计算机与网络 - 网络IP篇（4）

1.4 网络 IP

1.4.1 IP 基本认识

1.4.1.1 IP 层

• IP（Internet Protocol）层是网络通信模型中的关键层，属于OSI模型的第三层，即网络层。
• 它负责在不同网络之间传输数据包，实现网络间的互联。IP层的主要功能包括：寻址：为每个网络设备分配一个唯一的IP地址，以确保数据能够准确地发送到目的地。路由：选择数据包从源到目的地的最佳路径。分段和重组：如果数据包太大而不能通过网络，IP层会将其分割成更小的片段，并在目的地重新组装。错误检测：通过头部的校验和来检测数据在传输过程中是否出现错误。

1.4.1.2 IP 层与数据链路层的关系

IP层与数据链路层（OSI模型的第二层）的关系密切，它们共同工作以实现网络通信：

• 封装：IP层生成的IP数据报文会被数据链路层封装成帧。数据链路层负责在同一个局域网内传输这些帧。
• 地址解析：IP层使用IP地址进行通信，而数据链路层使用MAC地址。IP层需要通过ARP（地址解析协议）将IP地址解析为MAC地址，以便数据链路层可以处理。
• 错误检测与纠正：数据链路层负责检测帧在局域网内传输时的错误，并进行必要的纠正。

1.4.1.3 IP 和 MAC

IP地址和MAC地址是网络通信中两种不同类型的地址：

• IP地址：用于在网络层标识设备，是逻辑地址，可以跨网络使用。IP地址分为IPv4和IPv6两种版本。
• MAC地址：用于在数据链路层标识网络接口卡（NIC），是物理地址，通常与硬件绑定，且在制造时分配，全球唯一。
• 转换：IP地址到MAC地址的转换通过ARP完成，而从MAC地址到IP地址的转换则通过RARP或DHCP等协议实现。

1.4.1.4 数据包传输中的不变性

数据包在网络中的传输需要保持某些属性的不变性，以确保数据的完整性和正确性：

• 源IP和目的IP：数据包的源IP和目的IP地址在整个传输过程中保持不变，以确保数据能够正确地从发送者传输到接收者。
• 数据内容：数据包中的数据内容在传输过程中不应被修改，除非是必要的头部信息，如TTL（Time to Live）字段的递减。
• 校验和：IP头部包含校验和，用于检测数据在传输过程中是否出现错误。如果检测到错误，数据包将被丢弃。
• 顺序：虽然IP层不保证数据包的顺序，但在某些情况下，如TCP传输，会通过序列号和确认应答机制来确保数据包的顺序性。

1.4.2 IP 地址的基础知识

1.4.2.1 IP 地址的分类

IP地址用于标识网络中的设备，最初分为A、B、C、D和E五类：

• A类地址：范围从0.0.0.0到127.255.255.255，用于大型网络，如政府和大型组织。
• B类地址：范围从128.0.0.0到191.255.255.255，用于中型网络，如企业。
• C类地址：范围从192.0.0.0到223.255.255.255，用于小型网络，如家庭和小型办公室。
• D类地址：范围从224.0.0.0到239.255.255.255，用于多播。
• E类地址：范围从240.0.0.0到255.255.255.255，用于实验和未来使用。

1.4.2.2 无分类地址 CIDR

CIDR（无分类域间路由）是一种用于IP地址分配和路由聚合的方法，它打破了传统的A、B、C类地址分类：

• 地址表示：使用斜线记法，如192.168.1.0/24，其中24表示网络前缀的长度。
• 优点：提高了IP地址的使用效率，减少了路由表的大小，简化了路由聚合。

1.4.2.3 公有 IP 地址与私有 IP 地址

• 公有IP地址：由IANA（互联网号码分配机构）及其下属机构分配，全球唯一，可在互联网上使用。
• 私有IP地址：仅在内部网络中使用，不会在互联网上路由，范围如下： A类：10.0.0.0 - 10.255.255.255B类：172.16.0.0 - 172.31.255.255C类：192.168.0.0 - 192.168.255.255

1.4.2.4 IP 地址与路由控制

IP地址在路由控制中的作用：

• 路由决策：路由器使用IP地址来决定数据包的下一跳。
• 子网划分：通过子网掩码来划分子网，提高网络的灵活性和安全性。
• NAT技术：网络地址转换技术，允许多个设备共享一个公有IP地址。

1.4.2.5 IP 分片与重组

• 分片：当数据包超过MTU（最大传输单元）时，IP层会将其分割成更小的片段。
• 重组：接收端的IP层负责将这些片段重新组合成原始数据包。

1.4.2.6 IPv6 基本认识

IPv6是互联网协议的最新版本，旨在解决IPv4地址耗尽的问题：

• 地址空间：提供了几乎无限的地址空间。
• 地址表示：使用冒号分隔的十六进制表示，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
• 头部格式：简化了头部格式，提高了处理效率。

1.4.2.7 IPv4 首部与 IPv6 首部

• IPv4首部：包含版本、头部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、头部校验和、源IP地址、目的IP地址等字段。
• IPv6首部：包含版本、流量类别、流标签、有效载荷长度、下一个头部、跳数限制、源IP地址、目的IP地址等字段。

1.4.3 IP 协议相关技术

1.4.3.1 DNS

DNS（域名系统）是互联网的一项服务，它将人类可读的域名转换为机器可读的IP地址。

• 功能：DNS的主要功能是域名解析，即将域名（如www.example.com）解析为IP地址（如93.184.216.34）。
• 工作流程：当用户在浏览器中输入一个域名时，DNS解析过程开始，通常首先查询本地DNS缓存。如果未找到，再查询本地DNS服务器。如果本地服务器没有该记录，会向根DNS服务器查询，逐级向下直到找到对应的IP地址。
• 记录类型：DNS支持多种记录类型，包括A记录（地址记录）、MX记录（邮件交换记录）、CNAME记录（规范名称记录）等。

1.4.3.2 ARP

ARP（地址解析协议）用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的MAC地址。

• 工作原理：当一个设备需要向另一个设备发送数据时，它会在本地ARP缓存中查找目的设备的MAC地址。如果找不到，它会在局域网内广播一个ARP请求，询问拥有该IP地址的设备的MAC地址。
• ARP表：ARP表是存储IP地址和对应MAC地址的缓存，以减少ARP请求的数量。

1.4.3.3 DHCP

DHCP（动态主机配置协议）是一种网络管理协议，用于自动分配IP地址和其他网络配置参数给网络中的设备。

• 功能：DHCP服务器可以自动分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等信息给客户端设备。
• 工作流程：客户端设备在加入网络时会发送DHCP请求，DHCP服务器响应并提供配置信息。这些信息可以是临时的（如租约），也可以是永久的。

1.4.3.4 NAT

NAT（网络地址转换）是一种技术，允许多个设备共享一个公有IP地址来访问互联网。

• 功能：NAT设备（通常是路由器）维护一个转换表，将内部私有IP地址映射到一个公有IP地址的不同端口上。
• 类型：NAT有多种类型，包括静态NAT、动态NAT和PAT（端口地址转换）。

1.4.3.5 ICMP

ICMP（互联网控制消息协议）用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。

• 功能：ICMP消息用于网络诊断，如ping命令使用的就是ICMP的回显请求和回显应答消息。
• 消息类型：ICMP消息包括目的地不可达、时间超过、参数问题、重定向等类型。

Ping 是一种常用的网络命令，在网络故障排查和网络性能测试等方面具有重要作用。

其原理基于 Internet 控制消息协议 (ICMP)，通过发送探测包并接收回复报文，测试互联网IP网络之间是否连通与可达情况。

1. 向目标主机发送 ICMP 请求报文：当在本地主机上执行 ping 命令时，系统将发送一个 ICMP 报文给目标主机。
2. 目标主机响应 ICMP 回应报文：如果目标主机可以对该报文进行响应，则它会返回一个 ICMP “响应”报文。
3. 计算网络延迟时间：客户端接收到响应报文后，计算往返时间 RTT（Round-Trip Time），并且统计节点的丢包率。

1.4.3.6 IGMP

IGMP（互联网组管理协议）用于管理多播组成员资格。

• 功能：IGMP允许路由器发现和维护连接到其接口的多播组成员。
• 工作流程：当一个设备加入一个多播组时，它会发送IGMP报文来通知路由器。路由器定期发送查询报文来确认成员资格，如果收到响应，则继续转发多播数据包到该网络。

1.5 OS 篇

1.5.1 线程、进程的区别？通信方式？

1. 基本概念

• 进程：具有一定独立功能的程序，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，可以独立运行。
• 线程：进程的一个实体，CPU调度和分派的基本单位，不拥有系统资源，但可以访问进程资源。

2. 线程、进程的区别与联系

• 调度：线程是CPU调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位。
• 并发性：进程间可以并发执行，同一进程的多个线程也可以并发执行。
• 资源拥有：进程拥有资源，线程不拥有资源，但可以访问进程资源。
• 联系：一个线程只能属于一个进程，一个进程可以有多个线程。同一进程的所有线程共享进程资源。

3. 多线程间通信方式

1. 共享变量：通过共享对象的变量进行通信。
2. volatile关键字：确保变量的可见性。
3. wait()/notify()：通过对象的wait()和notify()方法实现线程间的协调。
4. synchronized关键字：确保对共享资源的同步访问。

4. 进程间通信方式

1. 管道（Pipe）：用于父子进程或兄弟进程间的数据传输。
2. 消息队列：进程间通过消息队列交换消息。
3. 共享内存：进程通过映射相同的内存区域来共享数据。
4. 套接字（Socket）：适用于不同主机间的进程通信。

1.5.2 物理地址和虚拟地址？

1. 虚拟地址：程序使用的地址空间，由CPU在执行时产生。 特点：每个进程有自己的虚拟地址空间。通常比物理地址空间大。从0开始，通常是连续的。用途：提高内存利用率和安全性，使进程认为自己独占全部内存。
2. 物理地址：内存中实际存储数据的地址，由硬件使用。 特点：每个存储单元都有自己的物理地址。直接与内存硬件交互。范围由物理内存大小决定。用途：将虚拟地址转换为实际存储数据的物理存储单元。
3. 两者的关系： 地址映射：操作系统通过内存管理单元将虚拟地址转换为物理地址。内存保护：分离虚拟和物理地址，实现内存保护和隔离。地址空间隔离：每个进程有自己的虚拟地址空间，共享物理内存而不互相干扰。

1.5.3 Linux 的命名空间 namespace？

• Linux 命名空间是 Linux 内核的一个特性，它允许多个进程组共享某些资源，同时在这些资源上拥有独立的视图。这种隔离机制使得容器化技术（如 Docker）得以实现，因为它们可以利用命名空间来提供轻量级的隔离环境。
• 想象一下，你的电脑是一个大房子，里面有很多房间。你在不同的房间做不同的事情，每个房间都有自己的规矩和装饰。Linux 的命名空间就像是这些房间的规矩，它们让电脑里的程序能在自己的世界里运行，而不会影响到其他程序。

1.5.4 Linux 的常见命令？

1. 文件目录：cd、ls、pwd、cp、mv、rm、mkdir、rmdir
2. 文件压缩：tar、gzip、gunzip、zip、unzip
3. 文件编辑：cat、head、tail、vi、vim、nano查看文件最后十行内容的命令：tail -n 10 filename。
4. 内存相关：top、free、ps、df、du
5. 网络相关：ping、netstat、ifconfig、curl、wget
6. 权限相关：chmod、chown权限分为三种：读（r）、写（w）和执行（x）。这些权限可以分配给文件的所有者（u）、所属组（g）以及其他用户（o）。

• Linux 如何查看一个 log 文件的内容？使用 cat、less、more、tail 等命令，例如 cat filename.log 或 tail -f filename.log 查看最新内容。
• Linux 如何搜索文件里的内容？通过 uid 搜索 log 文件打印出来下面的堆栈信息？ 使用 grep 命令搜索内容，例如 grep 'uid' filename.log。打印堆栈信息可以使用 grep 'uid' filename.log | grep 'stack trace'。
• Linux 如何找出日志文件中 logid 为1的并且用户 id 为 b 的日志？grep "logid=1" 路径 | grep "userid=b"