计算机网络¶

一、网络体系结构¶

1.1 OSI 七层模型¶

层次	功能	协议/设备	数据单元
7 应用层	网络应用	HTTP、FTP、SMTP、DNS	报文
6 表示层	数据格式转换、加密	SSL/TLS、JPEG	报文
5 会话层	会话管理与同步	NetBIOS、RPC	报文
4 传输层	端到端通信	TCP、UDP	段
3 网络层	路由与转发	IP、ICMP、ARP、OSPF	包
2 数据链路层	帧传输、差错控制	交换机、以太网、PPP	帧
1 物理层	比特流传输	集线器、中继器、网线	比特

1.2 TCP/IP 四层模型¶

应用层（HTTP、HTTPS、DNS、FTP、SMTP）
    ↓
传输层（TCP — 可靠连接 / UDP — 快速无连接）
    ↓
网络层（IP、ICMP、IGMP、路由协议）
    ↓
网络接口层（以太网、WiFi、ARP）

1.3 数据封装过程¶

应用数据
    → [TCP/UDP 头 + 数据]  传输层加头部
    → [IP 头 + TCP 段]     网络层加头部
    → [帧头 + IP 包 + 帧尾] 链路层加头部和尾部
    → 比特流                物理层传输

二、物理层与数据链路层¶

2.1 物理层¶

任务：在传输介质上传输原始比特流
传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线
编码方式：NRZ、曼彻斯特编码、4B/5B

2.2 数据链路层¶

功能：封装成帧、透明传输、差错检测、流量控制

差错检测： - CRC（循环冗余校验）：通过多项式除法生成校验码 - 校验和：简单累加求和 - 奇偶校验：检测奇数位错误

流量控制： - 停止-等待协议：发送一帧等待确认 - 滑动窗口协议：连续发送多帧，提高效率

MAC 地址：48 位物理地址，每个网络接口唯一标识。

三、网络层¶

3.1 IP 协议¶

IP 协议提供无连接、不可靠的数据报传输服务。

IPv4 地址：32 位，通常用点分十进制表示。

IP 地址分类： | 类别 | 范围 | 默认子网掩码 | 用途 | |------|------|-------------|------| | A 类 | 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 | 255.0.0.0 | 大型网络 | | B 类 | 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 | 255.255.0.0 | 中型网络 | | C 类 | 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 | 255.255.255.0 | 小型网络 | | D 类 | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 | — | 组播 | | E 类 | 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 | — | 保留 |

特殊地址： - 127.0.0.1：本地回环地址 - 255.255.255.255：有限广播地址 - 私有地址：10.x.x.x、172.16~31.x.x、192.168.x.x

3.2 子网划分与 CIDR¶

通过借用主机位作为子网位，将网络划分为多个子网。

CIDR（无类域间路由） 表示法：IP 地址/前缀长度，如 192.168.1.0/24

3.3 ARP 协议¶

将 IP 地址解析为 MAC 地址。发送 ARP 广播请求，目标主机单播回复。

3.4 ICMP 协议¶

用于报告网络错误和诊断信息。典型应用： - Ping：发送 ICMP Echo 请求，检测网络连通性 - Traceroute：利用 TTL 超时报文追踪路由路径

3.5 路由协议¶

协议	类型	算法	描述
RIP	距离向量	Bellman-Ford	跳数度量，最大15跳
OSPF	链路状态	Dijkstra	计算最短路径，收敛快
BGP	路径向量	策略路由	自治系统间路由

四、传输层¶

4.1 TCP vs UDP¶

特性	TCP	UDP
连接	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠传输（确认重传）	不可靠，尽力而为
有序性	保证数据按序到达	不保证有序
流量控制	滑动窗口机制	无
拥塞控制	慢开始、拥塞避免、快重传	无
速度	较慢（开销大）	快速
首部长度	20~60 字节	8 字节
适用场景	网页、文件传输、邮件	视频直播、在线游戏、DNS

4.2 TCP 三次握手¶

Client                          Server
  |                               |
  |---- SYN (seq=x) ------------>| 第一次：客户端请求建立连接
  |                               |
  |<--- SYN+ACK (seq=y, ack=x+1)-| 第二次：服务器同意连接
  |                               |
  |---- ACK (seq=x+1, ack=y+1) ->| 第三次：客户端确认
  |                               |
  |<======== 连接建立 ===========>|

为什么是三次而不是两次？防止已失效的连接请求到达服务器导致错误。

4.3 TCP 四次挥手¶

Client                          Server
  |                               |
  |---- FIN ------------------->| 第一次：客户端请求断开
  |                               |
  |<--- ACK --------------------| 第二次：服务器确认
  |                               |
  |<--- FIN --------------------| 第三次：服务器也要断开
  |                               |
  |---- ACK ------------------->| 第四次：客户端确认
  |                               |
  |<======== 连接断开 ==========>|

4.4 TCP 拥塞控制¶

算法	描述
慢开始	拥塞窗口从 1 开始，每 RTT 翻倍
拥塞避免	窗口达到阈值后，每 RTT 增加 1
快重传	收到 3 个重复 ACK 立即重传
快恢复	快重传后，将阈值设为当前窗口的一半

五、应用层¶

5.1 HTTP/HTTPS¶

特性	HTTP	HTTPS
端口	80	443
加密	明文传输	SSL/TLS 加密
安全	不安全，可被窃听	安全，防止中间人攻击
证书	不需要	需要 CA 证书

HTTP 请求方法：GET（获取资源）、POST（提交数据）、PUT（更新）、DELETE（删除）

HTTP 状态码： | 状态码 | 含义 | |--------|------| | 1xx | 信息性 | | 2xx | 成功（200 OK） | | 3xx | 重定向（301 永久/302 临时） | | 4xx | 客户端错误（404 Not Found） | | 5xx | 服务器错误（500 内部错误） |

5.2 DNS 解析¶

将域名解析为 IP 地址的分布式系统。

解析过程： 1. 浏览器查询本地 DNS 缓存 2. 未命中则查询本地 DNS 服务器（递归查询） 3. 本地 DNS 服务器迭代查询：根 DNS → 顶级域 DNS → 权威 DNS 4. 返回 IP 地址给浏览器

5.3 其他应用层协议¶

协议	端口	用途
FTP	20/21	文件传输
SMTP	25	发送邮件
POP3	110	接收邮件
IMAP	143	邮件管理与同步
DHCP	67/68	自动分配 IP 地址
SSH	22	远程安全登录

常见面试题¶

高频考点

TCP 三次握手的过程及原因？ 防止失效连接请求。
TCP 和 UDP 的区别？ 面向连接 vs 无连接，可靠 vs 不可靠。
HTTP 和 HTTPS 的区别？ HTTPS 多了 SSL/TLS 加密层。
从浏览器输入 URL 到显示页面发生了什么？ DNS 解析 → TCP 连接 → HTTP 请求 → 服务器处理 → 响应返回 → 浏览器渲染。
拥塞控制和流量控制的区别？ 拥塞控制防止网络过载，流量控制防止接收方过载。