网络基础知识
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计算机网络
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1. 基础网络协议

1.1. OSI 七层协议

OSI（Open Systems Interconnection）七层模型 是国际标准化组织（ISO）提出的网络通信框架，用于定义不同网络协议的分层结构和功能。每一层为上层提供服务，并依赖下层实现功能。

  • 物理层（Physical Layer）
    • 传输原始比特流（0和1），即基于电器特性发送高低电压(电信号)，高电压对应数字1，低电压对应数字0。
  • 数据链路层（Data Link Layer）
    • 根据不同的协议将比特流组织成帧（Frame），提供物理寻址（MAC地址）、差错检测（CRC）、流量控制。
  • 网络层（Network Layer）
    • 通过逻辑寻址（IP地址）实现主机到主机的通信，负责路由选择、分组转发和拥塞控制。
  • 传输层（Transport Layer）
    • 提供端到端（通过进程端口实现）的可靠或不可靠数据传输，负责流量控制、差错恢复和端口寻址。
  • 会话层（Session Layer）
    • 建立、管理和终止会话（Session），支持数据同步和对话控制（全双工/半双工）。
  • 表示层（Presentation Layer）
    • 处理数据格式转换（编码/解码）、加密/解密、压缩/解压缩，确保应用层数据可读。
  • 应用层（Application Layer）
    • 直接为用户应用程序提供网络服务接口（如文件传输、电子邮件）。

OSI 模型更多的是用于教学和理论分析，互联网真实运行在 TCP/IP 模型上。TCP/IP 是“精简版” OSI，合并了表示层、会话层到应用层。

1.2. IP 协议

1.2.1. 概念

IP（Internet Protocol，互联网协议） 是 TCP/IP 协议栈的核心协议，负责在网络层实现 主机到主机（Host-to-Host） 的逻辑寻址和路由选择。它是无连接、不可靠的协议，依赖上层（如 TCP）保证可靠性。

1.2.2. IP 协议的版本

1. IPv4（Internet Protocol version 4）
  • 地址长度：32 位（约 42.9 亿个地址），通常以点分十进制表示（如 192.168.1.1）。
  • 报文格式：
    • TTL（Time To Live）：防止数据包无限循环，每经过一个路由器减 1，归 0 时丢弃。
    • 协议字段：标识上层协议（如 6=TCP，17=UDP）。
    • DF/MF 标志：控制分片（DF=Don’t Fragment，MF=More Fragments）。
+-------------------------------+-------------------------------+
| 版本 (4) | 头长度 | 服务类型 (TOS) |          总长度              |
+-------------------------------+-------------------------------+
|          标识符               | 标志 (DF/MF) |   分片偏移      |
+-------------------------------+-------------------------------+
|  生存时间 (TTL)  | 协议 (TCP/UDP) |        头部校验和            |
+-------------------------------+-------------------------------+
|                       源 IP 地址                             |
+---------------------------------------------------------------+
|                       目标 IP 地址                            |
+---------------------------------------------------------------+
|                       可选字段 (如时间戳)                     |
+---------------------------------------------------------------+
|                       数据 (Payload)                          |
+---------------------------------------------------------------+
TeX
2. IPv6（Internet Protocol version 6）
  • 地址长度：128 位（约 3.4×10³⁸ 个地址），通常以冒号分隔（如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334）。
  • 报文格式：
+-------------------------------+-------------------------------+
| 版本 (6) | 流量类别         |          流标签                |
+-------------------------------+-------------------------------+
|          有效载荷长度         | 下一个头部       |   跳数限制    |
+---------------------------------------------------------------+
|                       源 IPv6 地址 (128 位)                    |
+---------------------------------------------------------------+
|                       目标 IPv6 地址 (128 位)                  |
+---------------------------------------------------------------+
|                       数据 (Payload)                          |
+---------------------------------------------------------------+
TeX

1.2.3. IP 地址

1. IPv4 地址分类
类型范围私网IP范围用途示例
A 类1.0.0.0 ~ 126.255.255.25510.0.0.0 ~ 10.255.255.255大型机构（如政府）10.0.0.1
B 类128.0.0.0 ~ 191.255.255.255172.16.0.0 ~ 172.31.255.255中型企业172.16.0.1
C 类192.0.0.0 ~ 223.255.255.255192.168.0.0 ~ 192.168.255.255小型网络192.168.1.1
D 类224.0.0.0 ~ 239.255.255.255组播（Multicast）224.0.0.5 (OSPF)
E 类240.0.0.0 ~ 255.255.255.255保留（实验用途）
2. 特殊用途 IP 地址
  • 127.0.0.1：本地回环（Loopback），仅本机访问。
  • 0.0.0.0：默认路由地址。

1.2.4. 子网划分

子网划分是将一个大的IP网络划分为多个更小的逻辑子网（Subnet）的过程，目的是提高IP地址利用率、优化网络性能、增强安全性。

子网划分的核心要素是改变子网掩码位数，子网掩码将一个IP地址标识为网络和主机两部分，由网络部分标识一个子网。

示例：

子网划分步骤（以 192.168.1.0/24 为例）

步骤 1：确定要划分的子网个数及每个子网主机数。
需求：划分为 4 个子网，每个子网容纳至少 50 台主机。

步骤 2：确定新子网掩码。
需要 4 个子网 → 2²=4 → 得出子网掩码需占用2个主机位。
原掩码 /24（11111111.11111111.11111111.00000000）→ 新掩码 /26（11111111.11111111.11111111.11000000）。
		
步骤 3：验证子网主机数。
每个子网的主机数 = 2的（32-26）次方−2=62（满足 ≥50 的需求）。
TeX

1.3. ARP 协议

ARP（地址解析协议）用于通过 已知IP地址 获取对应的 MAC地址，是局域网（LAN）通信的基础协议。

在数据链路层传输数据时主要使用物理网卡的 MAC 地址，但我们在网络传输数据时使用的是 IP 地址，此时就需要使用 ARP 协议来通过 IP 地址获取 MAC 地址。

ARP 工作流程（以主机A访问主机B为例）：

主机A向整个局域网发送ARP请求（广播），ARP请求中包含主机A的 MAC 和 IP 及主机B的 IP 地址，当主机B收到请求匹配上自己的 IP 地址，则返回自己的 MAC 地址给主机A（单播），其他未匹配上的主机则丢弃请求，此时主机A获取主机B的 MAC 地址。

1.4. TCP/UDP 协议

2. DNS 服务

在互联网中通过 IP 地址标识主机，但 IP 地址不方便记忆，所以引入了域名的概念，DNS 的作用就是将域名或主机名解析为 IP 地址。

2.1. DNS 服务器分类

  • 根域名服务器（Root DNS Server）：管理顶级域（TLD）服务器的地址（如 .com、.org 的权威服务器），不直接解析域名，仅返回 TLD 服务器的地址。
  • 顶级域名服务器（TLD DNS Server）：管理二级域名（如 example.com）的权威服务器地址。
  • 权威域名服务器（Authoritative DNS Server）：存储特定域名（如 example.com）的 完整 DNS 记录（A、MX、CNAME 等）。
  • 递归解析服务器（Recursive DNS Server）：又叫缓存 DNS 服务器，代表客户端 递归查询 所有层级的 DNS 服务器，最终返回完整结果并缓存。

2.2. DNS 的两种查询方式

递归查询：客户端只需发起一次请求，后续工作由递归服务器完成，递归服务器负责逐级查询，直到找到答案或报错。

迭代查询：例如根服务器和 TLD 服务器通常只接受迭代查询，只返回自己知道的最佳答案，不代替客户端完成全部查询。由客户端或递归服务器需自行发起多次查询。

DNS 查询流程完整示例：访问 www.example.com。

  • 客户端向递归服务器（如 8.8.8.8）发起查询。
  • 递归服务器查询根服务器，获知 .com TLD 服务器地址。
  • 递归服务器查询 .com TLD 服务器，获知 example.com 的权威服务器地址。
  • 递归服务器查询 example.com 的权威服务器，获取 www.example.com 的 A 记录（IP 地址）。
  • 递归服务器将 IP 返回客户端，并缓存结果。

2.3. DNS 缓存优先级

应用程序缓存 -> 本地系统缓存 -> 本地计算机/etc/hosts文件 -> DNS 服务器(ISP DNS缓存>递归or迭代搜索)

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