网络知识笔记

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1. 基础概念

1.1 网关

网关是连接局域网与广域网的网络设备，负责不同网络之间的数据转发。在家庭网络中，无线路由器通常承担网关功能。

2. 网络分类

2.1 LAN（Local Area Network，局域网）

局域网是在有限地理范围内（如家庭、办公楼）构建的私有网络。同一 LAN 内的设备可以直接通信，无需经过外部网络。

2.1.1 特征

  • 覆盖范围：几米到几公里
  • 设备数量：几台到数千台
  • 管理方式：集中管理，可控性强

2.1.2 典型应用

  • 家庭网络
  • 办公室网络
  • 校园网络

2.2 WAN（Wide Area Network，广域网）

广域网是连接多个局域网的大型网络，通过运营商基础设施实现跨地域通信。互联网是全球最大的 WAN。

2.2.1 特征

  • 覆盖范围：城市、国家、全球
  • 传输介质：光纤、卫星、电话线路
  • 管理方式：分布式管理，多运营商协作

2.2.2 典型应用

  • 企业分支机构互联
  • 互联网接入
  • 跨地区数据传输

2.3 VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网）

VLAN 在物理网络上划分逻辑隔离的虚拟网络，通过交换机配置实现不同 VLAN 间的隔离。

2.3.1 特征

  • 逻辑隔离：同一物理交换机上的设备可划分到不同 VLAN
  • 安全性：VLAN 间默认隔离，需通过路由器通信
  • 灵活性：可按部门、功能、位置动态划分

2.3.2 应用场景

  • 企业部门网络隔离（财务、研发、市场）
  • 多租户环境
  • 广播域控制

2.4 网络架构对比

graph TB
    subgraph "WAN（广域网）"
        E[互联网运营商网络]
    end
    
    subgraph "LAN A（局域网 A）"
        A1[设备 1<br/>192.168.1.10]
        A2[设备 2<br/>192.168.1.20]
        A3[交换机 A]
        A4[路由器 A]
        A1 --> A3
        A2 --> A3
        A3 --> A4
    end
    
    subgraph "LAN B（局域网 B）"
        B1[设备 3<br/>192.168.2.10]
        B2[设备 4<br/>192.168.2.20]
        B3[交换机 B]
        B4[路由器 B]
        B1 --> B3
        B2 --> B3
        B3 --> B4
    end
    
    A4 --> E
    B4 --> E
    
    style E fill:#f3e5f5
    style A4 fill:#c8e6c9
    style B4 fill:#c8e6c9
    style A3 fill:#fff3e0
    style B3 fill:#fff3e0

2.5 VLAN 隔离原理

graph LR
    subgraph "物理交换机"
        S1[端口 1<br/>VLAN 10<br/>192.168.10.10]
        S2[端口 2<br/>VLAN 10<br/>192.168.10.20]
        S3[端口 3<br/>VLAN 20<br/>192.168.20.10]
        S4[端口 4<br/>VLAN 20<br/>192.168.20.20]
        R[路由器]
    end
    
    S1 -.直接通信.-> S2
    S3 -.直接通信.-> S4
    S1 -.无法直接通信.-> S3
    S2 -.无法直接通信.-> S4
    S1 --> R
    S3 --> R
    
    style R fill:#c8e6c9

3. IP 地址与子网划分

3.1 子网掩码

子网掩码用于划分 IP 地址中的网络部分和主机部分。

3.1.1 工作原理

子网掩码与 IP 地址进行按位与运算，得到网络地址。掩码中为 1 的位对应网络部分，为 0 的位对应主机部分。

示例：

  • IP 地址：192.168.1.101
  • 子网掩码：255.255.255.0
  • 网络地址：192.168.1.0
  • 主机地址：101

3.1.2 同网段判断

同一子网内的设备可以直接通信，无需路由器转发。判断标准：网络地址相同。

可通信：

  • 192.168.1.101（子网掩码 255.255.255.0）
  • 192.168.1.102（子网掩码 255.255.255.0）

不可直接通信：

  • 192.168.1.101（子网掩码 255.255.255.0）
  • 192.168.2.10（子网掩码 255.255.255.0）

3.2 跨网段通信

不同网段之间的通信必须通过路由器（网关）转发。

3.2.1 通信流程

sequenceDiagram
    participant PC1 as 设备 A<br/>192.168.1.101
    participant GW as 网关<br/>192.168.1.1
    participant RT as 路由器
    participant PC2 as 设备 B<br/>192.168.2.10
    
    PC1->>PC1: 判断目标 IP 网段
    Note over PC1: 192.168.2.10 ≠ 192.168.1.0<br/>不同网段
    PC1->>GW: 发送数据包给默认网关
    GW->>RT: 路由转发
    RT->>RT: 查找路由表
    RT->>PC2: 转发到目标网段
    PC2-->>RT: 响应
    RT-->>GW: 返回响应
    GW-->>PC1: 送达

3.2.2 关键概念

  • 默认网关：设备访问外部网络的出口，通常为路由器 IP
  • 路由：路由器根据目标 IP 地址查找路由表，选择最佳路径转发数据包
  • 路由表：记录网络段与下一跳地址的映射关系

3.3 CIDR（无类别域间路由）

CIDR 使用前缀长度（如 /24）表示网络部分位数，替代传统的 A、B、C 类划分方式。记忆：全部是 32 位，数字从左边开始算起。

3.3.1 表示法

CIDR 表示法：IP地址/前缀长度

示例：

  • 192.168.1.10/24：前 24 位为网络部分，后 8 位为主机部分
  • 10.0.0.0/8：前 8 位为网络部分，后 24 位为主机部分

3.3.2 与子网掩码的对应关系

CIDR子网掩码二进制
/8255.0.0.011111111.00000000.00000000.00000000
/16255.255.0.011111111.11111111.00000000.00000000
/24255.255.255.011111111.11111111.11111111.00000000
/32255.255.255.25511111111.11111111.11111111.11111111

3.3.3 CIDR 地址解析

%%{init: {'theme': 'base', 'themeVariables': {'primaryColor': '#e3f2fd', 'primaryTextColor': '#0d47a1', 'primaryBorderColor': '#2196f3', 'lineColor': '#42a5f5', 'fillType0': '#e3f2fd', 'fillType1': '#bbdefb', 'fillType2': '#90caf9'}}}%%
graph TD
    A["输入: 192.168.1.10/24"] --> B["步骤1: 转换为二进制"]
    B --> C["11000000.10101000.00000001.00001010"]
    A --> D["步骤2: 识别前缀长度 /24"]
    D --> E["前 24 位: 网络部分"]
    D --> F["后 8 位: 主机部分"]
    C --> E
    C --> F
    E --> G["网络地址: 192.168.1.0"]
    F --> H["可用主机范围: .1 到 .254"]
    F --> I["广播地址: 192.168.1.255"]

3.3.4 网络地址、主机范围、广播地址

  • 网络地址：主机位全为 0，标识网段本身
  • 可用主机范围：网络地址 + 1 到广播地址 - 1
  • 广播地址：主机位全为 1，用于向网段内所有主机发送消息

示例：192.168.1.0/24

  • 网络地址：192.168.1.0
  • 可用主机：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254
  • 广播地址：192.168.1.255

3.3.5 最佳实践

  • 预留扩展空间：实际需求的两倍以上，避免频繁重新划分
  • 整字节边界划分：优先选择 /8、/16、/24，或 /20、/28 等 4 位边界
  • 实际可用 IP 计算：$2^{主机位} - 2$（减去网络地址和广播地址）
  • IPv6 兼容：CIDR 概念同样适用于 IPv6，前缀范围扩展到 /128

3.4 CIDR 快速计算

3.4.1 计算步骤

以 192.168.10.70/28 为例：

步骤 1：定位变动的字节

  • /28 > /24，变动在第 4 字节
  • 前三个字节保持不变：192.168.10

步骤 2：计算块大小

  • 主机位数 = 32 - 28 = 4
  • 块大小 = $2^4 = 16$

步骤 3：定位网段

  • 网段起始：16 的倍数（0, 16, 32, 48, 64, 80…）
  • IP 地址 70 落在 64-80 区间
  • 网络地址：192.168.10.64
  • 广播地址：192.168.10.79（下一网段起始 80 - 1）
  • 可用主机：192.168.10.65 ~ 192.168.10.78

3.4.2 计算练习

CIDR块大小网络地址广播地址
10.50.0.100/266410.50.0.6410.50.0.127
192.168.1.213/298192.168.1.208192.168.1.215
10.0.0.95/273210.0.0.6410.0.0.95

注意事项：10.0.0.95 为该网段的广播地址，不可配置在设备上。

3.5 常见问题

3.5.1 特殊 CIDR 表示

  • 0.0.0.0/0：匹配所有 IP 地址，用于默认路由
  • 192.168.10.0/30：仅 2 个可用主机（$2^2 - 2 = 2$），用于点对点链路（如路由器互联）

3.5.2 子网大小选择

问题：192.168.1.10/16 和 192.168.1.10/24，哪个更优？

答案：取决于实际需求。

  • 大子网（/16）：65,534 台设备在同一广播域，广播风暴风险高
  • 小子网（/24）：254 台设备，广播域隔离，故障影响范围小

实践建议：倾向于小子网划分，提高网络安全性和可管理性。

3.5.3 相同 IP 不同掩码

案例：192.168.1.10/24 和 192.168.1.10/25

  • /24 视角：192.168.1.200 是同网段设备
  • /25 视角：192.168.1.200 是跨网段设备（/25 网段范围：192.168.1.0-127）

结论：掩码不同，逻辑网络划分不同，通信方式也不同。

3.5.4 相邻网段通信

案例：10.0.0.94/27 和 10.0.0.63/27

  • 10.0.0.94 网段：10.0.0.64 ~ 10.0.0.95
  • 10.0.0.63 网段：10.0.0.32 ~ 10.0.0.63

结论：物理相邻但逻辑隔离，必须通过路由器通信。

3.5.5 子网掩码决定网段归属

案例：192.168.1.1 和 192.168.2.3

  • 掩码 255.255.255.0（/24）：不同网段（192.168.1.0 ≠ 192.168.2.0）
  • 掩码 255.255.252.0（/22）：同一网段（网络地址均为 192.168.0.0）

结论：IP 地址的网段归属由子网掩码决定，相同 IP 不同掩码可能属于不同网段。

4. 特殊地址

4.1 127.0.0.1 与 Localhost

4.1.1 区别

特性127.0.0.1Localhost
类型IP 地址主机名
所属层级网络层应用层
工作方式直接使用，无需解析需 DNS 解析或 hosts 文件转换
可变性标准固定，指向本机理论可配置，默认指向 127.0.0.1
协议支持IPv4IPv4（127.0.0.1）、IPv6（::1）

4.1.2 解析过程

1
localhost → DNS 查询 / hosts 文件查询 → 127.0.0.1

4.2 私有 IP 地址范围

4.2.1 私有地址定义

私有 IP 地址保留用于内部网络，不分配给公共互联网。

类别地址范围CIDR子网掩码可用 IP 数量典型场景
A 类10.0.0.0 - 10.255.255.25510.0.0.0/8255.0.0.016,777,216大型企业、数据中心
B 类172.16.0.0 - 172.31.255.255172.16.0.0/12255.240.0.01,048,576中型企业网络
C 类192.168.0.0 - 192.168.255.255192.168.0.0/16255.255.0.065,536家庭、小型办公室

4.2.2 其他特殊地址

类别地址范围CIDR用途
本地回环地址127.0.0.0 - 127.255.255.255127.0.0.0/8本机通信测试
APIPA 链路本地169.254.0.0 - 169.254.255.255169.254.0.0/16DHCP 失败时自动分配
本地链路多播224.0.0.0 - 224.0.0.255224.0.0.0/24本地网络多播

4.2.3 IPv6 私有地址

类别地址范围用途
唯一本地地址（ULA）fc00::/7IPv6 私有网络
链路本地地址fe80::/10同一链路设备通信
本地回环::1/128IPv6 本机回环

4.2.4 文档示例地址（TEST-NET）

这些地址专门用于文档和示例，不分配给实际网络。

网段CIDRRFC 标准用途
192.0.2.0 - 192.0.2.255192.0.2.0/24RFC 5737TEST-NET-1
198.51.100.0 - 198.51.100.255198.51.100.0/24RFC 5737TEST-NET-2
203.0.113.0 - 203.0.113.255203.0.113.0/24RFC 5737TEST-NET-3

4.2.5 基准测试地址

网段CIDRRFC 标准用途
198.18.0.0 - 198.19.255.255198.18.0.0/15RFC 2544网络设备性能测试

5. 参考资料