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🛜 计算机网络学习手记-基础篇

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TCP/IP 网络模型有几层？

  • 应⽤层，负责向⽤户提供⼀组应⽤程序，⽐如 HTTP、 DNS、 FTP 等;
  • 传输层，负责端到端的通信，⽐如 TCP、 UDP 等；
  • ⽹络层，负责⽹络包的封装、分⽚、路由、转发，⽐如 IP、 ICMP 等；
  • ⽹络接⼝层，负责⽹络包在物理⽹络中的传输，⽐如⽹络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通过⽹卡传输⽹络帧等；

应用层

应⽤层只需要专注于为⽤户提供应⽤功能，⽐如 HTTP、 FTP、 Telnet、 DNS、 SMTP等

传输层

TCP 的全称叫传输控制协议（Transmission Control Protocol），⼤部分应⽤使⽤的正是 TCP 传输层协议，⽐如 HTTP 应⽤层协议。 TCP 相⽐ UDP 多了很多特性，⽐如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对⽅。

⽐如 80 端⼝通常是 Web 服务器⽤的， 22 端⼝通常是远程登录服务器⽤的。

网络层

  • 如果 IP 报⽂⼤⼩超过 MTU（以太⽹中⼀般为 1500 字节）就会再次进⾏分⽚，得到⼀个即将发送到⽹络的 IP 报⽂。

网络接口层

  • ⽣成了 IP 头部之后，接下来要交给⽹络接⼝层（Link Layer）在 IP 头部的前⾯加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到⽹络上。

什么是以太⽹呢？

电脑上的以太⽹接⼝， Wi-Fi接⼝，以太⽹交换机、路由器上的千兆，万兆以太⽹⼝，还有⽹线，它们都是以太⽹的组成部分。以太⽹就是⼀种在「局域⽹」内，把附近的设备连接起来，使它们之间可以进⾏通讯的技术。

MAC 头部是以太⽹使⽤的头部，它包含了接收⽅和发送⽅的 MAC 地址等信息，我们可以通过 ARP 协议获取对⽅的 MAC 地址。

传输单位

⽹络接⼝层的传输单位是帧（frame）， IP 层的传输单位是包（packet）， TCP 层的传输单位是段（segment）， HTTP 的传输单位则是消息或报⽂（message）。但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。

各个层的数据样例

应用层

GET / HTTP/1.1 Host: example.com User-Agent: Mozilla/5.0

传输层

Source Port: 54321 Destination Port: 80 Sequence Number: 12345 Acknowledgment Number: 23456

网络层 

Version: 4 Header Length: 20 bytes Differentiated Services Field: 0x00 (DSCP: Default; ECN: 0) Total Length: 52 Identification: 12345 Flags: 0x02 (Don't Fragment) Fragment Offset: 0 Time to Live: 64 Protocol: TCP (6) Header Checksum: 987654321 (correct) Source Address: 192.168.1.1 Destination Address: 127.0.0.1

网络接口层 

Destination MAC Address: 01:23:45:67:89:ab Source MAC Address: 0c:de:fa:12:34:56 Type: IPv4 (0x0800)

输入网址到网页显示，发生了什么？

  • 根 DNS 服务器（.）
  • 顶级域 DNS 服务器（.com）
  • 权威 DNS 服务器（server.com）

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缓存

那是不是每次解析域名都要经过那么多的步骤呢？

浏览器会先看⾃身有没有对这个域名的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，就去问操作系统，操作系统也会去看⾃⼰的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，再去 hosts ⽂件看，也没有，才会去问「本地DNS 服务器」。

协议栈

通过 DNS 获取到 IP 后，就可以把 HTTP 的传输⼯作交给操作系统中的协议栈。

协议栈的内部分为⼏个部分，分别承担不同的⼯作。上下关系是有⼀定的规则的，上⾯的部分会向下⾯的部分委托⼯作，下⾯的部分收到委托的⼯作并执⾏。

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TCP-可靠传输

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三次握手

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所以三次握⼿⽬的是保证双⽅都有发送和接收的能⼒

如何查看TCP的连接状态

TCP 的连接状态查看，在 Linux 可以通过 netstat -napt 命令查看。

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TCP分割数据

MTU Maximum Transmission Unit，意为"最大传输单元"：这个数据量包括了IP头部、TCP/UDP头部以及实际的数据内容。因此，在以太网环境中，MTU通常为1500字节。

MSS Maximum Segment Size最大段大小：除去 IP 和 TCP 头部之后，⼀个⽹络包所能容纳的 TCP 数据的最⼤⻓度。当计算TCP的MSS（最大段长度）时，我们从1500字节（标准以太网的MTU）开始，然后减去IP头部的长度（20字节）和TCP头部的长度（20字节），结果就是1460字节。

TCP报文生成

TCP 协议⾥⾯会有两个端⼝，⼀个是浏览器监听的端⼝（通常是随机⽣成的），⼀个是 Web 服务器监听的端⼝（HTTP 默认端⼝号是 80 ， HTTPS 默认端⼝号是 443 ）。

远程定位-IP

两点传输-MAC

⼀般在 TCP/IP 通信⾥， MAC 包头的协议类型只使⽤：

  • 0800 ： IP 协议
  • 0806 ： ARP 协议

ARP协议

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ARP缓存

在 Linux 系统中，我们可以使⽤ arp -a 命令来查看 ARP 缓存的内容。

ARP：如果想访问的不在一个字网内，怎么获取对方的MAC地址？

如果想访问的设备不在同一个子网内，那么本机会通过 ARP 协议获取到你的默认网关的 MAC 地址，而不是最终目标设备的MAC地址。

在这种情况下，网络通信的流程是这样的：

  1. 首先，你的计算机将要访问一个不在本地子网内的设备（例如，一个在互联网上的服务器）。这时，你的计算机先要判断目标设备不在本地子网内。
  2. 因为目标设备不在本地子网内，因此你的计算机发送一个 ARP 请求到你的局域网上，询问谁拥有默认网关的 IP 地址。
  3. 默认网关（通常是你的路由器）收到这个 ARP 请求后，会返回它的 MAC 地址。
  4. 获取到网关的 MAC 地址后，你的计算机将数据帧发送到这个 MAC 地址，然后此帧被默认网关接收并转发到适当的目标网络。
  5. 默认网关将数据包发送到互联网上，最终被目标设备接收。

所以，总结一下，如果目标设备不在本地子网内，你的计算机并不需要知道目标设备的MAC地址。而是将数据发送到默认网关的MAC地址，由默认网关负责将数据转发到正确的网络。

ARP：如果想访问的不在一个字网内，怎么获取对方的MAC地址？

好问题！当数据包从路由器转发出去后，MAC地址会发生变化。 一份详细的过程是，当路由器收到由源设备发送的数据帧时，路由器会首先解析数据帧的内容，包括源MAC地址、目标MAC地址、源IP地址和目标IP地址等信息。路由器将检查目标IP地址并在其路由表中查找相应的条目，以决定将数据帧转发到哪条路径。 

然后，路由器将新的出口接口的MAC地址写入MAC目标地址字段，将自己的MAC地址写入源MAC地址字段，并更新数据帧头部的其他信息。接下来，更新后的数据帧将被发送到目标网络。 

至于数据帧到达目标网络后，如果目标设备不在直接连接的网络中，中间的路由器将再次重复这个过程：提取数据帧，检查路由表，更新数据帧，然后将它发送出去。这个过程会一直持续下去，直到数据帧到达目标设备为止。 

所以说，MAC地址实际上在每个路由器都会发生变化，它们表示的是数据帧在每一跳网络路径上的“下一步”目标。

出口-网卡

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末尾的 FCS （帧校验序列）⽤来检查包传输过程是否有损坏

交换机

计算机的⽹卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收⽅ MAC 地址判断是不是发给⾃⼰的，如果不是发给⾃⼰的则丢弃；相对地，交换机的端⼝不核对接收⽅ MAC 地址，⽽是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此，和⽹卡不同，

交换机的端⼝不具有 MAC 地址。

当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址会怎么样？

地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包，或者这个设备⼀段时间没有⼯作导致地址被从地址表中删除了。

这种情况下，交换机⽆法判断应该把包转发到哪个端⼝，只能将包转发到除了源端⼝之外的所有端⼝上，⽆论该设备连接在哪个端⼝上都能收到这个包。

这样做不会产⽣什么问题，因为以太⽹的设计本来就是将包发送到整个⽹络的，然后只有相应的接收者才接收包，⽽其他设备则会忽略这个包。

此外，如果接收⽅ MAC 地址是⼀个⼴播地址，那么交换机会将包发送到除源端⼝之外的所有端⼝。以下两个属于⼴播地址：

  • MAC 地址中的 FF:FF:FF:FF:FF:FF
  • IP 地址中的 255.255.255.255

路由器

  • 因为路由器是基于 IP 设计的，俗称三层⽹络设备，路由器的各个端⼝都具有 MAC 地址和 IP 地址；
  • ⽽交换机是基于以太⽹设计的，俗称⼆层⽹络设备，交换机的端⼝不具有 MAC 地址。

实际上，从路由器1到路由器2的过程仍然需要MAC地址。每次数据包经过一个路由器时，都会发生所谓的"MAC地址转换"。 当数据包从路由器1到路由器2时，路由器1会使用它的路由表来确定向哪个方向转发数据包。然后，路由器1会查找它的ARP表，以确定路由器2（或下一个跳点设备）在同一网络段上的MAC地址。路由器1会使用这个MAC地址来发送数据包。 当路由器2接收到数据包时，它会发现数据包的目标MAC地址与自己的MAC地址匹配，然后对IP包进行处理，并根据其路由表进行下一步转发。 因此，每次数据包通过路由器时，都会发生MAC地址的更改。源MAC和目标MAC在经过每一跳（或网络设备）时都会被更改。这就允许数据包在其途径的每个网络段上找到正确的目标。

Linux是如何收发网络包的

网络模型

  • 应⽤层，负责给应⽤程序提供统⼀的接⼝；
  • 表示层，负责把数据转换成兼容另⼀个系统能识别的格式；
  • 会话层，负责建⽴、管理和终⽌表示层实体之间的通信会话；
  • 传输层，负责端到端的数据传输；
  • ⽹络层，负责数据的路由、转发、分⽚；
  • 数据链路层，负责数据的封帧和差错检测，以及 MAC 寻址；
  • 物理层，负责在物理⽹络中传输数据帧

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不过，我们常说的七层和四层负载均衡，是⽤ OSI ⽹络模型来描述的，七层对应的是应⽤层，四层对应的是传输层。

什么是七层和四层负载均衡？

问题（中间的思考）

校园网为什么修改DNS后不能跳转到登陆页面？

DNS，全称为域名系统（Domain Name System），是互联网的一项服务。它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。

校园网登录通常是通过一个内部网址进行的，用户的设备连接到校园网后，这个内部网址会被自动解析到用于登录验证的页面。校园网的DNS服务器为这些内部网址设置了特殊的解析规则。 如果你修改了设备上的DNS设置，把设备的DNS服务器改为非校园网的DNS服务器，如8.8.8.8（Google DNS）或208.67.222.222（OpenDNS）等公共DNS服务器。当你的设备再次尝试访问那个用于登录的内部网址时，这个新的DNS服务器并不知道这个内部网址应该如何解析，因为它们并没有被设置为包含校园网内部的解析规则。因此，你的设备将无法正确解析内部网址，也就无法跳转到登录页面了。 

解决这个问题的方式是在你需要使用校园网的时候，将DNS设置暂时改回到默认（自动获取），这样你的设备就应该能正常解析内部网址，跳转到登录页面了。等你成功登录校园网后，如果还需要，可以再将DNS设置改为你需要的服务器。

以太网和互联网的区别是什么？

以太网（Ethernet）和互联网（Internet）是两种不同的网络概念，他们在功能、应用和范围等方面存在显著的区别。

  1. 以太网：以太网主要是局域网（LAN）中使用的一种物理和数据链路层技术标准。它主要负责将数据帧从一个设备传输到另一个设备。以太网使用物理设备（如交换机，路由器），以及与之配套的网络协议进行数据通信。一般来说，以太网主要用于短距离的网络连接，比如家庭，学校或者办公楼等。它主要关注的是如何在设备之间有效地、准确地传输数据。 
  2. 互联网：互联网是全球不同的独立网络通过TCP/IP协议相互连接起来的网络系统。互联网是全球范围的网络，它允许任何位于世界任何地方的计算机系统或设备进行通信。互联网能够提供众多的服务，包括网络浏览、电子邮件、文件传输、在线游戏等。互联网的主要关注点在于如何从源到目标正确地路由信息。 

简单来说，以太网主要处理数据的物理传输，关注点在于如何在设备之间进行数据通信，而互联网则处理大范围的数据传输和路由，关注的是如何在全球范围内进行数据通信。

根服务器放置在什么地方

根服务器主要用于管理互联网的主目录，全球只有13台（这13台根服务器名字分别为“A”至“M”）。这些服务器承担了在互联网域名解析系统（DNS）中的最高级别的任务，负责返回顶级域的权威域名服务器地址。

虽然名义上全球只有13台根服务器，但实际上，这些服务器通常都是由多台服务器以任播方式运行，他们在全球各地的多个地点维护着镜像，以增加冗余性，提高运行效率，并使其对单个设备的故障或网络问题具有更高的抗性。而每个根服务器的具体位置会根据其运维单位的策略和需要来决定。

例如，A根服务器由美国网际网络信息中心（InterNIC）管理，D根服务器由美国防高等研究计划署提交给了University of Maryland，而F根服务器由互联网系统联盟（Internet Systems Consortium）在多个国家维护了镜像，C、G、H、I、K、L、M等根服务器则分别由三位运营商和五个研究机构负责管理。

中国的根服务器

在中国，主要的根域名镜像节点由中国互联网络信息中心（CNNIC）维护。其中包括F、I、J、L四个根域名的镜像服务。虽然这些并不是第一手根服务器，但它们具有相似的功能，意味着它们可以处理DNS查询请求，并将查询结果返回给用户。 

中国的这些根域名镜像节点大大降低了对外部网络的依赖，提高了DNS的解析效率，并提高了DNS的稳定性和安全性。这些节点部署在中国的各个主要城市，可以为该地区的用户提供高效、安全的DNS解析服务。 

对于每个具体的根服务器的位置，一般来说并不会公开具体的地理位置，这是出于安全性和保密性的考虑。

hosts ⽂件是用来干嘛的

hosts文件是一个系统文件，位于操作系统的系统目录下。这个文件可以被用来帮助网络设备进行网络地址（比如网站的URL）到IP地址的映射。

在你尝试访问一个网站或网络服务时，你的设备先会查询DNS服务器来获取该网站的IP地址。然而，在查询DNS服务器之前，你的设备会先查看hosts文件，看看是否已经有对应的IP地址记录在文件中。

如果hosts文件中有对应网站的记录，比如 "192.168.1.1 www.example.com"，那么你的设备将直接使用这个IP地址来访问www.example.com，而不会再去查询DNS服务器。

因此，hosts文件可以用来做以下事情：

  1. 速度提升：如果一个网站被访问非常频繁，并且其IP地址相对稳定，那么你可以在hosts文件中添加一条记录，这样每次访问都能够直接获取到IP地址，节省DNS查询时间。 
  2. 网站拦截：如果你不希望访问某个网站，你可以在hosts文件中为该网站添加一条映射到无效IP地址（如127.0.0.1，即本地主机）的记录，这样当你的设备尝试访问这个网站时，将会被重定向到无效的地址，从而达到拦截网站的目的。 
  3. 网络调试：hosts文件也可以被用来帮助网络管理员进行网络调试，通过手动改变网站的IP地址映射，可以模拟网站迁移、服务器更换等情况，观察和测试网络应用的反应。 

总的来说，hosts文件是一种可以进行域名解析的工具，可以直接影响到网络设备如何访问网络资源。

ICMP和ARP是什么协议？

简介

  • ICMP ⽤于告知⽹络包传送过程中产⽣的错误以及各种控制信息。
  • ARP ⽤于根据 IP 地址查询相应的以太⽹ MAC地址。

如果IP数据包MTU的一般的大小是1500（B bytes），那么TCP段的大小一般是多少呢

一般情况下，Ethernet v2和Fast Ethernet的MTU为1500字节，Gigabit Ethernet的MTU为9000字节（通常被称为Jumbo Frame）。当然，这个值是可以配置的，一般取决于你的网络环境。 TCP是建立在IP之上的协议，TCP段的大小指的是TCP的数据部分的大小。这个大小必须要小于MTU扣除IP头（20字节）和TCP头（20字节）后的大小。 

因此，如果IP的MTU是1500字节，在没有其他选项字段的情况下，TCP段的最大大小（一般被称为MSS，Maximum Segment Size）为1460字节。这是因为IP头和TCP头各自需要20字节的空间，总共是40字节。所以1500（IP的MTU）- 40（IP头和TCP头的大小）= 1460字节。 总的来说，TCP段的大小通常取决于IP的最大传输单元（MTU）的大小。

netstat -napt命令中的单词是什么意思呢

netstat -napt 是一个在Unix和类Unix系统中非常常用的网络工具命令。每一个标志都有其特定的含义：

  1. netstat：这是“网络统计（network statistics）”的简写，这个命令用于显示网络连接，路由表，接口统计等等网络信息。 
  2. -n：“数字（numeric）”，用于显示数值型的网络地址和服务，而不是尝试将它们解析成域名、网络名、用户名等。 
  3. -a：“所有（all）”，使用该参数将显示所有的连接和监听端口。 
  4. -p：“进程（process）”，这个参数会同时显示相关的网络连接的进程信息。 
  5. -t：“TCP”，只显示TCP协议的连接情况。 

当 netstat -napt 命令一起使用时，它会显示所有使用TCP协议的，与该系统相关的网络连接，并在显示结果中包括关联的进程和数值型的网络地址。

网关、默认网关的作用是什么？

Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         172.19.31.253   0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
10.244.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 ztcfwzy2sk
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth0
172.19.16.0     0.0.0.0         255.255.240.0   U     0      0        0 eth0
172.26.0.0      0.0.0.0         255.255.0.0     U     0      0        0 zt6ntoem5a
这里只有第一个网关非0 为什么

此段信息是Linux系统中的路由表。路由表是网络设备如何找到目标地址的指南，它会告诉数据包应该沿哪个路径到达目标地址。

路由表中每一行即为一个路由项，含义如下：

  • Destination：目标网络的地址
  • Gateway：目标网络的网关地址
  • Genmask：目标网络的子网掩码
  • Flags：各种标识，UG表示使用网关，U表示该路由是活动状态
  • Metric：路由距离，用来决定多条路由中最优路由
  • Ref：引用计数，有多少个在用此路由
  • Use：此路由项被使用的次数
  • Iface：出接口

上述路由表中，大部分路由项的gateway为0.0.0.0，这通常表示这些目标网络与本机在同一网络中（直接连通），不需要经过任何网关即可达到，这也是为什么它们的gateway为0.0.0.0。

但对于第一行0.0.0.0的destination，表示所有未在路由表其他项中定义的网络，即默认路由。这个路由项的网关是172.19.31.253，也就是说，所有不在路由表其他项中指定的网络流量都会通过这个网关（即默认网关）发送。这是为什么只有第一个网关非0的原因，它通常用于连接到其他网络，如互联网。

默认网关（Default Gateway）是一个网络设备在网络通信中的关键组成部分，它可以连接两个或更多的网络，通常是一个路由器。

  1. 什么是默认网关： 默认网关是一个网络上用于连接其他网络的硬件或者设备。在家庭环境中，当你的电脑连接到Wi-Fi时，Wi-Fi路由器就是你电脑的默认网关。它通常有一个IP地址，比如192.168.1.1或者192.168.0.1。 
  2. 默认网关的作用： 它扮演了一个“翻译”的角色，可以说默认网关是连接本地网络和互联网的“桥梁”。 
  • 当你的设备需要访问或发送数据到本地网络（例如你家的Wi-Fi网络）内的其他设备时，你的设备会直接将数据发送到对应设备。
  • 但当你想要访问互联网（例如你想访问www.google.com）时，你的设备会发送数据到默认网关，然后由默认网关转发这些数据到互联网。同样，从互联网返回的数据也会首先到达默认网关，然后由默认网关转发回你的设备。

所以，简单来说，如果一个设备想要和不在本地网络内的其他网络设备通信，它就需要通过默认网关。

网关是怎么产生的，是路由器计算得出的吗？

网关不是由路由器计算得出的，它是网络管理员或者设备用户手动设定或者通过 DHCP（动态主机配置协议）自动获取的。在一个网络环境中，网关通常是一个网络连接设备，如路由器。 

网关在网络中起着关键的桥梁作用，它允许不同网络之间的通信。网络中的设备，如电脑、手机等，都需要设置一个网关，使得这些设备能够发送信息到其他不在同一网络的设备。 

在大多数家庭和小型企业网络中，网关通常是宽带路由器的 IP 地址。而在大型企业网络或互联网服务提供商（ISP）网络中，网关可能是专门的网络硬件。 当一个设备试图与不在其本地网络中的另一个设备通信时，会将信息发送到其设定的网关。然后，网关会将信息路由到正确的目标地址。 

所以，网关的设定是网络中非常重要的一部分，它决定了信息如何从一个网络路由到另一个网络。

本文为小林Coding的学习日记，部分图片出自小林Coding 原文链接：xiaolincoding.com/network/1_b…

转载自:https://juejin.cn/post/7344567644173058083
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