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外观

计算机网络核心知识

约 2368 字大约 8 分钟

2025-08-23

一、网络基础概述

1. 网络模型

OSI七层模型 vs TCP/IP四层模型

OSI模型TCP/IP模型主要功能
应用层应用层提供应用程序接口
表示层数据格式转换、加密
会话层建立、管理、终止会话
传输层传输层端到端连接、流量控制
网络层网络层路由选择、IP寻址
数据链路层帧传输、错误检测
物理层网络接口层比特流传输

提示：实际工作中，TCP/IP四层模型更常用，OSI模型主要用于教学。

2. 网络设备

  • 路由器：工作在网络层，连接不同网络，基于IP地址转发数据包
  • 交换机：工作在数据链路层，基于MAC地址转发数据帧
  • 集线器：工作在物理层，简单广播所有数据（已逐渐被淘汰）
  • 网卡：网络接口卡，提供物理连接和MAC地址

3. IP地址基础

  • IPv4：32位地址，通常表示为点分十进制（如192.168.1.1）
  • IPv6：128位地址，解决IPv4地址枯竭问题
  • 公有IP：全球唯一，用于互联网通信
  • 私有IP：保留用于内部网络（10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16）

二、物理层（常用知识）

1. 传输介质

  • 双绞线：

    • 最常用网络传输介质
    • 分为屏蔽(STP)和非屏蔽(UTP)两种
    • 常见类型：Cat5e（1Gbps）、Cat6（10Gbps）
    • 最大传输距离：100米

  • 光纤：

    • 传输距离远（单模可达几十公里）
    • 传输速率高（可达100Gbps以上）
    • 不受电磁干扰
    • 常用于骨干网络和长距离连接

2. 物理层设备

  • 网卡：连接计算机与网络的硬件接口
  • 中继器：放大信号，延长传输距离（已较少使用）

提示：在实际网络部署中，双绞线和光纤是95%以上场景使用的传输介质，其他如无线电波（Wi-Fi）也很常见。

三、数据链路层（常用知识）

1. 以太网

  • 最常用局域网技术，占市场90%以上
  • 帧结构：
    • 目的MAC地址（6字节）
    • 源MAC地址（6字节）
    • 类型/长度（2字节）
    • 数据（46-1500字节）
    • FCS校验（4字节）

2. MAC地址

  • 48位（6字节） 唯一标识网络设备
  • 表示为12位十六进制数（如00:1A:2B:3C:4D:5E）
  • 前24位是厂商代码，后24位是厂商自定义

3. ARP协议

  • 地址解析协议：将IP地址转换为MAC地址
  • 工作流程：
    1. 查询本地ARP缓存
    2. 如无记录，广播ARP请求
    3. 目标主机回复ARP响应
    4. 更新ARP缓存
# 查看ARP缓存
arp -a  # Windows
ip neigh show  # Linux

4. 交换机工作原理

  • 自学习：记录源MAC地址与端口对应关系
  • 转发决策：
    • 目标MAC在表中 → 转发到对应端口
    • 目标MAC不在表中 → 广播到所有端口（泛洪）
    • 目标MAC是广播地址 → 广播到所有端口

提示：交换机通过MAC地址表实现高效数据转发，是现代局域网的核心设备。

四、网络层（常用知识）

1. IP协议核心

  • 无连接、不可靠的数据报服务
  • 主要功能：寻址、路由选择、分片重组
  • IPv4数据包结构：
    • 版本（4位）
    • 首部长度（4位）
    • 总长度（16位）
    • 标识、标志、片偏移（用于分片）
    • 生存时间TTL（8位）
    • 协议（8位，标识上层协议）
    • 首部校验和
    • 源IP地址和目标IP地址

2. 子网划分实用知识

  • CIDR表示法：IP地址/网络前缀长度（如192.168.1.0/24）

  • 常用子网掩码：

    • /24 = 255.255.255.0（254个可用IP）
    • /25 = 255.255.255.128（126个可用IP）
    • /26 = 255.255.255.192（62个可用IP）
    • /30 = 255.255.255.252（2个可用IP，常用于点对点连接）

  • 子网划分步骤：

    1. 确定所需子网数量
    2. 计算所需主机数量
    3. 确定子网掩码
    4. 计算网络地址、广播地址和可用IP范围

3. 常用路由协议

  • RIP（Routing Information Protocol）：

    • 基于距离矢量
    • 跳数作为度量值（最大15跳）
    • 适用于小型网络

  • OSPF（Open Shortest Path First）：

    • 基于链路状态
    • 使用Dijkstra算法计算最短路径
    • 适用于中大型网络
    • 支持区域划分，减少路由更新流量

4. NAT（网络地址转换）

  • 解决IPv4地址短缺问题
  • 工作原理：将私有IP地址转换为公有IP地址
  • 常见类型：
    • 静态NAT：一对一映射
    • 动态NAT：多对多映射
    • NAPT/PAT：多对一映射（最常用，允许多个私有IP共享一个公有IP）
# 查看NAT表（路由器）
show ip nat translations

五、传输层（常用知识）

1. TCP vs UDP对比

特性TCPUDP
连接方式面向连接无连接
可靠性可靠传输不可靠传输
有序性保证数据顺序不保证数据顺序
流量控制有（滑动窗口）无
拥塞控制有无
速度较慢较快
头部开销20-60字节8字节
适用场景文件传输、Web浏览视频流、游戏、DNS查询

2. TCP三次握手

建立连接过程：

  1. SYN：客户端发送SYN=1，Seq=x
  2. SYN-ACK：服务器回复SYN=1，ACK=1，Seq=y，Ack=x+1
  3. ACK：客户端发送ACK=1，Seq=x+1，Ack=y+1

为什么需要三次握手？防止历史连接请求突然到达服务器造成资源浪费。

3. TCP四次挥手

断开连接过程：

  1. FIN：主动方发送FIN=1，Seq=u
  2. ACK：被动方回复ACK=1，Seq=v，Ack=u+1
  3. FIN：被动方发送FIN=1，ACK=1，Seq=w，Ack=u+1
  4. ACK：主动方回复ACK=1，Seq=u+1，Ack=w+1

为什么需要四次挥手？TCP连接是全双工的，需要分别关闭两个方向的连接。

4. TCP可靠传输机制

  • 确认应答：接收方返回ACK确认收到数据
  • 超时重传：未收到确认则重传
  • 滑动窗口：控制发送速率，实现流量控制
  • 拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复

5. 端口概念

  • 0-1023：知名端口（HTTP:80, HTTPS:443, FTP:21, SSH:22）
  • 1024-49151：注册端口
  • 49152-65535：动态/私有端口
# 查看端口使用情况
netstat -an | grep LISTEN  # Linux/Mac
netstat -ano  # Windows

六、应用层（常用知识）

1. HTTP/HTTPS

  • HTTP：超文本传输协议，明文传输
  • HTTPS：HTTP over SSL/TLS，加密传输
  • 常见状态码：
    • 200：OK
    • 301/302：重定向
    • 404：Not Found
    • 500：Internal Server Error

2. DNS（域名系统）

  • 将域名转换为IP地址
  • 查询过程：
    1. 本地DNS缓存
    2. 本地DNS服务器
    3. 根域名服务器
    4. 顶级域名服务器
    5. 权威域名服务器
# DNS查询工具
nslookup example.com
dig example.com

3. DHCP（动态主机配置协议）

  • 自动分配IP地址给网络设备
  • 工作流程：
    1. DHCP Discover（客户端广播）
    2. DHCP Offer（服务器响应）
    3. DHCP Request（客户端请求）
    4. DHCP ACK（服务器确认）

4. 其他常用协议

  • FTP：文件传输协议（21端口）
  • SMTP/POP3/IMAP：电子邮件协议
  • SSH：安全远程登录（22端口）
  • SNMP：网络管理协议

七、常用网络命令

1. 基础网络诊断

# 测试网络连通性
ping example.com

# 跟踪数据包路径
traceroute example.com  # Linux/Mac
tracert example.com     # Windows

# 查看网络配置
ipconfig /all    # Windows
ifconfig         # Linux
ip addr show     # Linux (推荐)

2. 高级网络诊断

# 查看路由表
route print     # Windows
netstat -rn     # Linux/Mac
ip route show   # Linux

# 查看网络连接
netstat -tuln   # Linux/Mac (显示所有TCP/UDP监听端口)
netstat -ano    # Windows

# 抓包分析
tcpdump -i eth0 port 80 -w capture.pcap  # Linux

3. DNS相关命令

# DNS查询
nslookup example.com
dig example.com +short

# 刷新DNS缓存
ipconfig /flushdns    # Windows
dscacheutil -flushcache  # Mac
systemd-resolve --flush-caches  # Linux (systemd)

八、实用技巧与建议

1. 网络故障排查步骤

  1. 物理层检查：网线是否连接、指示灯是否正常
  2. 链路层检查：MAC地址、交换机端口状态
  3. 网络层检查：IP配置、路由表、ping网关
  4. 传输层检查：端口是否开放、防火墙设置
  5. 应用层检查：服务是否运行、配置是否正确

2. 网络安全基本实践

  • 防火墙：合理配置入站/出站规则
  • 更新补丁：及时更新系统和应用
  • 最小权限：只开放必要的端口和服务
  • 加密传输：优先使用HTTPS、SSH等加密协议
  • 网络分段：将不同安全级别的设备放在不同子网

3. 常见网络问题解决方案

问题可能原因解决方法
无法上网IP配置错误检查IP、子网掩码、网关
DNS问题更换DNS服务器或刷新缓存
路由问题检查路由表和网关连通性
网速慢带宽不足升级带宽或优化流量
网络拥塞限流或使用QoS
线路质量差检查物理连接
无法访问特定网站防火墙阻止检查防火墙规则
DNS污染更换DNS服务器
网站宕机检查网站状态

九、常用网络工具速查表

工具用途常用命令
ping测试网络连通性ping example.com
traceroute跟踪数据包路径traceroute example.com
netstat查看网络连接和端口netstat -tuln
tcpdump网络抓包分析tcpdump -i eth0 port 80
nslookup/digDNS查询nslookup example.com
curl/wgetHTTP请求工具curl http://example.com
nmap网络扫描nmap -sP 192.168.1.0/24
ip/ifconfig网络配置ip addr show