计算机网络基础

网络背景

独立模式：每个计算机都是相互独立的

网络互联：多台计算机连接在一起，用于传输数据

局域网：小范围本地网络，局限在单一地理区域：办公室、家庭、学校机房、一栋大楼、厂区。

广域网：跨远距离大范围网络，连接多个城市、省份、国家，核心就是互联网。

网络协议

概念：

计算机、网络设备之间通信必须遵守的一套规则、标准、约定。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号.通过"频率"和"强弱"来表⽰0和1这样的信息.要想传递各种不同的信息,就需要约定好双⽅的数据格式.

协议规定了 4 件核心事：

语法：数据格式、编码、信号电平（数据长什么样）
语义：每段数据代表什么含义（命令、错误、应答）
时序（同步）：收发顺序、速率匹配、重传机制（什么时候发、怎么等回复）
差错处理：出错怎么重传、丢弃、告警

为什么要有协议

如果没有统一协议：

电脑 A 发的数据格式电脑 B 看不懂，双方无法沟通，网络完全失效。

OSI 七层模型每一层都有专属协议，每层只遵守本层协议完成对应工作。

协议分层

ISO七层模型

1. 应用层（Application Layer）

作用：为应用程序提供网络服务，直接面向用户程序，定义交互规则。

典型协议：HTTP/HTTPS、FTP、TFTP、SMTP、DNS、Telnet、SSH
设备：电脑软件（浏览器、微信、网盘客户端）
数据单位：数据（Data）

2. 表示层（Presentation Layer）

作用：数据格式转换、加密解密、压缩解压缩，统一双方数据语法。

功能：编码转换（ASCII/Unicode）、数据加密、图片 / 音视频编解码（JPEG、MP4）
数据单位：数据（Data）

3. 会话层（Session Layer）

作用：建立、管理、终止应用之间的通信会话，同步数据传输。

功能：会话创建 / 断开、断点续传、会话隔离
数据单位：数据（Data）

前三层（应用、表示、会话）统称上层（用户层），负责软件应用交互。

4. 传输层（Transport Layer）

作用：端到端的数据传输，流量控制、差错校验、端口区分应用。

两大核心协议：
- TCP：可靠、面向连接、三次握手、重传、分片重组（文件、网页）
- UDP：无连接、不可靠、速度快（直播、游戏、DNS）
标识：端口号（0~65535）
数据单位：段（Segment，TCP）/ 用户数据报（Datagram，UDP）

5. 网络层（Network Layer）

作用：跨网段寻址、路由选择，实现不同网络之间的数据转发。

核心协议：IP（IPv4/IPv6）、ICMP、ARP、RIP、OSPF
标识：IP 地址
典型设备：路由器、三层交换机
数据单位：数据包（Packet）

6. 数据链路层（Data Link Layer）

作用：同一局域网内节点通信，组帧、差错检测、介质访问控制。

分两个子层：
1. LLC 逻辑链路：差错校验、流量控制
2. MAC 介质访问：MAC 地址、以太网、CSMA/CD
典型协议：以太网、PPP、STP
典型设备：交换机、网卡
标识：MAC 物理地址
数据单位：帧（Frame）

7. 物理层（Physical Layer）

作用：传输原始比特流，定义硬件电气 / 光学 / 机械接口标准。

传输内容：0、1 二进制比特信号
介质：网线、光纤、无线电波、同轴电缆
设备：集线器 Hub、中继器、网线、光模块
数据单位：比特（Bit）

TCP/IP五层模型

一、基础概念

TCP/IP 不是单一协议，是包含大量协议的协议簇；
采用分层通信，每层依靠下一层提供的网络能力完成自身功能。

二、五层逐层核心要点（自上而下）

物理层 传输光 / 电 / 电磁原始信号；载体有双绞线、同轴电缆、光纤、WiFi 无线电；决定网速、传输距离、抗干扰；设备：集线器 Hub。
数据链路层 负责局域网帧传输、帧识别；完成帧同步、冲突检测、差错校验；标准：以太网、无线 LAN；设备：交换机 Switch。
网络层 主机寻址 + 跨网段路由；依靠 IP 地址标识设备、路由表规划传输路径；设备：路由器 Router。
传输层 实现两台主机端到端数据传输；代表协议 TCP，保障数据可靠传输。
应用层 面向应用程序提供通信规则；典型协议：SMTP 邮件、FTP 文件传输、Telnet 远程登录；网络编程主要针对本层。

三、常见分层协议举例

应用层协议（用户服务） HTTP/HTTPS（网页）、DNS（域名解析）、FTP（文件传输）、SMTP（发邮件）、SSH 远程登录
传输层协议（端到端传输） TCP（可靠传输）、UDP（高速无连接）
网络层协议（跨网段寻址） IP、ICMP（ping 命令）、ARP、OSPF、BGP
数据链路层协议（局域网内网）以太网协议 Ethernet、PPP、MAC 帧协议
物理层：没有协议，只有电气 / 硬件标准

网络传输的流程

局域网的传输流程

MAC地址

概念：

MAC地址，也叫物理地址、硬件地址 ，是网卡出厂时固化在硬件里的唯一 48 位二进制编号，用来在局域网（数据链路层） 标识一台网络设备（电脑网卡、手机 WiFi、交换机、路由器网口）。

前提

主机 A：IP 192.168.1.10，MAC AA:AA:AA:AA:AA:AA

主机 B：IP 192.168.1.20，MAC BB:BB:BB:BB:BB:BB

两台设备连在同一台交换机，属于同一个局域网。

步骤 1：判断目标是否本地主机

主机 A 要发数据给 192.168.1.20，对比自身子网掩码，判定目标和自己在同一局域网，不需要发给网关（路由器），直接内网转发。

步骤 2：ARP 查询 ------ 获取对方 MAC 地址

A 只知道 B 的 IP，不知道 MAC，发起 ARP 广播：

A 发送ARP 广播帧 （目标 MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF 全网广播）
广播内容："谁是 192.168.1.20，请把你的 MAC 地址发给我"
交换机收到广播帧，向所有端口转发
局域网内所有主机收到 ARP 报文，只有 IP 匹配的主机 B 回复ARP 单播
B 把自己 MAC 发给 A；A、B 双方各自保存「IP-MAC 映射表（ARP 缓存）」

步骤 3：数据逐层封装（TCP/IP 五层从上到下）

应用层：浏览器 / 软件生成原始数据
传输层：加上 TCP/UDP 头部（源端口、目标端口）→ 段
网络层：加上 IP 头部（源 IP、目标 IP）→ 数据包
数据链路层 ：加上帧头帧尾
- 源 MAC：A 的 MAC
- 目标 MAC：B 的 MAC（ARP 刚查到）
- FCS 校验码封装完成得到数据帧
物理层：转换成 0/1 比特电信号，通过网线发给交换机

步骤 4：交换机二层转发（核心局域网转发逻辑）

交换机收到 A 发来的数据帧，读取帧头部目标 MAC BB:BB:BB...
查询自身MAC 地址表：记录每个端口对应的设备 MAC
交换机只把帧从连接主机 B 的端口发出去，不会广播给其他设备（单播转发，节省带宽）

步骤 5：主机 B 逐层解封装接收

物理层：把电信号还原成完整数据帧
数据链路层：校验 FCS，核对目标 MAC 是本机，剥离 MAC 头部
网络层：读取 IP 头部，确认目标 IP 是本机，剥离 IP 头部
传输层：根据端口号交给对应程序，剥离 TCP/UDP 头部
应用层：程序读取原始数据，完成通信

• 报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们⼀般叫做报头

• 除了报头，剩下的叫做有效载荷

• 故，报⽂=报头+有效载荷

• 以太⽹中，任何时刻，只允许⼀台机器向⽹络中发送数据

• 如果有多台同时发送，会发⽣数据⼲扰，我们称之为数据碰撞

• 所有发送数据的主机要进⾏碰撞检测和碰撞避免

• 没有交换机的情况下，⼀个以太⽹就是⼀个碰撞域

• 局域⽹通信的过程中，主机对收到的报⽂确认是否是发给⾃⼰的，是通过⽬标mac地址判定

• 这⾥可以试着从系统⻆度来理解局域⽹通信原理

数据包的封装和分用

跨网络传输流程

网络中的地址管理------IP地址

IP（Internet Protocol，网际协议）地址，是网络层 用来给互联网 / 局域网中每一台主机、网络设备分配的逻辑编号，作用是跨网段寻址，让不同网络的设备能互相找到对方。

MAC 只管局域网内 通信；IP 管全网、跨网段通信。
IP 地址是逻辑地址，可以手动 / 自动修改；MAC 是硬件固化地址。

IPv4（目前最常用）

格式

32 位二进制，分成 4 段 8 位二进制，用点分十进制表示：

例：192.168.1.1 每一段取值范围：0 ~ 255

两大组成部分

IP 地址 = 网络位 + 主机位

网络位：标识当前属于哪个局域网网段；
主机位 ：标识网段里某一台具体设备；靠子网掩码区分哪部分是网络位、哪部分是主机位。

前置条件

主机 A（内网 1）：IP 192.168.1.10，MAC MAC-A，网关 192.168.1.1（路由器内网口 MAC：MAC-GW-In）
路由器：内网口 192.168.1.1，外网口公网 IP 203.0.113.5，外网 MAC MAC-GW-Out
外网服务器 B：公网 IP 180.101.49.11，MAC MAC-B
A 和 B 不在同一局域网，必须经过路由器转发

核心规律

IP 全程不变：源 IP=192.168.1.10，目标 IP=180.101.49.11 从头到尾不换
MAC 每过一台路由器就重写：二层帧头部源 / 目标 MAC 会被路由器替换

步骤 1：主机 A 判断目标不在本地局域网

A 用自身 IP + 子网掩码和目标 IP 做与运算，得出网段不同，判定需要发给网关（路由器）。

步骤 2：ARP 获取网关 MAC

A 只知道网关 IP 192.168.1.1，不知道网关 MAC：

A 发 ARP 广播帧：谁是 192.168.1.1？
路由器内网口回应 ARP 单播，把 MAC-GW-In 发给 A
A 缓存 IP-MAC 对应关系

步骤 3：主机 A 封装数据，发给网关（第一层帧）

TCP/IP 五层封装：

应用层：网页 / 文件原始数据
传输层：添加 TCP/UDP 头部（端口号）→ 段
网络层 IP 头部：
- 源 IP：192.168.1.10
- 目标 IP：180.101.49.11（外网服务器）
数据链路层帧头部：
- 源 MAC：MAC-A（本机）
- 目标 MAC：MAC-GW-In（路由器内网口）
物理层转为比特流，发给交换机，交换机查 MAC 表转发给路由器

步骤 4：路由器解二层帧，读取 IP，路由转发

路由器收到帧，剥离二层 MAC 头部，取出 IP 数据包
查看数据包目标公网 IP 180.101.49.11 ，查询自身路由表，确定从外网口转发
重新封装全新二层数据帧：
- 源 MAC：MAC-GW-Out（路由器外网口）
- 目标 MAC：MAC-B（下一跳运营商设备 / 服务器 MAC） ✅ IP 头部完全不变，仅重写 MAC 头部

步骤 5：公网骨干链路逐层转发

数据经过运营商多台路由器，每经过一台都重复操作：

拆掉旧 MAC 帧头
根据目标 IP 查表选出口
更换新的源、目标 MAC 源 IP、目标 IP 自始至终保持不变

步骤 6：外网服务器 B 接收解封装

物理层还原比特流
链路层校验 MAC，剥离帧头
网络层核对目标 IP 是本机，剥离 IP 头
传输层根据端口交给对应服务程序
应用层接收数据，处理请求并生成回复报文

步骤 7：回程数据（服务器→主机 A）逻辑对称

服务器回复数据包：源 IP = 服务器，目标 IP = 公网 IP 203.0.113.5
公网路由传回家用路由器
路由器做NAT 地址转换 ：把目标公网 IP 替换成主机 A 内网 IP 192.168.1.10
路由器 ARP 查找主机 A 的 MAC，封装内网二层帧发给交换机，最终送达主机 A

Socket编程

源IP地址和目的IP地址

IP 地址的作用：在整个网络里，唯一标识一台主机（电脑 / 手机等设备），用来把数据送到正确设备。
数据传输的终点不是主机，而是主机里的进程
- 我们上网、聊天、下载、浏览网页，依靠 QQ、迅雷、浏览器这类进程接收数据；
- IP 只能定位到整台设备，无法区分设备内部多个程序。
引出核心问题 一台主机同时运行大量进程，数据抵达主机后，系统如何精准把数据交给对应的目标进程？需要额外标识区分进程。

通俗理解

IP 相当于小区门牌号 只能确定快递（数据）送到哪一户（主机），但一户人家里面有很多房间（进程：浏览器、QQ、视频软件）。
只靠门牌号（IP），快递员只能送到楼下，不知道交给屋里哪个人 / 哪个房间；所以除了 IP 定位设备，还需要端口号定位主机内部的进程（对应每个房间编号）。
完整通信逻辑： IP 负责跨网络找到目标设备，端口号负责在设备内部找到对应的应用程序进程，二者配合才能完整交付数据给用户使用。

端口号

端⼝号( port )是传输层协议的内容.

• 端⼝号是⼀个 2 字节 16 位的整数;

• 端⼝号⽤来标识⼀个进程,告诉操作系统,当前的这个数据要交给哪⼀个进程来处理;

• IP地址+端⼝号能够标识⽹络上的某⼀台主机的某⼀个进程;

• ⼀个端⼝号只能被⼀个进程占⽤.

端⼝号范围划分

范围：0~65535 共 65536 个
- 公认端口：0~1023（80 网页、443 加密网页、22 远程 SSH、21FTP）
- 注册端口：1024~49151
- 动态 / 临时端口：49152~65535（客户端发起连接随机使用）
特点：
一台主机上同一时刻一个端口只能被一个进程占用；
网络通信必备：数据到达主机后，操作系统根据数据包里的目标端口，转发给对应网络进程；
对外通信标识，跨网络传输时会封装在 TCP/UDP 头部。

传输层的代表（TCP/UDP）

一、基础定义

TCP（传输控制协议）

面向连接、可靠传输协议，通信前建立专属连接，传输全程校验、重传、保序，保证数据完整无差错送达。

UDP（用户数据报协议）

无连接、不可靠传输协议，不用提前建立连接，直接发数据包，无校验重传机制，速度快但可能丢包、乱序。

|-----------|-----------------------------|-----|---|---|---|
| 对比维度 | TCP | UDP | | | |
| 连接特性 | 面向连接（通信前握手，结束挥手） | 无连接，发完即走，不维持会话 ||||
| 可靠性 | 可靠：不丢包、不乱序、无重复 | 不可靠：可能丢包、乱序、重复到达 ||||
| 流量 / 拥塞控制 | 有滑动窗口、拥塞避免机制 | 无，发送方想发多快就发多快 ||| |
| 差错处理 | 出错自动重传，超时重发 | 出错直接丢弃，不重传 ||| |
| 头部开销 | 头部 20~60 字节，字段多（序号、确认、窗口等） | 固定 8 字节头部，极简 ||| |
| 传输速度 | 较慢，大量校验协商损耗 | 极快，无额外协商开销 ||| |
| 有序性 | 数据按发送顺序交付上层 | 数据到达顺序无法保证 ||| |
| 适用场景 | 文件下载、网页、邮件、数据库、远程登录 | 直播、语音视频通话、游戏、DNS 查询 ||||

网络字节序

一、什么是字节序

CPU 存储多字节数据（如 16 位端口、32 位 IP）有两种存放规则：

小端序 Little-Endian（主机字节序，PC / 手机 x86、ARM 常用） 低字节存内存低地址，高字节存高地址例：数字 0x1234，内存存放：0x34 0x12
大端序 Big-Endian（网络字节序，TCP/IP 强制标准） 高字节存内存低地址，低字节存高地址例：数字 0x1234，内存存放：0x12 0x34

二、为什么必须统一「网络字节序」

不同设备 CPU 字节序不一样：Windows 电脑是小端，部分嵌入式设备是大端。如果直接把本机字节序的端口、IP 放到网络数据包里，两端解析数值会完全错乱，通信失败。因此 TCP/IP 协议规定：所有传输层、网络层头部的多字节整数，一律使用大端序发送 ，这个标准就叫网络字节序。

socket编程接口

定义：

Socket（套接字）是操作系统给应用层提供的一套网络编程接口，是应用程序和 TCP/IP 协议栈之间的桥梁。

程序不用手动封装 IP、TCP/UDP 头部，只需要调用 Socket 函数，操作系统内核自动完成分层封装、路由、收发数据。

总结：

Socket 是应用层访问 TCP/IP 内核的标准编程接口；
分 TCP 流式、UDP 数据报两种套接字，流程完全不同；
TCP 需要建立连接，流程：socket→bind→listen→accept；
UDP 无连接，只用 socket+bind+sendto/recvfrom；
依靠「IP + 端口」五元组区分不同进程、不同连接。