TCP/IP 五层协议簇期末一天速成复习概要

你需要在一天内 0 基础掌握这些内容，核心策略是抓核心概念 + 记关键算法 + 背核心流程，放弃复杂推导，只记考试必考点。以下是按五层结构整理的极简复习笔记，完全对应你老师给出的考点：

五层结构（从下到上）：链路层 → 网络层 → 运输层 → 应用层（注意：这里的五层是把 TCP/IP 的网际层分为网络层，链路层对应数据链路层 + 物理层功能，部分教材会合并为五层）

• 每层核心功能：
  1. 链路层：相邻节点间的帧传输，负一、TCP/IP 五层协议簇基本概念（必考选择题 / 填空题）责透明传输、差错检测、MAC 地址寻址（以太网）。
  2. 网络层：跨网络的分组传输，负责 IP 地址寻址、路由选择、分片。
  3. 传输层：端到端的进程通信，负责可靠传输、流量控制、拥塞控制（TCP/UDP）。
  4. 应用层：为应用程序提供网络服务，负责具体应用协议（DNS、HTTP 等）。
• 每层数据单元：
  • 链路层：帧（Frame）
  • 网络层：分组（Packet）（IP 数据报）
  • 传输层：报文段（Segment，TCP）/ 用户数据报（Datagram，UDP）
  • 应用层：报文（Message）

二、链路层（核心考点：CSMA/CD、CRC、透明网桥、VLAN）

透明传输是指，数据链路层对上层交付的传输数据并没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样。

1. 透明传输：字节填充与比特填充（解决帧定界问题）

• 核心问题：帧的开始和结束用标志字段（FLAG） 表示（通常为 01111110），若数据部分出现 FLAG，会导致接收方误判帧边界，需要填充。
• 字节填充（面向字节的协议，如 PPP）：
  • 发送方：在数据中出现的 0x7E（FLAG）前插入 0x7D，并将 0x7E 替换为 0x7D 0x5E；若出现 0x7D，替换为 0x7D 0x5D。
  • 接收方：收到 0x7D 后，删除 0x7D，并将后续的 0x5E 恢复为 0x7E，0x5D 恢复为 0x7D。
• 比特填充（面向比特的协议，如 HDLC）：
  • 发送方：在数据部分的连续 5 个 1 后插入 1 个 0。
  • 接收方：收到连续 5 个 1 后，删除后面的 0。

2. 以太网 CSMA/CD 算法（载波监听多点接入 / 碰撞检测，必考简答题）

CSMA 载波监听多路访问

基本原理：发送数据前先监听信道上是否有人在发送，若有，说明信道正忙，否则信道空闲，然后根据定的策略决定

       若信道空闲：是否立即发送

        若信道正忙：是否继续监听

• 核心思想：先听后发，边发边听，碰撞停发，随机重发。
• 完整步骤：
  1. 载波监听：发送前监听总线，若总线空闲，立即发送；若忙，等待。
  2. 碰撞检测：发送过程中继续监听，若检测到碰撞（总线上的信号电平变化），立即停止发送，并发送干扰信号（强化碰撞，让所有节点知道）。
  3. 退避算法：等待一个随机时间（采用二进制指数退避算法，重传次数越多，随机范围越大），然后重新执行载波监听。
• 关键参数：
  • 最小帧长：以太网规定最小帧长为 64 字节，目的是保证发送方在发送完一帧前能检测到碰撞（即碰撞检测的时间≥信号在总线中往返的时间）。

3. 差错检测：CRC 循环冗余校验（必考计算题 / 概念题）

• 核心功能：检测帧在传输过程中的比特错误（无法纠错）。
• 基本原理：
  1. 发送方：将数据比特序列视为一个多项式 M (x)，选择一个生成多项式 G (x)（双方约定，如 CRC-32），计算 M (x) × x^r（r 为 G (x) 的阶数）除以 G (x) 的余数，余数即为CRC 校验码，将校验码附加在数据后发送。
  2. 接收方：将收到的比特序列（数据 + 校验码）除以 G (x)，若余数为 0，则认为无错误；否则，认为有错误，丢弃该帧。
• 考试技巧：记住生成多项式的二进制表示（如 G (x)=x^3 + x + 1 对应二进制 1011），会做简单的模 2 除法（无进位、无借位，异或运算）。

被除数：发送的数据 最高次幂的位数，比如说最高次幂是3那就在后面补三个0

除数：多项式的系数，比如该多项式的系数为1011

做除法，满四位商1，不满四位商0

判断是否正确：收到的数据做除法余数为0就合适，否则错误，但是不能检测出哪里出错了，就是验错不检错

4. 以太网交换机：透明网桥算法（必考简答题）

• 透明网桥：交换机的核心是透明网桥，“透明” 指主机不需要知道网桥的存在。
• 核心算法（三大功能）：
  1. 学习功能：通过接收帧的源 MAC 地址，建立端口 - MAC 地址映射表（转发表），并设置老化时间（防止 MAC 地址移动）。
  2. 转发功能：收到帧后，查找转发表：
     • 若目的 MAC 地址在转发表中，且对应的端口不是入端口，转发到该端口；
     • 若目的 MAC 地址在转发表中，且对应的端口是入端口，丢弃（避免环路）；
     • 若目的 MAC 地址不在转发表中，泛洪（除入端口外的所有端口转发）。
  3. 过滤功能：若帧的源和目的 MAC 地址在同一端口，丢弃该帧，不转发。

1.假设主机D给A发送单播帧（D-A）

2.与主机D处于同一网段的主机E和F，以及网桥的接口2都会收到该单播帧

主机E和F中的网卡，根据该单播帧的目的MAC地址A可知，这不是发送给自己的帧，而将其丢弃

网桥从接口2收到该单播帧后首先进行自学习（也就是登记），登记的内容为帧的原MAC地址D，和该帧进入网桥的接口2

之后网桥要对该单播帧进行转发，网桥在自己的转发表中查找该单播帧的目的MAC地址A，可以找到相应的记录，应从接口已转发该帧，这属于明确的转发

该单播帧从网桥的接口1转发到另一个网段，该网段中的主机A收到并接受该单播帧，而主机B和C收到该单播帧后将其丢弃

5. 最小生成树协议（STP，必考概念题）

• 核心问题：以太网交换机之间的冗余连接会导致广播风暴、MAC 地址表不稳定、帧重复，STP 的目的是在冗余拓扑中生成一棵无环的最小生成树

E1和E2是两个独立的共享总线型以太网

• 核心原理：
  1. 选举根网桥（整个网络的根，通过网桥 ID 最小的网桥当选，网桥 ID = 优先级 + MAC 地址）。
  2. 每个非根网桥选举根端口（距离根网桥最近的端口，通过路径成本计算）。
  3. 每个网段选举指定端口（距离根网桥最近的端口，负责转发该网段的流量）。
  4. 阻塞非根端口和非指定端口，形成无环拓扑。

6. 虚拟局域网（VLAN，必考概念题 / 简答题）

• 核心概念：VLAN（Virtual Local Area Network） 是一种网络划分技术，它可以将一个局域网中的设备根据逻辑需求划分为若干个子网（不同的广播域），同一 VLAN 内的主机可以直接通信，不同 VLAN 间的主机必须通过路由器或三层交换机通信。
• 不同 VLAN 之间的设备彼此隔离
• 即使连接在同一个交换机上，也无法直接通信。

 VLAN 的逻辑组成
        在 VLAN 中，交换机端口拥有两个关键属性：

属性名    说明
VLAN ID    指定该端口所属的 VLAN 编号（例如 VLAN 10、VLAN 20）
VLAN TAG    VLAN 帧中的标签字段，用于标记数据帧属于哪个 VLAN
🛠 VLAN 的工作机制简述

1. 当数据帧经过交换机端口时，交换机会查看该端口的 VLAN 属性；
2. 若数据帧没有携带 VLAN Tag，交换机会打上默认的 PVID（Port VLAN ID）；
3. 若数据帧带有 VLAN Tag，交换机会检查该端口是否允许该 VLAN 通过；
4. 不同 VLAN 的设备之间不能直接通信，除非通过三层设备进行路由。

• 核心原理：
  1. VLAN 的划分方式：基于端口（最常用）、基于 MAC 地址、基于 IP 地址。
  2. VLAN 的标识：VLAN ID 范围为 0-4095，其中 1-4094 为可用 VLAN ID，0 和 4095 保留。
  3. Trunk 端口：用于连接交换机之间的链路，可以传输多个 VLAN 的帧，通过802.1Q 标签标识帧所属的 VLAN。
• 核心作用：隔离广播域、提高网络安全性、提高网络带宽利用率。

小结：为什么 VLAN 能实现广播隔离？

VLAN 的本质是在报文中加入 VLAN ID 信息，使得交换机：

• 根据 VLAN ID 判断该数据帧应该转发到哪些端口；
• 控制不同 VLAN 的通信路径，实现逻辑隔离；
• 帮助网络管理员构建更灵活、安全、可控的网络结构

三、网络层（核心考点：IP 协议与分片、子网划分、ARP、路由协议）

1. IP 协议与分片（必考简答题 / 计算题）

• IP 数据报格式：核心字段包括版本（IPv4/IPv6）、首部长度、总长度、标识、标志（DF：不分片，MF：还有分片）、片偏移、生存时间（TTL）、协议（TCP=6，UDP=17）、源 IP 地址、目的 IP 地址。
• IP 分片的原因：网络层的 IP 数据报长度超过链路层的MTU（最大传输单元）（以太网 MTU 为 1500 字节）。
• 分片的规则：
  1. 分片由发送方的路由器进行，接收方的主机重组。
  2. 分片后的每个分片都有独立的 IP 首部，标识字段相同（用于接收方重组），片偏移字段表示该分片在原数据报中的位置（单位为 8 字节）。
  3. DF 标志为 1 时，禁止分片，若超过 MTU，路由器丢弃该数据报，并发送 ICMP 差错报文。

2. 划分子网（子网划分，必考计算题，核心中的核心）

• 核心概念：将一个大的网络（如 A 类、B 类、C 类）划分为多个小的子网，通过子网掩码区分网络位、子网位和主机位。
• 子网掩码的格式：与 IP 地址长度相同，网络位和子网位为 1，主机位为 0（如 255.255.255.0）。
• 子网划分的步骤（以 C 类网络 192.168.1.0 为例）：
  1. 确定子网数量，计算需要的子网位 n（子网数量 = 2^n）。
  2. 确定每个子网的主机数量，计算需要的主机位 m（主机数量 = 2^m - 2，减 2 是因为网络地址和广播地址不能分配给主机）。
  3. 子网掩码为：原网络掩码的基础上，将 n 位主机位变为 1（如 C 类网络原掩码为 255.255.255.0，子网位为 2 位时，掩码为 255.255.255.192）。
  4. 计算每个子网的网络地址、广播地址和可用主机地址范围。
• 考试技巧：记住子网掩码与 CIDR 的转换（如 255.255.255.192 = /26），会计算给定 IP 地址和子网掩码的网络地址（IP 地址 & 子网掩码）。

3. 静态路由配置（必考概念题 / 简答题）

• 路由表的核心字段：目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、出端口。
• 静态路由：由网络管理员手动配置的路由，适用于小型网络。
• 默认路由：当路由表中没有匹配的目的网络时，使用默认路由（目的网络为 0.0.0.0，子网掩码为 0.0.0.0），适用于边缘网络。

4. ARP 协议与 ARP 高速缓存（必考简答题）

• 核心功能：将IP 地址转换为MAC 地址（因为链路层使用 MAC 地址寻址，网络层使用 IP 地址寻址）。
• ARP 的工作过程（主机 A 要发送数据给主机 B）：
  1. 主机 A 检查本地ARP 高速缓存，若有主机 B 的 IP-MAC 映射，直接使用。
  2. 若没有，主机 A 发送ARP 请求报文（广播帧，目的 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF），包含自己的 IP-MAC 映射和主机 B 的 IP 地址。
  3. 网络中所有主机接收 ARP 请求，只有主机 B 发送ARP 响应报文（单播帧），包含自己的 IP-MAC 映射。
  4. 主机 A 收到 ARP 响应后，更新 ARP 高速缓存，并发送数据。
• ARP 高速缓存：存储最近的 IP-MAC 映射，有老化时间（通常为 20 分钟），避免缓存过期。

5. 路由协议基本原理（RIP、OSPF、BGP，必考选择题 / 简答题）

路由协议	类型	核心算法	适用范围	度量值	特点
RIP	内部网关协议（IGP）	距离矢量算法	小型自治系统（AS）	跳数（最大跳数为 15，16 表示不可达）	简单，收敛慢，易产生路由环路（通过水平分割、毒性逆转等解决）
OSPF	内部网关协议（IGP）	链路状态算法	中大型自治系统（AS）	路径成本（基于带宽）	收敛快，无路由环路，支持分层结构（区域）
BGP	外部网关协议（EGP）	路径矢量算法	自治系统之间（互联网）	路径属性（如 AS 路径、本地优先级）	支持策略路由，不追求最优路径，而是可行路径

四、运输层（核心考点：TCP 连接管理、流量控制、可靠传输、拥塞控制）

1. 连接管理（TCP 的三次握手和四次挥手，必考简答题，核心中的核心）

• TCP 三次握手（建立连接）：
  1. 客户端→服务器：SYN=1，seq=x（客户端初始序列号）。
  2. 服务器→客户端：SYN=1，ACK=1，seq=y（服务器初始序列号），ack=x+1。
  3. 客户端→服务器：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。
• 三次握手的目的：同步双方的序列号，并确保双方的发送和接收能力正常。
• TCP 四次挥手（释放连接）：
  1. 客户端→服务器：FIN=1，seq=u（客户端数据发送完毕，请求释放连接）。
  2. 服务器→客户端：ACK=1，seq=v，ack=u+1（服务器确认客户端的 FIN）。
  3. 服务器→客户端：FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1（服务器数据发送完毕，请求释放连接）。
  4. 客户端→服务器：ACK=1，seq=u+1，ack=w+1（客户端确认服务器的 FIN，等待 2MSL 后关闭连接）。
• 四次挥手的原因：TCP 是全双工通信，服务器收到客户端的 FIN 后，可能还有数据要发送，因此需要先确认 FIN，再发送自己的 FIN。

2. 流量控制（必考概念题 / 简答题）

• 核心目的：让发送方的发送速率不超过接收方的接收能力，防止接收方缓冲区溢出。
• 实现机制：滑动窗口协议（接收方通过 TCP 首部的窗口大小字段告诉发送方自己的接收缓冲区剩余空间）。
• 关键点：窗口大小是动态变化的，接收方根据自己的缓冲区使用情况调整窗口大小，发送方的发送窗口不能超过接收方的接收窗口。

3. 可靠数据传输（必考概念题）

• TCP 的可靠传输机制：
  1. 序列号：对每个字节进行编号，确保数据的有序性。
  2. 确认机制：接收方收到数据后，发送确认报文（ack 表示期望收到的下一个字节的序列号）。
  3. 重传机制：发送方设置超时重传定时器，若超时未收到确认，重传数据；也可以通过快速重传（收到 3 个重复的确认报文，立即重传）。
  4. 校验和：检测数据在传输过程中的错误。

4. 拥塞控制（必考简答题，核心中的核心）

• 核心目的：让发送方的发送速率不超过网络的承载能力，防止网络拥塞。
• TCP 的拥塞控制算法（四个阶段）：
  1. 慢开始：发送方的拥塞窗口（cwnd）从 1 开始，每经过一个 RTT（往返时间），cwnd 加倍，直到 cwnd 达到慢启动阈值（ssthresh）。
  2. 拥塞避免：cwnd 达到 ssthresh 后，每经过一个 RTT，cwnd 增加 1，线性增长。
  3. 快重传：收到 3 个重复的确认报文，立即重传丢失的报文段，不等待超时。
  4. 快恢复：将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半，cwnd 设置为 ssthresh，进入拥塞避免阶段（不再进入慢启动）。
• 关键点：流量控制是端到端的（接收方→发送方），拥塞控制是网络到端的（发送方根据网络状况调整）。

五、应用层（核心考点：DNS、Web 服务，常见应用层协议）

1. 常见应用层协议基本概念（必考选择题）

协议	功能	运输层协议	端口号
HTTP	超文本传输协议，用于 Web 服务	TCP	80
HTTPS	安全的超文本传输协议（HTTP+SSL/TLS）	TCP	443
DNS	域名系统，用于域名到 IP 地址的解析	UDP（首选）/TCP	53
FTP	文件传输协议，用于文件上传和下载	TCP	20（数据）/21（控制）
SMTP	简单邮件传输协议，用于发送邮件	TCP	25
POP3	邮局协议版本 3，用于接收邮件	TCP	110
IMAP	互联网消息访问协议，用于接收邮件	TCP	143

2. DNS（域名系统，必考简答题）

• 核心功能：将域名（如www.baidu.com）转换为IP 地址（如 180.101.50.188），也可以进行反向解析（IP 地址→域名）。
• DNS 的层次结构：根域名服务器 → 顶级域名服务器（如.com、.cn） → 权威域名服务器（如baidu.com的域名服务器） → 本地域名服务器。
• DNS 的解析过程（递归查询 + 迭代查询）：
  1. 主机向本地域名服务器发送递归查询请求。
  2. 本地域名服务器向根域名服务器发送迭代查询请求。
  3. 根域名服务器返回顶级域名服务器的地址。
  4. 本地域名服务器向顶级域名服务器发送迭代查询请求，返回权威域名服务器的地址。
  5. 本地域名服务器向权威域名服务器发送迭代查询请求，返回域名对应的 IP 地址。
  6. 本地域名服务器将 IP 地址返回给主机，并缓存该结果。
• DNS 的缓存机制：本地域名服务器和主机都会缓存 DNS 解析结果，减少查询次数。

3. Web 服务的实现（HTTP 协议，必考简答题）

• Web 服务的组成：Web 客户端（浏览器） + Web 服务器（如 Apache、Nginx） + HTTP 协议。
• HTTP 的请求 - 响应模型：
  1. 客户端向服务器发送HTTP 请求报文（包括请求行、请求头、请求体）。
     • 请求行：方法（GET/POST）、URL、HTTP 版本（如 GET /index.html HTTP/1.1）。
     • GET 方法：请求获取资源，参数在 URL 中，长度有限，不安全。
     • POST 方法：提交数据，参数在请求体中，长度不限，安全。
  2. 服务器向客户端发送HTTP 响应报文（包括状态行、响应头、响应体）。
     • 状态行：HTTP 版本、状态码、状态描述（如 HTTP/1.1 200 OK）。
     • 常见状态码：200（成功）、301（永久重定向）、404（未找到资源）、500（服务器内部错误）。
• HTTP 的特点：无连接（每次请求 - 响应后关闭连接，HTTP/1.1 支持持久连接）、无状态（服务器不保存客户端的状态，通过 Cookie/Session 解决）。

六、一天复习计划（0 基础专用）

1. 上午（3 小时）：链路层 + 网络层
   • 重点：CSMA/CD 算法、CRC 校验、子网划分、ARP 协议、路由协议对比。
   • 任务：背会子网划分的计算方法，做 2 道子网划分真题；背会 CSMA/CD 和 ARP 的工作过程。
2. 下午（3 小时）：运输层
   • 重点：TCP 三次握手和四次挥手、流量控制、拥塞控制。
   • 任务：画三次握手和四次挥手的流程图，背会拥塞控制的四个阶段。
3. 晚上（2 小时）：应用层 + 五层协议簇基本概念
   • 重点：DNS 解析过程、HTTP 请求 - 响应模型、常见应用层协议的端口号。
   • 任务：背会 DNS 的层次结构和解析过程，背会 HTTP 的请求行和状态码。
4. 最后 2 小时：整体回顾，重点背简答题的核心要点（如 CSMA/CD、TCP 三次握手、子网划分、DNS 解析），放弃复杂计算题（如 CRC 的模 2 除法），只记概念。