網絡
Q：網絡是什麼？
網絡是實現在各終端設備進行通信的數據載體；終端應用通過網絡實現了資源的共享。
網絡三元素
OSI定義了網絡的網絡通信的三元組：
- 終端 ：包含PC Printer 等。
- 中間系統：主要是網絡設備路由器（Router），交換機（Switch）。
- 傳輸介質：包括有線線纜，雙絞線，光纖 ，NIC網卡，無線接入點（AP）。
網絡設備分類
一個網絡中，網絡設備可以分爲兩大類：
- A類：OSI 2層或2層以下的設備， 交換機（Switch），集線器（Hub）。
- 2層設備屬於傻瓜型設備，接上電，終端連接上設備接口就能通信。
- 使用交換機(Switch)的接口，連接終端設備形成一個星型網絡。
- 使用集線器（Hub）的接口，連接終端設備形成一個總線型網絡。
- B類：OSI 3層或3層以上的設備，路由器（Router），雙層路由（MLS），防火牆（Firewall），PC。
- 終端通過3層設備網絡接口進行通信，除了通電，還得必須有一個全球唯一3層身份標識，就是IP地址。
IP地址初探
現在所使用的IP地址可以分爲兩類：
- IPV4地址
- IPV6地址
現在大多數設備上所使用的都是IPV4地址。IPV6是面向未來網絡所使用IP地址。
IPV4地址
IPV4地址，4個十進制數採用點分十進制表示法，表示一個網絡地址，X.X.X.X，每一個X佔8bit，一共佔32bit, 例如192.168.0.1
32bit位分爲高位和低位：
- 高位表示網絡位 192.168.0
- 低位表示主機位 1
在同一個網絡中，所有主機的IP地址，網絡位是相同的。
子網掩碼：表示計算機網絡中的高多少位表示網絡位，低多少位表示主機位。
網關：一個網絡的出口。
網關
一個網絡中的所有終端設備，可以做網絡內的通信，但是往往只做網絡內的通信是不夠的，還要進行網絡間通信；比如去訪問Google，baidu，是在訪問其他網絡的服務器，你的PC肯定沒和Google，baidu的服務器在同一個網絡中。要訪問Google，baidu，得把先數據發出本地網絡，這個網絡數據的出口就是一個網關。
網關（Gateway）： 一個網絡的出口，該網絡的出口節點，就是本網絡的網關。
早期網關就是指路由器（Router），路由器（Router）的每個接口都可以分配一個網絡。
路由器（Router）連接一個網絡的接口，就是該網絡內所有節點的出口。該網絡內任意主機想要訪問其他網絡，都必須先把數據發給路由器（Router），然後路由器（Router）查錶轉發到其他網絡。
PC1網絡配置如下：
- IP地址：10.1.1.1
- 子網掩碼：255.255.255.0
- 網關：10.1.1.254
子網掩碼上全爲1的位表示網絡位，全爲0的位表示主機位。
對於PC1來說高24位表示網絡位，低8位表示主機位。
255轉成二進制是11111111。
PC1所在網絡可用的IP地址
- 網段中包含的IP地址範圍：10.1.1.0 - 10.1.1.255 。
- 第一個IP地址10.1.1.0表示網絡號，最後一個IP地址10.1.1.255表示廣播號，不能分配給主機作爲IP地址使用。
- 可用的IP地址範圍是 10.1.1.1 - 10.1.1.254。
網絡號：10.1.1.0 主機位全爲 0 的IPV4地址表示網絡號。用來標識這個網絡本身。
廣播號：10.1.1.255 主機位全爲 1 的IPV4地址表示廣播號。用來標識這個網絡內的所有節點。
在IPV4中一般會把網段中最後一個可用地址，也就是10.1.1.254作爲網關地址。
網關檢測工具PING
PING 命令可以檢測節點之間的3層往返連通性。如果節點的3層連接可以PING通，則說明網絡通信沒沒問題，如果有問題可能是應用程序的問題。
界定一個網絡問題是系統工程師，還是網絡工程師去解決的最好的方法就是PING，PING一下如果能通網絡工程師就可以甩鍋了。
PCA PING PCB
- PCA 發送Echo Request 回聲請求
- PCB 應答Echo Reply 回聲應答
PING 請求是以數據幀Frame的形式發送的，格式類似於這樣"Ethernet2|IPV4|ICMP|FCS" 。使用的協議是ICMP。
ping 192.168.1.1
正在 Ping 192.168.1.1 具有 32 字節的數據:
來自 192.168.1.1 的回覆: 字節=32 時間=11ms TTL=64
來自 192.168.1.1 的回覆: 字節=32 時間=1ms TTL=64
來自 192.168.1.1 的回覆: 字節=32 時間=3ms TTL=64
來自 192.168.1.1 的回覆: 字節=32 時間=1ms TTL=64
192.168.1.1 的 Ping 統計信息:
數據包: 已發送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計時間(以毫秒爲單位):
最短 = 1ms，最長 = 11ms，平均 = 4ms
網絡通信的前提
組建一個網絡，不是有交換機，路由器，連接上PC，這個網絡就能通信，想要網絡通的話，還得有兩個前提條件：
- 需要給這個網絡上的所有節點，分配IP地址。
- 而且還得保證所有節點的IP地址不能衝突；並且在同一網絡內，所有節點IP地址的網絡位必須相同，主機位要彼此不同。
路由器(Router)的職責
在組網的時候，一般不會把路由器（Router）,作爲接入設備。原因是什麼呢?
- 路由器（Router）接口真的是很少。相比集線器，交換機，接口密度非常低。
- 路由器（Router）的每一個接口，都是一個節點，只連線是不能通的，必須配置IP地址。
- 路由器（Router）的每個接口都要分割一個網絡，直接拿路由器接口來連接計算機入網的話，那每臺PC都屬於一個獨立的網絡。兩臺PC不在同一個網絡，那有些需要在同一個網絡內通信的應用就沒有辦法正常工作了。
- 如果將Router作爲接入設備部署，還會導致大量數據IP浪費。
正是基於以上原因，路由器一般不做接入設備，只負責網絡間通信，互聯多個網絡；作爲網絡間中心設備負責數據轉發。
路由器(Router)轉發數據
路由器（Router）收到一個數據包，發現是發送給網絡內的某個設備的，那麼路由器（Router）就會直接丟棄數據包，不做轉發。路由器（Router）只關心網絡間的數據通信，只會做網絡間的數據轉發。
路由器（Router）既然負責網絡間的數據轉發，肯定得知道數據要發給誰對吧。知道要發給誰之後，再根據接收者所在網絡路徑信息，沿着這個自由路徑，把數據發走，這樣端到端的通信就可以通。那麼問題來了。
Q：路由器收到一個數據，怎樣才能確定將數據發送到那個網絡的那臺主機呢？
兩個網絡中的主機進行通信，主機發送的數據包含兩組源目地址信息：
- 源目MAC地址
- 源目IP地址
爲什麼通信需要兩種地址標識呢？它們又有什麼區別呢？
MAC和IP都是主機身份標識。作用卻不一樣。
MAC和IP本質區別：
- MAC地址： MAC地址作爲一個2層地址，唯一作用就是通過MAC地址，在網絡中區別不同節點；不能標識一個節點屬於那個網絡。
- IP地址：IP地址不僅能在一個網絡內來彼此區分節點，而且還能在整個Internet互聯網上標識一個節點；告訴因特網上的其他節點，我在那個網絡中。
知道了MAC和IP的作用，那麼路由器收到數據幀以後，到底是根據那種地址，來確定數據發給誰的呢？
一個節點通過一根網線連接到一個以太網，接口標識符，既有 IP地址，又有MAC地址。
PC1和PC2進行網絡內通信，數據幀頭包含2層源目MAC地址，3層源目IP地址。
- 源IP地址：PC1的IP地址。
- 目的IP地址：PC2的IP地址。
- 源MAC地址：PC1的MAC地址。
- 目的MAC地址：PC2的MAC地址。
很好理解，那麼PC2和PC3進行網絡間通信，數據幀頭目的MAC地址是PC3的MAC地址嗎？
在兩個網絡中，A網絡中的PC2的MAC地址，對於B網絡中PC3的MAC地址完全沒有意義。暫且不說PC2向PC3發送消息，源目MAC地址到底是什麼。最起碼要有一個概念：PC2想要在網絡A中發送數據，不管你想要把數據發給誰，源目MAC都應該是A網絡內的某個節點地址。
無論是網絡間通信，還是網絡內通信。源目IP標識的都是通信雙方，但是源目MAC永遠都只能使用該網絡內的節點地址。
PC2和PC3各屬不同網絡，因此PC2發送數據到PC3目的MAC地址肯定不是PC3的MAC地址。
Q: 路由器（Router）收到數據幀以後，到底是根據目的IP，還是目的MAC，來確定數據包的最終去向?
根據以上的分析，顯然是IP地址
以太網規定，網絡中的任何節點，使用任何應用，產生任何數據，不管是什麼內容，如果想發送數據，就必須添加一個2層幀頭和幀尾，進行數據封裝。
任何一個網絡節點，不管是PC還是路由器（Router），收到一個數據幀後，只有確定這個數據幀是要發給自己的時候，纔有權利解封裝，拿到3層IP數據報。
Q：一個節點什麼情況下才能確定收到的數據幀是自己的呢？
很簡單，看以太網（Ethernet）幀頭的目的MAC地址。如果這個目的MAC就是接收端接口MAC地址，那麼這個數據就是發給我主機這個接口的，沒必要再看幀頭幀尾了，把幀頭幀尾去掉，拿到3層IP數據報。
如果目的MAC和接收端接口的MAC地址不符，說明數據不是發給我的，不能數據解封裝，也就拿不到數據3層地址，無法做數據轉發了（臣妾做不到啊）。
路由器數據轉發規則
路由器（Router）作爲網關，只有它接收到一個發往自己的數據的時候，纔有能力轉發。也就是說路由器接收到一個數據幀，只有這個數據幀目的MAC地址，是接收端接口的MAC地址時，才先假定這個數據幀是發給自己的，去掉幀頭幀尾，拿到3層報頭，查看目的IP地址。發現這個幀其實不是發給我的，是發給網絡B內的主機C的；去網絡B的路徑我知不知道？如果知道就沿着去往網絡B的最優路徑信息，去做數據轉發。這就是在網絡間通信的規則。
Q：PC2真要拿PC3的MAC地址作爲目的MAC地址去做數據封裝，和PC3通信，能直接通信嗎？
答案肯定是不可以的，爲什麼呢？
- PC2給PC3發送數據。
- PC2發送的數據幀到達Switch1，Switch1並不知道PC3的MAC地址，所以要進行數據泛洪。
- 路由器（Router）接收到泛洪消息，發現數據幀目的MAC地址，並不是自己的網絡接入接口的MAC地址，就會丟棄。
經過以上流程，PC3永遠也接收不到數據。爲什麼MAC地址被稱爲一個網絡內的有效地址就是因爲這個。
Q：那麼PC2想要訪問網絡2的某個節點，該拿誰的MAC地址作爲，目的MAC地址呢？
答案是應該拿網關的MAC地址，作爲目的MAC地址。
端到端的數據通信規則
- 如果是網絡內通信，源目2層地址和源目3層地址標識的都是通信雙方。
- 如果是網絡間的通信，源目3層地址標識通信雙方，源目2層地址是每跨越一層網關設備，目的MAC地址都會改變。
一臺主機從A網絡向B網絡的主機發送數據，都不能將對方的MAC地址，作爲目的MAC地址封裝裝數據。
數據幀每跨越一個網絡，其2層幀頭的2層源目MAC地址都會改變，3層報頭的源目3層IP地址維持端到端一致性。
PC爲什麼要指網關啊？
PC指網關的目的就是，當PC在網絡間通信的時候，需要通過網關這個IP，找個網關對應的MAC地址。拿到網關的MAC地址之後，就可以使用網關的MAC地址作爲目的MAC地址來封裝數據，PC發出數據幀，總會被網關收到，並且會被網關誤以爲數據幀是發給它自己的，網關把2層數據幀頭幀尾去掉，就能拿到3層目的IP地址。之所以讓路由器（Router）看到IP，就是想讓它知道，這個數據包的真實去向，它會去查詢一張叫路由表的表，來做一次網絡間精確數據轉發。
Q：那麼PC是怎樣知道網關的MAC地址的呢？
答案是通過ARP地址解析協議。
ARP地址解析過程：
- PC通過網關的IP地址10.1.1.254，向網關發送一個ARP請求。
- 網關（Gateway）收到這個請求後會把網關的MAC地址返回。
- PC拿到網關MAC地址以後就把他存在本地的ARP表中。
PC再將網關的MAC地址作爲目的MAC地址進行封裝數據，發送給網關，網關再做進一步的數據轉發。
網內通信VS網間通信
做網絡間通信的時候，需要網關做數據的轉發。目的主機在哪裏，不知道，目的主機離你有多少跳也不知道。終端主機只知道本地網絡的出口是網關路由器(Router)的3層IP地址。
那麼問題來了主機只知道網關IP地址，怎麼確定PC1和PC4兩臺主機進行數據通信，是網絡內通信呢，還是網絡間通信？
這時候子網掩碼的作用就尤爲突出了，方法很簡單。
- 用PC1的IP地址和子網掩碼，做邏輯與運算，網絡位不變，主機位全部置0。
- 再用PC4的IP和PC1的子網掩碼做邏輯與運算。
- 兩個結果如果一致，就說明兩臺主機在同一個網絡，不一致則兩臺主機分屬不同的網絡。
例如
PC1 IP：10.1.1.1
PC4 IP：20.1.1.1
PC1 子網掩碼：255.255.255.0
PC1和PC1的子網掩碼與運算的結果：10.1.1.0 正好是網絡號
PC2和PC1的子網掩碼與運算的結果：20.1.1.0
兩個結果不一致，說明PC1和PC4沒有在同一個網絡。
這就是爲什麼我們在配置IP的時候也要配一個子網掩碼，配子網掩碼的目的就是讓你的計算機在和其他終端通信的時候，來確定兩臺機器是否在同一個網絡,
路由器的控制層面
什麼是路由器控制層面？
簡單一句話路由器如何獲取去往目的網絡的路徑信息。如何在路由表中，產生一條去往目的網絡的路由條目。
路由：去往一個目的網絡的路徑，
路由器（Router）爲了做網絡間的轉發，必須靠一張路由表，來記錄每一個網絡在哪裏。
每臺路由器針對IPV4的單播流量，必須要有路由表，被稱之主動路由表，路由表中每一個路由表項都指向一個目的網絡，路由器通過該表項，就能找到去往該目的網絡的路徑地址。
路由表（TCAM） VS Hub CAM表
- 路由表（TCAM）相較於交換機（Hub ）的CAM表更加重要。
- 交換機每次我收到一個數據幀的時候，都會根據目的MAC地址，來查看CAM表，來確定一個路徑轉發信息；交換機能不能找到MAC地址表項，都不影響它進行數據轉發，找到了進行精確數據轉發，找不到進行泛洪轉發。
- 路由器（Router）是做的網絡間轉發，路由表中必須得有路由條目才能轉發，沒有路由條目，就不能轉發數據，直接丟包，是不可能進行泛洪轉發的。
網絡間有多大？
整個因特網有多大，它就有多大，它不像交換機，只做網絡內的轉發，一個網絡內主機數量二三百臺也就上限了，就算以泛洪的方式來轉發數據，充其量也只能影響到一個網絡內的所有節點，影響有限。但是路由器不行，一個路由器收到一個數據幀，一看目的IP不知道去往哪。沒有去往該網絡的路徑信息，這個時候你想效仿交換機進行泛洪轉發，是不可能的，因爲如果路由器進行泛洪轉發，影響的是整個因特網。
路由中有一個非常獨立的控制體系，得先讓這個體系運行完畢，再得基於這個體系，獲取相應的路由之後，才能完成數據轉發。
路由器是先有控制層面，再有數據層面。先有控制層面，纔會知道一個一個網絡怎麼走，知道網絡怎麼走之後，再基於數據層面，接收數據，查讀路由表，來進行數據轉發。
路由的兩種分類：
直連路由：路由器直接連接，一個直連網絡，如圖R1，這種路由就被稱之爲直連路由。
直連網絡:
所謂直連網絡，就是路由器有一個接口直接始於該網絡。
直連路由，只要滿足兩個條件，路由器路由表就可以自動學習。
- 路由器連接該網絡的接口要擁有IP地址和子網掩碼。
- 該路由器連接該網絡的接口狀態是upup。
非直連路由：路由器直連是一個非直連網絡，如圖R2，這種路由就被稱之爲非直連路由。
非直連路由，添加路由器路由表方式：
- 靜態路由，當路由個數多的時候，人工手動配置費時費力。
- 通過動態路由協議，相鄰的幾個路由可以相互同步共享路由表項，
路由器的數據層面
路由器（Router）收到一個數據幀，先檢查幀頭的目的MAC地址，是不是自己接口的MAC地址，如果是我的數據，去掉幀頭幀尾，露出3層報頭，檢查目的IP。
Q：IP地址通常指向一個網絡的主機地址，而路由器路由表的條目是指向的一個一個的網絡。那麼用什麼來標識一個網絡呢？
答案是網絡號，也就說路由條目的IP地址都是一個網絡號；網絡號雖然都是一個IP地址，但是主機位都爲0 。
路由器怎樣確定目的IP所指向的網絡號呢？
- 路由器（Router）拿數據報的目的IP地址，和路由條目的子網掩碼，逐一去做邏輯與運算。
- 得到的結果，再和此路由條目中網絡號去做對比，如果一致，就代表命中，沒命中接着匹配。
使用的最長匹配原則，屬於模糊匹配 ，別小看這個匹配過程，會導致路由器轉發數據的效率明顯低於交換機。因此端到端連接儘量用交換機少用路由器。
交換機在轉發數據的時候也是基於源目MAC地址查表，但是因爲數據幀的源目地址是一個MAC，CAM表項裏也是MAC地址，所以不會進行模糊匹配，精確匹配。
結語
- 在網絡間通信中，路由器（Router）扮演的就是一箇中間人的角色。
- 所謂的網關，就是路由器的一個接口連接一個網絡；網絡內的主機想要進行網間通信的出口。
- 路由器只做網絡間轉發，使用IP地址，來確定這個數據幀到底是要去到那個網絡。
路由器要查看IP的前提是要去掉幀頭幀尾；去掉幀頭幀尾的前提是這個數據是發給我自己的；確定數據幀是不是發給自己的前提，是收到數據幀的目的2層地址，必須是路由器接收接口的MAC地址，這就是計算機爲什麼要指網關，指網關的目的是要獲取到網關的MAC地址。
當路由器判斷出和我通信的主機跟我不在一個網絡的時候，我能通過網關的MAC地址， 來封裝數據，讓網關做一個網絡間的網絡轉發協助。
爲什麼計算機要有IP地址，還要有子網掩碼，子網掩碼能描述我們的IP地址，高多少位是網絡位，低多少位是主機位；通過子網掩碼跟目的主機的IP做與運算，就能得知目的主機和我在不在同一個網絡。