复习——网络基础知识

第一部分：网络模型与协议栈

1. OSI 七层模型（开放系统互连模型）

这是一个理论参考模型，用于理解和设计网络体系结构。它定义了网络通信应该完成的七项主要任务，从上到下分层实现：

1. 应用层：直接为用户提供网络服务接口。比如你使用浏览器访问网页、用邮件客户端发邮件，这些应用程序就在这一层工作。

2. 表示层 ：负责数据的格式转换。比如将数据加密/解密（SSL）、压缩/解压（gzip）、不同字符编码的转换（ASCII、UTF-8）。

3. 会话层 ：负责建立、管理和终止两个应用程序之间的会话连接。例如，它可以管理会话的恢复点，如果网络中断，可以从断点继续。

4. 传输层 ：提供端到端的可靠或不可靠的数据传输服务。主要协议是TCP和UDP。TCP像打电话，需要建立稳定连接，保证数据顺序和不丢失，适合文件传输。UDP像发短信，不保证对方一定收到，但速度快，适合视频、音频流。

5. 网络层 ：负责将数据包从源主机跨越多个网络路由到目标主机。主要协议是IP，它使用IP地址进行寻址。NAT（网络地址转换）也在这层工作。

6. 数据链路层 ：负责在同一网络内 （如一个局域网）两个直接相连的设备间传输数据。它将网络层传下来的数据包封装成"帧"，加上目标/源MAC地址（物理地址），并进行差错校验。交换机工作在这一层。

7. 物理层 ：负责在物理媒介（如网线、光纤、无线电波）上传输原始比特流（0和1）。它定义电压大小、光信号频率、接口形状等。网卡、集线器工作在这一层。

重要理解：OSI是一个理想化的"教科书"模型，指出了网络应该做什么，但实际互联网采用的是更简洁的TCP/IP模型。

2. TCP/IP 四层模型（网际互联模型）

这是实际运行的互联网协议栈，将OSI的七层简化为四层：

1. 应用层：合并了OSI的应用层、表示层、会话层的功能。HTTP、FTP、DNS、SMTP等协议都在这里。

2. 传输层：和OSI传输层对应，提供TCP和UDP协议。

3. 网络层：和OSI网络层对应，核心是IP协议。

4. 网络接口层：合并了OSI的数据链路层和物理层，负责驱动网卡等硬件，处理与物理媒介的交互。

为什么叫协议栈？ 因为数据在发送时，从上到下，每一层都会在数据前面加上自己的"头部"（就像套信封）；接收时，从下到上，一层层拆开头部，读取信息。

第二部分：IP地址与网络基础

IP地址详解

• 表现形式 ：IPv4地址是一个32位的二进制数，通常写成4个十进制数，用点分隔，如 192.168.1.1。

• 组成 ：IP地址 = 网络位 + 主机位。网络位标识一个网络，主机位标识该网络中的一台具体设备。

• 子网掩码 ：用来区分IP地址中哪部分是网络位，哪部分是主机位。如 255.255.255.0 表示前24位是网络位。

IP地址分类

类别	首字节范围	网络/主机位分配	用途
A类	1 - 126	8位网络位，24位主机位	超大规模网络（如大型运营商）
B类	128 - 191	16位网络位，16位主机位	大中规模网络（如大学、大公司）
C类	192 - 223	24位网络位，8位主机位	中小规模网络（家庭、小公司）
D类	224 - 239	不区分网络/主机位	组播地址（一对多通信）
E类	240 - 255	保留	实验和研究用途

私有地址：只能在局域网内部使用，不能直接访问互联网。

• A类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

• B类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

• C类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

特殊地址：

• 127.0.0.1：本机回环地址，用于测试本机网络服务。

• 192.168.0.255：广播地址，发送到这个地址的数据包，局域网内所有设备都会收到。

第三部分：Socket编程核心

1. Socket（套接字）

本质上是操作系统内核提供的一个文件描述符。但它不是指向硬盘上的一个文件，而是指向内核中的一个网络通信端点。通过这个端点，应用程序可以收发网络数据。

2. 网络通信五元组

一次完整的网络通信由五个要素唯一确定：
{源IP, 源端口, 目标IP, 目标端口, 传输层协议}。

• IP地址：定位网络中的一台主机。

• 端口号：在一台主机上定位一个具体的应用程序（进程）。范围0-65535，其中0-1023为知名端口，如HTTP的80，SSH的22。

3. 字节序问题

计算机存储多字节数据（如一个整数）有两种顺序：

• 大端序 ：高位字节存储在低地址。网络传输标准字节序。

• 小端序 ：低位字节存储在低地址。x86/x64 CPU使用此序。

因此，在通过网络发送一个整型数据（如端口号）前，必须用 htons() 将其从主机字节序转换为网络字节序；接收时用 ntohs() 转换回来。

转换函数：

uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机转网络(short)
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);  // 网络转主机(short)
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);  // 主机转网络(long)
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   // 网络转主机(long)

// IP字符串与网络字节序转换
in_addr_t inet_addr(const char *cp); // "192.168.1.1" -> 网络序整数
char *inet_ntoa(struct in_addr in);  // 网络序整数 -> "192.168.1.1"

第四部分：TCP编程流程详解

TCP服务器工作流程

1. socket()：创建一个用于监听连接的套接字。

2. bind() ：将这个套接字与一个具体的IP地址和端口号绑定。这样客户端才知道连接到哪里。

3. listen() ：将这个套接字置于监听状态 ，并设置等待连接队列的长度（backlog）。

4. accept() ：阻塞等待，直到有客户端发起连接。当连接到来时，它返回一个新的套接字描述符，专门用于与这个客户端通信。

5. recv()/send() ：使用 accept() 返回的新套接字与客户端进行数据收发。

6. close()：通信完毕，关闭套接字。

TCP客户端工作流程

1. socket()：创建一个用于通信的套接字。

2. connect() ：向服务器（指定的IP和端口）发起连接请求。此函数会触发TCP的三次握手。

3. send()/recv()：连接建立后，进行数据收发。

4. close() ：关闭连接，触发TCP的四次挥手。

关键理解：

• listen() 的套接字（监听套接字）只负责接受新连接，不进行实际数据传输。

• accept() 为每个客户端创建一个新的套接字（连接套接字），一对一通信。

• setsockopt(listfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) 这行代码很重要，它允许服务器程序重启后能立即重新绑定端口，而不用等待操作系统释放（TIME_WAIT状态）。

第五部分：TCP连接管理

三次握手（建立连接）

1. 客户端 发送 SYN 包（同步请求）到服务器，包含初始序列号 seq=x。

2. 服务器 收到后，回复 SYN-ACK 包（同步确认），包含自己的初始序列号 seq=y，以及对客户端 SYN 的确认 ack=x+1。

3. 客户端 收到服务器的 SYN-ACK 后，再发送一个 ACK 包，确认服务器的 SYN，ack=y+1。

代码体现 ：客户端的 connect() 函数调用，会触发第一次 SYN 的发送。服务器的 listen() 使套接字准备好接受连接，accept() 在三次握手完成后返回。

四次挥手（断开连接）

假设客户端主动关闭：

1. 客户端 发送 FIN 包，表示自己数据发完了。

2. 服务器 回复 ACK 包，确认收到了 FIN。此时进入半关闭状态：客户端不再发送数据，但还可以接收。

3. 服务器 发送完自己的剩余数据后，发送 FIN 包。

4. 客户端 回复 ACK 包。连接完全关闭。

代码体现 ：任何一方调用 close() 都会触发这个过程。

第六部分：网络测试与调试工具

常用命令

• ping：发送ICMP回显请求，测试网络连通性和延迟。

• netstat：查看网络连接状态、路由表、接口统计。

  • netstat -anp：查看所有连接及对应的进程。

  • netstat -n -t：只查看TCP连接。

• telnet ：基于TCP的远程登录工具，也可用于测试某个TCP端口是否开放（telnet IP 端口）。

• arp：查看和操作ARP缓存表，将IP地址映射到MAC地址。

抓包分析

• Wireshark ：图形化抓包分析工具。可以设置过滤器（Filter）只抓取关心的流量，如 tcp.port == 9999 或 ip.addr == 192.168.1.100tcpdump -i eth0 -n port 80 # 抓取eth0网卡80端口的包

tcpdump -i lo -n host 192.168.0.130  # 抓取本地回环与指定IP的通信

如何排查网络问题：

1. 用 ping 测试基本连通性。

2. 用 telnet IP 端口 测试具体服务的TCP端口是否可达。

3. 在服务端和客户端同时用 tcpdump 或 Wireshark 抓包。

4. 分析抓包文件：

   • 检查TCP三次握手是否成功。

   • 检查是否有数据包重传（可能是网络丢包或拥塞）。

   • 检查应用层数据是否正确发送和接收。

第七部分：UDP编程

UDP与TCP有本质不同：

• 无连接 ：不需要 connect()、listen()、accept()。

• 不可靠：不保证数据包一定到达，也不保证顺序。

• 面向数据报：每次发送都是一个完整的报文，有边界。

UDP服务器流程

1. socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：注意第二个参数是 SOCK_DGRAM。

2. bind()：必须绑定，因为客户端需要知道发送到哪个端口。

3. recvfrom()：接收数据，同时可获得发送方的地址信息。

4. sendto()：发送数据，需要指定目标地址。

5. close()。

UDP客户端流程

1. socket()。

2. （可选）bind()：如果不绑定，操作系统会随机分配一个端口。

3. sendto()：发送数据，必须指定服务器地址。

4. recvfrom()：接收数据。

5. close()。

关键函数：

// 发送，必须指定目标地址
sendto(sockfd, buf, len, 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, addrlen);
// 接收，可获得来源地址
recvfrom(sockfd, buf, len, 0, (struct sockaddr*)&src_addr, &addrlen);