,或214313。。。如下图所示,划分为5位子网与11位主机,子网数越多,主机数越少。

image002.jpg

搭建IP子网时,如何划分子网与主机数是最重要的问题之一。子网所占位取决于整个网络中的物理子网数,每一子网中的主机数不能超过子网划分所允许的最大数量。

IP子网掩码,表示法以及子网计算:

在没有子网的网络环境下,路由器通过IP地址的前八位来决定是哪一类型的网络,从而它们知道哪些是网络ID哪些是主机ID。划分子网时,路由器也需要知道主机ID是如何划分成子网ID与主机ID的,但是划分方法可以是任意组合,也没有办法从IP地址看出来。因此,必须有额外的信息告知解析IP地址的设备,这一信息称为子网掩码,以32比特数的形式呈现。

掩码位的10结合布尔函数与和或的功能对于地址中的比特位进行选择或清除。子网掩码中的32位对应于IP地址相同位置上的数字。掩码位为1时,则地址中该位作为网络ID或子网ID,而掩码位为0时,则地址中该位表示主机ID

子网掩码为1:将IP地址中的011进行与操作,即:当子网掩码位为1IP地址保持不变。

子网掩码为0:任何数和0做与操作都是0,即:当子网掩码位为0IP地址清零。

因此,将子网掩码应用于IP地址,网络ID和子网ID保持不变,移除主机ID。执行此功能的路由器由此获得子网地址,因为它知道网络类型,因此能够区分网络位与子网地址位。

举例来说,假设将B类网络154.71.0.0划分5位为子网ID11位为主机ID。因此,子网掩码有161代表网络部分(B类网络),接下来51作为子网部分,110用作主机ID。二进制数表示为11111111 11111111 11111000 00000000,十进制数表示为255.255.248.0

image003.jpg

举例:

假设有一台主机IP地址154.71.150.42,路由器需要找出该主机位于哪一子网,则它的掩码操作如下图所示:

image004.png

image005.jpg

结果,154.71.150.42所属的子网为154.71.144.0。另一台路由器能够从中区分出网络ID与子网ID,因为地址的前两个比特位是10,是一个B类网络。所以网络ID16位,子网ID一定是1721。这里,子网是10010,或子网18

提一个问题:既然子网掩码只是将网络地址划分出网络部分与子网部分,那为什么还要使用另外的32位比特数255.255.248.0,而不直接将IP地址第21位指定为分界线呢?这是有历史原因的:因为需要考虑不连续的掩码情况。同时,它也能够让路由器进行快速的掩码操作来找出子网地址。

除了将16位划分为5位子网ID11位主机ID,标准也允许前2位用作子网ID4位用作主机ID,之后3位用作子网ID7位用作主机ID。因此子网掩码为11000011 10000000。当然,这会造成混淆,是不推荐的,实际中也没有人会这么做。

鉴于非连续掩码实际不会应用,以及现今的计算机速度大幅提升,新的表达法为154.71.150.42/21

IP子网掩码设定:

假设B类网络154.71.0.0,没有子网的话一共有65,534台主机。划分子网时,按照以下方法:

·         1位用作子网ID15位用作主机ID:那么子网数为2^1,第一个子网是0,第二个子网是1。每一个子网的主机数是2^15-2,或32766

·         2位用作子网ID14位用作主机ID:那么子网数为2^2,四个子网0123。每一个子网的主机数是2^14-2,或16382

子网与主机ID位的划分取决于子网数与子网中最大主机数。假设一个B类网络中有10个子网,需要4位表示子网(2^4=162^3=8),12位用作主机ID,每一子网最多4094台主机。

如果你有20个子网,每一子网3000台主机,那么就会碰到问题。需要5位表示20个子网,而3000台主机需要12位。这时需要重新组织物理网络,如果无法做到,就需要第二个B类网络。

自定义子网掩码的方法是:从指定网络类型的默认子网掩码中,从最左边的0位开始,按照需要的子网数将0改为1。假设C类网络200.13.94.0,最后8位可供划分子网与主机,则有6种不同的划分方法。假如使用3位作为子网ID5位作为主机ID,那么:

默认C类网络子网掩码:11111111 11111111 11111111 00000000

将最左边的30改为111111111 11111111 11111111 11100000

即子网掩码为:255.255.255.224

通常情况下,所有子网大小必须相同。因此,最大一个子网的主机数决定了需要多少位比特用作主机ID。因此前例中,前19个子网每个子网最多100台主机,而第20个子网需要3000个主机,就会碰到问题。这种情况下,需要将最后一个过大的子网拆成若干个小的子网。

image006.jpg

2734

感谢楼主分享,看完这一章,有几个问题想问一下

1)子网IP向公网发出的数据包是否还需要NAT转换?

2)ABC类的私有地址的划分方式和这种子网划分方式区别在哪?分别是针对哪些情况设定的?为什么要分这两种方式?

3)子网IP会占用IP资源吗?

谢谢了哈

1758

1)子网IP向公网发出的数据包是否还需要NAT转换?

子网如果采用的是公有IP地址,就无需NAT转换,只有在私有地址时才需要NAT。

2)ABC类的私有地址的划分方式和这种子网划分方式区别在哪?分别是针对哪些情况设定的?为什么要分这两种方式?

私有地址划分是因为IPv4地址机制导致IP地址不够用了,所以NAT的目的是为了节省IP地址资源。划分子网是为了将网络细化,避免浪费。可参考这个系列的第七节:IP地址与子网

3)子网IP会占用IP资源吗?

子网IP会占用IP资源,每一个公有IP地址都是唯一的。

1447

既然子网IP会占用IP资源,那么为什么划分子网可以避免浪费,我总是觉得这个划分的子网有点别扭,能不能说的详细点,谢谢

1447

比如B类网络可支持65534台主机,那么这些主机都处于一个广播域,而一个广播域如果有这么多结点会造成网络拥塞,所以会有些地址分配不出去,这样就造成IP地址位的浪费。把它划分成更细的子网,依靠掩码来实现,通过路由器对不同子网进行分界,这样可以充分利用主机地址里的每一个bit位。

1447

懂了,谢谢,楼主真的很厉害

1447

没有没有。

青铜
青铜
2988

Nice

2988

增添三节TCP内容。

最新解决方案
杰出贡献者