1.1 OSI 七层模型总览#

• 第7层：应用层：用户直接打交道的地方。比如打开浏览器（HTTP）、发邮件（SMTP）。
• 第6层：表示层：负责数据的翻译等。比如加密解密、压缩解压、格式转换。
• 第5层：会话层：负责建立和管理数据通讯窗口。决定是建立连接、维持连接还是断开连接。
• 第4层：传输层：负责端到端准确交付数据。比如 TCP、UDP。它决定数据是可靠送到（TCP）还是只管发不管收（UDP），以及数据该给电脑里的哪个软件（通过端口号）。
• 第3层：网络层：负责找路和跨网段。比如 IP、ICMP。它给数据加上 IP 地址以访问目的 IP
• 第2层：数据链路层：负责局域网内的传递。比如 MAC 地址、以太网。
• 第1层：物理层：负责传输电信号、光信号，比如网线、光纤、网卡。

1.2 五层模型总览#

1.3 三模型对比#

它们之间的对应关系如下表：

1.4 五层模型中每层的 PDU#

PDU（协议数据单元）：数据在每一层打包后的名字。

• 应用层：报文（Message）。比如发一封邮件，整个邮件内容就是报文。
• 传输层：段（Segment）。如果是 TCP 协议，叫“数据段”；如果是 UDP 协议，叫“数据报”。

包含：TCP 首部 + 应用数据**：假设浏览器要向网站发送一个请求。应用层先产生请求数据，使用 TCP 传输时，TCP 会把这些数据组织成报文段，并加上 TCP 首部。

TCP 首部包含：源端口（如浏览器产生的临时端口，客户端发出请求的情况），目的端口（如服务器443），序号/确认号，校验和。

• 网络层：包（Packet）

IP 首部 + TCP 报文段**：TCP 报文段形成后，IP 再给它加上 IP 首部，组成 IP 数据包。

IP 首部包含：源 IP，目的 IP，TTL，协议号。

• 数据链路层：帧（Frame）
• 物理层：**比特（Bit）

NOTE

IP 负责尽力交付，但本身不保证数据一定到达，也不保证按顺序到达。 使用 TCP 时，这些可靠性问题由两端的 TCP 机制处理。

总结：应用数据装进 TCP 报文段，TCP 报文段装进 IP 数据包，IP 数据包装进链路层帧 注：这里的流程只是简化版本，实际上，一次应用请求可能被拆成多个 TCP 报文段；HTTPS 的应用内容还会经过 TLS 加密。

1.5 常见协议#

2.1 默认网关#

默认网关（Default Gateway）通常是本地网络中一台路由器或三层交换机的接口 IP 地址。当主机找不到更具体的路由时，就把数据包交给默认网关，由它继续转发。

IMPORTANT

这里的找不到更具体的路由指： 路由表中的每一条路由，都对应一段目的 IP 地址范围：

• 192.168.1.0/24：只匹配 192.168.1.x 这段地址。
• 10.20.30.0/24：只匹配 10.20.30.x 这段地址。
• 0.0.0.0/0：可以匹配任意 IPv4 地址。 匹配范围越小，路由越具体；如果同时匹配多条，就优先选择前缀最长的那条。 例如 /24 比 /0 更具体。

以通过以太网访问 8.8.8.8 （谷歌 DNS 服务器）为例，主机先通过 ARP 查询默认网关的 MAC 地址，再封装并发送以太网帧：源 IP（本机 IP），目的 IP（8.8.8.8），源 MAC（本机网卡的 MAC），目的 MAC（默认网关对应接口的 MAC）。网关收到后会查询自己的路由表，再决定从哪个接口、向哪个下一跳转发。

如果没有默认网关，也可能访问外部网络，只要本机有路由表切路由表里有匹配目标IP的具体路由，且下一跳可以到达，就能访问对应网络。但没有默认路由时，就只能访问路由表明确覆盖的目的地，不能随意访问整个互联网。

2.2 默认路由#

默认路由是路由表中的一条特殊路由，IPv4 通常写成 0.0.0.0/0

1
default via 192.168.1.1 dev eth0
2
等价于
3
0.0.0.0/0 via 192.168.1.1 dev eth0

表示的意思就是：如果一个目的 IP 在路由表里找不到更具体的匹配项，就按这条路由走。

默认网关就是默认路由里那个“下一跳”的 IP 地址，通常是本地路由器 LAN 口地址

2.3 私有 IP 范范围#

• 10.x.x.x （10.0.0.0 ~ 10.255.255.255）
• 172.16.x.x ~ 172.31.x.x
• 192.168.x.x （192.168.0.0 ~ 192.168.255.255）
• APIPA（自动私有 IP 寻址）：这是一个特殊现象。当你的电脑连不上 DHCP 服务器（比如路由器坏了，或者网线没插好），Windows 系统会自动给自己分配一个 169.254.x.x 开头的 IP 地址

2.4 网段#

决定：IP + 子网掩码

比如 A 设备的 IP 与子网掩码如下：

1
192.168.1.10/24 -> 掩码：255.255.255.0（CIDR转换，将子网掩码换算成二进制，数网络段有多少个1）

掩码与 IPV4 通过按位与来判断不同设备是不是在同一个子网内，前面的网络段相同代表在同一个子网内

A 所在子网：192.168.1.0 ~ 192.168.1.255，再减去最前和最后地址。

2.4 临时源端口#

服务端监听的是固定目的端口，比如 Web 服务 80、SSH 22。但客户端也需要一个源端口，否则内核无法区分同一台客户端上的多个连接（比如多个标签页访问同一个网站，目的 IP 和目的端口都一样，但源端口不同，内核才能把返回的数据包分给正确的应用程序）

Socket 工作流程#

socket 是应用程序与操作系统网络协议栈之间的编程接口，下面的例子是 TCP Socket：

• 首先服务端创建一个通信端点，然后将 Socket 绑定到本机的某个 IP 和端口。随后将 Socket 变成监听 Socket，准备接收客户端的连接。服务端此时通过 accept 返回的 socket 等待连接
• 客户端创建 Socket，并向服务端发起连接请求，通过完成 TCP 三次握手后建立连接，服务端将连接放进队列，accept 从队列取出连接。客户端不需要显式 bind，因为内核户会自动分配一个临时源端口。
• 双方开始传输数据，系统会把这些数据交给内核，由内核的 TCP 协议负责封装、确认等等
• 最后关闭连接，进行四次挥手。

监听 Socket：被动等待客户端来发起连接，不参与收发数据。主要作用就是让服务端能够满足多个客户端，让数据发配到对应的客户端。

VLSM：可变长子网掩码#

根据不同子网的主机数量需求，使用不同长度的子网掩码，划分出大小不同的子网

IPV4 一共 32 位，/n 表示前面的 n 位都是网络部分，后面的 32 - n 是主机部分。 由于在传统 IPV4 子网中：

• 主机位全为 0：网络地址，用来标识整个子网。
• 主机位全为 1：广播地址。

所以如果主机位有 $h$ 位，那么可用主机数为：

eg：使用VLSM对网络10.11.0.0/20进行子网划分，要求划分为三个子网，第一个子网要求至少容纳796名用户，第二个子网要求至少容纳31名用户，第三个子网至少容纳两名用户，该如何划分？

按照从大到小分

交换机#

交换机主要连接同一局域网里的设备

流程：举个例子：

电脑 A 给同一局域网的电脑 B 发数据，A 根据子网掩码判断 B 与自己在同一子网。于是 A 通过 ARP 查询 B 的 MAC 地址，将数据包在以太网帧里发送给交换机。交换机根据目的 MAC，查询 MAC 地址表，把帧转发到 B 所在的端口。

路由器#

A 判断网站 IP 不在本地子网，于是通过 ARP 查询默认网关的 MAC 地址，发送给交换机，交换机根据目的 MAC 交给默认网关（路由器接口）。路由器取出 IP 数据包，查询路由表，确定下一跳，再重新封装链路层帧转发出去。

两种接口：

• WAN 口：作用：连接上级网络，连接对象：校园网墙上网口、上级路由器
• LAN 口：作用：连接局域网设备

对比路由器与交换机：

三次握手#

1. 客户端到服务端：

   • 客户端发送 SYN=1，附带一个初始序列号 seq=x，此时客户端进入 SYN_SENT 状态。

2. 服务端到客户端：

   • 服务端收到请求，发送 SYN=1, ACK=1，附带服务端自己的初始序列号 seq=y，以及确认号 ack=x+1，此时服务端进入 SYN_RCVD 状态。

3. 客户端到服务端：

   • 客户端收到确认后，发送 ACK=1，附带确认号 ack=y+1，此时客户端和服务端双双进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态，开始传输数据。

为什么是三次握手，不能是两次？ 假设客户端发出第一个 SYN 包，在网络中迷路滞留了很久，客户端超时重发了一个新的 SYN，顺利建立连接并传输完数据后关闭。此时，那个迷路的旧 SYN 包才到达服务端。

• 如果是两次握手：服务端收到这个失效的旧 SYN，以为客户端又要建立新连接，便会直接回复 SYN+ACK 并进入连接状态。但客户端早就没发新请求，不会理会这个回复。这会导致服务端浪费资源去维持一个无效连接。

四次挥手#

1. 客户端到服务端：

   • 客户端发送 FIN=1，附带序列号 seq=u，表示自己不再发送数据了，此时客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

2. 服务端到客户端：

   • 服务端收到 FIN，发送 ACK=1，附带确认号 ack=u+1。此时服务端进入 CLOSE_WAIT 状态，客户端收到后进入 FIN_WAIT_2 状态。

3. 服务端到客户端：

   • 服务端把剩余的数据全部发送完毕后，发送 FIN=1, ACK=1，附带序列号 seq=w，确认号 ack=u+1，表示自己也要关闭了，此时服务端进入 LAST_ACK 状态。

4. 客户端到服务端：

   • 客户端收到 FIN，发送 ACK=1，附带确认号 ack=w+1。此时客户端进入 TIME_WAIT（时间等待）状态，等待 2 个 MSL（最大报文段生存时间，Linux 默认 60 秒）后，才真正进入 CLOSED 状态。服务端收到这个 ACK 后，直接进入 CLOSED 状态。

为什么是四次挥手，不能是三次？ TCP 是全双工通信（双方可以同时发数据）。

• 客户端发 FIN，只代表客户端不再发数据了，但服务端可能还有数据没发完。
• 所以服务端必须先回一个 ACK（表示“收到你的关闭请求了”），等自己把话说完，再发送自己的 FIN。
• 这就导致 ACK 和 FIN 不能合并发送，所以需要四次挥手。

为什么客户端最后要等 2MSL（TIME_WAIT 状态）？ 主要有两个原因：

1. 保证最后一个 ACK 能到达服务端：如果最后这个 ACK 在网络中丢失，服务端会超时重传 FIN。如果客户端立即关闭，就无法接收并响应这个重传的 FIN，导致服务端一直关闭不了。等待 2MSL 就是为了能再处理一次重传的 FIN。
2. 防止“旧数据包”干扰新连接：等待 2MSL 可以让本次连接中滞留在网络里的所有旧数据包都自然消亡，避免它们在新建立的连接中被误认为是新数据，造成数据错乱。

Ping 的工作原理#

1. 发起请求：
   • 本机向目标 IP 发送一个 ICMP Echo Request（回显请求） 数据包，并开始计时。
2. 等待响应：
   • 等待目标主机返回 ICMP Echo Reply（回显应答） 数据包。
3. 计算时间：
   • 收到回复后，停止计时，计算出 RTT（往返时间），并显示结果。
4. 显示信息：
   • 输出包含：目标 IP、字节数、时间（ms）、TTL（生存时间）。

Ping 依赖的 ICMP 协议，其报文是直接被封装在 IP 数据包里的，不需要经过 TCP 或 UDP。ICMP 属于网络层协议，专门用于传递网络控制信息**（如“目标不可达”、“超时”等）。

常用的网络测试指令#

1. ipconfig (Windows) / ifconfig 或 ip addr (Linux)

   • 作用：查看本机的 IP 地址、子网掩码、默认网关和 MAC 地址。
   • 场景：连不上网时，第一步先查自己的网络配置对不对。

2. tracert (Windows) / traceroute (Linux)

   • 作用：路由追踪，显示数据包从本机到目标主机经过的每一个路由器节点。
   • 场景：ping 不通时，用这个查是走到哪一跳断掉的。

3. nslookup (Windows/Linux) / dig (Linux)

   • 作用：域名解析查询，把域名（如 www.baidu.com）转换成 IP 地址。
   • 场景：能上 QQ 但打不开网页（大概率是 DNS 故障）时排查。

4. netstat / ss

   • 作用：查看本机的网络连接状态、端口监听情况。
   • 场景：排查端口占用，查看是否有异常外部连接。

5. Test-NetConnection www.naie-char.cc -Port 443

• 作用：看 RemoteAddress 和 TcpTestSucceeded。True：本次到所显示地址的 TCP 443 建连成功。HTTP 的默认端口是 80，HTTPS 的默认端口是 443。

Ping 127.0.0.1 验证了哪层#

结论：验证了本机网络协议栈的网络层、数据链路层和物理层（即网络层及以下）是正常工作的。

• 能验证什么：
  • 操作系统能正确处理 IP 数据包（网络层正常）。
  • 本机网卡驱动和底层协议栈正常（数据链路层、物理层软件层面正常）。
• 不能验证什么：
  • 不能验证网卡硬件是否损坏（127.0.0.1 是环回地址，数据包不经过物理网卡）。
  • 不能验证外部网络是否通畅。
  • 不能验证传输层（TCP/UDP）和应用层（HTTP/FTP）是否正常。

经典排障顺序（从下到上）

1. ping 127.0.0.1（查本机网络协议栈坏没坏）
2. ping 本机IP（查网卡驱动和配置是否生效）
3. ping 默认网关（查局域网通不通）
4. ping 公网IP（如 8.8.8.8，查外网通不通）
5. ping 域名（如 www.baidu.com，查 DNS 正不正常）

1. 以太网：规定局域网怎样传输数据#

以太网（Ethernet）是一套常见的局域网技术标准。电脑通过网线连接交换机，就是典型的以太网使用场景。IP 数据包被装在以太网帧里面传输。

2. MAC 地址：标识网络接口的地址#

MAC 地址是链路层使用的一种地址，他表示：在当前链路上，发送一个帧时，用来指定接收接口的地址。

MAC 地址标识的是网络接口，不是整台电脑。 一台电脑的有线网卡和无线网卡通常各有自己的 MAC 地址。

NOTE

与 IP 地址的区别：IP 地址属于网络层，供网络层寻址和跨网络路由使用；MAC 地址属于数据链路层，在当前链路上指定帧的接收接口

3. 链路地址#

链路地址是数据链路层地址的统称。在以太网中，链路地址就是指 MAC 地址

4. ARP 地址解析协议：已知 IPv4 地址，查询 MAC 地址#

具体流程：假设一个局域网内有 A B 两台设备（A 通过子网掩码判断与 B 在同一个子网），A 需要向 B 发送 IP 数据包，需要填写目的 MAC 地址，如果 A 只知道 B 的 IP 地址，就需要 ARP：

• A 先查自己的 ARP 缓存，看是否已经保存了对应关系
• 如果没有，A 广播 ARP 请求：“谁的 IP 是 xx.x.x.xx.？请告诉我你的 MAC 地址。”
• B 收到后，通常向 A 单播回复自己的 MAC 地址
• A 缓存这个对应关系，再把 IP 数据包装入以太网帧发给 B

RP 不是把 IP 地址按某个公式计算成 MAC 地址，而是通过询问，获得二者的对应关系。

以太网帧的目的 MAC，未必是最终目标主机的 MAC：比如 A 想访问互联网上的服务器，通常会把数据先交给默认网关，此时 IP 数据包里的目的 IP 是远端服务器 IP，当前以太网帧的目的 MAC 地址填写默认网关的 MAC 地址

1
arp -a

arp -a 用来查看电脑当前的 ARP 缓存表：记录局域网中某个 IPv4 地址对应的 MAC 地址.

5. MAC 地址表学习过程#

核心：交换机看“源 MAC”学习，看“目的 MAC”转发。

假设有如下情景（这里用 ABC 指代电脑的 MAC 地址）

1
电脑 A ── 端口 1
2
电脑 B ── 端口 2     交换机
3
电脑 C ── 端口 3

1. A 给 B 发一帧数据。这一帧从端口 1进入交换机，里面写着：源 MAC A，目的 MAC B。

交换机于是知道了 A 的 MAC 从端口 1 去找，但是他并不会记录 MAC B。接着，交换机查找目的 B，发现表中没有，于是把这一帧从端口 2、3都发出去，不发回入口 1。这叫泛洪。

2. 假设 B 回复了 A，回复从端口 2 进入交换机，里面写着：源 MAC B，目的 MAC A，交换机于是知道了 B 的 MAC 对应端口 2

DNS 安全性#

PTR：反向 DNS#

PTR 是 DNS 中用于反向解析的一种记录，可以根据 IP 地址查询对应的名称。输入 IP 时，nslookup 会尝试进行反向查询。

递归、迭代、权威与缓存#

递归查询：客户端请解析器完成查询，返回最终答案或错误。 迭代查询：查询者按服务器提供的指引继续询问其他服务器。 递归解析器：替客户端寻找答案并缓存结果；也可能转发给上游 权威服务器：常提供下一步该问谁，而不是直接提供最终网站的 IP。根服务器提供根区域的信息，知道 .com、.org 等顶级域该去问哪些服务器。.com 顶级域服务器提供 .com 区域的信息，知道 example.com 等域名该去问哪些权威服务器。

VTP#

VTP 是一个二层协议，用来在同一个 VTP 域内的交换机之间自动同步 VLAN 数据库，减少逐台手工创建 VLAN 的工作量。

VLAN 数据库：本机所持有的 VLAN ID、名称、状态，不同步端口划分，也不同步 trunk 允许列表。

理解：多台交换机可以共同承载同一个 VLAN，但不一定需要 VTP。VTP 只是帮助它们同步 VLAN 配置，省去逐台创建的工作。

下面给一个方便理解的例子：

两台交换机之间用 Trunk 链路连接，并允许 VLAN 10 通过，那么甲、乙就可以处于同一个二层网络中

如果不用 VTP，这里需要手动配置：

• 两台交换机上都存在 VLAN 10
• 两台交换机分别把对应的电脑端口划入 VLAN 10。
• 交换机之间的链路能承载 VLAN 10 的数据。

对比 trunk、access#

组成结构#

• 虚拟交换机 (Virtual Switch)：可以理解为软件实现的交换机，代号是 VMnet0、VMnet1、VMnet8 等。它负责连接虚拟机、宿主机以及外部网络。
• 虚拟网络适配器 (Virtual Network Adapter)：即虚拟机的网卡，它插在虚拟交换机上，让虚拟机具备通信能力。
• 虚拟 DHCP 服务器：提供 DHCP 地址池，负责在特定模式下自动为虚拟机分配 IP 地址。
• 虚拟 NAT 设备：仅在 NAT 模式下存在，负责将虚拟机的私有 IP 地址转换为宿主机的 IP 地址，从而实现对外部网络的访问。

网络模式#

1. 桥接模式：对应交换机 VMnet0。VMware 创建一个虚拟网桥，把物理网卡和虚拟机的虚拟网卡桥接在一起，这样虚拟机通过主机直接接入真实局域网。此时虚拟机拥有独立的 IP 地址，直接向路由器请求 DHCP，而不是虚拟机内部的 DHCP
2. NAT 模式：对应交换机 VMnet8。VMware 在宿主机内部创建了一个私有子网，并运行虚拟 NAT 设备和虚拟 DHCP 服务器。虚拟机先从这个私有网络获取 IP，当它要访问外网时，虚拟 NAT 设备会把数据包的源地址替换成宿主机的 IP 地址，再通过物理网卡发送出去。特点：外部网络无法访问虚拟机，但是虚拟机可以上网
3. 仅主机模式：对应交换机 VMnet1。可以理解为去掉了虚拟 NAT 设备的 NAT 模式。它同样创建一个完全包含在宿主机内部的私有网络，并由虚拟 DHCP 服务器分配 IP，但没有任何组件负责将流量转发到外部网络。虚拟机只能与宿主机（以及同一仅主机网络中的其他虚拟机）通信，完全无法访问互联网

应用层#

包含；浏览器、ping.exe、nslookup.exe、curl

Winsock#

Windows Sockets，应用和协议栈之间的接口层。提供 socket()、connect()、send()、recv() 等 API；把 Winsock 调用转成 TCP/IP 栈能处理的请求

数据单位：socket 调用和字节流，不涉及 IP 包

TCP/IP 栈#

包括熟悉的：IP, TCP, UDP, ICMP, ARP 解析 MAC 地址, IP 配置, 路由表, 回环接口

数据单位：TCP 段 / UDP 数据报 / IP 包 / ICMP 消息。

NDIS#

它是 TCP/IP 栈和网卡驱动之间的标准接口

数据单位：帧

网卡驱动#

网卡#

登录认证#

1. 校园网自助服务平台：https://self.uestc.edu.cn/ 自助服务平台用于账号查询、密码修改、运营商绑定等。公网可以访问
2. 寝室上网认证平台：http://rz.uestc.edu.cn/
3. 校园上网认证平台：https://wifi.uestc.edu.cn/

NOTE

绑定运营商步骤：

1. 向运营商办理宽带业务，取得运营商上网账号、密码。
2. 登录自助服务平台，绑定运营商账号密码
3. 进入认证页面，使用沙河校园网账号、密码进行认证

配线架#

配线架可以理解为：网线的集中接线和管理面板，通常安装在网络机柜里。

整体结构：路由器/电脑 → 墙上网口 → 楼内固定网线 → 配线架 → 跳线 → 交换机

模块与面板#

修网打灰