一，交換機的基本原理
1.1 數據鏈路層的功能
（1）數據鏈路層負責網絡中相鄰節點之間可靠的數據通信，並進行有效的流量控制。
（2）數據鏈路層的作用包括數據鏈路的建立，維護與拆除，幀包裝，幀傳輸，幀同步，幀的差錯控制以及流量控制等。
（3）數據鏈路層在物理線路上提供可靠的數據傳輸，對網絡層而言為一條無差錯的線路。
1.2 以太網及其發展
以太網工作在數據鏈路層
1.3 MAC地址
（1）計算機聯網必須的硬件是安裝在計算機上的網卡
（2）通信中，用來標識主機身份的地址就是制作在網卡上的一個硬件地址。每塊網卡在生產出來后，都有一個全球唯一的編號來標識自己，這個地址就是MAC地址，即網卡的物理地址
（3）MAC地址由48位二進制數組成，通常分成六段，用16進制表示，其中前24位是生產廠商向IEEE申請的廠商編號，后24位是網絡接口卡序列號
（4）MAC地址的第8位為0時，表示該MAC地址為單播地址；為1時，表示該MAC地址為組播MAC地址。
（5）單播的發送方式為一對一，即一台主機發送的數據只發送給另一台主機。
（6）廣播方式為一對多，即一台主機發送一個數據，在這個網段的所有主機都能收到
（7）組播方式介於單播和廣播之間，也是一對多，但接收者不是網段上的全體成員，而是一個特定的組的成員。
1.4 以太網幀格式
以太網有多種幀格式，這里介紹最為常用的Ethernet 2的幀格式
| 類型 | 用途 |
|---|---|
| 目的地址（DA） | 標識了幀的目的站點的MAC地址 |
| 源地址（SA） | 標識了發送幀的站點的MAC地址 |
| 類型 | 用來標識上層協議的類型 |
| 數據 | 封裝了通過以太網傳輸的高層協議信息 |
| 幀校驗序列（FCS） | 是從DA開始到數據域結束這部分的校驗和。校驗和的算法是32位的循環冗余校驗法（CRC） |
1.5 了解交換機
（1）交換機的品牌眾多，像Cisco，華為，H3C，TP-Link，神州數碼，銳捷等廠家都生產了很多不同型號的交換機
（2）常見的Cisco的交換產品系列主要包括Cisco 2960系列，Cisco 3560系列，Cisco 4500系列和Cisco 6500系列
a）Cisco 2960是一款入門級交換機，常用於連接客戶端主機實現10/100/1000兆位以太網互連
b）Cisco 3560是一款企業級交換機，可用於直接連接客戶端主機，也可用於互連入門級交換機
1.6 交換機的工作原理
（1）交換機並不會把收到的每個數據信息都以廣播的方式發給客戶端，是由於交換機可以根據MAC地址智能地轉發數據幀
（2）交換機存儲的MAC地址表將MAC地址和交換機的接口編號對應在一起，每當交換機收到客戶端發送的數據幀時，它就會根據MAC地址表的信息判斷如何轉發
1.6.1 MAC地址的學習
假設A主機發送數據幀（源MAC地址為00-00-00-11-11-11，目標MAC地址為00-00-00-22-22-22）到交換機的1號接口，交換機首先查詢MAC地址表中1號接口對應的源MAC地址條目。如果條目中沒有數據幀的源MAC地址，交換機就會將這個幀的源地址和收到該數據幀的接口編號（1號口）對應起來，添加到MAC地址表中
1.6.2 廣播未知數據幀
如果交換機沒有在MAC地址表中找到數據幀目的地址所對應的條目，交換機就無法確定該從哪個接口將數據幀轉發出去，於是它被迫選用廣播的方式，即除了1號口之外的所有接口都將轉發這個數據幀。於是，網絡中的主機B和主機C都會收到。
1.6.3 接收方回應消息
主機B會響應這個廣播，並回應一個數據幀（源MAC地址為00-00-00-22-22-22，目標MAC地址為00-00-00-11-11-11），交換機也會將此幀的源MAC地址和接口標號（2號口）對應起來，添加到MAC地址表中
1.6.4 交換機實現單播通信
現在，主機A和主機B之間的通信不用借助廣播了，因為MAC地址表中已經有它們的條目。主機A發送數據幀的目標地址為00-00-00-22-22-22，交換機會發現這個地址對應的接口標號為2，於是交換機將只向2號口轉發數據幀
1.6.5 老化時間
（1）由於交換機MAC地址條目是動態的，所以它不會永遠存在MAC地址表中，而是在300s（老化時間）后會自動消失
（2）但是如果在此期間，交換機又收到對應該條目MAC地址的數據幀，老化時間將重新開計時（重置300s）
二，IP地址概述與應用
2.1 IP地址的定義及分類
2.1.1 IP地址的格式
互聯網上連接的網絡設備和計算機都有唯一的地址，以此作為該主機在Internet上的唯一標識，稱其為IP地址。如同我們寫一封信，要標明信件的發信人地址和收信人地址，郵件人員通過該地址來投遞信件一樣，在計算機網絡中，每個被傳輸的數據包也要包括一個源IP地址和一個目的IP地址。
IP地址由32位二進制數組成，如某台連接在互聯網上的計算機的IP地址如下所示：
11010010.01001001.10001100.00000110
很顯然，這些數字對於人來說不太容易記憶且可讀性比較差，因此，人們就將組成計算機IP地址的32位二進制數分成四段，每段八位，中間用圓點隔開，然后將每八位二進制數轉換成十進制數（這種形式叫做點分十進制）。這樣，上述計算機的IP地址就變成了210.73.140.6
2.1.2 IP地址的分類
- [x] IP地址由兩部分組成：網絡部分和主機部分。
- 網絡部分：用於標識不同的網絡
- 主機部分：用於標識在一個網絡中特定的主機
- [x] IP地址的網絡部分由IANA（Internet地址分配機構）統一分配，以保證IP地址的唯一性。為了便於管理，IANA將IP地址分為A，B，C，D，E五類，按照二進制表示方法根據IP地址前幾個比特位，可以判斷IP地址屬於哪類。目前在Internet上使用最多的IP地址是A，B，C這三類，IANA根據機構或組織的具體需求為其分配A，B，C類網絡地址。具體主機的IP地址由得到某一網絡地址的機構或組織自行決定如何分配。
- [x] 每個類別的IP地址的網絡部分和主機部分都有相應的規則。
- A類地址：
（1）在A類地址中，規定第1個八位組為網絡部分，其余三個八位組為主機部分，即A類地址=網絡部分+主機部分+主機部分+主機部分。
（2）IP地址的前幾個比特位稱為引導位，對A類地址來說，它的第1個八位組的第1個比特位是0.因此它的第1個八位組的范圍就是00000000～01111111.換算成十進制就是0～127，其中127又是一個比較特殊的地址，我們用於本機測試的地址就是127.0.0.1。
（3）由於A類地址的第一個地址塊（網絡號為0）和最后一個地址塊（網絡號為127）保留使用，即全0表示本地網絡，全1表示保留作診斷用。因此A類地址的有效網絡范圍為1～126.全世界只有126個A類網絡，每個A類網絡可以擁有的主機數就是后面24個比特位的組合，為2的24次方個。
特別提示：
主機部分不能全為0或1，都是0代表的是網絡ID，全為1代表的是本網絡的廣播地址，因此每個A類網絡擁有的最大可用主機數為2的24次方-2.
A類地址適宜在大型網絡中使用
- B類地址：
（1）在B類地址中，規定前兩個八位組為網絡部分，后兩個八位組為主機部分，即B類地址=網絡部分+主機部分+主機部分。
（2）B類地址中作為引導位的前兩個比特位必須是10，因此它的網絡部分的范圍就是1000000.00000000～10111111.11111111。其中第1個八位組換算成十進制就是128～191.B類地址的有效網絡范圍是網絡部分中后14個比特位的組合。為214個。每個B類地址擁有的最大主機數為216-2。B類地址適宜在中等規模的網絡中使用。
- C類地址
（1）在C類地址中，規定前三個八位組為網絡部分。最后一個八位組為主機部分。即C類地址=網絡部分+網絡部分+網絡部分+主機部分。
（2）C類地址中作為引導位的前三個比特位必須是110.因此它的網路部分的范圍就是11000000.00000000.00000000~11011111.11111111.11111111。其中第1個八位組換算成十進制就是192～223。C類地址的有效網絡范圍是網絡部分中后21個比特位的組合。為221個。每個C類地址擁有的最大主機數為28-2。C類地址適合在主機數量比較少的中小型網絡中使用。
特別提示：
D類地址是用於組播通信的地址，E類地址是用於科學研究的保留地址，它們都不能在互聯網上作為節點地址使用。
2.1.3 Internet 上的合法IP地址
目前在Internet上只使用A，B，C這三類地址，而且為了滿足企業用戶在Internet上使用的需求，從A，B，C這三類地址中分別划出一部分地址供企業內部網絡使用。這部分地址稱為私有地址，私有地址是不能在Internet上使用的。私有地址包括以下三組。
- [x] 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
- [x] 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
- [x] 192.168.0.0 ~ 192.1678.255.255
2.1.4 子網掩碼
前面學習了IP地址及其分類，下面來看一個與IP地址密切相關的概念---子網掩碼。在網絡中，不同主機之間通信的情況可以分為如下兩種。
- [x] 同一個網段中兩台主機之間相互通信
- [x] 不同網段中兩台主機之間相互通信
特別提示：
具有相同網絡地址的IP地址稱為同一個網段的IP地址
如果是同一網段內兩台主機通信，則主機將數據直接發送給另一台主機；如果不在同一網段內的兩台主機通信，則主機將數據發送給網關，由網關再進行轉發。
為了區分這兩種情況，進行通信的計算機需要獲取遠程主機IP地址的網絡部分以做出判斷。
- [x] 如果源主機的網絡地址=目標主機的網絡地址，則為相同網段主機之間的通信
- [x] 如果源主機的網絡地址！=目標主機的網絡地址，則為不同網段主機之間的通信
因此對一台計算機來說，關鍵問題就是如何獲取遠程主機IP地址的網絡地址信息，這就需要借助子網掩碼（Netmask）。
下面介紹子網掩碼的組成。與IP地址一樣，子網掩碼也是由32個二進制位組成。對應IP地址的網絡部分用1表示，對應IP地址的主機部分用0表示。通常也是用四個點分開的十進制數表示。當為IP網絡中的節點分配IP地址時，也要一並給出每個節點所使用的子網掩碼。對A，B，C這三類地址來說，通常情況下都使用默認子網掩碼。
- [x] A類地址的默認子網掩碼是255.0.0.0
- [x] B類地址的默認子網掩碼是255.255.0.0
- [x] C類地址的默認子網掩碼是255.255.255.0
有子網掩碼后，只要把IP地址和子網掩碼做邏輯“與”運算，所得的結果就是IP地址的網絡地址。
例如：給出IP地址192.168.1.189 子網掩碼255.255.255.0。將IP地址和子網掩碼進行“與”運算就可以計算出IP地址的網絡ID。運算過程如下所述。
計算出網絡ID就可以判斷不同的IP地址是否位於同一網段了。
使用點分十進制的形式表示掩碼。書寫比較麻煩。為了書寫簡便，經常使用位計數形式表示掩碼。位計數形式是在地址后加“/”,"/"后面是網絡部分的位數，即二進制掩碼中“1”的個數。例如：IP地址192.168.1.100。掩碼255.255.255.0。可以表示成192.168.1.100/24。