网络与服务¶

本文你会学到：

• OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型的对应关系
• IPv4 地址结构、分类、私有地址范围及特殊地址
• 子网掩码与 CIDR 的计算与应用
• 为什么需要子网划分及如何规划网络地址
• MTU、IP 分段与重组的原理
• 以太网、MAC 地址与 CSMA/CD 协议
• ARP 协议如何实现 IP 到 MAC 的地址解析
• TCP 三次握手、四次挥手与连接状态机
• TCP 与 UDP 的对比及各自的应用场景
• 常见协议端口与服务的对应关系
• 静态路由与动态路由协议的基础概念
• IPv6 地址格式、地址类型及与 IPv4 的核心差异

协议模型对比：OSI 七层与 TCP/IP 四层¶

OSI 七层模型是网络教学的参考框架；TCP/IP 四层模型是 Internet 的实际实现。二者的对应关系如下：

graph LR
    classDef osi fill:transparent,stroke:#0288d1,color:#adbac7,stroke-width:1px
    classDef tcp fill:transparent,stroke:#388e3c,color:#adbac7,stroke-width:2px
    classDef proto fill:transparent,stroke:#768390,color:#adbac7,stroke-width:1px

    A7["7 应用层 Application"]:::osi
    A6["6 表现层 Presentation"]:::osi
    A5["5 会话层 Session"]:::osi
    A4["4 传输层 Transport"]:::osi
    A3["3 网络层 Network"]:::osi
    A2["2 数据链路层 Data-Link"]:::osi
    A1["1 物理层 Physical"]:::osi

    T4["应用层\nHTTP · SMTP · DNS · FTP"]:::tcp
    T3["传输层\nTCP · UDP"]:::tcp
    T2["网络层\nIP · ICMP · ARP"]:::tcp
    T1["链路层\nEthernet · Wi-Fi"]:::tcp

    A7 --> T4
    A6 --> T4
    A5 --> T4
    A4 --> T3
    A3 --> T2
    A2 --> T1
    A1 --> T1

各层职责速查：

IP 地址体系¶

IP 地址的结构与分类¶

IPv4 地址是 32 位二进制，点分十进制表示，范围 0.0.0.0 到 255.255.255.255。每个地址由 Net_ID（网络号）和 Host_ID（主机号）两部分组成。

按首字节范围划分五类：

私有地址范围¶

私有地址不会在 Internet 上路由，专用于局域网内部：

局域网主机通过 NAT（网络地址转换）共享一个公网 IP 访问 Internet。

子网掩码与 CIDR¶

为什么需要子网划分？¶

一个 Class A 网络可容纳 1600 万台主机，但广播域太大会导致网络效率极低。通过"借用" Host_ID 的高位作为 Net_ID，可以把一个大网段切分为多个子网。

子网掩码计算（以 192.168.1.0/24 为例）¶

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IP 地址：  192.168.1.0
子网掩码：  255.255.255.0  （/24，即前 24 位为网络号）

Network：  192.168.1.0    （Host_ID 全为 0）
Broadcast：192.168.1.255  （Host_ID 全为 1）
可用 IP：  192.168.1.1 ~ 192.168.1.254（共 254 个）

将 /24 再切成 4 个子网（借 2 位，/26）：

CIDR 无类域间路由¶

192.168.0.0/16 这种写法就是 CIDR 表示法——用斜线加前缀长度替代冗长的掩码写法。CIDR 打破了 Class 边界：

• 聚合路由：把 256 个 Class C（192.168.0.0 ~ 192.168.255.255）写成 192.168.0.0/16，减少路由表条目
• 划分子网：把 Class C 切成更小的 /26、/28 等

IP 分段与 MTU¶

MTU 是什么？¶

每种链路媒介对单次传输的数据量有上限，即 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）。

• 标准以太网 MTU：1500 字节
• IPv4 封包最大：65535 字节（远大于 MTU）
• 因此 IP 层必须对大包进行**分段（Fragmentation）**，在目的端重组

IPv4 表头中负责分段的字段：

IPv4 vs IPv6 MTU 对比¶

IPv6 要求源主机先通过 Path MTU Discovery 探测路径最小 MTU，再按此发包，路由器不做分段。

以太网与局域网技术¶

以太网与 CSMA/CD¶

以太网是目前最主流的局域网技术（IEEE 802.3）。传统以太网通过 CSMA/CD 协调共享媒介：

1. CS（Carrier Sense）：发送前先监听线路是否空闲
2. MA（Multiple Access）：Hub 环境中所有主机共享带宽
3. CD（Collision Detection）：检测到碰撞后随机退避重发

以太网常见标准：

MAC 地址¶

每张网卡出厂时烧入唯一的 MAC 地址（48 位，16 进制表示如 00:1A:2B:3C:4D:5E）：

• 前 24 位（OUI）：厂商标识
• 后 24 位：设备序号

MAC 地址只在**同一广播域（局域网）内**有效，跨路由器传输时会被替换为下一跳的 MAC。

查看 MAC 地址：

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ip link show eth0
# 或
ip addr show

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ip link show ens33
# nmcli device show

ARP 协议：IP 到 MAC 的翻译¶

当主机知道目标 IP 但不知道其 MAC 时，通过 ARP（Address Resolution Protocol）广播查询：

sequenceDiagram
    participant A as 主机A\n192.168.1.10
    participant LAN as 局域网\n广播域
    participant B as 主机B\n192.168.1.20

    A->>LAN: ARP Request（广播）\n谁是 192.168.1.20？我是 MAC-A
    LAN->>B: 转发广播
    B->>A: ARP Reply（单播）\n我是 192.168.1.20，MAC 是 MAC-B
    Note over A: 缓存 IP→MAC 映射约 20 分钟

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arp -n
# 或
ip neigh show

RARP（Reverse ARP）方向相反——已知 MAC，查询 IP，现已被 DHCP 取代。

TCP 与 UDP 传输层协议¶

TCP 三次握手：建立可靠连接¶

TCP 是**面向连接、可靠传输**的协议，建立连接需要三次握手：

sequenceDiagram
    participant C as 客户端
    participant S as 服务器

    C->>S: SYN（seq=x）\n请求建立连接
    S->>C: SYN+ACK（seq=y, ack=x+1）\n同意连接，确认客户端请求
    C->>S: ACK（ack=y+1）\n确认服务器响应，连接建立

    Note over C,S: 连接已建立，可以传输数据

TCP 四次挥手：关闭连接¶

TCP 是全双工的，两个方向的连接需要各自独立关闭：

sequenceDiagram
    participant C as 主动关闭方
    participant S as 被动关闭方

    C->>S: FIN（seq=u）\n我数据发完了，请求关闭
    S->>C: ACK（ack=u+1）\n收到，但我可能还有数据要发
    Note over S: 继续发送剩余数据...
    S->>C: FIN（seq=v）\n我也发完了，请求关闭
    C->>S: ACK（ack=v+1）\n好的，连接关闭
    Note over C: TIME_WAIT 等待 2MSL 后完全关闭

TIME_WAIT 状态（等待 2×MSL，约 60 秒）的目的：确保最后一个 ACK 能被对方收到，避免旧连接的延迟包干扰新连接。

TCP 关键控制标志¶

TCP 连接状态机¶

主要状态（简化版）：

graph TD
    classDef active fill:transparent,stroke:#0288d1,color:#adbac7,stroke-width:1px
    classDef passive fill:transparent,stroke:#388e3c,color:#adbac7,stroke-width:1px
    classDef wait fill:transparent,stroke:#f57c00,color:#adbac7,stroke-width:1px

    CLOSED([CLOSED]):::active
    LISTEN([LISTEN]):::passive
    SYN_SENT([SYN_SENT]):::active
    SYN_RCVD([SYN_RCVD]):::passive
    ESTABLISHED([ESTABLISHED]):::active
    FIN_WAIT1([FIN_WAIT_1]):::active
    FIN_WAIT2([FIN_WAIT_2]):::active
    TIME_WAIT([TIME_WAIT]):::wait
    CLOSE_WAIT([CLOSE_WAIT]):::passive
    LAST_ACK([LAST_ACK]):::passive

    CLOSED -->|被动 listen| LISTEN
    CLOSED -->|主动 connect SYN| SYN_SENT
    LISTEN -->|收到 SYN，发 SYN+ACK| SYN_RCVD
    SYN_SENT -->|收到 SYN+ACK，发 ACK| ESTABLISHED
    SYN_RCVD -->|收到 ACK| ESTABLISHED
    ESTABLISHED -->|主动关闭 FIN| FIN_WAIT1
    ESTABLISHED -->|收到 FIN，发 ACK| CLOSE_WAIT
    FIN_WAIT1 -->|收到 ACK| FIN_WAIT2
    FIN_WAIT2 -->|收到 FIN，发 ACK| TIME_WAIT
    TIME_WAIT -->|2MSL 超时| CLOSED
    CLOSE_WAIT -->|发 FIN| LAST_ACK
    LAST_ACK -->|收到 ACK| CLOSED

UDP：轻量不可靠传输¶

UDP（User Datagram Protocol）无连接、无确认机制，表头仅 8 字节（源端口、目的端口、长度、校验和）。

常见协议端口¶

小于 1024 的端口称为**特权端口（Well-known Ports）**，只有 root 进程才能绑定。完整映射记录在 /etc/services。

查看本机监听端口：

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# 推荐：ss 命令（iproute2）
ss -tlnp

# 传统：netstat
netstat -tlnp

路由基础¶

路由表与封包转发逻辑¶

每台主机都有路由表。当发出 IP 包时，内核按以下顺序查找路由：

1. 匹配最长前缀（精确子网 → 更大子网 → 默认路由 0.0.0.0/0）
2. 找到匹配项后，通过对应网口发出（同网段直连）或转发给网关（跨网段）
3. 找不到任何匹配 → 发送 ICMP Destination Unreachable

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# 推荐
ip route show

# 传统
route -n

示例路由表输出（ip route）：

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192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.100
default via 192.168.1.254 dev eth0

三类路由¶

直连路由（Connected）

当网卡启用并配置 IP 时，内核自动生成——该网卡所在网段直接可达，无需网关。

静态路由（Static）

手动配置的固定路由条目，适合规模小、拓扑稳定的网络：

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# 到 192.168.100.0/24 经由网关 192.168.1.100
ip route add 192.168.100.0/24 via 192.168.1.100 dev eth0

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# /etc/netplan/01-netcfg.yaml
network:
  ethernets:
    eth0:
      routes:
        - to: 192.168.100.0/24
          via: 192.168.1.100

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# /etc/sysconfig/network-scripts/route-eth0
192.168.100.0/24 via 192.168.1.100 dev eth0

动态路由（Dynamic）

路由器之间通过路由协议自动交换路由信息，适合大型网络：

启用 IP 转发（让 Linux 充当路由器）：

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# 临时
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

# 永久（/etc/sysctl.conf 或 /etc/sysctl.d/*.conf）
net.ipv4.ip_forward = 1
sysctl -p

IPv6 基础¶

为什么需要 IPv6？¶

IPv4 地址空间仅 2³² ≈ 43 亿个，实际可用更少（NAT 虽延缓了枯竭，但不是长久之计）。IPv6 提供 2¹²⁸ 个地址，相当于地球上每粒沙子可分到数亿个 IP。

IPv6 地址格式¶

IPv6 地址为 128 位，用 8 组 16 位十六进制数（:分隔）表示：

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完整表示：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
简化规则：
  1. 每组前导零可省略：0db8 → db8
  2. 连续全零组可用 :: 替代（只能用一次）：
     2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

常见 IPv6 地址类型：

IPv4 与 IPv6 核心对比¶

链路本地地址（fe80::/10） 在接口启用时自动生成，由 EUI-64 算法从 MAC 地址派生。这意味着同一链路上的主机无需手动配置即可互相通信。

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ip -6 addr show
# fe80::xxx/64 即为链路本地地址

网络连通必要参数¶

一台主机要能上网，必须具备以下四个参数：