HCIA-Router&Switch网络工程师认证学习笔记

以太网帧结构

网络中传输数据时需要定义并遵循一些标准，以太网是根据IEEE802.3标准来管理和控制数据帧的。

在网络通信中，IEEE802是一套用来管理物理数据流在局域网中传输的标准（包括在局域网中传输数据的802.3以太网标准），帧中继(FR)、高级数据链路控制（HDLC）、异步传输模式（ATM）是用来管理数据流使用串行介质的广域网传输标准。

开放系统互连参考模型OSI

由来：国际标准化组织ISO在1979年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统的体系结构，提出了开放系统互连OSI模型，这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构。1984年提出了OSI RM模型，很快的OSI参考模型成为了网络通信的基础模型。

OSI模型优点：简化了相关的网络操作、提供了不同厂商之间的兼容性、促进了标准化工作、结构上进行了分层、易于学习与操作。
OSI简介:OSI采用了分层的结构化技术，共分七层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

OSI分层	基本功能
应用层	为应用程序提供网络服务
表示层	数据格式化、加密、解密
会话层	建立、维护、管理会话连接
传输层	提供面向连接或非面向连接的数据传递以及迚行重传前的差错检测。
网络层	提供逡辑地址，供路由器确定路径。
数据链路层	将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（mac地址）来访问介质，幵迚行差错检测。
物理层	在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚。

TCP/IP分层模型

Internet采用了TCP/IP协议，如同OSI参考模型，TCP/IP也是一种分层模型。它是基于硬件层次上的四个概念性层次构成，即网络接口层、IP层、传输层、应用层。
该模型将网络分为四层，不关注底层物理介质，主要关注终端之间的逻辑数据转发，TCP/IP模型的核心是网络层和传输层。

TCP/IP分层	基本功能
应用层	通过各种协议向终端用户提供业务应用
传输层	提供应用层之间的通信，即端到端的通信，保证源端到目的端的可靠传输，以确保数据无差错的地按序到达。
网络层	解决网络之间逻辑转发问题。
网络接口层	网络接口层也称数据链路层，这是TCP/IP最底层。功能:负责接收IP数据报并发送至选定的网络

数据封装的过程

数据需要经过TCP/IP每一层处理后，才能通过网络传输到目的端。
每一层上都使用该层的协议数据单元PDU交换信息，不同层的pdu包含不同的信息，因此pdu在不同层被赋予了不同名称，如上层数据在传输层添加tcp报头后得到的pdu被称为segment，数据段被传递给网络层，网络层添加IP报头得到的pdu被称为packet，数据包被传递到数据链路层，封装数据链路层得到的pdu被称为frame，最后，帧被转换为bit，通过网络介质传输。这种协议栈逐层向下传递数据，并添加报头和报尾的过程称为封装。

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终端之间的通信

数据包在以太网物理介质上传输之前必须封装头部和尾部信息，封装后的数据包被称为数据帧，数据帧中封装的信息决定了数据如何传输。
以太网数据帧格式：
Ethernet_II帧格式

2. D MAC（destination MAC）是目的mac地址，DMAC字段长度6个字节，标识帧的接收者。
3. S MAC（source MAC）是源mac地址，SMAC字段长度为6个字节，标识帧的发送者。
4. Type为类型字段，用于标识数据字段中包含的高层协议，Type字段长度为2个字节。type字段取值为0x0800的帧代表IP协议帧，type取值为0x0806的帧为arp协议帧。
5. Data数据字段为网络层数据，最小长度必须为46字节以保证帧长至少64字节，数据字段最大长度为1500字节。
6. FCS循环冗余校验字段提供了一种错误检测机制，该字段长度为4个字节。

IEEE 802.3帧格式

IEEE 802.3帧格式类似于Ethernet_II帧，只是Ethernet_II帧的type域被IEEE 802.3帧格式的Length域取代，并且占用了Data字段的8个字节作为LLC和SNAP字段。

1. Length字段定义了Data字段包含的字节数。
2. LLC逻辑控制链路，包含目的访问点、源访问点、Control字段组成。
3. SNAP子网接入协议由机构代码和Type类型字段组成。

数据帧如何传输？
以太网在二层链路上通过MAC地址来唯一标识网络设备，并且是实现局域网上网络设备之间的通信，MAC地址也称物理地址，由网卡商把MAC地址烧入了网卡的ROM中，发送端使用接收端的MAC地址作为接收地址，以太帧封装完成后会通过物理层转换成比特流在物理介质上传输。

以太网MAC地址

MAC地址如何我们的名字一样，每一台网络设备都是用物理地址来标识自己，这就是MAC地址。网络设备的MAC地址是全球唯一的，MAC地址共48bits，通常用16进制表示，MAC地址包含两部分，前24比特是组织唯一标识符，由IEEE统一分配给设备制造商，剩下24位序列号由厂商自己分配。

以太网帧的三种发送方式：

1. 单播

从单一的源端发送到单一的目的端，每个主机由一个MAC地址唯一标识，MAC地址的OUI中，第一字节的第8比特表示地址类型，对于主机mac地址，这个比特固定为0，表示目的MAC地址为此MAC地址的帧都是发送到某个唯一目的端。

3. 广播

表示帧从单一的源端发送到共享以太网上的所有主机，广播帧的目的MAC地址为十六进制的FF:FF:FF:FF:FF:FF，所有收到该广播帧的主机都要接收并处理这个帧。
广播方式会产生大量流量，导致带宽利用率降低，进而影响整个网络的性能。

4. 组播

组播比广播更加高效，组播转发为选择性的广播，主机侦听特定组播地址，接收并处理MAC地址为该组播MAC地址的主机。
组播MAC和单播MAC是通过第一字节中的第八比特分的，组播第8比特为1。
当网络上的一组主机接收相同信息，并且其他主机不受影响的情况下，通常会用主播方式。

数据帧的发送和接收：
帧从主机的物理接口发出来后，通过传输介质传输到目的端，共享网络中，这个帧可能到达多个主机，主机检查帧头中的目的MAC地址，如果目的MAC地址不是本机MAC地址，也不是本机侦听的组播或广播MAC地址，则主机会丢弃收到的帧，
如果目的MAC地址是本机MAC地址，则接收该帧，检查帧FCS字段，并与本机计算的值对比来确定帧在传输过程中是否保持了完整性，如果帧的FCS与本机计算值不同，主机便认为帧已被破坏，并丢弃该帧，如果该帧通过了FCS校验，则主机会根据帧头的Type字段来确定将帧发送给上层的协议处理，如果Type为0x0800，表面该帧需要发送到IP协议上处理，在发送IP协议前，帧的头部和尾部会被剥掉。

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IP编址

网络层位于数据链路层与传输层之间，网络层包含了许多协议，其中最为重要的协议就是IP协议，网络层提供了IP路由功能。

上层协议类型

IP的报文帧格式如图，只有当Type值为0x0800时，表示该帧的网络层协议为IP协议。
在剥掉帧头和帧尾之前，网络设备需要根据Type来决定将帧发送到哪个上层协议处理。

IP报文头部

IP报文头部信息用于指导网络设备对报文进行路由和分片，同网段内的数据转发通过数据链路层即可实现，而跨网段的数据转发则需要使用路由功能。
分片是指数据包超过一定长度时，需要被划分成不同的片段使其能够在网络中传输。
IP报文长度头部长度20-60字节，版本字段表示当前支持的IP协议版本，当前为4，DS字段实现网络流量优化，源和目标IP地址分配给主机的逻辑地址，用于在网络层表示报文的发送方和接收方，根据源和目标IP可判断目的端是否与发送端处于同一网段，如果不在同一网段，则需要采取路由机制进行跨网段转发。

IP编址

IP地址分为网络部分和主机部分，IP地址由32个二进制数组成，通常用点分十进制表示。
IP用来标识网络中的设备，具备IP的设备可以在同网段或跨网段通信，网络位表示IP所属网段，主机位表示本网段的某台设备。

网络地址

广播地址

网络地址与广播地址是每个网段都有的两个特殊地址，该地址不可分配给设备，网络地址主机位为全0，表示一个网段，广播地址主机位为全1，目的地址为广播地址的报文会被该网段中所有设备接收。

二进制、十进制和十六进制

11111111—乘方—乘方数值计算结构如图

十进制	二进制	十六进制
0	00000000	00
9	00001001	09
255	11111111	FF

192.168.1.1 IP地址以字节为单位分为四段，每字节包含8比特，可以表示从0-255，共256个数值。

IP地址范围

私有地址范围：

10.0.0.0-10.255.255.255
172.16.0.0-172.31.255.255
192.168.0.0-192.168.255.255

本地环回地址：127.0.0.0-127.255.255.255
任何网络：0.0.0.0
广播地址：255.255.255.255

32位的地址分为4个字节，每个字节有256个取值，256^4约为42亿个IP地址，实际上，世界上所有的网络设备已经超过42亿，为了解决地址稀缺问题，为主机分配私网地址已解决公网地址稀缺问题，在局域网中普遍使用的是私网地址。默认情况下，私网地址与公网通信，那私网地址必须转换成公网地址。

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ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol）控制报文协议，它是TCP/IP协议簇的核心协议之一，它属于网络层，ICMP主要用于在IP网络设备间发送控制报文，传递差错、控制、查询等信息，它对于收集网络信息，诊断、排除各种网络故障具有重要的作用（检测网络通不通、主机是否可达等）。

ICMP

1. ICMP Redirect 重定向消息是路由器发现主机针对某个目的ip有一个更好的路由策略，其使用ICMP redirect方式通知主机。
2. ICMP Ping 命令是检测网络连通性的常用工具，Ping命令输出的信息：目的地址、ICMP报文长度、序号、TTL值、往返时间。
3. ICMP Tracert 可基于报文头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径，可用于检测网络丢包及时延，可用于发现网络中的路由环路。

Type	描述
0	Ehco Reply
3	Code 0为网络不可达、Code 1为主机不可达、Code 2为协议不可达、Code 3为端口不可达
5	Redirect
8	Echo Request

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ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议，ARP是通过IP地址获取物理地址的TCP/IP协议。
当主机需要发送数据给一台设备时，必须要知道对方的IP地址，IP地址由网络层来提供，但是，仅有IP地址是不够的，IP报文必须封装成帧才能够通过数据链路进行发送。数据帧必须包含有物理地址（MAC地址），因此，通过目的IP地址来获取目的MAC地址的过程就是ARP协议来实现的。

ARP工作原理：

当主机A要和主机B通信时，ARP协议可以将主机B的IP地址解析成主机B的MAC地址。

1. 通过查主机A的路由表，IP用于确定主机B的转发地址为192.168.1.3，然后主机A根据其ARP缓存表，可以查询到主机B的MAC地址。
2. 如果主机A的缓存表中没有找到B的MAC地址，则主机A发送ARP请求报文，该报文属于广播报文，本地网络中的所有主机都会收到该报文，报文内容概述如下：IP192.168.1.3的主机请把你的MAC地址发给我。每台主机都收到该ARP请求并检查该IP与自己是否匹配，如果主机发现IP与自己不匹配则将其丢弃。
3. 主机确定ARP请求的IP地址与自己相符，则将主机A的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中。
4. 主机B将包含MAC地址的ARP消息发送给主机A。ARP的工作就完成了。

ARP缓存表
网络设备都有一个ARP缓存表，它是用来存放IP地址与MAC地址的关联消息，在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表，如果缓存表中存在对端设备的MAC地址，则直接采用该地址封装成帧，将帧发送给对端。如果不存在，则通过ARP Request报文来获取它，学习到的IP及MAC地址会被存入ARP缓存表，在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装。
如果目标网络处于不同网段或其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关会把数据转发给对端设备。

传输层协议

TCP协议
TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议，它是一种面向连接的端到端协议，提供可靠的传输服务。

TCP端口
TCP使用端口号来区分不同的网络服务，网络服务知名（也叫固定端口，它的范围是:0-1023）端口：

协议	端口
FTP	21（文件传输协议） 、22（SSH）
Telnet	23（Telnet服务）
SMTP	25（简单邮件传输协议）
DNS	53（域名服务）
HTTP	80（超文本传输协议）
HTTPS	443（安全超文本传输协议）

TCP允许一台主机同时运行多个应用进程，每台主机可以拥有多个应用端口。
动态端口号的范围：1024-65535，动态端口不固定分配给某个服务，许多服务都可以使用这些端口，只要运行的程序向系统提出访问网络的请求，那么系统就可以从这些端口中分配一个供该程序使用。

TCP建立连接（三次握手）：
TCP是一种可靠的，面向连接的全双工传输层协议，它建立连接的过程需要Client（客户端）与Server（服务端）共发送三个包确认来连接的建立。

1. 第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机生成一个值seq=j，将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。
2. 第二次握手：Server收到数据包后，由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=j+1，随机产生一个值seq=k，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RECV状态。
3. 第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为j+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ACK=K+1，并将数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client与Server进入ESTABL ISHED状态，三次握手建立完成。

TCP关闭连接（四次挥手）：

TCP建立连接是一个三次握手的过程，而TCP连接的终止则要经过四次挥手。

1. 第一次挥手：Client发送FIN，用来关闭Client与Server的数据传输，Client进入FIN_WAIF_1状态。
2. 第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序列号为收到序号+1，Server进入Close_WAIT状态。
3. 第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传输，Server进入LAST_ACK状态。
4. 第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

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UDP协议
概述：
UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议是一个面向无连接的传输层协议，传输的可靠性没有保证。TCP则是面向连接的协议。
当应用程序对传输的可靠性要求不高（如视频、语音通话），但是对传输速度和延时要求较高时，便可使用UDP协议来传输数据。
UDP将数据从源端发送到目的端，无需事先建立连接。由于UDP采用了简单、易操作的机制在应用程序间传输数据，无TCP中的确认技术及滑动窗口机制，因此UDP不能保证数据传输的可靠性，也无法避免接收到重复数据的情况。

UDP Header:

1. UDP报文：UDP报文头和数据两部分组成。
2. UDP报头：由源端口、目的端口、报文长度及校验组成。
3. UDP优点有传输效率高、开销小等优点。
4. UDP缺点：无法保证数据传输的可靠性
5. 图0-15表示16为源端口号、16-30表示目的端口号。

UDP传输过程：
设备发送数据时，数据包是以有序的方式发送到网络中，每个数据包独立的在网络中被发送出去，不同的数据包会通过不同的网络路径传输到对端，这种情况下，先发送的数据不一定先到达，因为UDP包没有序号，对端设备无法将包按照原来的顺序组合，因此，则需要应用程序提供报文的到达确认、排序、流量等控制功能。
UDP采用实时传输机制和时间戳来传输语音及视频数据。
TCP数据段丢失，会进行重传，重传会带来传输延时和数据重复
UDP不重传，丢失少量的数据忽略不计，这对使用UDP就会提高用户体验度。

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数据转发过程

数据转发的依据是遵循TCP/IP协议簇来进行的，TCP/IP协议簇与底层协议配合，实现了数据端到端的传输，数据传输的过程包含了一系列的封装与解封装。

数据按转发流程可以分为：本地转发与远程转发，本地转发即局域网的传输，远程就是传输到公网中。

数据按封装过程分为：TCP-IP-

协议	协议分层
TCP	传输层
IP	网络层
以太网封装	数据链路层

TCP封装：

TCP封装位于传输层，它依靠TCP协议传输数据和封装报文，报文必须包含的字段有：源端口、目的端口、初始序列号，确认序列号、标识位、窗口、校验和。如果你访问的是web应用，那么目的端口号就是80，主机的源端口号：1027。
IP封装

传输层封装完之后，会进行网络层封装，在网络层中，使用IP封装数据，必须明确IP的源地址和目的地址。
最大传输单元（MTU）：如果IP报文大小大于MTU，报文在传输时会被分片。
生存时间（TTL）：路由器转发一个数据包时，该值会被减1，如果路由器发现该值被减为0，就会丢弃该数据包。这样，即使网络中存在环路，数据包也不会在网络上一直被转发。

查找路由
主机A在发送数据前需要先检查是否能够到达目的端，这个过程是通过查找路由来完成的。在此示例中，主机A拥有一条到达“任何网络”（在IP编址部分已经简要介绍过）的路由，它发往其他网络的数据都会通过IP地址为10.1.1.1的接口转发到下一跳，即网关10.1.1.254。

RSTP协议

RSTP（Rapid Spanning-Tree Protocol）快速生成树协议在STP基础上进行了改进，实现了网络拓扑快速收敛。

STP与RSTP收敛时间对比：STP（30-50秒）、RSTP收敛时间（3-5秒）

RSTP改进点：备份端口、边缘端口、P/A机制、Hello机制、拓扑变化机制。

RSTP端口角色：

1. Backup端口作为指定端口的备份，备份端口能立即进入 转发状态。备份端口主要是通设备上接了两跳物理链路到设备。

2. RSTP边缘端口：一头连接主机，边缘端口不参与RSTP计算，可以由Desabled直接到forwaring，如果再收到bpdu就转为普通端口。

3. P/A机制：Proposal提议 Agreement确认，

4. Hello BPDU：非根桥设备无论是否接收到根桥发送的配置BPDU，都会按照Hello Timer规定的时间间隔发送配置BPDU

RSTP预备端口主要是为了备份根端口，而备份端口主要是为了备份指定端口。无论是备份端口还是预备端口都不处于转发状态。

RSTP协议中，当网络拓扑发生变化时，响应拓扑结构改变的机制是：对MAC地址表采取部分删除操作。

MSTP协议

MSTP（Multi Spanning-Tree Protocol）多生成树协议，MSTP协议在实际中用的最多。MSTP可以最大化利用网络资源，无需阻塞端口，MSTP协议根据不同VLAN计算不同生成树，MSTP收敛时间与RSTP时间一致（3-5秒）。

在STP/RSTP/MSTP中，根桥的所有端口都是指定端口，华为交换机默认模式MSTP。

TC保护功能：

[SWB]stp tc-protection
disable： TC protection function disable //禁用tc保护功能
enable： TC protection function enable //启用tc保护功能

启用tc保护功能后，在单位时间内，MATP进程处理类型BPDU报文的次数可配置，可避免攻击者伪造拓扑变化BPDU报文来恶意攻击交换机设备，并造成其频繁的删除MAC地址表项，从而保护了交换机。

执行命令使能mstp进程TC类型BPDU报文的保护功能。

stp tc protection  enable

MSTP端口角色

1. 边缘端口：不参与MSTP的计算过程，其他端口角色都会参加计算过程。
2. MSTP同一个端口在不同的生成树实例中可以担任不同的角色。
3. MSTP域边缘端口：位于MST域的边缘，并连接其它MST/SST端口。

RIP协议

RIP特性	所带来的问题
逐跳收敛	网络发生变化，RTA向邻居RTB发出更新，RTB需先进行本地计算，再逐跳向其他路由器发出更新，如此循环，造成收敛慢，故障恢复时间长。
分布式路由计算	路由器在计算路由是完全依赖邻居路由器收到的信息，缺少对全局网络拓扑的了解。
以跳数为度量	RIP基于跳数的度量方式，存在选择次优路径的风险。

参考华为HCIA技术文档