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5.网络原理之TCP_IP

news 2025/11/17 9:32:40

1.网络基础

（1）IP地址

定义：

IP地址是指互联网协议地址，又译为网际协议地址，IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

格式：

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：01100100.00000100.00000101.00000110。通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如： 100.4.5.6。

组成：

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

分类：

主机最大连接数减去2，是扣除主机号为全0和全1的特殊IP地址

（2）子网掩码

格式：

子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字"1"表示;

1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。

作用：

划分子网

如一个B类IP地址：191.100.0.0，按A ~ E类分类来说，网络号二进制数为16位网络号+16位主机号。假设使用子网掩码 255.255.128.0（即17）来划分子网，意味着划分子网后，高17位都是网络位/网络号，也就是将原来16位主机号，划分为1位子网号+15位主机号。

网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号及主机号，一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。

计算：

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

（3）MAC地址

用于标识网络设备的硬件物理地址。

主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地址。
网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。
MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如： 08:00:27:03:fb:19），在网卡出厂时就确定了，不能修改。
虚拟机中MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址。

（4）IP地址 VS MAC地址

IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。
MAC地址描述的是每一跳的起点和终点；是给网络硬件设备使用的网络物理地址。

（5）网络设备及相关技术

集线器：转发所有端口

集线器是工作在物理层的网络设备，发送到集线器的任何数据，都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口；

交换机：MAC地址转换表+转发对应端口

交换机工作在数据链路层，交换机内部会记录并维护一张MAC****地址转换表：

MAC地址转换表主要记录MAC地址与端口之间的映射。主机连接到交换机，及主机发送数据的时候，交换机可以学习并记录该主机MAC地址与端口信息。交换机接收到数据报以后，在MAC地址转换表中，通过目的MAC查找到对应的端口，则目的主机为该端口相连接的主机。只需要将数据报转发到对应端口上即可；

主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

ARP是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。

在数据链路层，寻找下一跳设备MAC地址的过程，称为ARP寻址：主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表：通过IP地址可以找到对应的MAC地址；根据下一跳设备的IP地址，在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址，则可以设置目的MAC并发送数据报；如果找不到，则发送ARP广播数据报：目的MAC为广播地址，询问下一跳设备的MAC地址；

路由器：路由+NAPT

路由器作为网关，可以划分公网和局域网，某些路由器还可以将局域网划分为多个子网；

路由，即在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；

（6）冲突域

主机之间通过网络设备（集线器、交换机）的物理端口、网线相连时，两个主机在同一时刻同时发送数

据报，如果存在冲突，则该网络范围为一个冲突域

交换机可以分割冲突域，分割后，一个端口为一个冲突域。

（7）广播域

广播是指某个网络中的主机同时向网络中其它所有主机发送数据（IP、MAC地址设置为广播地址），这个数据所能传播到的范围即为广播域

集线器接收到广播数据报，仍是简单的复制、转发到其他所有端口，所以集线器的所有端口为一个广播域。

交换机接收到广播数据报，会转发到其他所有端口；而路由器可以隔离广播域

2.网络数据传输流程

（1）局域网传输流程：集线器

使用集线器网络互联的情况下，发送端主机发送数据包时，需要先从上到下封装数据报。但封装时，目

的MAC可能并不知道，需要先进行ARP寻址：

发送端在本机ARP缓存表中，根据目的IP查找对应的MAC地址
如果找到，则可以在数据链路层以太网帧头中，设置目的MAC并发送数据包
如果没有找到，需要先发送ARP广播请求，让目的主机告诉自己，目的MAC是多少
发送端更新本机ARP缓存表：保存目的IP与目的MAC的映射
有了目的MAC，就可以按照第（2）个步骤发送数据了。

（2）局域网传输流程：交换机

交换机保存有MAC地址转换表，记录MAC地址和端口的映射关系

读取数据，可以知道源MAC的主机是连接哪个端口
通过目的MAC查找对应的端口
如果找到，直接将数据报转发到对应的端口
如果找不到，将数据报广播到所有端口，目的主机返回响应，即可记录目的主机MAC与端口

3.应用层重点协议

（1）DNS

DNS，域名系统，是一整套从域名映射到IP的系统。

TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址。

域名是一个字符串，如 www.baidu.com
域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：根节点即为根域名服务器，子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址：
域名解析的过程：发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点，通过域名信息，从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点（根域名服务器）还找不到，即找不到该主机。
域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议，基于传输层UDP或TCP协议来实现。

（2）NAT

NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；

NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP，也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；

由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

无法从NAT外部向内部服务器建立连接；转换表的生成和销毁都需要额外开销；通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开；

4.传输层重点协议

4.1TCP协议

TCP，传输控制协议，要对数据的传输进行一个详细的控制。

（1）协议段格式

（2）TCP原理

确认应答机制

TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。

超时重传机制

主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；

连接管理机制

TCP要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接

滑动窗口机制

一发一收的方式性能较低，那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能

流量控制

接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应；因此TCP支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做流量控制

接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段，通过ACK端通知发送端；
窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；
接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

拥塞控制

TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；

此处引入一个概念程为拥塞窗口

发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为实际发送的窗口；

像上面这样的拥塞窗口增长速度，是指数级别的。“慢启动” 只是指初使时慢，但是增长速度非常快；为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍；此处引入一个叫做慢启动的阈值，当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长

延迟应答

如果接收数据的主机立刻返回ACK应答，这时候返回的窗口可能比较小。

假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；如果立刻应答，返回的窗口就是500K；但实际上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了；在这种情况下，接收端处理还远没有达到自己的极限，即使窗口再放大一些，也能处理过来；如果接收端稍微等一会再应答，比如等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是1M；

（3）粘包问题

首先要明确，粘包问题中的 “包” ，是指的应用层的数据包。

在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段，但是有一个序号这样的字段。
站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。
站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个完整的应用层数据包。

如何避免粘包问题呢？归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界。

对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；例如上面的Request结构，是固定大小的，那么就从缓冲区从头开始按sizeof（Request）依次读取即可；
对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位置；
对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符

（4）TCP异常情况

进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送FIN。和正常关闭没有什么区别。
机器重启：和进程终止的情况相同。
机器掉电/网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了，就会进行reset。即使没有写入操作，TCP自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在。如果对方不在，也会把连接释放。

4.2UDP协议

（1）格式

（2）特点

无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行传输，不需要建立连接；
不可靠： 没有任何安全机制，发送端发送数据报以后，如果因为网络故障该段无法发到对方，UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息；
面向数据报：应用层交给UDP多长的报文，UDP原样发送，既不会拆分，也不会合并；
缓冲区：UDP只有接收缓冲区，没有发送缓冲区：
大小受限 :UDP协议首部中有一个16位的最大长度。也就是说一个UDP能传输的数据最大长度是64K（包含UDP首部）。

（3）基于UDP的应用层协议

NFS：网络文件系统
TFTP：简单文件传输协议
DHCP：动态主机配置协议
BOOTP：启动协议（用于无盘设备启动）
DNS：域名解析协议

5.网络层重点协议

IP协议

4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
4位头部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。
16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。
16位标识：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
3位标志字段：第一位保留。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0。类似于一个结束标记。
13位分片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍。
8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
8位协议：表示上层协议的类型。
16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。

6.数据链路层重点协议

6.1以太网

（1）定义

“以太网” 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；例如以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等；
以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等；

（2）以太网帧格式

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
帧末尾是CRC校验码

6.2MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片；
不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

6.3ARP协议

ARP协议建立了主机 IP地址和 MAC地址的映射关系。

源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段；
目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间，如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

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