计算机网络

IPv4地址：由32位二进制数构成，通常写成四个十进制数，每个数范围从0到255（如：192.168.1.1）。IPv4地址由网络部分和主机部分构成。
IPv6地址：为了应对IPv4地址耗尽问题，IPv6引入了128位地址，格式更复杂，通常写成8组4个十六进制数字（如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。

3.2 IPv4地址的分类

IPv4地址按照用途和网络规模分为几个类别：

A类地址：0.0.0.0 到 127.255.255.255
- 用途：为大型网络分配，支持最多 1677 万个主机。
- 默认子网掩码：255.0.0.0（即 /8）。
B类地址：128.0.0.0 到 191.255.255.255
- 用途：为中型网络分配，支持最多 65,536 个主机。
- 默认子网掩码：255.255.0.0（即 /16）。
C类地址：192.0.0.0 到 223.255.255.255
- 用途：为小型网络分配，支持最多 256 个主机。
- 默认子网掩码：255.255.255.0（即 /24）。
D类地址：224.0.0.0 到 239.255.255.255
- 用途：用于组播（Multicast）通信。
E类地址：240.0.0.0 到 255.255.255.255
- 用途：预留地址，用于实验和未来使用。

3.3 子网掩码

子网掩码（Subnet Mask）是与IP地址一起使用，用来区分网络地址和主机地址的部分。子网掩码的作用是指定一个IP地址中哪些位表示网络地址，哪些位表示主机地址。

例如：

IP地址： 192.168.1.1
子网掩码： 255.255.255.0（或 /24）

子网掩码的1部分表示网络地址，0部分表示主机地址。子网掩码255.255.255.0意味着网络前24位是网络部分，后8位是主机部分。

3.4 子网划分

子网划分是将一个IP地址块分割成多个小的子网的过程，这样可以提高IP地址的利用率和网络的管理效率。

3.4.1 子网划分的步骤

确定子网数目：根据需要划分的子网数量，选择合适的子网掩码。
计算子网掩码：根据需要的子网数，选择合适的子网掩码，调整网络部分和主机部分的长度。
确定每个子网的可用IP地址范围：每个子网有一个网络地址和一个广播地址，IP地址范围在它们之间。

3.4.2 示例

假设我们有一个C类地址：192.168.1.0/24（即子网掩码为255.255.255.0）。我们想将其划分成4个子网：

计算子网掩码：为了得到4个子网，需要借用2位（因为2^2 = 4）。因此，新的子网掩码为：255.255.255.192（或 /26），即前26位为网络位，后6位为主机位。

新的子网掩码：11111111.11111111.11111111.11000000
每个子网可以容纳64个地址（2^6 = 64），其中包括2个特殊地址（网络地址和广播地址），所以每个子网可以分配62个有效IP地址。

3.4.3 子网划分结果

子网1： 192.168.1.0/26（网络地址：192.168.1.0，广播地址：192.168.1.63，有效IP地址：192.168.1.1 - 192.168.1.62）
子网2： 192.168.1.64/26（网络地址：192.168.1.64，广播地址：192.168.1.127，有效IP地址：192.168.1.65 - 192.168.1.126）
子网3： 192.168.1.128/26（网络地址：192.168.1.128，广播地址：192.168.1.191，有效IP地址：192.168.1.129 - 192.168.1.190）
子网4： 192.168.1.192/26（网络地址：192.168.1.192，广播地址：192.168.1.255，有效IP地址：192.168.1.193 - 192.168.1.254）

3.5 子网划分的意义

子网划分可以提高网络的效率和安全性：

提高地址利用率：将大范围的IP地址划分为多个小子网，可以更合理地分配IP地址。
提高网络管理效率：划分子网后，每个子网就像一个独立的小网络，便于管理。
提高安全性：将不同部门或功能的设备分到不同的子网，可以减少不必要的广播，提高安全性。

3.6 CIDR（无类域间路由选择）

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）是一种更加灵活的IP地址划分方法，它打破了传统的A、B、C类地址的划分限制，允许在任何位置进行子网掩码的划分。CIDR格式通常是“IP地址/前缀长度”，如：192.168.1.0/24。

3.7 10.10.20.0/24--解析

10.10.20.0/24 表示一个IPv4网络，其中：
10.10.20.0 是网络地址。
/24 意味着子网掩码是 255.255.255.0。
这个网络包含从 10.10.20.1 到 10.10.20.254 的254个可用IP地址。
10.10.20.0 用来标识整个网络。
10.10.20.255 是该网络的广播地址。

总结

IP地址和子网划分是网络设计和管理的核心内容。理解IP地址的分类、子网掩码的作用，以及如何进行子网划分，有助于设计高效、灵活、安全的网络结构。在实际网络管理中，合理的子网划分不仅能优化IP地址的分配，还能提高网络的性能与安全性。

4 路由与交换

4.1 路由（Routing）

路由是指在网络层（OSI模型中的第三层）中，数据包在不同网络之间的传输过程。路由器是负责路由操作的设备，它决定数据包如何从一个网络转发到另一个网络。主要作用是通过最优路径将数据从源节点发送到目标节点。

4.1.1 路由的工作原理

当数据包需要从一个网络传输到另一个网络时，路由器就会负责这一过程。它通过分析数据包的IP地址，确定最佳传输路径。
路由器通过维护路由表来了解网络拓扑。路由表中包含目标网络、下一跳路由器的信息等。
路由选择依赖于多种路由协议，如：
- RIP（Routing Information Protocol）：基于距离向量的路由协议，使用跳数来衡量到达目标网络的距离。
- OSPF（Open Shortest Path First）：链路状态协议，计算最短路径，用于大型网络。
- BGP（Border Gateway Protocol）：边界网关协议，用于互联网之间的路由选择，处理自治系统之间的路由信息。

4.1.2 路由的特点

跨网络通信：路由器负责多个不同网络之间的通信，适用于局域网（LAN）、广域网（WAN）等不同类型的网络。
路径选择：通过路由表和协议选择最优路径，以提高网络效率和降低延迟。
数据包转发：路由器根据目的地IP地址确定数据包应该通过哪条路径转发，直至到达目的网络。

4.1.3 路由器的作用

数据转发：将数据从源网络转发到目标网络。
网络隔离：将不同网络隔离开，保证广播风暴不会扩散。
流量控制和优化：可以通过优先级管理等技术控制网络流量，从而优化数据传输。

4.2 交换（Switching）

交换是指在数据链路层（OSI模型中的第二层）或物理层（第一层）中，数据在同一网络内的传输过程。交换机是负责交换操作的设备，通常用于局域网内将数据包从一个设备传送到另一个设备。

4.2.1 交换的工作原理

交换机通过查看数据包中的MAC地址来确定数据包的目的设备。
当数据包到达交换机时，交换机会查看其MAC地址表，找到与目的MAC地址匹配的端口，然后只将数据包发送到相应的端口，而不是广播到所有设备。
MAC地址表是交换机中存储各个设备的MAC地址和相应端口之间的映射表，通过学习设备的MAC地址来构建这个表。

4.2.2 交换的特点

同一网络内通信：交换机通常用于局域网内的通信，保证同一网络内的设备可以彼此通信。
高效数据转发：交换机只将数据包发送给目标设备所连接的端口，而不是广播给所有设备，从而提高了网络的效率。
全双工通信：大多数现代交换机支持全双工通信，意味着设备可以同时发送和接收数据。

4.2.3 交换机的作用

网络连接：交换机将多个设备（如电脑、打印机等）连接到一个网络，使它们可以互相通信。
MAC地址学习：交换机通过学习设备的MAC地址来实现高效的数据转发。
减少冲突域：每个交换机端口是一个独立的冲突域，避免了网络冲突，提高了通信的效率。

4.3 路由与交换的区别

对比项	路由（Routing）	交换（Switching）
工作层级	网络层（OSI第三层）	数据链路层（OSI第二层），有时也工作在物理层（OSI第一层）
设备类型	路由器	交换机
主要地址类型	IP地址	MAC地址
功能	选择数据包的最优路径，跨网络传输	在同一网络内转发数据包，连接局域网设备
作用	跨网络的通信	局域网内设备之间的通信
适用范围	广域网（WAN）、局域网（LAN）之间的通信	局域网（LAN）内部的通信
数据传输对象	数据包（Packet）	帧（Frame）
隔离广播	隔离广播，路由器将广播限制在网络内	不隔离广播，但可以分隔冲突域