计算机网络概述与性能指标
先把地基打牢：网络是什么、怎么分类、用什么数字衡量它。
什么是计算机网络
把分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路互连，在网络操作系统与协议的管理协调下，实现资源共享和信息传递的系统。
- 三大组成：主机（端系统） + 通信链路 + 交换/路由设备
- 两个子网视角：资源子网（提供资源共享）与 通信子网（负责传输）
- 协议三要素：语法（格式）、语义（含义）、时序（顺序）
按覆盖范围分类
- PAN 个人区域网 — 蓝牙、UWB，半径约 10m
- LAN 局域网 — 以太网、Wi-Fi，单位/校园内
- MAN 城域网 — 城市范围，光纤骨干
- WAN 广域网 — 跨地域互联，Internet 即全球 WAN
按拓扑结构分类
- 总线型 — 共享信道，冲突域大，已淘汰
- 星型 — 中心交换设备，现代局域网主流
- 环型 — 令牌传递，单点故障影响全环
- 网状 — 多路径冗余，广域网骨干采用
- 树型 / 混合型 — 层次化扩展
核心性能指标
- 速率 — 额定数据传输率，单位 bps（bit/s）
- 带宽 — 信道最高速率，单位 Hz 或 bps
- 吞吐量 — 实际通过的速率
- 时延 = 发送 + 传播 + 处理 + 排队时延
- RTT 往返时延；利用率 = 有数据时间 / 总时间
- 丢包率 — 分组丢失比例，过高说明拥塞
【计算题】某链路带宽为 1 Mb/s，现要发送 1000 字节的数据帧，忽略传播时延与处理时延，发送时延是多少？
答案：8 ms。发送时延 = 数据长度 / 带宽 = 1000×8 bit / 10^6 bps = 0.008 s = 8 ms。
【概念题】主机 A 向主机 B 发送数据，测得 RTT（往返时延）为 40 ms，忽略处理与排队时延，单程传播时延约为多少？
答案：约 20 ms。RTT 是一来一回的总时延，单程约为 RTT 的一半（对称链路假设）。
【辨析题】「带宽」与「吞吐量」的区别是什么？
答案：带宽是信道的额定/最高数据传输速率（理论值）；吞吐量是网络实际传输的速率，通常小于等于带宽。
分层体系结构
分层的意义：每层只管自己的职责、只和相邻层通信，像流水线一样协作。点击左侧每一层查看职责。
应用层
为用户提供网络服务的最高层，直接面向应用程序，负责产生需要传输的数据，并定义应用级协议。
- 代表协议：HTTP / HTTPS、DNS、FTP、SMTP、POP3、IMAP、SSH、WebSocket
- 数据单元：报文（Message）
- 典型设备：网关 / 应用程序本身
TCP/IP 与 OSI 对照
实际互联网用的是 TCP/IP 四层/五层模型：应用层（OSI 的 5-7 层合并）、传输层、网络层、网络接口层。OSI 更多用于教学与标准化参考。
- TCP/IP 四层：应用 / 传输 / 网际 / 网络接口
- 五层教学模型：应用 / 传输 / 网络 / 链路 / 物理
- OSI 的表示与会话功能在 TCP/IP 中由应用自行处理（如 TLS、压缩）
数据封装与解封装
发送方每下一层就加上本层头部（封装）；接收方每上一层就剥掉本层头部（解封装）。这是分层协作的物理体现。
- 传输层加 TCP/UDP 段头 → 段 Segment
- 网络层加 IP 头 → 数据报 Datagram
- 链路层加 MAC 头尾 → 帧 Frame
- 物理层转成 比特流 Bit
【选择题】在 OSI 参考模型中，负责数据压缩、加密和格式转换的是哪一层？
答案：表示层（第 6 层）。表示层处理数据格式、加密与压缩；会话层管会话，传输层管端到端可靠传输。
【选择题】TCP/IP 参考模型中，与 OSI 的表示层、会话层功能相对应的是哪一层？
答案：应用层。TCP/IP 把 OSI 的上三层（应用、表示、会话）合并为应用层，加密压缩等功能由应用自行实现（如 TLS）。
【流程题】简述数据从应用层到物理层的封装顺序。
答案：应用层产生数据 → 传输层加 TCP/UDP 段头（段）→ 网络层加 IP 头（数据报）→ 链路层加 MAC 头尾（帧）→ 物理层转为比特流；接收方按相反顺序逐层解封装。
物理层与数据链路层
最靠近硬件的一层与第二层：比特怎么在介质上跑、帧怎么在局域网上送。
物理层要点
- 职责：透明传输比特流，定义接口、电气特性、编码方式
- 传输介质：双绞线（UTP/STP）、同轴电缆、光纤（单模/多模）、无线（无线电/微波/红外）
- 编码：NRZ、曼彻斯特编码（含时钟同步）、8B/10B 等
- 中继设备：中继器 / 集线器 Hub — 放大信号，不隔离冲突域
- 信道复用：FDM 频分、TDM 时分、WDM 波分、CDMA 码分
数据链路层核心
- 成帧：将比特流划分为 帧 Frame，含头尾与校验
- MAC 地址：48 位物理地址，局域网内寻址的唯一依据
- 差错控制：CRC 循环冗余校验（检错）；ARQ 自动重传（纠错）
- 流量控制：停-等、滑动窗口（GBN 后退 N 帧 / SR 选择重传）
- 链路层协议：以太网、PPP、Wi-Fi (802.11)
以太网与交换设备
- 交换机 Switch：工作在链路层，按 MAC 地址表转发，隔离冲突域
- 交换机自学习：源 MAC + 端口登记，未知单播洪泛，老化删除
- VLAN 虚拟局域网：划分广播域，跨交换机用 Trunk 干道
- 生成树 STP：消除环路，避免广播风暴
- 广播域 vs 冲突域：Hub 不隔离冲突域；Switch 隔离冲突域不隔离广播域；路由器两者都隔离
ARP 地址解析
把 IP 地址 → MAC 地址 的映射协议，链路层寻址的前置步骤。
- 流程：广播 ARP 请求 → 目标单播 ARP 应答 → 写入 ARP 缓存（有 TTL）
- 攻击风险：ARP 欺骗（伪造应答，中间人）
- 反向：RARP / DHCP 用于 MAC → IP
【概念题】以太网规定最小帧长为 64 字节（数据部分至少 46 字节），主要原因是什么？
答案：保证 CSMA/CD 冲突检测。在最大网络直径下，发送方必须在帧发送完毕之前检测到冲突，因此最短帧长与传播时延、冲突窗口（2τ）挂钩。
【选择题】交换机收到目的 MAC 地址未知的单播帧时，应当如何处理？
答案：洪泛。MAC 地址表中查不到目的 MAC 时，交换机将该帧从除接收端口外的所有端口转发出去。
【辨析题】集线器（Hub）与交换机（Switch）在工作层次和冲突域隔离上有何不同？
答案：Hub 工作在物理层，所有端口共享一个冲突域；Switch 工作在数据链路层，每个端口是独立冲突域，可并行转发。
网络层：IP 与路由
互联网的心脏：逻辑寻址（IP）、跨网转发（路由）、连通性诊断（ICMP）。
IP 地址体系
- IPv4：32 位，点分十进制，约 43 亿地址
- 历史分类：A 类 0-127 / B 类 128-191 / C 类 192-223 / D 组播 / E 保留
- 特殊地址：127.0.0.1 回环、0.0.0.0 本机、255.255.255.255 受限广播
- 私有地址段：10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16
- IPv6：128 位，冒号十六进制，可自动配置（SLAAC）
子网划分与 CIDR
- 子网掩码：区分网络号与主机号，如 255.255.255.0
- CIDR 无类域间路由：192.168.1.0/24 表示前 24 位是网络号
- 子网数 = 2^借位数；可用主机数 = 2^主机位 - 2（去网络号与广播号）
- 示例：/26 → 4 个子网，每子网 62 台可用主机
- CIDR 聚合：合并连续子网，减少路由表条目（路由聚合）
路由与路由协议
- 静态路由：手工配置，简单但无法适应拓扑变化
- 动态路由：路由器间交换信息自动学习
- 距离向量：RIP（跳数 ≤15，30s 广播，适合小网）
- 链路状态：OSPF（基于 Dijkstra 最短路径，收敛快，适合中大型网络）
- 域间：BGP（AS 自治系统间，路径向量，互联网骨干协议）
ICMP 与 NAT / DHCP
- ICMP：差错报告与诊断；ping 用回显请求/应答，traceroute 用 TTL 耗尽探测路径
- NAT 网络地址转换：内网私有 IP ↔ 公网 IP 映射，缓解 IPv4 枯竭
- NAPT/端口映射：多台内网主机共享一个公网 IP + 不同端口
- DHCP：自动分配 IP/掩码/网关/DNS，四步：Discover → Offer → Request → Ack
- 分片与重组：MTU 限制下 IP 分片，IPv6 由端到端路径 MTU 发现替代
【计算题】将网络 192.168.1.0/24 划分成 4 个等长子网，子网掩码变为多少？每个子网可用的主机地址数是多少？
答案：255.255.255.192（/26），每子网 62 个可用主机。借 2 位主机位（2²=4 个子网），掩码由 /24 变 /26；主机位剩 6 位，可用数 = 2⁶ − 2 = 62。
【聚合题】将 202.113.79.32/28 与 202.113.79.48/28 聚合为一个 CIDR 地址块，结果是什么？
答案：202.113.79.32/27。两个相邻 /28 块合并为 /27（块大小 32），起始地址 32 能被 32 整除，聚合后覆盖 32–63 地址段。
【选择题】RIP 与 OSPF 分别属于哪种路由算法，主要依据什么度量？
答案：RIP 为距离向量算法，以跳数为度量（最大 15 跳）；OSPF 为链路状态算法，基于 Dijkstra 最短路径计算开销，收敛更快。
传输层：TCP 与 UDP
端到端通信的舞台：端口标识进程，TCP 保可靠，UDP 保速度。
端口与套接字
- 端口号 16 位（0-65535）：知名端口 0-1023、注册端口 1024-49151、动态端口 49152-65535
- 套接字 Socket = IP 地址 : 端口号，唯一标识一个通信端点
- 连接 = 四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）
- 多路复用/分用：一个进程对应一个端口，端口决定数据交给谁
UDP 特点
- 无连接、尽最大努力交付（不可靠）
- 首部仅 8 字节：源/目的端口 + 长度 + 校验和
- 无拥塞控制 → 适合实时音视频、DNS 查询、游戏
- 支持一对一、一对多、多对多通信
TCP 特点
- 面向连接、可靠、字节流，全双工
- 首部最小 20 字节，含序号、确认号、标志位、窗口等
- 可靠机制：序号/确认、超时重传、校验和、去重/排序
- 流量控制：滑动窗口（接收方通告窗口 rwnd）
- 拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复
TCP 三次握手 —— 建立连接
TCP 四次挥手 —— 释放连接
| 对比维度 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接 | 面向连接 | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠，有序交付 | 不可靠，尽力而为 |
| 首部 | 20~60 字节 | 8 字节 |
| 传输方式 | 字节流 | 数据报 |
| 流量/拥塞控制 | 有 | 无 |
| 适用场景 | Web、文件传输、邮件 | 音视频、DNS、游戏 |
| 典型协议 | HTTP、FTP、SMTP、SSH | DNS、DHCP、TFTP、RTP |
【选择题】TCP 三次握手的第二次握手报文中，SYN 与 ACK 标志位应如何设置？
答案：SYN=1 且 ACK=1。第二次握手（服务器→客户端）同时携带 SYN 以建立服务器方向连接，并以 ACK 确认客户端发来的 SYN 序号。
【计算题】主机甲向主机乙发送一个 TCP 段，序号（seq）为 1000，携带 100 字节数据。主机乙收到的确认号（ack）应为多少？
答案：1100。确认号 = 期望收到的下一字节序号 = 1000 + 100 = 1100。
【简答题】为什么 TCP 释放连接需要四次挥手？
答案：TCP 是全双工通信，每个方向必须独立关闭：客户端先发 FIN 关闭发送方向，服务器确认后仍可继续发送数据，待数据发完再发 FIN 关闭自己的方向，最后客户端 ACK 确认。因此需要四次交互。
应用层：HTTP 与 DNS
离用户最近的一层：浏览器怎么取到网页、域名怎么变成 IP。
HTTP 报文与方法
- 请求报文：请求行（方法 + URL + 版本）+ 首部 + 主体
- 响应报文：状态行（版本 + 状态码 + 短语）+ 首部 + 主体
- 常用方法：GET（取资源）、POST（提交）、PUT（覆盖）、DELETE、PATCH（部分更新）、HEAD、OPTIONS
- 特性：无状态（靠 Cookie/Session 补状态）、默认无连接（HTTP/1.1 起长连接）
- 1.0 vs 1.1：连接复用、Host 头、缓存控制、管线化
HTTP 状态码
- 1xx 信息：100 Continue、101 协议切换
- 2xx 成功：200 OK、201 已创建、204 无内容
- 3xx 重定向：301 永久、302 临时、304 未修改（走缓存）
- 4xx 客户端错误：400 请求错误、401 未认证、403 禁止、404 未找到、429 限流
- 5xx 服务端错误：500 内部错误、502 网关错误、503 服务不可用、504 网关超时
HTTPS 与 TLS
- HTTPS = HTTP + TLS/SSL（443 端口）
- TLS 握手：证书校验 → 协商密钥 → 对称加密传输（如 AES）
- 混合加密：非对称（RSA/ECC）交换密钥，对称加密数据
- 证书：CA 签名的公钥凭证，校验服务器身份防中间人
- 前向安全：ECDHE 密钥交换保证历史流量不被破解
DNS 域名系统
- 作用：域名 → IP 的分布式数据库（UDP 53）
- 层次：根 → 顶级域（.com/.cn）→ 二级域 → 子域
- 解析过程：本地缓存 → 本地 DNS → 递归/迭代查询根、TLD、权威服务器
- 记录类型：A/AAAA（IPv4/6）、CNAME（别名）、MX（邮件）、TXT/SPF、NS
- 扩展：DNS 负载均衡（多 A 记录）、CDN 就近调度、DoH/DoT 加密
Cookie 与 Session
- Cookie：存在客户端的小块数据，随请求自动携带
- Session：存在服务端的会话状态，靠 Session ID 关联
- 区别：Cookie 有体积限制且可被篡改；Session 更安全但占服务端资源
- 安全属性：HttpOnly（防 JS 读取）、Secure（仅 HTTPS）、SameSite（防 CSRF）
其他常用应用层协议
- FTP 文件传输（21 控制 / 20 数据），主动/被动模式
- SMTP 发邮件（25/465/587）、POP3 收邮件（110）、IMAP（143，保留服务器端）
- SSH 远程登录（22，加密）、Telnet（23，明文已弃用）
- WebSocket：HTTP 升级后的全双工长连接，适合实时推送
- DHCP：动态主机配置（67/68）
【选择题】HTTP 状态码 301、304、404、500 分别表示什么含义？
答案：301 永久重定向；304 资源未修改（使用缓存副本）；404 请求的资源不存在；500 服务器内部错误。
【简答题】DNS 解析中「递归查询」与「迭代查询」有什么区别？
答案：递归查询中，本地域名服务器替客户端完成逐级查询并直接返回最终结果；迭代查询中，服务器每次只返回下一级服务器的地址，由请求方继续逐级查询。实际解析常为「递归 + 迭代」结合。
【辨析题】Cookie 与 Session 的存储位置和安全性有何不同？
答案：Cookie 存储在客户端，可被用户查看/篡改，有体积限制；Session 存储在服务端，只把 Session ID 通过 Cookie 交给客户端，安全性更高但占用服务端资源。
网络安全
安全四要素：机密性、完整性、可用性、身份认证。加密是地基，防护是围墙。
加密与哈希
- 对称加密：加解密同一密钥，快；代表 AES、DES、3DES
- 非对称加密：公钥加密/私钥解密，慢；代表 RSA、ECC
- 哈希：单向不可逆，代表 MD5（已破）、SHA-256
- 数字签名：私钥签名 + 公钥验签，保证完整性 + 认证 + 防抵赖
- 数字证书：CA 给公钥做担保，X.509 标准
边界防护设备
- 防火墙：包过滤 / 状态检测 / 应用层代理，按规则放行流量
- IDS 入侵检测：被动旁路监控告警；IPS 入侵防御：主动阻断
- VPN：IPsec / SSL VPN 加密隧道，远程安全接入
- WAF：防护 Web 应用层攻击（SQL 注入、XSS 等）
- DMZ 隔离区：放置对外服务，隔开内外网
常见攻击与防御
- DoS / DDoS 拒绝服务：洪水/放大攻击；防御：限流、CDN 抗量、黑洞
- 中间人 MITM：窃听/篡改；防御：HTTPS 证书校验、防 ARP 欺骗
- SQL 注入：拼接恶意 SQL；防御：参数化查询、白名单校验
- XSS 跨站脚本：注入脚本盗取 Cookie；防御：转义输出、CSP、HttpOnly
- CSRF 跨站请求伪造：借用户身份发请求；防御：Token、SameSite、校验 Referer
- 钓鱼/暴力破解：社会工程与口令攻击；防御：MFA、弱口令检测
纵深防御思想
- 边界防护：防火墙 + IDS/IPS + VPN 网关
- 传输防护：HTTPS / TLS 1.2+ / 证书轮换
- 主机防护：补丁、杀软、主机入侵检测 HIDS
- 应用防护：WAF、安全编码、最小权限
- 数据防护：加密存储、脱敏、备份与容灾（RTO/RPO）
- 管理防护：审计日志、安全意识、应急响应
【概念题】数字签名是如何实现的？它提供哪些安全特性？
答案：发送方用自己的私钥对消息摘要加密（签名），接收方用发送方的公钥解密验证。可提供完整性（摘要匹配）、身份认证（私钥唯一）、不可抵赖（无法否认发送）。
【选择题】HTTPS 默认使用哪个端口？TLS 握手阶段使用什么加密方式交换密钥？
答案：443；非对称加密。TLS 握手用非对称加密（如 RSA/ECDHE）协商对称密钥，之后用对称加密（如 AES）传输业务数据，兼顾安全与性能。
【简答题】列举两种防御 SQL 注入的常用手段。
答案：①使用参数化查询/预编译语句，不让用户输入拼接进 SQL；②输入白名单校验与转义，限制特殊字符；辅助措施还有最小权限数据库账号、WAF 过滤。
现代网络技术
从 HTTP/2 到 5G：网络协议与技术栈仍在演进。
HTTP/2 与 HTTP/3
- HTTP/2：多路复用（同连接并发请求）、头部压缩 HPACK、服务端推送、二进制分帧
- 遗留问题：队头阻塞仍存在于 TCP 层
- HTTP/3：基于 QUIC（UDP 之上的可靠协议），0-RTT 握手、连接迁移、彻底解决队头阻塞
- QUIC 特性：内置 TLS 1.3、独立流隔离、无队头阻塞
CDN 与负载均衡
- CDN：内容分发网络，边缘节点就近缓存内容，降低源站压力与用户时延
- 调度方式：DNS 就近解析、Anycast、GSLB
- 负载均衡 LB：L4（四元组转发）/ L7（HTTP 内容路由）
- 算法：轮询、加权、最小连接、一致性哈希
- 健康检查：主动探测后端，故障自动摘除
SDN 与虚拟化网络
- SDN：控制平面与数据平面分离，集中控制器下发流表
- OpenFlow：南向接口标准协议
- Overlay：VXLAN 等隧道技术，在物理网络上叠加虚拟网络
- NFV：网络功能软件化（虚拟防火墙、虚拟路由器）
- 容器网络：CNI、Service Mesh（Istio）、eBPF 数据面
5G 与边缘网络
- 5G 三大场景：eMBB 增强移动宽带、uRLLC 超低时延高可靠、mMTC 海量物联网
- 网络切片：按需划分虚拟专网
- 边缘计算：算力下沉到靠近用户的位置，降低时延
- 物联网：NB-IoT、LoRa 等低功耗广域网技术
- 卫星互联网：低轨星座（Starlink）提供全球覆盖
【简答题】HTTP/2 的多路复用解决了什么问题？为什么仍存在队头阻塞？
答案：多路复用使一个 TCP 连接可同时承载多个请求/响应，解决 HTTP/1.1 应用层的队头阻塞；但底层仍是 TCP 字节流，TCP 层的队头阻塞依然存在——一个丢失的报文会阻塞后续所有流，因此需要 HTTP/3（QUIC）彻底解决。
【选择题】QUIC 协议基于哪个传输层协议构建？如何保证可靠性？
答案：UDP。QUIC 在 UDP 之上自行实现可靠传输、流量与拥塞控制，并内置 TLS 1.3，实现 0-RTT 快速握手与独立流隔离。
【简答题】5G 的三大应用场景分别是什么？
答案：eMBB（增强移动宽带，高速率大流量）、uRLLC（超可靠低时延通信，如自动驾驶/工业控制）、mMTC（海量机器类通信，如物联网传感网络）。