计算机网络基础知识

原创于 2025-08-19 21:53:43 发布 · 836 阅读

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#计算机网络 #网络

1、OSI七层模型架构

物理层
- 负责原始比特流在物理介质（如网线、光纤）上的传输
- 定义电压规范、物理拓扑和比特编码方式‌
- 典型设备：网卡‌
数据链路层
- 将比特流封装为帧，添加MAC地址实现设备间直接通信
- 提供错误检测和流量控制机制‌
- 典型设备：交换机
网络层
- 实现跨网络的数据路由和转发
- 使用IP地址进行逻辑寻址，选择最优传输路径‌
- 典型设备：路由器
传输层
- 提供端到端的可靠数据传输服务
- 关键协议：TCP（面向连接）和UDP（无连接）‌
- 功能包括数据分段、流量控制和错误恢复
会话层
- 管理通信会话的建立、维护和终止
- 处理会话同步问题（如断点续传）‌
表示层
- 负责数据格式转换、加密解密和压缩解压
- 确保应用程序能正确解析数据格式‌
应用层
- 直接为应用程序提供网络服务接口
- 典型协议：HTTP（网页）、FTP（文件传输）‌

总结
应用层：网络服务与用户的接口交互
表示层；数据的表示、安全、压缩
会话层：建立、管理、中止会话
传输层：定义传输数据的协议端口号、流控和差错校验
网络层：进行逻辑地址寻址，实现跨网络的数据路由和转发
数据链路层：建立逻辑链接、硬件寻址、差错校验
物理层：建立、维护、断开物理链接

2、常用的端口号

协议	端口号	说明
HTTP	80	超文本传输协议
HTTPS	443	SSL/TLS 协议加密‌的 HTTP 协议
FTP	20/21	文件传输协议
SMTP	25	邮件传输协议
DNS	53	域名解析
SSH	22	安全外壳协议
DHCP	67/68	基于 ‌UDP 协议‌的应用层协议
TELNET	23	远程终端协议

3、子网划分

IPv4
由32位二进制数组成，分成四组，每组八位。如:11000000.10101000.00000000.00000010
为了便于配置通常表示成十进制形式。如：192.168.0.2

IPv6
由128位组成，一般用冒号分隔，十六进制表示

IP地址分为A、B、C、D、E五类

A类地址范围: 1.0.0.1～126.255.255.254
- A类地址=网络部分+主机部分+主机部分+主机部分
- 默认子网掩码为/8，即255.0.0.0
B类地址范围:128.0.0.1～~191.255.255.254
- B类地址=网络部分+网络部分+主机部分+主机部分
- 默认子网掩码为/16，即255.255.0.0
C类地址范围:192.0.0.1～~223.255.255.254
- c类地址=网络部分+网络部分+网络部分+主机部分
- 默认子网掩码为/24，即255.255.255.0
D类地址范围:224.0.0.1～239.255.255.254
- 用于组播通信的地址
E类地址范围:240.0.0.1～255.255.255.254
- 用于科学研究的保留地址

以127开头的IP地址都代表本机(广播地址127.255.255.255除外)
127.0.0.1为本机回环地址
169.254.0.0～169.254.255.255 DHCP服务失效时分配的地址

私有网络地址
指内部网络或主机的IP地址，IANA(互联网数字分配机构）规定将下列的IP地址保留用作私网地址，不在Internet上被分配，可在一个单位或公司内部使用

A类私有地址:10.0.0.0～10.255.255.255 10.0.0.0/8
B类私有地址:172.16.0.0一172.31.255.255 172.16.0.0/12
C类私有地址:192.168.0.0～192.168.255.255 192.168.0.0/16

子网划分
网段组成：网络地址，可用IP，广播地址。下面举例：
192.168.1.189/24
子网掩码：255.255.255.0 或 /24
网关192.168.1.1 或 192.168.1.254
网络号:192.168.1.0
可用IP:192.168.1.1～192.168.1.254
广播地址:192.168.1.255

子网数=2^n，其中n为子网部分位数，例:/26，n=26-24
主机数（可用IP）=2^N - 2，其中N为主机部分位数:N=32-26

4、交换机的基本原理

4.1 数据链路层

概念
数据链路层就像快递公司的“打包和配送部门”，负责把网络层的数据（包）包装成“帧”，然后通过物理层（网线、光纤等）发送出去
功能

建立链接、维护与拆除
帧包装、帧传输、帧同步
帧的差错恢复：采用重传的方法进行
流量控制：确保中间传输设备的稳定及收发双方传输速率的匹配

4.2 以太网

计算机联网必需的硬件是安装在计算机上的网卡。通信中，用来标识主机身份的地址就是制作在网卡上的一个硬件地址。每块网卡在生产出来后，除了具有基本的功能外，都有一个全球唯一的编号来标识自己，这个地址就是MAC 地址，即网卡的物理地址
MAC 地址由 48 位二进制数组成，通常分成六段，用十六进制表示，如 00-D0-09-A1-D7-B7

以太网帧格式

前导码（7字节）
帧起始定界符（1字节）
MAC 地址（12字节）
- 目标MAC
- 源MAC
类型（2字节）
数据（46~1500字节）
FCS（4字节）

4.3 交换机工作原理

4.3.1 工作原理

流程

初始状态
mac地址学习
广播未知数据帧
接收方回应
实现单播通信

总结
通过mac地址学习，实现单播通信

4.3.2 工作模式

单工：只能发或收
双工：能发也能收，不能同时发和收
全双工：能同时收发

5、网络层（路由器）

5.1 网络层的功能

IP地址编址与逻辑寻址
- 网络层通过IP协议为全网设备分配唯一的逻辑地址（IPv4/IPv6），实现跨网络的主机标识
异构网络互联
- 通过路由器等设备实现不同传输媒介（如以太网、Wi-Fi、5G）或不同协议网络（如IPv4与IPv6）的互联互通，屏蔽底层差异，形成统一的全局通信环境
路由选择与分组转发
- 基于路由算法（如OSPF、BGP）动态计算最优路径，并依据IP包头中的目的地址进行分组转发
技术意义：网络层是实现“端到端”通信的关键，其核心协议（如IP、ICMP）确保了全球互联网的可扩展性和连通性。若缺少此层，数据将无法跨越不同子网传输，仅能局限于本地链路通信。

5.2 IP数据包格式

IP数据包分为头部（Header）和数据（Data）两部分

头部
- 版本
- 首部长度
- 优先级与服务类型
- 总长度
- 标识符、标志、段偏移量
  - 标识符：给数据包编号，方便分片后重组
  - 标志：比如不要分片（DF）或还有更多分片（MF）
  - 段偏移量：告诉接收方这个分片在原数据中的位置
  - 如果数据太大，把它切成多个小包（分片）。通过标识符、标志、段偏移量这三个字段控制分片和重组
- TTL
- 协议号
- 首部校验和
  - 检查头部是否在传输中出错（如果错了就丢掉）
- 源地址 & 目标地址
- 可选项
- 额外功能，比如安全标签，一般不用
数据

5.3 ICMP 协议

ICMP（Internet控制报文协议）是互联网的"错误报告员"和"网络小助手"，主要有三个核心特点

网络故障报警
- 当你的数据包在路上出问题时（比如目标服务器宕机、网络断连），ICMP会立刻返回错误报告
套着IP外壳传输
- ICMP消息是通过IP数据包运送的（IP协议号=1）属于网络层协议
两大核心任务
- 发错误通知（比如"目标不可达"、“网络超时”）传控制消息（比如ping检测是否在线、traceroute查快递路线）

5.4 ARP协议

5.4.1 概念

ARP协议是地址解析协议（Address Resolution Protocol）是通过解析IP地址得到MAC地址的，是一个在网络协议包中极其重要的网络传输协议，它与网卡有着极其密切的关系，在TCP/IP分层结构中，把ARP划分为网络层，为什么呢，因为在网络层看来，源主机与目标主机是通过IP地址进行识别的，而所有的数据传输又依赖网卡底层硬件，即链路层，那么就需要将这些IP地址转换为链路层可以识别的东西，在所有的链路中都有着自己的一套寻址机制，如在以太网中使用MAC地址进行寻址，以标识不同的主机，那么就需要有一个协议将IP地址转换为MAC地址，由此就出现了ARP协议，所有ARP协议在网络层被应用，它是网络层与链路层连接的重要枢纽，每当有一个数据要发送的时候都需要在通过ARP协议将IP地址转换成MAC地址，在IP层及其以上的层次看来，他们只标识IP地址，从不跟硬件打交道

5.4.2 工作原理

PC1想发送数据给PC2，会先检查自己的ARP缓存表。
如果发现要查找的MAC地址不在表中，就会发送一个ARP请求广播，用于发现目的地的MAC地址。ARP请求消息中包括PC1的IP地址和MAC地址以及PC2的IP地址和目的MAC地址
交换机收到广播后做泛洪处理，除PC1外所有主机收到ARP请求消息，PC2以单播方式发送ARP应答，并在自己的ARP表中缓存PC1的IP地址和MAC地址的对应关系，而其他主机则丢弃这个ARP请求消息
PC1在自己的ARP表中添加PC2的IP地址和MAC地址的对应关系，以单播方式与PC2通信

路由器：根据路由表选择最佳路径到达对端。

5.4.3 ARP相关命令

arp -a       	##	查看arp缓存表
arp -d [IP] 	##	删除arp缓存表
arp -s IP MAC 	##	删除arp静态绑定

6、传输层

6.1 TCP & UDP

TCP
- 特点
  - 面向连接：必须先“握手”建立连接
  - 可靠传输：数据丢了会重传
  - 流量控制：根据接收方的能力调整发送速度
UDP
- 特点
  - 无连接：直接发数据，不握手
  - 不可靠：数据可能丢失
  - 速度快：适合实时应用（视频、语音、游戏）

6.2 TCP-三次握手

当客户端向服务器发送请求连接的报文
- Seq序列号=x（x为随机） SYN=1（表示发送连接请求）
服务器端收到客户端发来的请求报文后，同意建立连接，则向客户端发送确认报文
- Seq序列号=y（这时服务器也会产生一个序列号y，和客户端的序号不相关）
- Ack确认号=x+1（Seq序列号x+1，表示确认收到了客户端的请求）
- ACK=1（表示这是条确认请求）
- SYN=1（同时也发送一个建立连接的请求）
客户端进程收到服务端进程的确认后，还要向服务端给出确认，然后连接成功建立
- Seq序列号=x+1（这时客户端的序号为1）
- Ack确认号=y+1（表示确认收到了服务器的连接请求）
- ACK=1（表示这是确认报文）

为什么要三次握手？
确认双方的收发能力：确保客户端和服务器都能发送和接收数据

6.3 TCP-四次挥手

第一次挥手：客户端发送Fin + Ack给服务端，表示自己要断开连接，这个时候客户端端已经没有数据要发送了
第二次挥手：服务端接收到客户端发送的断开请求连接，那么这个时候服务端需要发送一个Ack=1用于确定客户请求断开的信息成功接收了
第三次挥手：服务端如果所有的数据已经接收完毕，这个时候就会发送一个Fin=1，而
Ack=0用于表示服务端已经没有数据要发送了，需要关闭连接
第四次挥手：客户端端需要发送一个Ack=1表示这个服务端接收到了Server的关闭请求
信息，这样一来双方的就都关闭了
ps：半关闭的概念：TCP 一方终止发送数据后，仍然可以接收数据

当仅完成两次挥手之后，服务端能否给客户端发送数据呢？
可以，因为数据还没传完

为什么是四次挥手不是三次挥手？
因为当服务端还有数据没有传完的情况