计算机网络
基础知识，一次讲透

一句话：让一台机器上的数据，准确地送到另一台机器上的某个程序里。

想象你要把一封信寄给朋友。你需要知道几件事：朋友住在哪（地址）、信怎么投递（邮政系统的层层中转）、信封上写谁收（具体的人，而不只是地址）。计算机网络做的是同一件事，只不过把「地址」「中转」「收件人」分别交给了不同的机制。

• 地址在哪：靠 IP 地址 定位到具体的主机。
• 怎么投递：靠 路由器 一跳一跳地转发。
• 交给谁：靠 端口号 找到主机上具体的程序（浏览器、QQ、SSH）。
• 名字翻译：人记不住数字，靠 DNS 把 google.com 翻译成 IP。

剩下的章节，基本就是把这几件事一件一件展开。

网络太复杂，于是工程师把它切成几层，每一层只管自己的事，上下层之间通过约定好的接口对接。

课本上常讲 OSI 七层模型，但实际工程里更常用的是 TCP/IP 四层模型。两者大致能对上。理解的关键是：每一层都把上层的数据当成「不透明的货物」，加上自己的「包装」（首部），再交给下一层。 这个过程叫封装，接收端反过来一层层拆开，叫解封装。

IPv4 地址就是一个 32 位的二进制数，为了方便人读，写成「点分十进制」。

比如 192.168.1.10，它其实是 32 个 0/1：

192      .168      .1        .10
11000000.10101000.00000001.00001010

# 每一段(8位)叫一个「八位组 octet」，范围 0~255
# 4 段 × 8 位 = 32 位，所以 IPv4 总共约 43 亿个地址

一个 IP 地址在概念上分成两部分：网络号（标识你在哪个网段）和 主机号（标识网段里的哪台机器）。具体哪几位是网络号，由子网掩码决定——这正是下一节的主角。

历史包袱：A/B/C 类地址

早期用「分类编址」，按第一段大小划分。现在基本被 CIDR 取代了，但面试和老文档里还会出现，了解即可：

子网掩码回答一个问题：这个 IP 里，前面多少位是「网络」，后面多少位是「主机」。

掩码也是 32 位，规则非常简单：前面连续的 1 标记网络号，后面连续的 0 标记主机号。 1 永远在左、0 永远在右，中间不会交错。

IP    192.168.1.10  = 11000000.10101000.00000001.00001010
掩码  255.255.255.0 = 11111111.11111111.11111111.00000000
                       └─────── 网络号(24位) ──────┘ └主机号(8位)┘

CIDR 写法：/24 是什么意思

现代写法直接在 IP 后面加一个斜杠和数字：192.168.1.10/24。这个 24 就是「掩码里有 24 个 1」，等价于 255.255.255.0。比起写一长串掩码，简洁多了。

三个关键计算

给定一个 IP 和掩码，你通常要算这几个东西：

• 网络地址：IP 和掩码做按位与 (AND)。代表「整个网段的名字」，主机位全为 0。
• 广播地址：主机位全为 1。发到这个地址 = 发给网段内所有机器。
• 可用主机数：主机位有 n 位时，地址总数是 2ⁿ，但要减 2（去掉网络地址和广播地址），所以可用主机 = 2ⁿ − 2。

# 以 192.168.1.10/24 为例
网络地址 = 192.168.1.0      # 主机位全 0
广播地址 = 192.168.1.255    # 主机位全 1
可用范围 = 192.168.1.1 ~ 192.168.1.254
可用主机 = 2^8 - 2 = 254 台

常见掩码对照表

口诀：CIDR 数字越大，网段越小（网络位多了，留给主机的位就少了）。

输入任意 IP 和掩码，实时看到网络地址、广播地址、可用范围，以及二进制里网络位/主机位的分界线。

绿色是网络位，灰色是主机位。改一改 CIDR，看分界线怎么移动——这是理解子网最快的方式。

公网 IP 不够用，于是家里、公司内部都用「私有地址」，出门时再统一翻译成一个公网 IP。

有三段地址被专门留作私有，不会出现在公网上，谁都可以用：

NAT（网络地址转换）就是路由器干的活：你家里十几台设备都是 192.168.x.x，但对外只露出运营商给的那一个公网 IP。路由器维护一张表，记住「哪个内网设备的哪个端口」对应「公网 IP 的哪个端口」，回包来的时候再翻译回去。

IPv4 只有约 43 亿个地址，早就不够全球的设备分了。IPv6 把地址扩到 128 位。

128 位是什么概念？大约 3.4 × 10³⁸ 个地址——多到给地球上每一粒沙子都能分一大把。写法上改成 8 组、每组 4 个十六进制数，用冒号隔开：

完整写法:
2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

# 简写规则：
# 1) 每组前导 0 可省略
# 2) 连续的全 0 组可用 :: 压缩(整个地址只能用一次)
简写后:
2001:db8::ff00:42:8329

几个常见的 IPv6 地址

• ::1 —— 环回地址，相当于 IPv4 的 127.0.0.1
• fe80::/10 —— 链路本地地址，每个接口自动生成，只在本网段有效
• ::/0 —— 默认路由（IPv6 版的 0.0.0.0/0）

IPv6 还顺手去掉了 NAT 的必要性（地址够多，人人都能有公网地址），并内建了地址自动配置（SLAAC）。但现实是 IPv4 和 IPv6 会长期共存，叫双栈。

IP 是「逻辑地址」，可以变；MAC 是网卡出厂就刻死的「物理地址」。在同一个局域网里，真正按 MAC 找机器。

MAC 地址是 48 位，写成 6 组十六进制，比如 a4:83:e7:1f:0c:5d。前 3 组是厂商编号，后 3 组是设备序号。

问题来了：你知道对方的 IP（比如要发给 192.168.1.1），但链路层只认 MAC。怎么把 IP 翻译成 MAC？答案是 ARP（地址解析协议）：

# A 想发给 192.168.1.1，但不知道它的 MAC
A 广播: "谁是 192.168.1.1？把 MAC 告诉我"   # ARP 请求，全网段都收到
路由器: "是我，我的 MAC 是 a4:83:e7:1f:0c:5d"  # ARP 应答
A 把这条记录缓存起来，下次直接用            # ARP 缓存

可以用 ip neigh（旧命令 arp -n）看本机的 ARP 缓存表。

你输入 google.com，但网络只认 IP。DNS 就是互联网的「电话簿」。

查询是一个层层向上问的过程（这里简化）：

• 先问本地缓存 / hosts 文件，命中就直接返回。
• 没有就问递归 DNS 服务器（通常是运营商的，或 8.8.8.8 / 1.1.1.1）。
• 递归服务器从根域名服务器 → 顶级域(.com) → 权威服务器一路问下来，拿到 IP。
• 结果按 TTL 时间缓存起来，下次更快。

常见记录类型

# 查一个域名的 A 记录
$ dig +short example.com
93.184.216.34

# 看完整解析过程
$ dig example.com

IP 把数据送到机器，端口决定交给机器上的哪个程序。TCP/UDP 决定「怎么送」。

端口是一个 16 位数字（0~65535）。一台服务器可以同时跑网站(80/443)、SSH(22)、数据库(3306) ——靠端口区分。

TCP vs UDP

TCP 建立连接靠三次握手：

客户端 ──SYN──────────▶ 服务器   # 我要连你
客户端 ◀──SYN+ACK────── 服务器   # 好的，我也准备好了
客户端 ──ACK──────────▶ 服务器   # 收到，开始传数据

数据要离开本网段去外面的世界，第一站永远是「默认网关」。

当你的机器要发包时，它先判断：目标 IP 和我在同一个网段吗？（用子网掩码 AND 一下就知道）

• 在同一网段：直接通过 ARP 找到对方 MAC，本地发出去。
• 不在同一网段：交给默认网关（一般就是你的路由器，比如 192.168.1.1），由它继续往外转发。

互联网就是无数路由器接力转发的结果，每台路由器维护一张路由表，决定「去某个目标，下一跳该交给谁」。

# 看本机路由表
$ ip route
default via 192.168.1.1 dev wlan0       # 默认网关（出口）
192.168.1.0/24 dev wlan0 proto kernel   # 本地网段，直连

# 追踪一个包经过哪些路由器
$ traceroute google.com

这是把前面所有概念连成一条线的最佳练习。你在浏览器输入 https://example.com 后：

• ① DNS 解析：先查 example.com 的 IP。本地没缓存就问递归 DNS，最终拿到 93.184.216.34。
• ② 判断网段：目标 IP 不在本网段 → 包要发给默认网关。
• ③ ARP：查网关 192.168.1.1 的 MAC，封装链路层帧。
• ④ NAT：路由器把你的私有 IP 换成公网 IP 发出去，沿途无数路由器按路由表接力转发。
• ⑤ TCP 握手：和服务器的 443 端口三次握手，建立连接。
• ⑥ TLS + HTTP：加密协商完成后，发出 HTTP 请求，服务器返回网页内容。
• ⑦ 渲染：数据一路按 NAT/路由原路返回到你机器的浏览器，画面出现。

你是 Arch 用户，下面这些 iproute2 工具直接拿来动手验证最快。

# —— 看自己的地址 ——
$ ip addr                  # 所有网卡的 IP / 掩码
$ ip -br addr              # 简洁版

# —— 路由与网关 ——
$ ip route                 # 路由表，找 default 那行
$ ip neigh                 # ARP 缓存(IP↔MAC)

# —— 连通性 ——
$ ping 1.1.1.1             # 测能不能到
$ traceroute github.com    # 看经过哪些跳

# —— DNS ——
$ dig +short github.com    # 查 A 记录
$ resolvectl status       # 看当前用的 DNS 服务器(systemd)

# —— 端口与连接 ——
$ ss -tulnp                # 看本机监听了哪些端口(替代 netstat)
$ ss -tnp                  # 看当前 TCP 连接

# —— 抓包(进阶) ——
$ sudo tcpdump -i any port 53  # 实时看 DNS 流量