五、计算机网络-编程知识

（一）OSI/RM 七层模型

七层模型是计算机网络的基石，整个计算机网络是构建与七层模型之上的。

在数据链路层，数据开始以帧为单位，网卡的 MAC 地址就是数据帧的地址，数据的传输开始有地址了。

局域网是工作在物理层、数据链路层，局域网的典型设备是交换机。局域网内部有广播，局域网内的某个设备发布广播后，局域网内的其它设备都能收到广播。网络层不属于局域网。

IPV4 的地址长度是 32 位（2³²=4,294,967,296，即 42.9 亿多个公网 IP 地址），IPV6 的地址长度是 128 位（2¹²⁸，可以看成是无穷个公网 IP 地址），IPV4 和 IPV6 都是 IP 地址，所以 IP 地址的长度是 32 位或 128 位。MAC 的地址长度是 48 位（2⁴⁸=281,474,976,710,656，所以 MAC 地址的数量相当多）。IP 地址提供了网络层的寻址功能，工作在网络层。MAC 地址提供了数据链路层的寻址，工作在数据链路层。IP 地址的分配是基于网络拓扑的逻辑规划设计，而 MAC 地址的分配是基于设备厂商，每个制造商都拥有一定数量的 MAC 地址。MAC 地址是全球唯一的，但 IP 地址不是唯一的，例如 IPV4 有三个段是局域网专用地址，各个局域网可以复用这些 IP，在需要联网时再通过 NAT 技术转换到广域网或互联网 IP。（2022 年下半年选择题）

包过滤型防火墙是在网络层对数据包进行分析、选择，选择的依据是系统内设置的过滤规则（访问控制表）。通过检查每个数据包的源地址、目的地址、端口和协议状态等因素，确定是否允许该数据包通过。（2021 年下半年上午题）

在下图的练习题中，对于选项 A，计算机 P 和计算机 Q 之间是通过网桥连接的，网桥是数据链路层的设备，所以两者在同一局域网内，可以相互接收广播；对于选项 B，计算机 P 和计算机 S 之间是通过路由器连接的，路由器是网络层的设备，说明两者不在同一个局域网，所以无法相互接收广播；对于选项 C，计算机 Q 和计算器 R 之间是通过集线器连接的，集线器是物理层的设备，所以两者在同一个局域网内，可以相互接收广播；对于选项 D，计算机 S 和计算机 T 之间是通过交换机连接的，交换机是数据链路层的设备，所以两者属于同一个局域网，可以相互接收广播。

（二）网络技术标准与协议

在计算机网络协议中，TCP/IP 协议是一个应用很广泛的协议，因为其与 Internet 进行了深度的绑定，该协议效率其实并不高。

在七层模型的网络层中（也就是 TCP/IP 协议的 Internet 层）中有 IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP 协议，其中 ICMP 是 Internet 控制协议，平常用 ping 命令来检测网络是否通畅就是用的 ICMP 中的协议；ARP 是地址解析，是将 IP 地址解析成 MAC 地址；RARP 是反向地址解析，是将 MAC 地址解析成 IP 地址。

在传输层中，TCP 是可靠的协议，在通信的时候会建立连接，可靠的原因是因为 TCP 有验证机制；而 UDP 是不可靠的协议，在通信的时候不会建立连接，UDP 只是简单地将数据包从源地址发送到目的地地址。

POP3、FTP、HTTP、Telnet、SMTP 都是基于 TCP 的协议，所以都是可靠的协议。HTTP 是超文本传输协议，用来传输网页数据；FTP 是文件传输协议；Telnet 用于远程登录，使用 TCP 端口 23 号，但是未经加密，所以是不安全的；POP3（接收邮件）、SMTP（发送邮件）用于邮件传输。

DHCP、TFTP、SNMP、DNS 都是基于 UDP 的协议。DHCP 用于在局域网内进行动态的 IP 地址分配工作；TFTP 是小文件传输协议，是不可靠的，而 FTP 是可靠的文件传输协议；SNMP 是简单网络管理协议；DNS 是域名解析。

Samba、CIFS、NFS 都是文件共享协议，其中 Samba 可以跨平台。这三者既可以用 TCP 协议实现，也可以用 UDP 协议实现。

IGMP（Internet 组管理协议）负责进行 IPV4 组播成员间的信息交互。（2021 年下半年上午题）

Telnet 是远程登录的一种协议，是 ARPANET 最早的应用之一，这个协议提供了访问远程主机的功能，使本地用户可以通过 TCP 连接登录到远程主机上，像使用本地主机一样使用远程主机的资源。当本地终端与远程主机具有异构性时，也不影响它们之间的相互操作。Telnet 协议使用 TCP 端口 23 号，但是未经过加密，因此是不安全的。（2022 年下半年选择题）

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是 RFC 1541（已被 RFC 2131 取代）定义的标准协议，该协议允许服务器向客户端动态分配 IP 地址和配置信息。DHCP 采用 UDP 作为传输协议，客户端发送消息到 DHCP 服务器的的 67 号端口，服务器返回消息给客户端的 68 号端口。DHCP 协议支持 C/S（客户端/服务器）结构，主要分为两部分：

DHCP 客户端：通常为网络中的 PC、打印机等终端设备，使用从 DHCP 服务器分配下来的IP信息，包括 IP 地址、DNS 等。
DHCP 服务器：所有的 IP 网络设定信息都由 DHCP 服务器集中管理，并处理客户端的 DHCP 请求。

当客户端的 IP 地址为169.254.X.X（Windows 系统）、0.0.0.0（Linux 系统）时，说明没有与 DHCP 服务器联系上，从而没有正确获取到 DHCP 服务器分配的 IP 地址。原因有两种：局域网内的 DHCP 服务器出现故障、客户端主机出现故障没有与 DHCP 服务器联系上。

DNS 协议（ Domain Name System，域名系统）是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS 使用 TCP 和 UDP 端口 53。当前，对于每一级域名长度的限制是 63 个字符，域名总长度则不能超过 253 个字符。DNS 协议是用来将域名转换为 IP 地址（也可以将 IP 地址转换为相应的域名地址）。

DNS 是一种可以将域名和 IP 地址相互映射的以层次结构分布的数据库系统。DNS 系统采用递归查询请求的方式来响应用户的查询，为互联网的运行提供关键性的基础服务。目前绝大多数的防火墙和网络都会开放 DNS 服务，DNS 数据包不会被拦截，因此可以基于 DNS 协议建立隐蔽信道，从而顺利穿过防火墙，在客户端和服务器之间传输数据。

递归查询：刨根究底，一直找到域名。

迭代查询：自己不知道域名时，提供线索。

（三）拓扑结构

计算机网络按照拓扑结构可以分为：

总线型：通过一条总线将各个终端联系起来，通过总线来传输信息。各终端都往总线上面发送信息，也都从总线上面获取信息。
星型：中间会有一个中心节点，中心节点连接各个其他节点，一旦中心节点被破坏，就会导致整个网络出现瘫痪，所以星型结构有一个很大的问题，就是单点故障问题。
环型：比星型结构可靠，不会出现单点故障，因为任何一个节点出现故障时，可以绕过故障节点与其它正常节点连接。

办公室的局域网的拓扑结构是星型，其中心节点为交换机。因为办公室的电脑是通过连接交换机才能在一个局域网中，所以一旦交换机出现故障，就会导致整个局域网瘫痪。

（四）网络规划与设计

分层设计考察的较多，底层（接入层）和顶层（核心层）比较简单，中间层（汇聚层）则较复杂且可以有多层。在分层设计时，要采用自下而上的方式。

（五）IP 地址与子网划分

1.IP 地址

这里所讲的 IP 地址通常是指 IPV4 地址，通常分为 A、B、C、D、E 五类，其中 A、B、C 是常用的类型。对于 A 类地址，规定其前一段是网络号后三段是主机号，其地址数量为 2²⁴ - 2 个，-2 是因为有 0.0.0.0 和 1.1.1.1 这 2 个地址。对于 B 类地址，规定其前两段是网络号后两段是主机号，其地址数量为 2¹⁶ - 2 个。对于 C 类地址，其前三段是网络地址，后一段是主机地址，其地址数量为 2⁸ - 2 = 254 个。

2.子网划分

子网掩码（Subnet Mask）又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在广域网上。

子网掩码是用来区分一个 IP 地址中哪些部位是网络号，哪些部位是主机号。子网掩码当中为 1（二进制）的部分对应的是网络号，为 0（二进制）的部分对应的是主机号。

下图的例 2 中，要求每个子网内有主机 700 台，设 k 为主机位，即 2^k - 2 >= 700，由于 2⁹ = 512，2¹⁰ = 1024，所以取 k = 10，即主机位是 10 位。原本主机位有 16 位，所以将前 6 位作为网络号，则得出二进制子网掩码为：1111 1111 1111 1111 1111 1100 0000 0000，转换成十进制为：255.255.252.0。