网络基础2 - 技术栈

IP

一、IP地址的定义

IP地址（Internet Protocol Address） 是互联网上唯一标识设备的逻辑地址，用于在网络中定位和通信。

核心作用 ：
- 寻址：确定设备在网络中的位置。
- 路由：指导数据包从源到目标的传输路径。
版本：
- IPv4 ：32位二进制，格式如 192.168.1.1（主流使用，但地址耗尽）。
- IPv6 ：128位二进制，格式如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334（解决IPv4地址不足问题）。

二、IPv4地址的结构

1. 二进制与点分十进制转换

IPv4地址本质 ：32位二进制数，分为4组（每组8位），转换为十进制后以.分隔。
- 例：11000000.10101000.00000001.00000001 → 192.168.1.1。

2. 网络位与主机位

子网掩码（Subnet Mask） ：标识IP地址的网络部分和主机部分。
- 网络位 ：子网掩码中连续的1，标识设备所属的网络。
- 主机位 ：子网掩码中连续的0，标识网络内的具体设备。
- 例：192.168.1.1/24 → 子网掩码为255.255.255.0，前24位为网络位，后8位为主机位。

三、IPv4地址分类

1. 主要类别

类别	范围	默认子网掩码	网络数/主机数	用途
A	1.0.0.0 - 126.255.255.255	255.0.0.0 (/8)	126网络，1600万主机/网	大型机构（如政府）
B	128.0.0.0 - 191.255.255.255	255.255.0.0 (/16)	1.6万网络，6.5万主机/网	中型企业
C	192.0.0.0 - 223.255.255.255	255.255.255.0 (/24)	200万网络，254主机/网	小型网络（家庭/办公室）
D	224.0.0.0 - 239.255.255.255	-	组播地址（如视频会议）	一对多通信
E	240.0.0.0 - 255.255.255.255	-	保留地址（实验用途）	未分配

2. 私有地址与公有地址

私有地址 ：仅在局域网内使用，不可直接访问互联网。
- A类：10.0.0.0/8
- B类：172.16.0.0/12（172.16.0.0 - 172.31.255.255）
- C类：192.168.0.0/16（192.168.0.0 - 192.168.255.255）
公有地址：全球唯一，由ISP分配，用于互联网通信。

四、特殊IP地址

地址类型	示例	用途
环回地址	127.0.0.1	本地设备测试（如ping 127.0.0.1）
受限广播地址	255.255.255.255	当前网络内所有设备接收
直接广播地址	192.168.1.255	向指定网络的全体设备广播
网络号	192.168.1.0	标识一个网段
自动私有地址（APIPA）	169.254.x.x	DHCP故障时自动分配（无法上网）

五、子网划分与CIDR

1. 子网划分（VLSM）

目的：将一个大网络分割为多个小网络，提高地址利用率。
步骤：
1. 确定需要划分的子网数（如4个子网需借用2位）。
2. 修改子网掩码（如原/24 → /26）。
3. 计算每个子网的网络地址和可用IP范围。

示例：将192.168.1.0/24划分为4个子网：

子网掩码：255.255.255.192（/26）
子网1：192.168.1.0/26 → 可用IP：192.168.1.1 - 192.168.1.62
子网2：192.168.1.64/26 → 可用IP：192.168.1.65 - 192.168.1.126
子网3：192.168.1.128/26
子网4：192.168.1.192/26

2. CIDR（无类域间路由）

作用：合并多个连续子网，减少路由表条目。
规则：取所有子网的共同前缀。

示例：合并192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24：

共同前缀：192.168.000000XX.X → 192.168.0.0/22

六、IPv6简介

地址长度 ：128位，表示为8组4位十六进制数（如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。
简化表示 ：
- 前导零可省略 → 2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334
- 连续零组用::替代（仅一次） → 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
优势：
- 地址空间极大（约3.4×10³⁸个地址）。
- 无NAT需求，端到端直接通信。
- 内置安全性（IPsec支持）。

七、实际应用场景

家庭网络 ：
- 路由器使用192.168.1.1/24，为设备分配192.168.1.2-192.168.1.254。
企业网络 ：
- 使用B类私有地址172.16.0.0/16，按部门划分子网（如财务部172.16.1.0/24）。
互联网服务 ：
- 网站服务器使用公有IP（如203.0.113.5），通过DNS绑定域名（如www.example.com）。

八、关键命令

查看IP配置 ：

bash 复制代码

# Windows
ipconfig
# Linux/macOS
ifconfig 或 ip addr

测试连通性 ：
bash 复制代码
```
ping 192.168.1.1
```
查看ARP缓存 ：
bash 复制代码
```
arp -a
```

OSI与TCP/IP模型

一、OSI七层模型

OSI（Open Systems Interconnection）模型 是国际标准化组织（ISO）提出的理论参考模型，用于定义网络通信的分层架构。

1. 各层功能与协议

层级	核心功能	典型协议/设备	数据单元（PDU）
7. 应用层	用户接口，提供网络服务	HTTP、FTP、DNS、SMTP	报文（Message）
6. 表示层	数据格式转换、加密/解密	SSL/TLS、JPEG、ASCII	报文
5. 会话层	建立、管理、终止会话	NetBIOS、RPC、SSH	报文
4. 传输层	端到端连接、流量控制、可靠性	TCP（可靠）、UDP（不可靠）	段（Segment）
3. 网络层	逻辑寻址、路由选择	IP、ICMP、OSPF、路由器	包（Packet）
2. 数据链路层	物理寻址、帧传输、错误检测	Ethernet、PPP、交换机	帧（Frame）
1. 物理层	传输比特流、物理介质规范	RJ45、光纤、集线器	比特（Bit）

2. 关键特点

分层思想：每层独立完成特定功能，上层依赖下层服务。
标准化：促进不同厂商设备互操作性。
理论模型：实际网络协议栈（如TCP/IP）不完全遵循OSI分层。

二、TCP/IP模型

TCP/IP模型 是实际互联网中使用的协议栈，由美国国防部（DoD）设计，核心协议为 TCP 和 IP。

1. 四层结构

层级	对应OSI层	核心协议/设备	功能概述
应用层	应用层、表示层、会话层	HTTP、FTP、DNS、SMTP	用户数据封装、应用服务
传输层	传输层	TCP、UDP	端到端连接管理、数据分段
网络层	网络层	IP、ICMP、路由器	逻辑寻址、路由选择
网络接口层	数据链路层、物理层	Ethernet、Wi-Fi、交换机	物理传输、帧封装与解封装

2. 五层对等模型（常用教学模型）

层级	对应TCP/IP四层	核心功能与协议
应用层	应用层	HTTP、DNS、FTP
传输层	传输层	TCP、UDP
网络层	网络层	IP、ICMP
数据链路层	网络接口层	Ethernet、PPP、MAC地址
物理层	网络接口层	光纤、双绞线、集线器

三、OSI与TCP/IP模型对比

对比维度	OSI模型	TCP/IP模型
设计目标	理论标准化（理想化分层）	实际应用（解决具体通信问题）
分层数量	7层	4层（或5层教学模型）
协议支持	未绑定具体协议	围绕TCP/IP协议族设计
会话/表示层	独立分层（会话层5、表示层6）	合并到应用层
实际应用	主要用于教学和理论分析	互联网实际通信标准

四、数据封装与解封装流程

以发送一封电子邮件为例，说明数据在模型中的传递过程：

应用层 ：用户输入邮件内容 → 封装为HTTP/邮件协议报文。
传输层 ：添加TCP头部（源/目标端口号、序列号） → 生成TCP段。
网络层 ：添加IP头部（源/目标IP地址） → 生成IP包。
数据链路层 ：添加MAC头部（源/目标MAC地址）和尾部（FCS校验） → 生成以太网帧。
物理层：转换为比特流通过网线/光纤传输。

接收端反向解封装 ：

物理层 → 数据链路层（校验帧） → 网络层（路由选择） → 传输层（重组数据段） → 应用层（显示邮件内容）。

五、实际应用中的协议映射

TCP/IP模型层级	典型协议	对应OSI层
应用层	HTTP、FTP、DNS、SMTP	应用层、表示层、会话层
传输层	TCP（可靠传输）、UDP（高效传输）	传输层
网络层	IP（寻址）、ICMP（控制消息）、ARP	网络层
数据链路层	Ethernet（MAC地址）、PPP（拨号连接）	数据链路层
物理层	RJ45、光纤、无线信号	物理层

六、核心协议详解

1. 传输层协议对比

协议	特点	适用场景
TCP	可靠传输、三次握手、流量控制	网页（HTTP）、文件传输
UDP	无连接、低延迟、不保证可靠性	视频流、DNS查询

2. 网络层协议

IP协议：无连接、尽力而为的路由寻址。
ICMP ：传输错误和控制消息（如ping命令）。
ARP：通过IP地址解析MAC地址。

七、常见问题解答

1. 为什么实际网络使用TCP/IP而非OSI？

历史原因：TCP/IP在OSI标准化前已广泛部署。
简洁性：TCP/IP四层结构更易于实现和维护。

2. 会话层和表示层在TCP/IP中如何实现？

会话管理：由应用层协议自行处理（如HTTP Cookies）。
数据格式：JSON/XML（应用层）或SSL/TLS（表示层功能融入传输层）。

3. 路由器与交换机工作的层级？

路由器：网络层（基于IP地址转发）。
交换机：数据链路层（基于MAC地址转发）。

关键协议与端口

协议	功能	传输层协议	端口号
HTTP	网页传输	TCP	80
HTTPS	加密网页传输	TCP	443
DHCP	动态IP分配	UDP	67/68
DNS	域名解析	TCP/UDP	53
FTP	文件传输	TCP	20/21