计算机网络 – 软考备战(五十五)

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参考资料

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计算机网络整体框架

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一、网络概述与组成

1. 概念与功能

计算机网络是将地理位置不同的、具有独立功能的多台计算机及其外部设备,通过通信线路和通信设备连接起来,在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下,实现资源共享和信息传递的系统。

三大核心要素(做题看到缺一不可)

自治的计算机(有独立处理能力)

通信介质与设备

通信协议(最核心,没有协议就是一堆废铁)。

四大基本功能(常考排序和优先级)

数据通信(最基本功能,如微信聊天、发邮件)。

资源共享(最核心目的,包括硬件共享如网络打印机、软件共享、数据共享如数据库)。

分布式处理(多台计算机协同完成大型任务,如云计算、Hadoop集群)。

提高可靠性(一台机器宕机,另一台顶上,如服务器集群)。

2. 分类(按覆盖范围、按工作模式)

按覆盖范围分类(常考英文缩写和距离特征)

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局域网 (LAN)

覆盖范围小(几百米到几公里),通常是单个建筑物或园区。

速率高(百兆、千兆、万兆),延迟低,误码率极低。

典型技术:以太网、Wi-Fi。

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城域网 (MAN)

覆盖一个城市(几公里到几十公里)。

通常作为骨干网连接多个LAN。

广域网 (WAN)

覆盖国家甚至全球(几百到几万公里)。

速率相对较低,延迟大,误码率高。

Internet就是最大的WAN。

按工作模式分类(与后面的C/S、B/S架构强关联)
对等网络

没有专用的服务器,每台电脑既是客户端也是服务器,地位平等。

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适合小范围、安全要求低的场景。

基于服务器的网络

有专门的高性能服务器集中管理资源和权限,客户机请求服务。

适合企业级、安全要求高的场景。

3. 资源子网 vs 通信子网

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资源子网(负责“干活”和“提供资源”)
组成

主机(服务器、工作站/PC)、终端、外设(打印机、存储设备)、软件资源。

功能

数据处理、提供网络共享资源。

除了网线和转发设备,你看得见摸得着、用来工作和存数据的东西,都在资源子网。

通信子网(负责“跑腿”和“搬运数据”)
组成

通信控制处理机(CCP,如路由器、交换机)、通信链路(双绞线、光纤等传输介质)。

功能

提供数据传输和交换功能。

注意:

网卡属于通信子网(它是网络接口卡,负责信号转换),

集线器/交换机/路由器属于通信子网。

千万不要把服务器归到通信子网!

4. 网络传输介质

有线介质
双绞线 (TP)

最常用。

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分为无屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)。

网线接口是RJ-45。

距离限制通常在100米左右。

同轴电缆

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早期以太网和有线电视使用,抗干扰比双绞线强,但现在局域网中基本被淘汰。

光纤

利用光全反射传输。

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分为单模光纤(长距离、高成本、激光、芯细)和多模光纤(短距离、低成本、LED、芯粗)。

骨干网必用,速率极高、完全抗电磁干扰。

无线介质

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无线电波(Wi-Fi、蓝牙、4G/5G)
微波(卫星通信)
红外线(短距离、直线视距)

5. 常见网络设备与工作层次

设备名 = OSI层数 = 处理的地址类型 = 处理的PDU单位。

隔离冲突域的:网桥、交换机、路由器。

隔离广播域的:只有路由器(默认情况下)。

物理层设备(只懂0和1,不懂什么叫“地址”和“协议”)
中继器

对衰减的信号进行放大和整形,延长传输距离。

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注意:它不能过滤冲突域。

集线器

多端口中继器。

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本质是一个“大广播喇叭”,收到任何数据包都会向所有其他端口复制一份。

辨析:物理层设备连接的网段,依然在同一个“冲突域”里。

数据链路层设备(认识MAC地址,能看懂“帧”)
网桥

根据MAC地址表转发数据帧,能隔离冲突域(把大网切成小网,减少碰撞)。

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交换机

多端口网桥。

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能隔离冲突域,但不能隔离广播域。

它根据目标MAC地址进行精准转发。

网络层设备(认识IP地址,能看懂“IP分组”)
路由器

连接不同的网络(网段),根据路由表选择最佳路径转发IP分组。

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既能隔离冲突域,也能隔离广播域。

三层交换机

带有路由功能的交换机,主要用于局域网内不同VLAN之间的高速路由。

应用层/高层设备
网关

概念最广的词。

当连接两个协议完全不同的网络时(比如局域网连IBM大型机),需要网关进行“协议转换”。

网关工作在传输层及以上(通常是应用层)。

二、网络体系结构与协议(OSI & TCP/IP)

1. 为什么需要分层?(理解底层逻辑)

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如果不分层,写网络程序就像写一团乱麻:

既要管怎么发比特流,又要管怎么找路,还要管怎么加密。

分层的好处就四个词:各层独立、灵活性好、易于实现和维护、促进标准化工作。

快递系统就是分层的。你只管把东西打包交给驿站(应用层),驿站管分拣(网络层),货车管运输(物理层),各干各的,互不干涉。

2. OSI 七层参考模型

OSI是理论上的“宪法”,虽然现实中不用,但它是出题人的“母语”。

必须从上到下倒背如流:应、表、会、传、网、链、物

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第7层:应用层

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直接为用户的应用程序提供服务(人机交互的窗口)。

典型协议:HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet。

PDU(数据单位):报文。

第6层:表示层

负责“翻译”和“格式化”。解决不同系统之间的数据表示差异。

三大任务:数据格式转换(如ASCII转EBCDIC)、数据加密/解密、数据压缩/解压缩。

JPEG、MPEG等格式标准在理论上属于这一层。

第5层:会话层

负责建立、管理和终止“会话”(对话)。

典型场景:

你在视频会议,会话层负责判断是谁在说话(单工/半双工/全双工),以及在网络断开时负责“断点续传”(设置同步点)。

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第4层:传输层 —— (端到端的分水岭)

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负责两台主机上进程到进程的通信。它是资源子网和通信子网的边界。

核心机制:

端口寻址(区分同一台电脑上的微信和浏览器)、可靠传输(TCP)、流量控制、拥塞控制。

PDU:

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报文段(TCP产生) / 用户数据报(UDP产生)。软考常统称为“段”。

第3层:网络层

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负责“找路”,决定数据包从源端到目的端走哪条路径(路由选择)。

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核心机制:逻辑寻址(IP地址)、路由算法。

PDU:分组 / 数据报。软考常统称为“包”。

第2层:数据链路层

在相邻节点之间可靠地传输“帧”。

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物理层只管传0和1,链路层负责把这些0和1组装成有头有尾的“车厢”。

核心机制:

物理寻址(MAC地址)、成帧、差错控制(CRC校验)、流量控制。

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PDU:帧。

第1层:物理层

负责在物理媒体上透明地传输原始的比特流(0和1)。

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核心机制:

定义接口的机械特性(插头长啥样)、电气特性(电压几伏)、功能特性(哪根线发哪根线收)、规程特性。

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PDU:比特。

3. TCP/IP 四层模型

TCP/IP 是事实上的工业标准,实际在用的模型。

它把 OSI 的七层简化了。

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网络接口层

对应 OSI 的物理层 + 数据链路层。

网际层

对应 OSI 的网络层。

传输层

对应 OSI 的传输层。

应用层

对应 OSI 的应用层 + 表示层 + 会话层。

注意:

HTTP、FTP这些协议在TCP/IP里统统叫应用层协议,不要选表示层!

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4. 协议归属

ARP(地址解析协议):IP转MAC。

很多教材和旧题说它在网络层,也有说在链路层。

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软考标准答案倾向:

由于它是为网络层IP服务的,且不使用IP头,很多软考真题将其归为网络层(网际层)。

如果选项有网络层,选网络层。

ICMP(网际控制报文协议):Ping和Traceroute用的协议。

网络层。它封装在IP包里,但属于网络层协议。

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PING 命令:

问“Ping命令使用了哪种传输层协议?”

答案是:没有!它直接封装在ICMP里,不经过TCP也不经过UDP!

RARP(逆地址解析协议):MAC转IP。

同ARP,归为网络层。

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5. 数据的封装与解封装

数据从上往下发,就像俄罗斯套娃,每过一层加一个“头”(有时加尾)。

封装过程(发送方)

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应用层产生:【数据】

传输层加工:加上TCP/UDP头(含端口号) ➡️ 变成:【报文段】

网络层加工:加上IP头(含源/目的IP) ➡️ 变成:【数据报/分组】

链路层加工:加上MAC头和MAC尾(含源/目的MAC、FCS校验) ➡️ 变成:【帧】

物理层加工:变成比特流发到网线上 ➡️ 【比特】

解封装过程(接收方)

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反过来,一层一层剥开,每层只看自己的头,干完活就把头去掉,传给上一层。

6. 记忆口诀

PDU口诀

“应表会传网链物,报报报包帧比特”(应用/表示/会话都是报文,传输是段/报文,网络是包,链路是帧,物理是比特)。

设备层次口诀

“物中集,链网交,网层路,高网关”(物理层-中继器/集线器,链路层-网桥/交换机,网络层-路由器,高层-网关)。

地址层次口诀

“物无址,链MAC,网IP,传端口”(物理层没有地址概念,链路层用MAC地址,网络层用IP地址,传输层用端口号区分进程)。

三、局域网技术与标准

1. 局域网的拓扑结构(结合访问控制方式理解)

局域网的拓扑结构直接决定了它的“交通规则”(介质访问控制方法)。

总线型拓扑

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所有设备挂在一根主干电缆上。

规则:大家共用一条路,必须有一个“先来后到”的规则,这就诞生了 CSMA/CD。

缺点:一处断线,全网瘫痪;容易发生“交通堵塞”(冲突)。

星型拓扑

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所有设备通过独立的线缆连接到中心设备(集线器或交换机)。

现在我们看到的星型以太网,用集线器连接时,物理上是星型,逻辑上依然是总线型(集线器是傻瓜,收到包还是全广播,所以还要用CSMA/CD);

用交换机连接时,才是真正的星型,各自独享带宽,不需要CSMA/CD。

环型拓扑

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设备首尾相连形成一个闭合的环。

规则:不能像总线那样抢,必须有一个“通行证”在环上转,谁拿到通行证谁才能发数据。这就诞生了 令牌传递。

2. IEEE 802 标准家族

局域网标准主要由 IEEE 802 委员会制定。

IEEE 802.1

局域网概述、体系结构、网络互联(网桥/路由器协议)、VLAN等。

IEEE 802.2

逻辑链路控制(LLC)子层。(现在基本已经融入上层,考得极少)

IEEE 802.3

以太网(绝对的C位)。

IEEE 802.5

令牌环网。

IEEE 802.11

无线局域网,也就是 Wi-Fi。

3. 以太网与 CSMA/CD

以太网(802.3)占据了当今局域网 99% 的江山,它的核心灵魂就是 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)。

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CSMA/CD 的 16 字真言
先听后发

发送数据前,先监听线路上有没有别人在发(有没有载波)。

边发边听

如果线路空闲,开始发送数据,但不能闭着眼睛发,要一边发一边检测线路上电压的变化。

冲突停发

如果发现线路上电压异常(说明别人也在发,发生了碰撞/冲突),立刻停止发送原本的数据,并发送一个简短的“干扰信号”(Jam Signal)通知全网发生冲突了!

随机退避重发

冲突后,不能马上重发(否则会再次冲突)。

各自等待一个随机的时间(二进制指数退避算法),然后再回到第1步“先听后发”。

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相关问题

题目问:“传统以太网(共享式集线器环境)的核心协议是什么?” ➡️ 答:CSMA/CD。

题目问:“现在普遍使用的全双工交换式以太网还需要 CSMA/CD 吗?”

➡️ 答:不需要!因为交换机提供了独享的链路,点对点连接,不可能发生冲突。所以全双工模式下,CSMA/CD 协议已经被彻底禁用/弃用。

4. 以太网的命名规则

公式

[数据传输率] + [信号方式] + [最大网段长度或介质类型]

前缀(速率)

10 代表 10Mbps;

100 代表 100Mbps(快速以太网);

1000 代表 1000Mbps/1Gbps(千兆以太网)。

中间(信号方式)
Base:代表基带传输

以太网绝大多数都是 Base,即数字信号直接送上网线,占满整个频带。

以太网是基带网,不是宽带网!

Broad:代表宽带传输

早期有线电视网用的方式,现在局域网不用了。

后缀(介质或长度)
T

Twisted pair(双绞线)。如 10Base-T(10兆,双绞线)。

F

Fiber(光纤)。如 10Base-F。

数字

通常代表最大网段长度(单位:百米)。

10Base-5(最大网段500米,粗同轴电缆);

10Base-2(最大网段185米,四舍五入叫2,细同轴电缆)。

千兆以太网的后缀升级
SX

Short wavelength(短波长激光,多模光纤,距离短,便宜)。

LX

Long wavelength(长波长激光,单模/多模光纤,距离长,贵)。

CX

Copper(铜线,双绞线,距离极短,机房内部用)。

问“需要跨越2公里连接两栋楼,用哪种千兆网线最合适?”

➡️ 选 1000Base-LX。

5. 令牌环网 (802.5) 与 FDDI

令牌环网 (IEEE 802.5):

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机制

环上有一个特殊的数据帧叫“令牌”,沿着一个方向循环。

站点想发数据,必须抓住空闲的令牌,把数据挂上去发出去,数据绕一圈回来后再释放令牌。

优点

绝对不会发生冲突(因为同一时刻只有一个令牌);

在重负载(人特别多、网络很堵)的情况下,效率比以太网高,且延迟稳定(有保障)。

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缺点

轻负载(就一个人上网)时效率低(还得傻等令牌转过来);

环断了全网瘫痪(后来发展出星型连线逻辑环的物理结构缓解此问题)。

FDDI(光纤分布式数据接口)
本质

就是“光纤版”的令牌环网,速率达到 100Mbps,早期用作校园网或骨干网。

双环自愈

FDDI 有两根光纤环(主环和副环)。

平时主环顺时针传数据,副环备用。

如果主环断了一处,两边断点会自动把主副环接通,形成一个完整的大环继续工作,这就是“自愈”能力。

题目问“FDDI如何提高可靠性”,直接答双环自愈。

四、广域网与互联网接入

1. 三种交换技术的本质对比

广域网的核心是“跨越长距离把数据传过去”,怎么传?

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电路交换

就像打电话。

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发数据前,必须先建立一条从起点到终点的“专用物理通路”。通上之后,这条线路就被你独占了,哪怕你不说话(不发数据),别人也不能用。挂了电话才释放线路。

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优点

一旦建立连接,延迟极小且稳定,适合实时语音/视频。

缺点

线路利用率极低(发短信的间隙线路全浪费了);

建链慢。

报文交换

就像发平信(整个包裹)。

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不需要建专用线路,把整个数据包(报文)作为一个整体,像接力一样,经过一个个节点存储下来,再转发给下一个节点。

缺点

要求每个中间节点有巨大的缓存空间;

延迟非常大(因为要等整个包存完再转发)。现在基本不用了。

分组交换

就像发快递(拆成很多小包裹)。

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把大数据切成一个个固定大小的小块(分组/包),每个包贴上目的地址(IP头),各自独立地在网络中“闯关”(存储-转发)。

走哪条路、中间被塞在哪个路由器里排队都不一定,最后在目的地再拼装起来。

Internet的基石就是分组交换。

优点

线路利用率极高(不同人的包可以穿插在同一条线路上传);

不需要独占线路;

有纠错机制(一个包丢了,重传这一个包就行,不用重传整个大文件)。

缺点

有额外开销(每个包都要加头部);延迟不稳定(可能遇到堵车排队);不适合极高要求的实时通话(会有卡顿感)。

总结与对比

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问“Internet采用什么交换技术?” ➡️ 答:分组交换。

问“哪种交换方式延迟最小、实时性最好?” ➡️ 答:电路交换。

问“哪种交换方式线路利用率最高?” ➡️ 答:分组交换。

2. 常见互联网接入技术

xDSL(数字用户线路)
本质

利用现有的电话线(铜线)来传数字信号,不用重新布线。

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ADSL(非对称数字用户线路)

“非对称”是灵魂:

下行带宽(下载)远大于上行带宽(上传)。

为什么?因为普通网民绝大多数操作是“看网页、看视频”(下行大),而“发邮件、发请求”(上行极小)。

非对称设计能最大化利用电话线的频带。

光纤接入网(FTTx – 光纤到某处)
本质

用光纤代替铜线,速率天花板极高(千兆、万兆)。

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FTTH(Fiber To The Home)

光纤到户。

现在最普及的终极形态,光纤直接拉到你家弱电箱,插光猫。

FTTB(Fiber To The Building)

光纤到楼。

光纤拉到楼道,楼道里放个交换机,最后一段用网线(双绞线)拉到你家(早期宽带常用)。

FTTC/FTTZ

光纤到路边/小区。

底层技术

现在光纤接入主流用的是 PON(无源光网络) 技术(如EPON、GPON)。

“无源”的意思是中间的分光器不需要插电,非常省事且故障率低。

HFC(光纤同轴混合网)

广电网络用的,主干用光纤,进入小区到你家电电视插座那一段用有线电视的同轴电缆。

可以通过 Cable Modem 上网,但现在基本被 FTTH 淘汰了。

3. 点对点协议(PPP)

当你用路由器连上运营商的光猫(或者以前用猫拨号上网时),路由器和光猫之间那条线路上跑的协议就是 PPP。

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特点:

简单、面向连接、不能发广播包(和以太网不同)、支持身份验证(比如输入宽带账号密码,协议叫 PAP 或 CHAP)。

它是目前互联网中最广泛的数据链路层协议之一。

4. “老古董”广域网协议

X.25

特征词:早期的、古老的分组交换网协议。

关键点:

它太“谨慎”了,在每一个中间节点都要做繁琐的差错校验和流量控制,导致开销巨大、速度极慢。现在已经被淘汰。

帧中继(Frame Relay)

特征词:X.25的升级版/简化版。

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关键点:

它吸取了教训,认为现在的光纤很靠谱,不会轻易出错,所以大胆去掉了中间节点的差错控制(出错就让两头的电脑自己重传)。因此,帧中继比X.25快得多,开销小很多。

ATM(异步传输模式)

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曾经想一统天下的“完美协议”,结果被以太网打败。

ATM传输的数据单元叫“信元”,并且长度是固定的 53字节(其中5字节是头部,48字节是有效载荷)。

看到“固定53字节”、“信元交换”,闭着眼睛选ATM。

为什么固定长度?为了降低交换节点的处理延迟,方便硬件实现(当年想用来传语音和视频的,结果还是拼不过简单粗暴的IP网)。

五、TCP/IP 协议族

1. 网络层核心协议

网络层(网际层)的核心任务是“找路和转发”,它的代表协议是IP。

IP 协议的本质特征

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无连接:发数据前不需要先和目标建立连接,直接丢给路由器就发。

不可靠:IP协议本身不管数据丢没丢、乱没乱序,它只提供“尽力而为”的服务。

题目问“IP协议能保证数据可靠到达吗?”

➡️ 答:不能! 可靠性是上层TCP的事,IP不背这个锅。

ICMP 协议(网络层报错员)

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作用

因为IP本身不可靠,出错了怎么办?

ICMP就是用来传递“差错报告”和“网络探测信息”的。

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应用

Ping:测试网络连通性。利用ICMP的回送请求和回送应答报文。

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Tracert / Traceroute:

追踪数据包经过的路由器节点。利用ICMP报文的TTL(生存时间)超时机制。

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注意:

千万记住,Ping和Tracert都没有用到TCP或UDP,它们直接封装在IP数据报里调用ICMP!

ARP 与 RARP(地址翻译官)
ARP(地址解析协议)

已知目标IP地址,求目标的MAC地址。

计算机网络 - 软考备战(五十五)

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RARP(逆地址解析协议)

已知自己的MAC地址,求自己的IP地址(早期无盘工作站用来获取IP,现在已被DHCP淘汰)。

ARP工作过程

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主机先查本地的 ARP缓存表,有就直接用。

没有就发 ARP请求包。

请求包是广播发送的(MAC地址全填F,问局域网所有人:“谁是192.168.1.5?请告诉我你的MAC”)。

只有IP匹配的主机会回应 ARP响应包。

响应包是单播发送的(直接把MAC私发给询问者)。

2. 传输层:TCP vs UDP

传输层负责“端到端”(进程到进程)的通信,通过端口号来区分同一个电脑上的不同软件(如微信端口和浏览器端口不同)。

计算机网络 - 软考备战(五十五)

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特性

TCP(传输控制协议)

UDP(用户数据报协议)

连接性

面向连接(传数据前必须三次握手)

无连接(想发就发)

可靠性

高可靠(确认、重传、排序)

不可靠(尽最大努力交付,不保证到达)

传输方式

字节流(把数据看成一连串无结构的字节)

报文(保留数据报文的边界,一次发一个完整包)

开销与速度

头部最小20字节,开销大,速度相对慢

头部仅8字节,开销极小,速度极快

拥塞/流量控制

有(滑动窗口机制,不让网络塞车或接收方崩溃)

无(发了就不管了)

典型应用

浏览网页(HTTP)、发邮件(SMTP)、文件传输(FTP)

视频会议、语音通话(VoIP)DNS查询、直播

看到“实时性要求高、允许少量丢包、视频/语音/直播”,闭眼选UDP;

计算机网络 - 软考备战(五十五)

看到“不允许丢任何一个字节、文件下载、网页浏览”,闭眼选TCP。

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3. TCP 的“灵魂三问”

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第一问:怎么建立连接?—— 三次握手
目的

双方确认彼此的发送和接收能力都正常;同步初始序号。

过程描述

客户端发 SYN=1, seq=x 给服务器

(客户端:我要连你,我的初始号是x)。

服务器回 SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1

(服务器:好的我收到你了,我也要连你,我的初始号是y)。

客户端发 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1

(客户端:好的我也收到你了,连接建立!)。

为什么是三次握手,不是两次?

答:为了防止失效的连接请求突然到达服务器,产生错误和资源浪费。 假设只有两次,客户端发了一个请求A,因为网络拥堵滞留了,客户端超时又发了请求B并成功建立连接、传完数据断开。这时候,滞留的请求A突然到达服务器,服务器以为客户端又要连,于是发确认并一直傻等,白白浪费资源。第三次握手让服务器知道,客户端到底有没有真正请求连接。

第二问:怎么断开连接?—— 四次挥手

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过程描述

主动方发 FIN=1

(我数据发完了,要关闭发送通道)。

被动方回 ACK

(好的,我知道了,但我可能还有数据没发完,你等我)。

(过一会儿) 被动方发 FIN=1

(我数据也发完了,我也要关闭发送通道了)。

主动方回 ACK(好的,我知道了),进入 TIME_WAIT 状态,等待 2MSL 时间后真正释放连接。

为什么建立是三次,断开是四次?

答:因为TCP是全双工的。建立连接时,服务器的ACK和SYN可以合并成一个包发(所以三次);断开连接时,当主动方发FIN时,被动方可能还有没发完的数据,所以被动方只能先回一个ACK(表示我听到了),等数据全发完了,才能再发一个FIN(表示我也发完了)。所以多了四次。

第三问:怎么保证数据不丢、不堵?—— 可靠传输机制
确认与重传

发出去的包,接收方必须回ACK。超时没收到ACK,发送方就重传。

序列号

给每个字节编号,接收方可以根据序列号对乱序到达的包进行重新排序。

滑动窗口(流量控制)

接收方在ACK包里告诉发送方:“我现在只能接收1000个字节了(窗口大小)”。

发送方就严格控制发出去的在途数据不超过1000字节,防止接收方内存溢出。

拥塞控制(防塞车)

全局性的控制。发送方有一个“拥塞窗口”,刚开始慢发(慢启动,指数增长),如果没丢包就慢慢加速(拥塞避免,线性增长),一旦发现丢包(塞车了),立刻踩刹车减半(快重传、快恢复)。

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4. 应用层与端口号

端口号范围:0~65535。

其中 0~1023 是“知名端口”(系统保留,需管理员权限),1024~49151 是注册端口,49152~65535 是动态/私有端口。

“带S vs 不带S”
不带 S 的是“明文/不安全”的

HTTP、Telnet、FTP。

带 S 的是“加密/安全”的(Secure)

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HTTPS、SSH、SFTP。

特例:SMTP 带S但不是加密的,它的加密版叫 SMTPS。

必背端口清单

FTP:21(控制连接,发命令)、20(数据连接,传文件)

➡️ 注意FTP是双端口!

SSH:22(安全远程登录)

Telnet:23(明文远程登录,现在淘汰了)

SMTP:25(发邮件)

DNS:53(域名解析)

DHCP:67(服务器端)、68(客户端)

TFTP:69(简单文件传输,基于UDP)

HTTP:80(网页)

POP3:110(收邮件)

HTTPS:443(加密网页)

SNMP:161(网络管理协议)

六、IP 地址与子网划分

1. IPv4 基础与分类

IPv4 是 32 位二进制数,为了人眼好看,用点分十进制表示(如 192.168.1.100)。

传统上分为五类,重点看前三位:

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A 类

0 开头(第1位是0)。

范围 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255。

默认子网掩码 /8。

B 类

10 开头(前2位是10)。

范围 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。

默认子网掩码 /16。

C 类

110 开头(前3位是110)。

范围 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255。

默认子网掩码 /24。

D 类

1110 开头。

组播地址(一对多通信,如视频会议)。

E 类

1111 开头。

保留做实验用。

2. 特殊 IP 地址

私有地址(内网地址)

不能直接出现在互联网上,用于企业内部。

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A类私有

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 (10.0.0.0/8)

B类私有

172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 (172.16.0.0/12)

注意:不是172.0到172.255,是从16开始到31!

C类私有

192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 (192.168.0.0/16)

回环地址

127.0.0.1(代表本机自己)。

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Ping 127.0.0.1 通了,说明本机的 TCP/IP 协议栈安装正常。

网络地址

主机号全为 0 的地址(如 192.168.1.0)。

代表一个网段本身,不能分配给具体电脑。

广播地址

主机号全为 1 的地址(如 192.168.1.255)。向这个地址发数据,网段内所有主机都能收到,不能分配给具体电脑。

0.0.0.0

代表未指定地址,或者代表默认路由。

255.255.255.255

受限广播地址,只在本局域网内广播,路由器不会转发它。

3. 子网掩码

换算工具:在线网络计算器 | TCP/IP子网掩码计算换算 —在线工具

子网掩码的作用就是告诉电脑:“IP地址里,哪些位数是网络号,哪些位数是主机号”。

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规则

掩码永远是连续的 1 接着连续的 0。

1 对应网络号,0 对应主机号。

写法

255.255.255.0 ➡️ 数前面有几个 1?8+8+8+0 = 24个1 ➡️ 写成 /24(这叫 CIDR 表示法)。

/26 ➡️ 前 26 位是 1 ➡️ 11111111.11111111.11111111.11000000 ➡️ 255.255.255.192(/26)。

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4. “块大小”公式

公式

块大小 = 256 – 掩码中最后一个非 255 的数字

什么是块大小?

块大小就是子网的步长,每个子网包含的 IP 总数。

举例

掩码是 255.255.255.192。

最后一个非255的数字是 192。

块大小 = 256 – 192 = 64。

意思是:这个网段是从 0 开始,每次跳 64 个数。

子网划分分别是:0-63,64-127,128-191,192-255。

5. 三大经典计算套路

套路一:已知 IP 和掩码

已知 IP 和掩码,求【网络地址】、【广播地址】、【可用主机范围】

题目

IP 是 192.168.1.130,掩码是 255.255.255.192(即 /26)。求这三样。

秒杀步骤

算块大小:256 – 192 = 64。

找网络号(落入哪个坑):

64 的倍数是 0, 64, 128, 192。130 落在 128 和 192 之间。所以 网络地址是 192.168.1.128。

找广播地址:

下一个坑的前一个数。128 这个坑的终点是 191(因为下一个坑从192开始)。所以 广播地址是 192.168.1.191。

找可用主机范围:

掐头去尾(去掉网络号和广播号)。所以范围是 192.168.1.129 ~ 192.168.1.190。

(可选计算:能容纳多少台主机?公式 2^n – 2。掩码/26,主机位有 32-26=6 位。2^6 – 2 = 62 台。)

套路二:判断两个 IP 是否在【同一个网段】
题目

IP1 是 192.168.1.130,IP2 是 192.168.1.66,掩码都是 /26。它们能直接通信吗?

秒杀步骤

把两个 IP 分别用上面的套路一求出“网络地址”。

IP1(130) 的网络地址是 128。

IP2(66) 的网络地址是 64。

结论

网络地址不同,不在同一网段,不能直接通信,必须跨路由器。

套路三:根据【主机数量需求】,反推【子网掩码】
题目

你需要划分一个子网,里面要容纳 50 台主机,请问掩码该写多少?

秒杀步骤

用公式反推需要几位主机位:2^n – 2 ge 50。

试几个数:n=5,2^5-2=30(不够);n=6,2^6-2=62(够了)。所以需要 6 位主机位。

算网络位:总共 32 位,减去 6 位主机位 = 26 位网络位。

答案:掩码就是 /26,即 255.255.255.192。

6. IPv6 基础速记

IPv4 快不够用了,IPv6 是下一代。

长度与表示:128 位。

用冒号十六进制表示。

(如 2001:0DB8:0000:0000:0000:FF00:0042:8329)。

省略规则

前导零可以省略(0DB8 写成 DB8,0042 写成 42)。

连续的全零块(注意必须是一段里的全零,不能把两个不连续的零合并),可以用双冒号 :: 只写一次。比如上面那个长串可以写成:2001:DB8::FF00:42:8329。

特点(与IPv4对比)

没有广播地址(用组播代替);

头部更简单,路由器处理更快;

内置 IPSec 安全协议(IPv4是可选外挂的)。

过渡技术

不可能一天全换完,怎么兼容?

双栈策略

同时安装 IPv4 和 IPv6 协议栈(最基础)。

隧道技术

把 IPv6 的包塞进 IPv4 的包里,在现有的 IPv4 网络里传输(像坐地铁过江)。

七、网络命令与诊断

1. IP 配置与释放命令

当你连接到局域网(如公司网、Wi-Fi),获取不到IP或者IP冲突时,用这些命令。

Windows 环境
ipconfig

查看本机所有网卡的 IP 地址、子网掩码、默认网关。(最基础的命令)。

ipconfig /all

必考。查看“详细”信息。不仅能看到IP,还能看到物理地址(MAC)、是否开启 DHCP、DHCP 服务器的 IP 是多少、DNS 服务器地址等。

ipconfig /release

释放当前通过 DHCP 获取的 IP 地址(把IP还给服务器,变成 169.254.x.x 这种无效地址)。

ipconfig /renew

重新向 DHCP 服务器申请 IP 地址。(排错套路:网络断了,经常先 /release 再 /renew 刷新一下)。

ipconfig /flushdns

清空本机的 DNS 解析缓存。(排错套路:网站 IP 变了,但你电脑还记着旧的,打不开网站,用这个命令清一下缓存)。

Linux 环境对应
ifconfig 或 ip addr(简写 ip a)

相当于 ipconfig。

dhclient -r

释放 IP。

dhclient

重新获取 IP。

2. 连通性测试命令

ping 命令

基于 ICMP 协议,测试两台机器之间能不能通。

常用参数
-t

不停地 ping(Windows特有,测试长时间稳定性用,Ctrl+C 停止)。

-n count

指定 ping 的次数(如 ping -n 4 192.168.1.1)。

-l size

指定发送的数据包大小(默认是32字节,可以用来测试网络能传多大的包不被分片,如 -l 1500)。

黄金排错步骤

当你发现“上不了网”时,正确的 ping 顺序应该是从内到外:

ping 127.0.0.1

Ping 本机回环地址。

如果通,说明本机的 TCP/IP 协议栈安装正常(网卡硬件驱动到操作系统这层没坏)。

如果不通,重装系统网络组件。

ping 本机IP(如 192.168.1.10)

如果通,说明网卡硬件设备工作正常。

如果不通,检查网卡灯亮不亮,网线接没接。

ping 同网段其他IP(如邻居电脑)

如果通,说明本局域网内部通信正常。

如果不通,检查交换机、网线、或者是否处于不同的 VLAN。

ping 默认网关(如 192.168.1.1,通常是你家光猫或路由器)

如果通,说明你到出口的第一道门是通的。

如果不通,说明你配的网关错了,或者路由器死机了。

ping 公网IP(如 114.114.114.114,这是国内的公共DNS)

如果通,说明整个互联网的路由是通的。

ping 域名(如 ping www.baidu.com)

如果第5步通了,但这步不通(提示找不到主机),百分之百是 DNS 解析故障!

“能上QQ但打不开网页”

➡️ 为什么?因为QQ直接用IP通信(跳过了第6步),而网页要用域名(卡在第6步),DNS坏了。去 ipconfig /flushdns 或改 DNS 设置。

3. 路由追踪命令

作用

不仅告诉你目标通不通,还告诉你中间经过了哪些路由器,以及卡在哪个路由器上了。

Windows

tracert 目标IP或域名(如 tracert www.baidu.com)。

Linux

traceroute 目标IP或域名。(注意拼写区别,考试常混在一起让你选)。

如果前面几跳都很正常(几十毫秒),突然某一行出现    请求超时,说明故障点就出在那个路由器或者它后面的链路上。

4. 端口与连接状态查看

netstat 命令

查看本机当前所有的网络连接、端口监听状态、路由表。

常用参数组合:netstat -ano
-a

显示所有连接和监听端口。

-n

以数字形式显示 IP 和端口(不加 -n 的话,它会试图把 IP 反解析成域名,非常慢)。

-o

显示进程 PID(极其重要!)。

看什么状态
LISTENING

表示某个程序正在这个端口“蹲守”(比如 80 端口 LISTENING,说明开了 Web 服务器)。

ESTABLISHED

表示双方已经建立好连接,正在传数据。

 “提示 8080 端口被占用,启动 Tomcat 失败怎么办?”

➡️ 答:在 CMD 敲 netstat -ano | findstr 8080,找到最后一列的 PID 数字,然后打开“任务管理器” -> “详细信息”,找到这个 PID 的进程并结束掉。

Linux 对应

netstat -tunlp 或 ss -tunlp(ss 是新一代命令,更快)。

-t TCP,-u UDP,-n 数字,-l 监听,-p 显示进程名。

5. DNS 诊断命令

nslookup 命令

用来查询 DNS 的记录,看域名到底解析成了什么 IP,或者用来测试指定的 DNS 服务器好不好用。

用法

直接敲 nslookup www.baidu.com,它会先显示你当前用的默认 DNS 服务器,然后显示解析结果。

进阶用法

nslookup www.baidu.com 8.8.8.8(强制使用谷歌的 DNS 去解析,用来对比是不是你本地 DNS 的问题)。

Linux 对应

dig www.baidu.com 或 nslookup(Linux 下 dig 显示的信息更专业、更全面)。

八、Internet/Intranet 应用

1. DNS(域名系统)

DNS 的核心任务是把“人类爱看的域名”翻译成“机器爱看的 IP 地址”。

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解析顺序(本地优先):

浏览器缓存 ➡️ 操作系统缓存(如 hosts 文件) ➡️ 本地域名服务器(LDNS) ➡️ 根域名服务器 ➡️ 顶级域名服务器 ➡️ 权威域名服务器。

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递归查询 vs 迭代查询

 “递归是我帮你跑腿,迭代是我告诉你路你自己跑”。

递归查询

客户端 ➡️ 本地 DNS 服务器。客户端说:“你帮我找百度的IP,找不到你就别回来。” 本地 DNS 必须给出最终结果。

迭代查询

本地 DNS ➡️ 根/顶级/权威 DNS。

本地 DNS 问根服务器:“百度在哪?”

根服务器说:“我不知道具体IP,但你去问 .com 顶级服务器吧,这是它的地址。”

本地 DNS 只好自己再去问 .com 服务器……这叫迭代。

主机向本地 DNS 服务器的查询是递归;

本地 DNS 服务器向根/顶级/权威 DNS 服务器的查询是迭代。(通常是一次递归,N次迭代)。

2. WWW 与 HTTP 协议

HTTP 是万维网的数据传输基础,它基于 TCP(可靠传输),默认端口 80。

HTTP 的核心特征

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无状态

服务器记不住你。你发一次请求,服务器处理完就忘了你是谁。

(引申考点:为了解决无状态带来的麻烦,后来发明了 Cookie 和 Session 来保持登录状态)。

请求-响应模型

永远是客户端先主动发请求,服务器被动回响应,服务器不能主动推数据给客户端(除非用 WebSocket)。

常用请求方法

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GET

从服务器获取资源。

参数附在 URL 后面,数据长度有限制,不适合传敏感信息(会在浏览器历史里留下记录),安全且幂等(点一百次和点一次效果一样,不会改变服务器数据)。

POST

向服务器提交数据(如登录、发帖)。

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参数放在请求体中,没有长度限制,相对安全,非幂等(提交一次创建一个帖子,提交两次创建两个)。

PUT

向服务器上传文件/整体替换资源。幂等。

DELETE

删除服务器上的资源。幂等。

常见状态码
200 OK

一切正常。

301 / 302:重定向

301 是永久搬家,302 是临时借宿。

SEO 优化中,换域名必须用 301)。

304 Not Modified

未修改。

配合浏览器的缓存机制(If-Modified-Since),告诉客户端“你本地缓存的图片还能用,不用重新下载了”,节省带宽。

403 Forbidden

服务器收到请求了,但你没权限(比如目录禁止访问)。

404 Not Found

找不到资源(最常见报错)。

500 Internal Server Error

服务器内部崩了(比如后端 Java 代码抛了空指针异常)。

3. 电子邮件系统

发邮件和收邮件,用的是两套完全不同的协议,千万别搞混。

发送协议——SMTP(简单邮件传输协议)

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端口:25
工作机制:“推”模型

你写完邮件点发送,你的邮箱客户端(或发件服务器)利用 SMTP 把邮件“推”到对方的收件服务器上。SMTP 只能发,不能收!

接收协议——POP3 / IMAP
工作机制:“拉”模型

邮件已经在服务器上了,你打开手机邮件APP,APP用协议去服务器把邮件“拉”下来。

POP3(端口 110)

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老协议。通常是“下载并删除”(拉到手机上,服务器上的就没了),虽然现在也能设置保留,但不支持多设备同步。

IMAP(端口 143)

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现代协议。支持多设备同步。你在电脑上读了一封邮件标为“已读”,手机上立刻也会显示已读,因为它们是在直接操作服务器上的邮件。

MIME(多用途互联网邮件扩展)

SMTP 最初只能传纯文本(ASCII码)。

那怎么发图片、附件?就靠 MIME。

MIME 把图片和附件转成一段特殊的文本编码塞进邮件里发出去,收件方再解码还原。

MIME 不是协议,是对 SMTP 的补充扩展。

4. FTP 文件传输协议

FTP 是一个很有个性的协议,它干活需要两个连接同时工作(基于 TCP)。

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控制连接(端口 21)

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专门用来传命令(如“给我传个文件”、“登录用户名密码”)。

这个连接在整个会话期间一直保持。

数据连接(端口 20 或随机端口)

专门用来传真实的文件内容或目录列表。

只有传文件时才建立,传完就断开。

主动模式 vs 被动模式(为什么 FTP 总是连不上?)
主动

服务器从 20 端口主动连客户端的随机端口。

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现在客户端都有防火墙,服务器主动连进来会被拦住!

被动

客户端连上服务器的 21 端口发命令后,服务器开一个随机端口“被动”等待客户端来连。

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为了穿越客户端防火墙,现在绝大多数 FTP 软件默认都开被动模式。

TFTP(简单文件传输协议)

基于UDP(端口69),没有认证,代码极小,通常用于局域网内无盘工作站启动(PXE)或路由器升级固件。

5. Intranet(企业内部网)

采用 Internet 的技术(TCP/IP、Web、浏览器、DNS),但物理上或逻辑上被防火墙隔离在企业内部的网络。

它不是 Internet 的一部分,外面的网民进不来,但企业员工在内部可以像上网一样方便地访问企业内部的 OA、知识库(通过浏览器输入内网域名)。

九、网络安全基础

1. 安全的基石:CIA 三元组

无论什么安全产品、什么协议,它保护的无外乎就是这三个目标,做题时看到这三个词要高度敏感:

保密性

信息不泄露给未授权的用户、实体或过程。

别人看不懂/看不到➡️ 对应技术:加密。

完整性

数据未经授权不能进行改变的特性。

数据没被中间人篡改过➡️ 对应技术:哈希(MD5/SHA)、数字签名。

可用性

得到授权的实体在需要时可访问系统资源。

系统没被搞崩溃,想用的时候能用➡️ 对应防御:抗 DDoS 攻击、冗余备份。

2. 网络攻击分类与场景识别

被动攻击

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偷窥者,只看不动,不改变数据流。

很难被发现,重点是预防。

窃听

抓包嗅探(如用 Wireshark 抓别人明文密码)。

流量分析

虽然数据加密了看不懂,但通过分析数据包的大小、频率,猜出你在干嘛(比如你在传个大文件)。

主动攻击

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破坏者,篡改或伪造数据流。

篡改

中间人修改了数据包的内容(破坏完整性)。

伪造

假冒别人身份发数据(如伪造 IP 发 DDoS 攻击)。

中断

切断通信线路或搞死服务器(破坏可用性)。

重放攻击

截获一段合法的登录报文,过一会儿再原封不动地发一遍骗过服务器。(防御手段:加时间戳或随机序列号)

常见具体攻击场景
ARP 欺骗

局域网内,伪造 MAC 地址,把自己伪装成网关。

现象:本机 IP 没变,能上 QQ 但打不开网页(因为网关被劫持,DNS 解析出错)。

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DDoS(分布式拒绝服务)

控制成千上万台“肉鸡”,在同一时间疯狂向目标服务器发无用请求,耗尽服务器的带宽或 CPU 资源。(破坏的是 CIA 里的可用性)。

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SQL 注入

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在网页的输入框里输入恶意的 SQL 代码(如 ' OR 1=1 –),绕过验证直接骗取数据库数据。

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属于应用层攻击。

跨站脚本攻击(XSS)

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在网页里植入恶意 JS 脚本,当别人浏览这个网页时,脚本在别人浏览器里执行,偷走他的 Cookie。

3. 核心安全设备:防火墙与 IDS/IPS

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防火墙

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本质

一种“访问控制”设备,通常部署在内部网和外部网之间。

核心思想:默认拒绝,明确允许。

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主要技术分类

包过滤:

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工作在网络层

只看 IP 头和端口,速度快,但“傻”(只看信封不拆信,防不了应用层攻击)。

应用代理:

工作在应用层

彻底拆开数据包检查内部内容,安全性极高,但速度慢,必须为每个应用(HTTP/FTP)写专门的代理代码。

状态检测NGFW:

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结合前两者,不仅看包的头,还记录连接的状态(比如记住了你刚才发过 SYN,现在回来个 ACK 就是合法的),现代防火墙主流技术。

IDS 与 IPS

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IDS(入侵检测系统)

网络里的“监控摄像头”。只发现,不处理。

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发现异常它只能报警(发邮件/响铃),不能阻断攻击。通常旁路部署。

IPS(入侵防御系统)

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网络里的“保安”。

发现异常,直接阻断。通常串接部署在网络主干线上。IPS 比 IDS 多了一个“Inline(在线阻断)”的能力。

4. 安全协议与加密的“层次归属”

网络层安全:IPSec。

它把 IP 包的内容加密,常用于 VPN(虚拟专用网)。

传输层安全:SSL / TLS。

它把 TCP 里面的数据加密。(注意:SSL 已被淘汰,现在用的是 TLS,但考试常并称 SSL/TLS)

应用层安全:PGP(电子邮件加密)、HTTPS。

题目:HTTPS 工作在 OSI 的哪一层?

正确答案:应用层。

原理解析:

HTTP 是应用层协议,HTTPS = HTTP + SSL/TLS。SSL/TLS 虽然叫“传输层安全”,但它是夹在应用层和传输层之间的一个“半层”。

对上层来说,它提供了应用层接口(所以整体算应用层);

对下层来说,它调用 TCP 接口。

常见安全协议替换常识(明文 vs 密文)

明文 Telnet (23) ➡️ 加密 SSH (22)

明文 HTTP (80) ➡️ 加密 HTTPS (443)

明文 FTP (21) ➡️ 加密 SFTP / FTPS

明文 SMTP/POP3 ➡️ 加密 SMTPS / POP3S

十、网络管理

1. 网络管理的五大功能:FCAPS

ISO 定义了网络管理的五大核心功能,考试通常给你一段场景描述,让你选它属于哪种功能。

F – Fault(故障管理)

最核心的功能。发现网络坏了,定位哪里坏了,隔离故障,修复故障。场景:网管软件弹出红框“某台交换机断网了”。

C – Configuration(配置管理)

初始化网络,批量下发配置,记录设备的参数变更。

场景:统一给100台路由器刷固件或改密码。

A – Accounting(计费管理)

统计用户用了多少流量或时长,用于收费。

场景:运营商计算你本月超出的流量费。

P – Performance(性能管理)

监控网络的健康状态,分析流量瓶颈

场景:生成报表显示“某条专线带宽利用率连续一周达到 90%”。

S – Security(安全管理)

控制访问权限,分发密钥,审计安全日志。

场景:设置只有网管IP能登录核心交换机。

2. SNMP 协议的基础属性

简单网络管理协议(SNMP)是事实上的网络管理工业标准。

SNMP 工作在 OSI 模型的哪一层?使用的是 TCP 还是 UDP?

答案:SNMP 工作在 应用层!它是应用层协议。

传输层协议:使用 UDP(端口 161 接收查询/改配置,162 接收设备主动发来的报警 Trap)。

注意:

很多人觉得“管理数据很重要,肯定用可靠的 TCP”。

错!因为网管数据通常是周期性轮询采集的,丢一两个包无所谓,下次采就行;

如果用 TCP,一旦网络拥塞导致 TCP 重传卡住,网管系统可能会因为等这一个包而“假死”。所以选轻量级的 UDP。

管理模型

由管理者(Manager,如网管软件)和代理(Agent,运行在路由器/交换机里的程序)组成。

管理者主动去“拽”数据,或者代理主动把报警“推”给管理者。

十一、网络结构与系统架构模式

1. 两层 C/S 架构(Client/Server 客户端/服务器)

计算机网络 - 软考备战(五十五)

网络结构

客户端程序直接通过网络连接数据库服务器。

特点(胖客户端):

业务逻辑(比如算工资的代码)全写在客户端软件里,服务器只管存数据。

客户端很“胖”,功能强大但极其臃肿。

优点:

交互能力强(能调用本地系统资源,比如直接操作本地文件)、响应速度快。

致命缺点:

维护升级极难:业务改了一行代码,全公司几千台电脑必须重新安装客户端!

跨平台性差:Windows 客户端没法在 Linux 上跑。

安全性差:数据库直接暴露给客户端,容易遭受攻击。

2. 三层 C/S 架构(解决两层架构的痛点)

计算机网络 - 软考备战(五十五)

在客户端和数据库之间,硬生生塞入一个 “应用服务器(中间件)”。

表示层(客户机)

只管显示界面和收集用户输入(变“瘦”了)。

功能层(应用服务器)

负责所有的业务逻辑处理(核心大脑)。

数据层(数据库服务器)

只管存取数据。

巨大优势:

升级业务逻辑时,只需要更新应用服务器上的代码,几千台客户端电脑完全不用动!而且数据库不直接面对客户,安全性大幅提升。

3. B/S 架构(Browser/Server 浏览器/服务器)
结构

浏览器 ➡️ Web 服务器(处理逻辑) ➡️ 数据库服务器。

核心特点(瘦客户端):

用户电脑上不需要安装任何专门的业务软件,有个浏览器(Chrome/IE)就能干活。

与 C/S 的终极对比

计算机网络 - 软考备战(五十五)

维护升级:

B/S 极易(只改服务器),C/S 极难(到处装软件)➡️ 这是 B/S 最大的优势!

部署成本:

B/S 零部署成本,C/S 高。

交互性与本地控制:

B/S 较弱(受限于浏览器沙盒,比如很难直接操控本地硬件),C/S 极强。

性能处理大数据/图形:

B/S 相对较弱,C/S 极强(比如大型3D游戏、重度CAD软件必须是C/S)。

安全性:

B/S 相对较高(封闭在浏览器环境),C/S 较低。

4. 话术翻译

“为什么要采用 B/S 架构?”

实现了客户端的“零部署”,降低了系统的总体拥有成本(TCO)。

极大的简化了系统的维护和升级工作,业务逻辑变更只需更新服务器端。

具备良好的跨平台性,用户只需通过标准浏览器即可访问。

基于三层架构分离了表示层、业务逻辑层和数据访问层,降低了系统耦合度,提高了可扩展性。

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