📝 网络基础

1、核心网络设备

1.1、交换机

• 角色：局域网（LAN）的交通警察

• 工作层级：主要工作在数据链路层（二层）。

• 功能：它的核心任务是在同一个网络内部（例如，同一个办公室或楼层）高效地连接多台设备（电脑、打印机、摄像头等）。它通过识别设备的MAC地址，将数据帧准确地转发给目标设备，而不是广播给所有设备。

• 简单比喻：像一个高效的办公室内部邮件分拣员。他知道每个工位（MAC地址）上的人是谁，收到信件（数据）后，能直接投递到正确的工位，不会打扰其他人。

1.2、路由器

• 角色：不同网络之间的网关和导航员

• 工作层级：工作在网络层（三层）。

• 功能：它的核心任务是连接不同的网络，并在它们之间转发数据包。它通过识别IP地址，决定数据包的最佳路径，将其从一个网络（如你家网络）发送到另一个网络（如互联网）。

• 主要能力：
• 分配IP地址（通过DHCP服务）。
• 网络地址转换（NAT）：让你家中的所有设备共用同一个公共IP地址上网。
• 防火墙：提供基本的安全防护，过滤不必要的流量。

• 简单比喻：像一个邮局的 sorting center（分拣中心）。它查看信封上的邮政编码（IP地址），决定这封信是留在本市（局域网）还是发往另一个城市（另一个网络/互联网）。

1.3、三层交换机

• 角色：交换机和路由器的结合体

• 工作层级：同时具备数据链路层（二层）和网络层（三层）的功能。

• 功能：它本质上是一个带有路由功能的高速交换机。主要用于大型局域网内部需要高速路由的场景（例如，在不同部门或VLAN之间进行数据交换）。它能用硬件的速度完成路由功能，比“路由器+交换机”的方案更快。

• 简单比喻：像一个兼具内部邮件分拣员和跨部门邮件通道管理员的超级员工。他既能快速在部门内投递信件（交换），又能高速地处理不同部门之间的信件往来（路由），效率极高。

1.4、小结

2、常见网络架构

2.1、小型企业基础网络架构

1. 接入层：最底层，连接终端用户设备（电脑、IP电话等）。使用普通交换机。

2. 汇聚层：中间层，连接接入层交换机。通常使用三层交换机，用于处理企业内部不同VLAN（虚拟局域网，如财务部、销售部）之间的路由、访问控制策略等。

3. 核心层：网络骨干，连接汇聚层交换机、企业服务器、以及路由器。追求高速和高可靠性。

4. 出口：企业边界的路由器/防火墙，连接互联网。

2.2、家庭网络架构

• 核心设备：无线路由器（集成了路由器、交换机、Wi-Fi接入点和防火墙功能）。

• 连接方式：
• 有线设备（如台式机、智能电视）通过网线连接到路由器后方的交换机端口上。
• 无线设备（手机、笔记本）通过Wi-Fi连接到路由器。

• 出口：路由器通过WAN口连接至光猫/调制解调器，最终接入互联网服务提供商（ISP）的网络。

2.3、互联网

• 本质：网络的网络。

• 构成：全球无数个自治网络（ISP、公司、学校、数据中心网络）通过路由器相互连接而成的巨大集合。

• 运作方式：没有中央控制。数据被分割成数据包，每个包都包含目标IP地址。路由器之间通过BGP等路由协议相互通信，共享路径信息，像传递接力棒一样，共同协作将数据包从源地址路由到目标地址。

3、网络核心词汇

3.1、IP地址与子网掩码

• 是什么：设备的网络“门牌号”。就像每栋房子有一个唯一的地址用来收寄信件一样，网络上的每台设备（电脑、手机、服务器等）都需要一个唯一的IP地址来收发数据。

• 格式：通常表现为四组用点分开的数字（如 192.168.1.10），这称为IPv4。

• 作用：用于标识和定位网络上的设备，是数据传输的“目的地”和“发件人”。

• 是什么：定义IP地址的“社区范围”。它用来区分一个IP地址中哪部分是网络号（代表整个社区），哪部分是主机号（社区里的具体门牌）。

• 格式：看起来和IP地址类似（如 255.255.255.0）。

• 作用：判断两台设备是否在同一个本地网络（子网） 内。
• 例子：设备A (192.168.1.10) 和设备B (192.168.1.20) 的子网掩码都是 255.255.255.0。
• 通过计算可知，它们属于同一个网络（192.168.1.0）。它们之间的通信直接通过交换机完成，速度快。
• 设备C (192.168.2.30) 和它们子网掩码相同，但网络号是 192.168.2.0，属于不同网络。它们通信需要经过路由器转发。

• IP地址：中国-北京市-海淀区-XX路-100号

• 子网掩码：255.255.255.0 就像说“前三个部分（中国-北京市-海淀区）是网络区域，最后一部分（100号）是具体主机”。

• 同子网设备通信，就像在同一栋楼里喊话；不同子网设备通信，就像需要邮局在不同城市间寄信。

3.2、DHCP

• 是什么：动态主机配置协议。它是一个自动化的网络管理员。

• 作用：自动为网络中的设备分配IP地址、子网掩码、网关地址（路由器地址）和DNS服务器地址。

• 好处：你不需要手动为每台电脑、手机设置IP地址，插上网线或连上Wi-Fi就能上网，非常方便。家庭路由器就内置了DHCP功能。

3.3、内网（私有）IP 与 公网IP

• 内网（私有）IP地址：
• 范围：专门预留的一些地址段（如 192.168.x.x, 10.x.x.x, 172.16.x.x - 172.31.x.x）。
• 作用：在家庭、公司等内部网络使用。它们不能直接在互联网上被访问。
• 特点：可以重复使用。你家路由器分配的是 192.168.1.x，我家路由器也可以分配同样的地址，互不冲突。

• 公网IP地址：
• 范围：除内网IP外的所有地址。
• 作用：在全球互联网上唯一标识一个设备。是你在互联网上的“身份证”。
• 特点：全球唯一，需要向运营商购买/租用。

• 公网IP：你公司的总机号码（只有一个，对外公开）。

• 内网IP：公司内部各个分机号（如 101, 102，可以和其他公司的分机号重复）。

• 外线电话打进来，总机（路由器）需要转接到正确的分机（你的电脑）。

3.4、云服务器

• 是什么：一台放在远数据中心、可以通过互联网远程访问的虚拟电脑。

• 与传统服务器的区别：你不需要自己购买和维护物理硬件。服务商（如阿里云、AWS）提供网页界面，让你可以按需、灵活地租用计算能力、存储空间和网络资源，用时付费，不用就关掉。

• 用途：搭建网站、运行应用程序、存储数据、数据分析等。

3.5、端口

• 是什么：一台设备上的“应用程序门牌号”。IP地址帮你找到了正确的“大楼”（设备），端口则帮你找到大楼里正确的“房间”（应用程序/服务）。

• 格式：一个16位的数字（0-65535）。

• 作用：让一台设备可以同时运行多个网络应用（如一边浏览网页一边收邮件），而数据不会送错地方。

• 常见端口：
• 80: HTTP (网页服务)
• 443: HTTPS (加密的网页服务)
• 25: SMTP (邮件发送)
• 21: FTP (文件传输)

3.6、域名

• 是什么：IP地址的“好记别名”。因为人类很难记住一串数字（如 142.251.42.206），但很容易记住名字（如 google.com）。

• 作用：方便人们访问网站和服务。

• 如何工作：当你浏览器输入 google.com 时，它会先去问 DNS服务器（像一本巨大的电话簿），DNS服务器会查询到这个名字对应的真实IP地址（142.251.42.206），然后浏览器才能通过IP地址找到谷歌的服务器。

📝 OSI 7层模型

1、什么是OSI七层模型？

2、七层结构详解（从下到上）

3、各层详细功能说明

3.1、物理层

• 功能：在物理介质上透明地传输比特流（0和1）。它定义了设备的物理特性，如电压水平、线缆规格、接口类型（如RJ45）、传输速率、最大距离等。

• 比喻：就像公路本身，负责让车辆（比特流）能够行驶。它不关心车上装的是什么货，只关心路能不能走。

• 设备：集线器（Hub）、中继器（Repeater）、调制解调器（Modem）、网线、光纤。

3.2、数据链路层

• 功能：
1. 成帧：将来自网络层的包封装成帧，添加头部和尾部。
2. 物理寻址：在帧的头部添加MAC地址（源MAC和目的MAC）。
3. 差错控制：通过帧尾部的校验码（如CRC）检测传输过程中是否出现比特错误。
4. 流量控制：控制发送速率，确保接收方不会被淹没。
5. 介质访问控制：决定设备何时可以在共享介质（如以太网）上发送数据。

• 比喻：就像交通规则和汽车牌照。它确保在一条公路上（同一局域网内），车辆能正确地找到对方，并且不发生碰撞。

• 设备：交换机（Switch）、网桥（Bridge）。注意：交换机基于MAC地址转发数据，工作在第二层。

3.3、网络层

• 功能：
1. 逻辑寻址：为设备分配IP地址，并封装到包的头部。IP地址是全局的、可路由的。
2. 路由：根据目的IP地址，为数据包选择最佳路径，穿越不同的网络（从源网络到目标网络）。
3. 拥塞控制：管理网络中的数据流量，避免网络过载。

• 比喻：就像GPS导航和邮政系统中的邮政编码。它不关心本地地址（MAC地址），只关心如何将包裹从一个城市（网络）投递到另一个城市。

• 设备：路由器（Router）。路由器是连接不同网络的关键设备，基于IP地址进行转发。

3.4、传输层

• 功能：
1. 端到端通信：提供应用程序进程之间的逻辑通信（通过端口号标识不同应用，如80端口对应Web服务）。
2. 服务类型：提供两种主要协议：
• TCP：面向连接的、可靠的传输。提供确认、重传、流量控制和拥塞控制。
• UDP：无连接的、不可靠但高效的传输。
3. 分段与重组：将上层数据分割成更小的段，并在接收端重新组装。
4. 差错控制：确保数据完整、有序地到达。

• 比喻：就像公司的收发室。它负责将公司（主机）内部不同部门（应用程序）的信件打包，并选择可靠的快递（TCP）或普通的平邮（UDP）寄出。

3.5、会话层

• 功能：建立、管理和终止两个应用进程之间的会话（Session）。会话是持续较长时间的连接。
• 例如：在传输一个大文件时，网络连接暂时中断，会话层可以在连接恢复后从中断点继续，而不必重新开始。

• 比喻：就像电话接线员，负责拨号建立通话（会话），并在通话结束后挂断。

3.6、表示层

• 功能：充当应用程序和网络之间的“翻译官”，确保一个系统应用层发出的信息能被另一个系统的应用层读懂。
1. 数据转换：将数据从适合应用的格式转换为适合网络传输的格式，如编码转换（ASCII to Unicode）。
2. 加密/解密：如SSL/TLS协议就在这一层开始工作。
3. 压缩/解压缩：减少传输的数据量。

• 比喻：就像同声传译，将一种语言（数据格式）翻译成另一种对方能理解的语言。

3.7、应用层

• 功能：最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务接口。它并不是指应用程序本身（如Chrome浏览器），而是指应用程序用来实现网络功能的协议。
• 例如：使用浏览器时，它调用的是HTTP/HTTPS协议；发送邮件时，调用的是SMTP协议。

• 比喻：就像你（用户）。你想做什么（浏览网页、发邮件），就直接使用相应的工具（协议）。

4、数据封装与解封装过程

4.1、发送端（封装过程 - 从上到下）：

• 用户在应用程序中输入数据（Data）。

• 应用层：加上应用层头 → Message。

• 表示层：加上表示层头，进行加密/压缩等。

• 会话层：加上会话层头。

• 传输层：加上TCP/UDP头（含端口号） → Segment。

• 网络层：加上IP头（含IP地址） → Packet。

• 数据链路层：加上帧头（含MAC地址）和帧尾（CRC） → Frame。

• 物理层：将帧转换为比特流，通过物理介质发送出去。

4.2、接收端（解封装过程 - 从下到上）：

• 物理层：接收比特流。

• 数据链路层：检查MAC地址和帧错误，去掉帧头和帧尾，将Packet上交。

• 网络层：检查IP地址，决定是否路由，去掉IP头，将Segment上交。

• 传输层：根据端口号将数据交给正确的应用程序，处理序列号和确认，去掉TCP/UDP头。

• 会话层、表示层：管理会话，进行解密/解压等，逐层去掉头部。

• 应用层：将原始的Data呈现给应用程序。

5、OSI模型 vs. TCP/IP模型

📝 UDP和TCP协议

1、UDP 和 TCP 概述

1.1、UDP（用户数据报协议）

1. 无连接：通信前不需要先建立连接，直接发送数据。这就像寄明信片，无需确认收件人地址是否正确、是否在家，直接投递即可。

2. 不可靠：不提供数据包的确认、重传、排序机制。如果数据包在中途丢失、重复或乱序，UDP不会进行处理。

3. 高效：因为不需要建立连接和维护复杂的控制机制，头部开销小（仅8字节），传输延迟低，速度快。

4. 支持多播和广播：可以将数据包一次性发送给多个主机。

• 应用场景：适用于对传输延迟和速率敏感，但能容忍少量数据丢失的应用。
• 音视频流媒体（直播、视频会议）
• 在线游戏（实时状态同步）
• DNS查询
• TFTP（简单文件传输协议）
• DHCP

1.2、TCP（传输控制协议）

1. 面向连接：在数据传输之前，必须通过三次握手建立稳定的连接。传输结束后，通过四次挥手断开连接。这就像打电话，需要先拨号接通，通话结束后要礼貌道别并挂断。

2. 可靠传输：通过以下机制确保数据准确无误地送达：
• 确认和重传（ACK & Retransmission）：接收方收到数据后会发送确认报文。发送方在一定时间内未收到确认，则会重传数据。
• 序列号和确认号：每个字节的数据都被编号（序列号），确认号告知对方期望收到的下一个字节的编号。这解决了乱序和重复问题。
• 流量控制：通过滑动窗口机制，根据接收方的处理能力来调整发送速率，防止接收方缓冲区溢出。
• 拥塞控制：通过复杂的算法（如慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复）感知网络拥堵情况，动态调整发送速率，避免网络瘫痪。

• 应用场景：适用于要求数据完整、准确无误传输的应用。
• Web浏览（HTTP/HTTPS）
• 电子邮件（SMTP, POP3, IMAP）
• 文件传输（FTP）
• 远程登录（SSH）

2、TCP 的三次握手（连接建立）

1. 第一次握手（SYN）：



• 客户端发送一个TCP报文。
• 设置标志位 SYN=1，表示请求建立连接。
• 选择一个初始序列号（ISN），例如 seq = x。
• 进入 SYN-SENT 状态。

2. 第二次握手（SYN + ACK）：



• 服务器收到客户端的SYN报文。
• 如果同意连接，则回复一个TCP报文。
• 设置标志位 SYN=1 和 ACK=1。
• 确认号字段设置为 ack = x + 1（表示期望收到下一个数据包的序列号是x+1）。
• 同时为自己选择一个初始序列号，例如 seq = y。
• 进入 SYN-RCVD 状态。

3. 第三次握手（ACK）：



• 客户端收到服务器的SYN-ACK报文。
• 向服务器发送一个确认报文。
• 设置标志位 ACK=1。
• 序列号 seq = x + 1（因为第一次握手消耗了一个序列号）。
• 确认号 ack = y + 1。
• 客户端进入 ESTABLISHED（连接已建立）状态。
• 服务器收到这个ACK后，也进入 ESTABLISHED 状态。

主要目的是防止“已失效的连接请求报文”突然又传送到服务器，导致错误。

假设一种情况：客户端发送了一个SYN请求，但这个包在网络中滞留了（失效了）。客户端超时未收到回应，于是重发一个SYN并成功建立连接。结束后，那个滞留的SYN包终于到达了服务器。如果只有两次握手，服务器会认为这是一个新的连接请求，会直接回复SYN-ACK并进入连接状态，浪费服务器资源。而有了第三次握手，客户端不会理会这个陈旧的SYN-ACK，因此不会发送确认，服务器由于收不到确认，就不会建立连接。

3、TCP 的四次挥手（连接释放）

1. 第一次挥手（FIN）：
• 客户端的数据发送完毕后，应用层通知TCP要关闭连接。
• 客户端发送一个TCP报文。
• 设置标志位 FIN=1，并指定一个序列号，例如 seq = u。
• 客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。

2. 第二次挥手（ACK）：
• 服务器收到FIN报文后，立即回复一个确认报文。
• 设置标志位 ACK=1。
• 确认号 ack = u + 1。
• 序列号为 seq = v（为自己之前发送的序列号）。
• 服务器进入 CLOSE-WAIT 状态。此时，从客户端到服务器的连接就关闭了（即客户端不再发送数据，但服务器可能还有数据要发送）。
• 客户端收到这个ACK后，进入 FIN-WAIT-2 状态。

3. 第三次挥手（FIN）：
• 服务器将最后剩余的数据发送完毕后，也准备关闭连接。
• 服务器发送一个TCP报文。
• 设置标志位 FIN=1 和 ACK=1（通常还会顺带对之前的报文做一次确认）。
• 指定一个序列号 seq = w（可能已经增长），确认号依然是 ack = u + 1。
• 服务器进入 LAST-ACK（最后确认）状态。

4. 第四次挥手（ACK）：
• 客户端收到服务器的FIN报文后，必须发出确认。
• 发送一个确认报文，设置 ACK=1。
• 序列号 seq = u + 1（因为第一次挥手消耗了一个序列号）。
• 确认号 ack = w + 1。
• 客户端进入 TIME-WAIT 状态。等待2MSL（最大报文段生存时间）后，客户端才进入 CLOSED 状态。
• 服务器只要收到这个ACK，就立即进入 CLOSED 状态。

保证最后一个ACK能到达服务器：如果服务器没有收到第四次挥手的ACK，它会重传第三次挥手的FIN报文。客户端在2MSL时间内收到这个重传的FIN，会重传ACK并重新计时2MSL。让本次连接产生的所有报文都在网络中消失：等待2MSL时间，足以使本次连接期间产生的所有报文都从网络中消亡，这样不会影响下一次新的连接。

因为TCP连接是全双工的，关闭每个方向都需要一个FIN和一个ACK。当客户端发送FIN时，只表示它没有数据要发了，但还可以接收数据。服务器收到FIN后，可能还有数据要发送给客户端，所以它的ACK和FIN不能合并为一次发送，这就比三次握手多了一次。