计算机网络学习笔记#

从协议栈到抓包实战，系统理解网络通信的底层原理和常见面试考点。

1 · 网络模型#

1.1 OSI 七层模型#

1.2 TCP/IP 四层模型#

更贴近实际实现：

1.3 数据封装#

发送方从上到下逐层加头部，接收方从下到上逐层拆头部。

每一层的数据单位不同：

• 应用层：消息（Message）
• 传输层：段（Segment）
• 网络层：数据报（Datagram）
• 数据链路层：帧（Frame）
• 物理层：比特（Bit）

2 · IP 协议与子网划分#

2.1 IPv4 地址#

32 位，点分十进制表示，如 192.168.1.1。

分类地址：

• A 类：1.0.0.0 ~ 126.255.255.255
• B 类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
• C 类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
• D 类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255（组播）
• E 类：保留

私有地址：

• 10.0.0.0/8
• 172.16.0.0/12
• 192.168.0.0/16

2.2 CIDR#

CIDR（无类别域间路由）用 /n 表示前 n 位是网络号。

例如 192.168.1.0/24：

• 网络号：192.168.1
• 主机号：0 ~ 255
• 可用主机：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254

2.3 子网划分#

借主机位作为子网位。

例如 192.168.1.0/24 划分成 4 个子网：

• 每个子网需要 2 位子网位（2² = 4）
• 新掩码 /26
• 每个子网 64 个地址

2.4 ICMP#

用于网络诊断：

• ping：Echo Request / Echo Reply
• traceroute：利用 TTL 超时或端口不可达
• Destination Unreachable、Time Exceeded

3 · TCP 与 UDP#

3.1 TCP 特性#

• 面向连接：通信前先三次握手建立连接
• 可靠传输：确认号、超时重传
• 有序：序列号保证数据顺序
• 流量控制：滑动窗口防止发送方压垮接收方
• 拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复

3.2 三次握手#

为什么是三次？

防止历史连接请求被服务端接受。如果只握手两次，客户端已经断开的旧 SYN 到达服务端，服务端会建立半连接。

3.3 四次挥手#

客户端最后发送 ACK 后进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime）。

为什么需要 TIME_WAIT？

1. 确保最后的 ACK 被对方收到，如果没收到，对方会重发 FIN。
2. 等待网络中残留的报文段消失，避免影响下一个连接。

3.4 TCP 可靠传输机制#

• 序列号：标识每个字节的位置
• 确认号：期望收到的下一个字节序号
• 超时重传：RTT 动态估计，超时未确认则重传
• 滑动窗口：允许连续发送多个数据包再统一确认
• 拥塞窗口（cwnd）：根据网络拥塞情况动态调整

3.5 UDP#

• 无连接、不可靠、不保证顺序
• 头部只有 8 字节，开销小
• 支持广播和组播

4 · HTTP/HTTPS#

4.1 HTTP 版本演进#

HTTP/1.0：每次请求新建 TCP 连接，效率低。

HTTP/1.1：

• 持久连接（Keep-Alive）
• 管道化（Pipeline，但很少用）
• Host 头支持虚拟主机
• 缓存控制：Cache-Control、ETag、Last-Modified

HTTP/2：

• 二进制分帧
• 多路复用：一个 TCP 连接上并发多个请求
• 头部压缩（HPACK）
• 服务器推送

HTTP/3：

• 基于 QUIC（UDP）
• 解决 HTTP/2 的 TCP 队头阻塞问题

4.2 HTTPS 握手#

为什么用对称加密传输数据？

非对称加密计算量大，对称加密快。所以只用它交换对称密钥，之后用对称密钥通信。

4.3 常见状态码#

5 · DNS / CDN / 负载均衡#

5.1 DNS 解析流程#

浏览器访问 www.example.com：

1. 浏览器缓存
2. 操作系统缓存
3. hosts 文件
4. 本地 DNS 服务器（ISP 提供）
5. 根 DNS 服务器
6. 顶级域 DNS 服务器（.com）
7. 权威 DNS 服务器（example.com）

递归查询 vs 迭代查询：

• 客户端 → 本地 DNS：递归（我只要答案，你负责跑完全程）
• 本地 DNS → 根/顶级域/权威：迭代（每一步只返回"下一步去问谁"）

5.2 常见 DNS 记录类型#

几条必须记住的规则：

• 根域（example.com 本身）不能用 CNAME，只能用 A/AAAA。用 CNAME 会和该域必须存在的 NS/SOA 记录冲突。想让根域指向 CDN，只能用服务商的 ALIAS / CNAME 扁平化（伪记录）。
• CNAME 不能与同名的其他记录共存，www 有了 CNAME 就不能再加 A 记录。
• @ 表示根域，* 是泛解析（*.example.com 全部落到同一 IP，方便多子域/多租户）。

5.3 TTL 与解析生效时间#

TTL（Time To Live，单位秒）告诉各级缓存"这条记录可以缓存多久"。

dig www.example.com          # 看 ANSWER 段里的 TTL 倒计时
dig +trace www.example.com   # 从根开始完整跟踪解析路径
dig @8.8.8.8 www.example.com # 指定 DNS 服务器查（绕过本地缓存）
dig NS example.com           # 看权威 DNS 是谁
nslookup www.example.com     # Windows 常用

ipconfig /flushdns              # Windows 清本地 DNS 缓存
sudo resolvectl flush-caches    # Linux systemd-resolved

5.4 域名绑定到服务器：完整链路#

从买域名到 https://example.com 能打开，要跑通四段：

② DNS 侧：在 DNS 服务商加记录

③ 服务器侧：一个 IP 靠 server_name 区分多站点

server {                       # 默认兜底：未匹配任何域名的请求（含直接用 IP 访问）
    listen 80 default_server;
    server_name _;
    return 444;                # 直接断开，避免站点被野域名解析蹭流量
}

server {
    listen 80;
    server_name example.com www.example.com;
    location / { proxy_pass http://127.0.0.1:3000; }
}

④ 证书：证书绑定的是域名而不是 IP，且签发前域名必须已解析到本机、80 端口外网可达（ACME HTTP-01 验证）。若域名还没解析或在国内需备案，可用 DNS-01 验证（加一条 TXT 记录）来签发，还能签泛域名 *.example.com。

5.5 域名打不开的排查顺序#

常见坑：

• 云服务器安全组没放行 80/443（比本机防火墙更容易被忘）。
• 解析填了内网 IP 或旧机器 IP。
• sites-enabled/ 里存在重复 server_name，后加载的块覆盖前者（见 部署文档）。
• 国内主机绑定域名未备案，80/443 被拦截，表现为"解析正常但访问超时"。
• 证书只签了 example.com，访问 www.example.com 报 NET::ERR_CERT_COMMON_NAME_INVALID。

5.6 CDN#

内容分发网络：把静态资源缓存到离用户最近的节点。

• 用户请求 cdn.example.com/image.jpg
• DNS 返回最近的 CDN 节点 IP
• 节点命中则直接返回，未命中回源站拉取

回源 vs 命中：

• 命中：CDN 节点有缓存
• 回源：CDN 节点没有，向源站请求

5.7 负载均衡#

四层负载均衡（L4）：

• 基于 IP + 端口转发
• 不解析 HTTP 内容
• 工具：LVS、Nginx stream

七层负载均衡（L7）：

• 基于 URL、Header、Cookie 转发
• 可以做限流、重写、鉴权
• 工具：Nginx、HAProxy、Traefik

负载均衡算法：

• 轮询
• 加权轮询
• 最少连接
• 一致性哈希（相同请求打到同一台机器）

6 · NAT / VPN / 代理#

6.1 NAT#

网络地址转换：把私有 IP 转成公网 IP。

类型：

• 静态 NAT：一对一
• 动态 NAT：从地址池动态分配
• PAT（端口地址转换）：多对一，用端口号区分

6.2 VPN#

虚拟专用网络：在公网上建立加密隧道。

协议：

• IPSec
• OpenVPN
• WireGuard（新一代，简洁高效）

场景：

• 远程办公访问公司内网
• 跨地域机房内网互通

6.3 代理#

• 正向代理：代理客户端，隐藏客户端身份
• 反向代理：代理服务端，隐藏真实服务器
• 透明代理：客户端无感知

Nginx 通常做反向代理：

server {
    listen 80;
    server_name api.example.com;
    location / {
        proxy_pass http://backend;
    }
}

7 · Wireshark 抓包实战#

7.1 基本使用#

捕获过滤器（在抓包前过滤，BPF 语法）：

tcp port 80 and host 192.168.1.1

显示过滤器（抓包后过滤）：

7.2 分析 TCP 三次握手#

1. 过滤 tcp.port == 80
2. 找到 SYN → SYN+ACK → ACK 三个包
3. 右键 → Follow → TCP Stream，查看完整通信

7.3 排查问题#

• 重传过多：tcp.analysis.retransmission
• RST 包：连接被异常关闭
• 零窗口：接收方缓存满了，发送方暂停
• 乱序：网络抖动导致包到达顺序不一致

7.4 HTTPS 解密#

设置环境变量：

export SSLKEYLOGFILE=/tmp/sslkeys.log

然后在 Wireshark 中配置这个文件，就能解密 Chrome/Firefox 的 TLS 流量。