IP网络基础知识笔记

一、IP地址与子网

1. IP地址结构：IP = 网络号 + 主机号
2. 子网的作用：通过构建子网提高数据传输效率
3. 路由原理：数据包转发时，先查找网络号，再确定主机号
4. DHCP技术：路由器自动分配IP地址
5. 出入口路由器：配置公网IP，实现内外网的连接

1. IP地址分类与子网划分

1. ABCDE类地址：传统IP地址分类
2. 子网掩码与CIDR：
   1. 子网掩码（mask）通常以0结尾，其余为1，与IP地址按位与操作确定网络号
   2. 通过设置1的个数，灵活调整网络号数量，提高IP利用率
3. 子网地址范围：每个子网最多可容纳的主机数
   1. 0为全网络号，FF为广播地址，因此地址范围需减去2
4. 网络号计算：IP地址按位与子网掩码得到网络号

2. IP地址资源与分配

1. IP地址资源有限，运营商会抢占资源用于子网构建
2. 私有IP地址：可多份复用，不能在公网出现，易重复
3. 公网IP地址：全球唯一，仅一份

NAT与路由

1. NAT（网络地址转换）：
   1. 路由器将内网IP替换为WAN口公网IP，实现内外网通信
   2. 运营商可控制报文是否转发到公网
2. 路由表：
   1. 记录路由条目，采用如BGP等交换算法
   2. 路由器既属于上一级网络（自有IP），又连接下一级网络（WAN口IP）

3. 网络通信流程

1. 地区范围常用公网IP，小范围用内网IP
2. 出入口路由器：连接公网与内网
3. 路由查找过程：
   1. 到达路由器后，数据包与每个子网掩码按位与，匹配网络地址，按路由表选择下一跳，直至到达目标地址
4. 公网与内网路由表算法复杂度不同

二、数据链路层与分片机制

1. 数据链路层：接收上层报文，最大传输单元（MTU）为1500字节
2. 分片机制：
   1. 超过MTU需在网络层分片和组装
   2. 任何一个分片丢失，整个报文丢失
   3. 过多分片会增加丢包概率，应尽量减少

1. 分片与组装细节

1. 分片控制：传输层最多传输1460字节（MSS，最大段尺寸），IP报头20字节，TCP报头20字节
2. 滑动窗口分段：避免超出1460字节
3. 分片标识：
   1. 不同报文有不同标识
   2. 相同报文分片标识相同
4. 组装流程：
   1. 判断是否分片
      1. “更多分片”位为1，表示有分片
      2. “更多分片”位为0但片偏移不为0，也为分片
      3. 否则为未分片
   2. 分片收集
      1. 相同标识分片聚合
      2. 缺片情况：首片丢失（无偏移为0），中间丢失（片偏移不连续），末片丢失（无更多分片为0）
   3. 分片组装完成

三、网络层与通信流程

1. 网络转发本质：子网间转发
2. 数据发送：局域网到局域网传输
3. 各层职责：
   1. 应用层：报文交互
   2. 传输层：传输可靠性
   3. 网络层：长距离传输与路径选择
   4. 数据链路层：局域网/子网通信

四、以太网与局域网通信

1. 以太网：最广泛的局域网技术
2. 帧格式：
   1. 封装：固定长度协议
   2. 分用（帧类型）：
      1. 0800（IP）
      2. 0806（ARP）
      3. 0835 (RARP)
3. 数据包分片：路由器也可能分片
4. MSS协商：TCP建立连接时协商MSS（最小值为准，TCP首部40字节变长选项kind=2）
5. 局域网特性：
   1. 局域网是碰撞域，同一时刻只能发送一个数据帧
   2. 以太网实现资源互斥，数据帧越少越好
   3. 数据帧长度有限制，MTU范围46~1500字节

1. ARP协议与MAC地址

1. ARP协议：将IP地址转换为对应的MAC地址（地址解析协议），协议类型0806，固定报头28字节
2. ARP工作流程：
   1. 广播目标主机IP地址
   2. 目标主机应答，返回MAC地址
3. ARP缓存：主机会缓存IP与MAC映射关系，缓存有限时长
4. 路由表配置：仅配置IP，通过ARP获取MAC
5. IP地址长久不变，MAC地址可能变化

2. NAT与端口映射

1. NAT过程：不仅替换源IP，还可能替换端口号
2. NAT表：维护公网IP与内网IP的转换关系
3. 端口映射：
   1. 私有IP+端口 = 内网唯一进程
   2. WAN IP+端口 = 全网唯一

五、代理与网络穿透

1. 正向代理：缓冲、监控
2. 反向代理：缓解服务器压力，负载均衡
3. 动静态资源分离、CDN（云服务）、图床
4. 内网穿透：如frp软件（frpc、frps实现），P2P打洞，基于内网穿透的直播模式

1. 交换机与数据链路层

1. 交换机：减少报文冲突概率，划分碰撞域，工作在数据链路层

六、面试常见问题

请详细描述从浏览器发起HTTP请求，到得到网页的整个过程。