文章总结： 这篇文章全面介绍了计算机网络基础知识，从直连、交换机、MAC地址到IP地址分类与子网划分，再到静态路由、VLAN技术、TCP协议和NAT协议。文章通过图文结合的方式，详细解释了网络通信的基本原理，包括ARP协议、子网掩码的计算方法、VLAN的配置步骤等。文章还提供了实验环境配置示例，帮助读者理解网络隔离和数据传输过程。整体内容适合网络初学者和需要复习网络基础知识的读者。
综合评分： 79
文章分类： 网络安全,WEB安全
学习干货|一篇文章学习计算机网络技术基础那点事
原创
爱州
州弟学安全
2024年12月18日 09:03
山东
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本篇文章共6000字+1视频，完全阅读全篇约60分钟
州弟学安全，只学有用的知识
0x01 前言
本篇问针对于计算机网络专业期末考试、计算机网络爱好者、网工小白进行共同学习复现的环境，从原始的直连环境到BGP之间的过程，然后为IP划分，最后了解一下我们常见的协议
以下思维导图为本次文章和视频的知识点，视频全长约48分钟，如认为视频较长，可根据文章进行学习复现，文章和视频内如有问题烦请指出
# 本地实验工具Ubuntu操作系统H3C模拟器wireshark流量分析工具
以下为在互联网收集的网工面试题、本次实验环境下载地址
https://pan.quark.cn/s/ba75afc25d54
* 如您认为本篇文章帮到了您，麻烦一键三连支持一下
* 本篇文章仅代表个人看法，仅供参考
0x02 知识学习
视频学习(48分钟)视频中在IP划分题目中有小瑕疵，已改正
直连
在传统的网络中，我们将一台设备与另一台设备用双绞线的方式直接连接，被称为直连
想要这两台设备以人为的方式通信，他们还需要有一个地址，我们称之为IP地址
在我们进行布线做线时，一般还需要根据T568A和T568B的线序进行做线，理论上来讲，这样可以减少干扰和串扰
交换机
当多台设备需要连接时，我们也可以互相连接，但是这样成本高，排错也麻烦，所以我们此时用到了集线器，将几台设备连接聚合到一块
集线器属于老式设备，缺点明显，当多台机器发送信息时，集线器会将消息发送给所有设备，这样会造成干扰和不必要的成本，所以我们有称集线器为傻HUB，此时我们用到了交换机
设备接入到交换机有一个前提：你的设备需要有MAC地址，我会记录你的MAC地址到MAC地址表，MAC地址是唯一的，可以理解为设备的UID
此时交换机内还没有其它设备的MAC地址
当设备进行首次通信时，交换机会记录设备的MAC地址，携带这个MAC地址去访问目标地址MAC，而此时交换机也不知道对方MAC哪台设备，所以交换机会首先发给所有设备，这个叫：泛洪
在进行了首次请求之后，交换机获取到了两个设备的MAC地址记录到了MAC地址表，其它设备设备发现自己MAC地址不匹配，则进行丢包，等下次在进行请求时，交换机直接从地址表内获取到MAC地址，不再进行泛洪
IP地址的含义
MAC地址是跟随网卡出厂进行配置的，假如当我们的设备损坏，需要更换网卡，则需要重新记录MAC地址，这样效率较低，所以此时IP地址诞生了
当PC_3发送请求PC_5时，PC_3也不知道PC_5的MAC地址，只知道IP地址：相当于机房或互联网，我们只知道对方的IP
然后PC_3发送请求命令，相关数据包(自己MAC和IP地址)会发给交换机，交换机看到IP地址所对应的MAC地址为：NULL，则会发起泛洪，其它设备发现IP地址和自己对不上，则丢包，最后PC_5发现请求的是自己的地址，则将自己的MAC和IP及响应返回给交换机，交换机在此期间将PC_3和PC_5的MAC地址和IP地址对应绑定，下次二者再次请求时，则不在泛洪
此时查看交换机记录地址表，已经将所有的MAC地址对应接口进行记录
这个过程叫做：ARP，MAC地址和IP地址绑定记录的表叫做ARP表
其次还有一个基础面试题，调研过很多人，回答出来的很少，包括我自己一开始也没回答上来
问：在两台新设备上网时，为什么新设备进行ping时，第一个包总是丢包？
二进制
在学习计算机网络或计算机其它知识之前，我们需要首先了解到二进制，我们在执行程序或代码时，计算机所看到的并不是我们写的代码，而是一堆的0和1，由0和1组成的基数即为二进制
如上图所示，上面8个1在计算机表示为255，为什么呢？首先我们通常将二进制称为一二四八码，0就是0或false，1就是1或true
上方从右往左开始，1为初始值，往左依次以2倍形式相乘，直到最后为128，然后将其加一块即为255，没错有很多同学很眼熟的，子网掩码的255.255.255.0就是24个1和8个0组成
其次就是我们所用到的手机，硬盘，内存等都是以8G、16G、32G、64G、128G、256G、521G、1024G(1T)等进行表示，就是这个原理
IP分类与子网划分
IP地址由4个字节、32位组成的逻辑地址，将32位分成4组，每组8个二进制
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | . | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | . | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
以上意为248.179.203.134
网络号与主机号/IP分类
无论是学习网络还是安全人员，有时候对网络划分特别的容易被绕，很难啃
网络号代表着主机的范围，主机号代表着某一台主机的地址，网络号范围越小，容纳主机越多
A类子网地址
A类子网地址默认子网掩码是255.0.0.0由于是二进制计算，所以在快捷填写掩码的时候，以8进行表达网络ID是0开头(二进制)，在A类地址中127为保留地址，意为本地地址127.0.0.1为本地回环地址在A类地址中，第一位取值范围：1-126，其余都是0-255，所以可容纳主机数量：256x256x256-2(网络地址和广播地址)要求开头必须是0，所以范围是1-127
B类子网地址
B类子网地址默认子网掩码是255.255.0.0由于是二进制计算，所以在快捷填写掩码的时候，以16进行表达网络ID是10开头(二进制)在B类地址中169.254.0.0到169.254.255.255为保留地址在DHCP不可用是会自动分配此地址172.16.0.0-172.31.255.255为私网地址，不会在公网中进行路由在B类地址中，第一位取值范围：128-191，其余都是0-255，所以可容纳主机数量：256x256-2(网络地址和广播地址)要求开头必须是10，所以范围是128-191
C类子网地址
C类子网地址默认子网掩码是255.255.255.0由于是二进制计算，所以在快捷填写掩码的时候，以24进行表达网络ID是110开头(二进制)在C类地址中192.168.0.0到192.168.255.255为保留地址在私有网络中进行使用，不会在公网中进行路由在C类地址中，第一位取值范围：192-223，其余都是0-255，所以可容纳主机数量：256-2(网络地址和广播地址)要求开头必须是110，所以范围是192-224
D类子网地址
D类地址：以1110开头，用于多播，没有子网掩码，第一部分取值224-239，其余部分0-255
怎么求网络地址
例如，IP地址为192.168.1.10，子网掩码为255.255.255.0。192.168.1.10的二进制形式为：11000000.10101000.00000001.00001010255.255.255.0的二进制形式为：11111111.11111111.11111111.00000000网络地址是通过将IP地址的二进制形式与子网掩码的二进制形式进行逻辑与（AND）运算得到的。11000000.10101000.00000001.00001010（IP地址）11111111.11111111.11111111.00000000（子网掩码）11000000.10101000.00000001.00000000逻辑与运算结果：11000000.10101000.00000001.00000000将结果转换回十进制形式：192.168.1.0所以，网络地址是192.168.1.0。
怎么求广播地址
广播地址是通过将网络地址的二进制形式与子网掩码的反码（即子网掩码的二进制形式中0变为1，1变为0）进行逻辑或（OR）运算得到的。
255.255.255.0
子网掩码：11111111.11111111.11111111.00000000反转：00000000.00000000.00000000.1111111111000000.10101000.00000001.00000000（IP地址）00000000.00000000.00000000.11111111（子网掩码的反码）逻辑或运算结果：11000000.10101000.00000001.11111111将结果转换回十进制形式：192.168.1.255所以，广播地址是192.168.1.255。
子网掩码
当全网中有多台设备时，多个大型拓扑时，我们当然也可以利用交换机进行连接，但是由于计算机泛洪的原因，可能导致网络不稳定，紊乱其次不好管理的情况，所以需要将网络进行隔离，将网络分为不同的段，交换机只用来传输不同段的消息，以此提高效率，此时我们需要用到子网掩码
子网划分题目
题目1
192.168.1.100/29=255.255.255.248求网络地址、主机范围和广播地址
求网络地址：
网络地址转二进制：11000000.10101000.00000001.01100100
子网掩码转二进制：11111111.11111111.11111111.11111000
逻辑与：11000000.10101000.00000001.01100000
二进制转十进制：192.168.1.96
求广播地址：
子网掩码转二进制：11111111.11111111.11111111.11111000
反转：00000000.00000000.00000000.00000111
IP地址转二进制：11000000.10101000.00000001.01100100
逻辑或：11000000.10101000.00000001.01100111
二进制转十进制：192.168.1.103
主机范围：192.1681.96-192.168.1.103
较为简单的方法
C类网络24位(192为C类网络)，此处29相当于借了5位，32=2^5，每个子网可以容纳2^3-2=6个主机(网络地址和广播地址)
2^3(主机位)=256-248(给出的掩码)=8
8的倍数最接近于100的为96
网络地址：192.168.1.96
主机范围：192.168.1.97-192.168.1.102
广播地址：192.168.1.103
静态路由
我们学会了IP地址的划分，那么设备是怎么来识别出内网还是外网的IP呢
当将子网掩码和IP地址的二进制进行逻辑与后，计算机知道了IP的当前网段属于内网还是外网，对于外网的IP，计算机将发给外网的设备进行转发，这个设备叫做路由器
以上拓扑中，所有设备都是不同网段，理论是无法进行互通的，所以我们需要手动进行配置静态路由
[H3C]sysname R1[R1]int g 0/1[R1-GigabitEthernet0/1]ip add 192.168.0.1 24[R1-GigabitEthernet0/1]int g 0/0[R1-GigabitEthernet0/0]ip add 192.168.1.1 30[R1-GigabitEthernet0/0]exit[R1]ip route-static 192.168.2.0 24 192.168.1.2
[H3C]sysname R2[R2]int g0/1[R2-GigabitEthernet0/1]ip add 192.168.2.1 24[R2-GigabitEthernet0/1]int g 0/0[R2-GigabitEthernet0/0]ip add 192.168.1.2 30[R2-GigabitEthernet0/0]exit[R2]ip route-static 192.168.0.0 24 192.168.1.1
就这样我们在两台交换机中加了各自的路由，此时我们的PC可以进行互通
如我们在自己Windows系统输入route print即可获取到自己电脑的路由表，当然这些都是自动路由
当我们网络规模很大时，由人工一个个管理路由的时候会很麻烦，这个时候OSPF技术进行自动学习和管理路由协议，当网络规模更大时，OSPF也会逐渐疲软，这个时候会使用BGP等协议
当然以上这些都是和网工息息相关，在使用者、客户视角中还是类似于傻瓜式直连这么简单，无需操心这么多
VLAN/WLAN/MAN等讲解
LAN: LAN就是局域网，如一个办公室，一个机房，使用交换机将它们连接实现互通，一般称为LAN
WLAN: 与LAN的意思差不多，但WLAN使用无线技术连接通信的局域网，可以在范围内进行连接，我们目前称为WIFI
VLAN: VLAN相较于以上不同，是使用特殊技术将不同位置的网络设备组合在一起，VLAN可以让通信更加灵活和安全，常用于网络规划和网络隔离等
VPN: 与其它网络协议不同，VPN虚拟私有网络，指的是在公有网络中连接私有网络的环境，VPN是通过加密和安全隧道的方式进行创建，用于保护用户的隐私性和安全性
举例：某医院内网环境有大量的数据，医生出差，但可能有急事需要查数据或开处方，这个时候又不能马上回去，可以使用分发的个人VPN账号进行接入内网，通过已分配给自己的权限进行工作，这样收敛了在公网的数据安全暴露面，又保护了隐私
VLAN
VLAN指的是通过特殊的技术将不同位置的机器进行划分连接，以方便通信、安全性，易于管理
实验环节
本次使用HCL模拟器进行实验，搭建VLAN环境进行通信，来理解VLAN的意义
实验拓扑如上，设环境：上述环境为某内网，都在同一个段内
要求：PC3和PC5为财务部门，PC4和PC6为运维部门机器，使用vlan进行划分，要求运维部和财务部不互通
目前未划分的情况下是互通的
首先，在第一台交换机1口和2台交换机1口创建vlan，将其划入vlan10中，并创建trunk
# SW1syshostname S1vlan 10port GigabitEthernet 1/0/1vlan 20port GigabitEthernet 1/0/2int g 1/0/24port link-type trunkport trunk permit vlan 10 20
# SW2syshostname S2vlan 10port GigabitEthernet 1/0/1vlan 20port GigabitEthernet 1/0/2int g 1/0/24port link-type trunkport trunk permit vlan 10 20
此时将相关端口加入到相关vlan中，并在两台交换机之间的网口中放行vlan10和vlan20
此时满足要求，PC3不通PC4，但是可以通PC5
也满足了PC4可通PC6，但不通其它的要求
TCP协议
在以往我们以IP地址和端口的形式去访问，是以UDP形式访问的，UDP形式简单粗暴，但稳定性低，比如我们现在常见的DNS协议走的就是UDP，有些同学会很懵，什么UDP协议和DNS协议
这个时候我们需要搞懂一个东西叫做OSI模型的东西，不同的协议在不同的层
我们已经知道了网络是不稳定的，发送消息的途中会有丢包的可能性，所以设置了重试机制，为了知道我们消息是否发送成功，还得要让对方发送确认消息，这样一来一回就确保了消息送达
当我们数据较大时，比如传个文件，则需要采用分包机制来提高传输率，为了不让每个包乱序，所以在每个数据包之前加了序号标签，到达时则进行按序排列，没有送达的则进行重新发送
因为TCP协议的稳定性，所以我们在进行连接和会话时，需要进行三次握手和四次挥手，其次为了防止一直重试来影响稳定和浪费资源，我们需设置超时机制，如我浏览器访问一个没有开放的端口，这时候肯定不可达，则未建立连接
在尝试几次后回显超时，这样就不会一直进行发包，我们所数值的DDOS泛洪就是这个原理，对方端口开着，攻击者发送请求，服务器收到响应，在三次握手和四次挥手中，最后的时候攻击者不在给回应，服务器会一直等待，这样会浪费资源直至宕机，所以需要设置超时机制
NAT协议
在当下我们的IPV4地址已资源匮乏，想要一机一IP是不可能实现的，所以就想到了NAT协议，比如在我们的办公或内网中，通常都是以10.x.x.x或172.16.x.x或192.168.x.x的IP，这个就是内网IP对外进行请求时，请求会交给内网网关，网关根据路由表向外进行发送请求，以达到我们使用外网IP的任一端口访问网络资源，达到多人用一个IP的目的
这里打开两个wireshark抓包，一个抓我能上网的网卡，另一个抓我VMware的NAT网卡进行实验
VMnet8网卡为NAT网卡，我们发出请求后，会自动路由可以出网的网卡，我这里可以出网的网卡为WLAN，所以另一个wireshark线程抓取WLAN网卡
我用虚拟机访问了百度，然后我们筛选一下流量
通过抓取百度的流量后，可以看到非常完整的TCP流量，首先通过DNS进行解析的域名，然后进行了TCP连接，然后我们本地的端口为37726，目标端口为443，此时本地端口是NAT网卡本机地址的端口
由于wlan网卡流量太多，简单筛选过滤一下后看到，我们的请求通过路由WLAN网卡进行了对外请求，先进行了DNS解析，然后进行访问，不同于刚才虚拟机建立的源端口，我们WLAN网卡使用的端口为36430
然后我们的请求会通过路由器，交换机，出口IP逐一进行对外访问，这期间，每个设备都会开放自己任一端口进行访问目标地址，并记录源地址和目标地址，回包的时候通过记录的地址和相应端口进行返回响应信息，这个过程使用者是无需操心的
0x03 结语
希望这篇文章在帮助我复习和总结的时候，也能帮助到你，如您是学生，希望您能考试顺利，勇攀高峰，如您是就业人员，希望您可以步步高升，每天学习一点新技术，日积月累就是大牛
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