网络基础问题总结

1.TCP/IP 网络模型有哪几层？

对于同⼀台设备上的进程间通信，有很多种⽅式，⽐如有管道、消息队列、共享内存、信号等⽅式，⽽对

于不同设备上的进程间通信，就需要⽹络通信，⽽设备是多样性的，所以要兼容多种多样的设备，就协商

出了⼀套通⽤的⽹络协议。这个⽹络协议是分层的，每⼀层都有各⾃的作⽤和职责。

从上到下分为应用层，传输层，网络层，接口层

⽹络接⼝层的传输单位是帧（frame），IP 层的传输单位是包（packet），TCP 层的传输单位是段

（segment），HTTP 的传输单位则是消息或报⽂（message）。但这些名词并没有什么本质的区分，可以

统称为数据包。

2.简单介绍应用层

最上层的，也是我们能直接接触到的就是应⽤层（Application Layer），我们电脑或⼿机使⽤的应⽤软件

都是在应⽤层实现。那么，当两个不同设备的应⽤需要通信的时候，应⽤就把应⽤数据传给下⼀层，也就

是传输层。

所以，**应⽤层只需要专注于为⽤户提供应⽤功能，⽐如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP**等。

应⽤层是不⽤去关⼼数据是如何传输的，就类似于，我们寄快递的时候，只需要把包裹交给快递员，由他

负责运输快递，我们不需要关⼼快递是如何被运输的。

⽽且应⽤层是⼯作在操作系统中的⽤户态，传输层及以下则⼯作在内核态。

3.简单介绍传输层

应⽤层的数据包会传给传输层，传输层（Transport Layer）是为应⽤层提供⽹络⽀持的。

在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。

TCP 的全称叫传输控制协议（Transmission Control Protocol），⼤部分应⽤使⽤的正是 TCP 传输层协

议，⽐如 HTTP 应⽤层协议。TCP 相⽐ UDP 多了很多特性，⽐如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这

些都是为了保证数据包能可靠地传输给对⽅。

UDP 相对来说就很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对⽅，但它实时性相对更

好，传输效率也⾼。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应⽤层上实现就可以，不过要实

现⼀个商⽤的可靠 UDP 传输协议，也不是⼀件简单的事情。

应⽤需要传输的数据可能会⾮常⼤，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包⼤⼩超过 MSS

（TCP 最⼤报⽂段⻓度），就要将数据包分块，这样即使中途有⼀个分块丢失或损坏了，只需要᯿新发送

这⼀个分块，⽽不⽤᯿新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为⼀个 TCP 段（TCP

Segment）。

当设备作为接收⽅时，传输层则要负责把数据包传给应⽤，但是⼀台设备上可能会有很多应⽤在接收或者

传输数据，因此需要⽤⼀个编号将应⽤区分开来，这个编号就是端⼝。

⽐如 80 端⼝通常是 Web 服务器⽤的，22 端⼝通常是远程登录服务器⽤的。⽽对于浏览器（客户端）中的

每个标签栏都是⼀个独⽴的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端⼝号。

由于传输层的报⽂中会携带端⼝号，因此接收⽅可以识别出该报⽂是发送给哪个应⽤。

4.简单介绍网络层

传输层可能⼤家刚接触的时候，会认为它负责将数据从⼀个设备传输到另⼀个设备，事实上它并不负责。实际场景中的⽹络环节是错综复杂的，中间有各种各样的线路和分叉路⼝，如果⼀个设备的数据要传输给

另⼀个设备，就需要在各种各样的路径和节点进⾏选择，⽽传输层的设计理念是简单、⾼效、专注，如果

传输层还负责这⼀块功能就有点违背设计原则了。

也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应⽤即可，让其作为应⽤间数据传输的

媒介，帮助实现应⽤到应⽤的通信，⽽实际的传输功能就交给下⼀层，也就是⽹络层（Internet Layer）

⽹络层最常使⽤的是 IP 协议（Internet Protocol），IP 协议会将传输层的报⽂作为数据部分，再加上 IP 包

头组装成 IP 报⽂，如果 IP 报⽂⼤⼩超过 MTU（以太⽹中⼀般为 1500 字节）就会再次进⾏分⽚，得到⼀

个即将发送到⽹络的 IP 报⽂。

⽹络层负责将数据从⼀个设备传输到另⼀个设备，世界上那么多设备，⼜该如何找到对⽅呢？因此，⽹络

层需要有区分设备的编号。

我们⼀般⽤ IP 地址给设备进⾏编号，对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段（⽐如，

192.168.100.1），每段是 8 位。只有⼀个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻

烦，全世界那么多台设备，难道⼀个⼀个去匹配？这显然不科学。

因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

⼀个是⽹络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「⼦⽹」的；
⼀个是主机号，负责标识同⼀「⼦⽹」下的不同主机；
怎么分的呢？这需要配合⼦⽹掩码才能算出 IP 地址的⽹络号和主机号。

举个例⼦，⽐如 10.100.122.0/24，后⾯的 /24 表示就是 255.255.255.0 ⼦⽹掩码，255.255.255.0 ⼆进

制是「11111111-11111111-11111111-00000000」，⼤家数数⼀共多少个1？不⽤数了，是 24 个1，为

了简化⼦⽹掩码的表示，⽤/24代替255.255.255.0。

知道了⼦⽹掩码，该怎么计算出⽹络地址和主机地址呢？

将 10.100.122.2 和 255.255.255.0 进⾏按位与运算，就可以得到⽹络号，如下图：

将 255.255.255.0 取反后与IP地址进⾏进⾏按位与运算，就可以得到主机号

那么在寻址的过程中，先匹配到相同的⽹络号（表示要找到同⼀个⼦⽹），才会去找对应的主机。

除了寻址能⼒， IP 协议还有另⼀个᯿要的能⼒就是**路由**。实际场景中，两台设备并不是⽤⼀条⽹线连接起

来的，⽽是通过很多⽹关、路由器、交换机等众多⽹络设备连接起来的，那么就会形成很多条⽹络的路

径，因此当数据包到达⼀个⽹络节点，就需要通过路由算法决定下⼀步⾛哪条路径。

路由器寻址⼯作中，就是要找到⽬标地址的⼦⽹，找到后进⽽把数据包转发给对应的⽹络内

所以，IP 协议的寻址作⽤是告诉我们去往下⼀个⽬的地该朝哪个⽅向⾛，路由则是根据「下⼀个⽬的地」

选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作⽅向盘。

5.简单介绍网络接口层

⽣成了 IP 头部之后，接下来要交给⽹络接⼝层（Link Layer）在 IP 头部的前⾯加上 MAC 头部，并封装成

数据帧（Data frame）发送到⽹络上。

IP 头部中的接收⽅ IP 地址表示⽹络包的⽬的地，通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪⾥，但在以太

⽹的世界中，这个思路是⾏不通的。

什么是以太⽹呢？电脑上的以太⽹接⼝，Wi-Fi接⼝，以太⽹交换机、路由器上的千兆，万兆以太⽹⼝，还

有⽹线，它们都是以太⽹的组成部分。以太⽹就是⼀种在「局域⽹」内，把附近的设备连接起来，使它们

之间可以进⾏通讯的技术。

以太⽹在判断⽹络包⽬的地时和 IP 的⽅式不同，因此必须采⽤相匹配的⽅式才能在以太⽹中将包发往⽬的

地，⽽ MAC 头部就是⼲这个⽤的，所以，在以太⽹进⾏通讯要⽤到 MAC 地址。

MAC 头部是以太⽹使⽤的头部，它包含了接收⽅和发送⽅的 MAC 地址等信息，我们可以通过 ARP 协议

获取对⽅的 MAC 地址。

所以说，⽹络接⼝层主要为⽹络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太⽹、WiFi 这样的底层⽹络上

发送原始数据包，⼯作在⽹卡这个层次，使⽤ MAC 地址来标识⽹络上的设备。

键⼊⽹址到⽹⻚显示，期间发⽣了什么？

数据包抵达服务器后，服务器会先扒开数据包的 MAC 头部，查看是否和服务器⾃⼰的 MAC 地址符合，符

合就将包收起来。

接着继续扒开数据包的 IP 头，发现 IP 地址符合，根据 IP 头中协议项，知道⾃⼰上层是 TCP 协议。

于是，扒开 TCP 的头，⾥⾯有序列号，需要看⼀看这个序列包是不是我想要的，如果是就放⼊缓存中然后

返回⼀个 ACK，如果不是就丢弃。TCP 头部⾥⾯还有端⼝号， HTTP 的服务器正在监听这个端⼝号。

于是，服务器⾃然就知道是 HTTP 进程想要这个包，于是就将包发给 HTTP 进程。服务器的 HTTP 进程看到，原来这个请求是要访问⼀个⻚⾯，于是就把这个⽹⻚封装在 HTTP 响应报⽂

⾥。

HTTP 响应报⽂也需要穿上 TCP、IP、MAC 头部，不过这次是源地址是服务器 IP 地址，⽬的地址是客户

端 IP 地址。

穿好头部⾐服后，从⽹卡出去，交由交换机转发到出城的路由器，路由器就把响应数据包发到了下⼀个路

由器，就这样跳啊跳。

最后跳到了客户端的城⻔把守的路由器，路由器扒开 IP 头部发现是要找城内的⼈，于是⼜把包发给了城内

的交换机，再由交换机转发到客户端。

客户端收到了服务器的响应数据包后，同样也⾮常的⾼兴，客户能拆快递了！

于是，客户端开始扒⽪，把收到的数据包的⽪扒剩 HTTP 响应报⽂后，交给浏览器去渲染⻚⾯，⼀份特别

的数据包快递，就这样显示出来了！

最后，客户端要离开了，向服务器发起了 TCP 四次挥⼿，⾄此双⽅的连接就断开了。

5.浏览器如何解析URL的

⾸先浏览器做的第⼀步⼯作就是要对 URL 进⾏解析，从⽽⽣成发送给 Web 服务器的请求信息。

让我们看看⼀条⻓⻓的 URL ⾥的各个元素的代表什么，⻅下图：

6.要是url中的路径名都省略了，那应该是请求哪个⽂件呢？

当没有路径名时，就代表访问根⽬录下事先设置的默认⽂件，也就是 /index.html 或者 /default.html 这

些⽂件，这样就不会发⽣混乱了。

7.如何生产HTTP请求信息

URL 进⾏解析之后，浏览器确定了 Web 服务器和⽂件名，接下来就是根据这些信息来⽣成 HTTP 请求消息了。

8.如何通过DNS查询真实地址

通过浏览器解析 URL 并⽣成 HTTP 消息后，需要委托操作系统将消息发送给 Web 服务器。

但在发送之前，还有⼀项⼯作需要完成，那就是查询服务器域名对应的 IP 地址，因为委托操作系统发送消

息时，必须提供通信对象的 IP 地址。

⽐如我们打电话的时候，必须要知道对⽅的电话号码，但由于电话号码难以记忆，所以通常我们会将对⽅

电话号 + 姓名保存在通讯录⾥。

所以，有⼀种服务器就专⻔保存了 Web 服务器域名与 IP 的对应关系，它就是 DNS 服务器。

9.域名的层级关系是怎样的

DNS 中的域名都是⽤句点来分隔的，⽐如 www.server.com ，这⾥的句点代表了不同层次之间的界限。

在域名中，越靠右的位置表示其层级越⾼。

毕竟域名是外国⼈发明，所以思维和中国⼈相反，⽐如说⼀个城市地点的时候，外国喜欢从⼩到⼤的⽅式

顺序说起（如 XX 街道 XX 区 XX 市 XX 省），⽽中国则喜欢从⼤到⼩的顺序（如 XX 省 XX 市 XX 区 XX 街

道）。

实际上域名最后还有⼀个点，⽐如 www.server.com. ，这个最后的⼀个点代表根域名。

也就是， . 根域是在最顶层，它的下⼀层就是 .com 顶级域，再下⾯是 server.com 。

所以域名的层级关系类似⼀个树状结构：

根 DNS 服务器（.）
顶级域 DNS 服务器（.com）
权威 DNS 服务器（server.com）

根域的 DNS 服务器信息保存在互联⽹中所有的 DNS 服务器中。

这样⼀来，任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此，客户端只要能够找到任意⼀台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 DNS 服务器，然后再⼀路顺藤

摸⽠找到位于下层的某台⽬标 DNS 服务器

10.域名解析的⼯作流程是怎样的

客户端⾸先会发出⼀个 DNS 请求，问 www.server.com 的 IP 是啥，并发给本地 DNS 服务器（也就

是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址）。

本地域名服务器收到客户端的请求后，如果缓存⾥的表格能找到 www.server.com，则它直接返回 IP

地址。如果没有，本地 DNS 会去问它的根域名服务器：“⽼⼤，能告诉我 www.server.com 的 IP 地

址吗？” 根域名服务器是最⾼层次的，它不直接⽤于域名解析，但能指明⼀条道路。

根 DNS 收到来⾃本地 DNS 的请求后，发现后置是 .com，说：“www.server.com 这个域名归 .com

区域管理”，我给你 .com 顶级域名服务器地址给你，你去问问它吧。”

本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后，发起请求问“⽼⼆，你能告诉我 www.server.com 的 IP 地

址吗？”

顶级域名服务器说：“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能

问到”。

本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器：“⽼三，www.server.com对应的IP是啥呀？” server.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和⽬标建⽴连接。

⾄此，我们完成了 DNS 的解析过程。现在总结⼀下，整个过程我画成了⼀个图。

DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们⽇常⽣活中找⼈问路的过程类似，只指路不带路。

那是不是每次解析域名都要经过那么多的步骤呢？当然不是了，还有缓存这个东⻄的嘛。

浏览器会先看⾃身有没有对这个域名的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，就去问操作系统，操作系

统也会去看⾃⼰的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，再去 hosts ⽂件看，也没有，才会去问「本地

DNS 服务器」。

11.协议栈是什么，如何工作的

通过 DNS 获取到 IP 后，就可以把 HTTP 的传输⼯作交给操作系统中的协议栈。

协议栈的内部分为⼏个部分，分别承担不同的⼯作。上下关系是有⼀定的规则的，上⾯的部分会向下⾯的

部分委托⼯作，下⾯的部分收到委托的⼯作并执⾏。

应⽤程序（浏览器）通过调⽤ Socket 库，来委托协议栈⼯作。协议栈的上半部分有两块，分别是负责收发

数据的 TCP 和 UDP 协议，这两个传输协议会接受应⽤层的委托执⾏收发数据的操作。

协议栈的下⾯⼀半是⽤ IP 协议控制⽹络包收发操作，在互联⽹上传数据时，数据会被切分成⼀块块的⽹络

包，⽽将⽹络包发送给对⽅的操作就是由 IP 负责的。

此外 IP 中还包括 ICMP 协议和 ARP 协议。

ICMP ⽤于告知⽹络包传送过程中产⽣的错误以及各种控制信息。
ARP ⽤于根据 IP 地址查询相应的以太⽹ MAC 地址。

IP 下⾯的⽹卡驱动程序负责控制⽹卡硬件，⽽最下⾯的⽹卡则负责完成实际的收发操作，也就是对⽹线中

的信号执⾏发送和接收操作。

12.介绍一下TCP报文头部

HTTP 是基于 TCP 协议传输的，所以在这我们先了解下 TCP 协议。

我们先看看 TCP 报⽂头部的格式

⾸先，源端⼝号和⽬标端⼝号是不可少的，如果没有这两个端⼝号，数据就不知道应该发给哪个应⽤。

接下来有包的序号，这个是为了解决包乱序的问题。

还有应该有的是确认号，⽬的是确认发出去对⽅是否有收到。如果没有收到就应该᯿新发送，直到送达，

这个是为了解决丢包的问题。

接下来还有⼀些状态位。例如 SYN 是发起⼀个连接， ACK 是回复， RST 是᯿新连接， FIN 是结束

连接等。TCP 是⾯向连接的，因⽽双⽅要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双⽅的状态

变更。

还有⼀个᯿要的就是窗⼝⼤⼩。TCP 要做流量控制，通信双⽅各声明⼀个窗⼝（缓存⼤⼩），标识⾃⼰当

前能够的处理能⼒，别发送的太快，撑死我，也别发的太慢，饿死我。

除了做流ᰁ控制以外，TCP还会做拥塞控制，对于真正的通路堵⻋不堵⻋，它⽆能为⼒，唯⼀能做的就是

控制⾃⼰，也即控制发送的速度。不能改变世界，就改变⾃⼰嘛。

13.三次握手是什么，目的是什么

TCP 传输数据之前，要先三次握⼿建⽴连接

在 HTTP 传输数据之前，⾸先需要 TCP 建⽴连接，TCP 连接的建⽴，通常称为三次握⼿。

这个所谓的「连接」，只是双⽅计算机⾥维护⼀个状态机，在连接建⽴的过程中，双⽅的状态变化时序图

就像这样。

⼀开始，客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端⼝，处于 LISTEN 状

态。

然后客户端主动发起连接 SYN ，之后处于 SYN-SENT 状态。
服务端收到发起的连接，返回 SYN ，并且 ACK 客户端的 SYN ，之后处于 SYN-RCVD 状态。
客户端收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后，发送对 SYN 确认的 ACK ，之后处于

ESTABLISHED 状态，因为它⼀发⼀收成功了。

服务端收到 ACK 的 ACK 之后，处于 ESTABLISHED 状态，因为它也⼀发⼀收了。

所以三次握⼿⽬的是保证双⽅都有发送和接收的能⼒。

14.如何查看 TCP 的连接状态？

TCP 的连接状态查看，在 Linux 可以通过 netstat -napt 命令查看。

15.TCP 为什么分割数据

如果 HTTP 请求消息⽐较⻓，超过了 MSS 的⻓度，这时 TCP 就需要把 HTTP 的数据拆解成⼀块块的数

据发送，⽽不是⼀次性发送所有数据。

MTU ：⼀个⽹络包的最⼤⻓度，以太⽹中⼀般为 1500 字节。
MSS ：除去 IP 和 TCP 头部之后，⼀个⽹络包所能容纳的 TCP 数据的最⼤⻓度。

数据会被以 MSS 的⻓度为单位进⾏拆分，拆分出来的每⼀块数据都会被放进单独的⽹络包中。也就是在

每个被拆分的数据加上 TCP 头信息，然后交给 IP 模块来发送数据。

16.TCP报文如何生成的

TCP 协议⾥⾯会有两个端⼝，⼀个是浏览器监听的端⼝（通常是随机⽣成的），⼀个是 Web 服务器监听

的端⼝（HTTP 默认端⼝号是 80 ， HTTPS 默认端⼝号是 443 ）。

在双⽅建⽴了连接后，TCP 报⽂中的数据部分就是存放 HTTP 头部 + 数据，组装好 TCP 报⽂之后，就需

交给下⾯的⽹络层处理。

⾄此，⽹络包的报⽂如下图。

17.介绍一下IP包头格式

TCP 模块在执⾏连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托 IP 模块将数据封装成⽹络包发送给通信对

象。

在 IP 协议⾥⾯需要有源地址 IP 和 ⽬标地址 IP：

源地址IP，即是客户端输出的 IP 地址；
⽬标地址，即通过 DNS 域名解析得到的 Web 服务器 IP。

因为 HTTP 是经过 TCP 传输的，所以在 IP 包头的协议号，要填写为 06 （⼗六进制），表示协议为

TCP。

18.假设客户端有多个⽹卡，就会有多个 IP 地址，那 IP 头部的源地址应该选择哪个 IP 呢？

当存在多个⽹卡时，在填写源地址 IP 时，就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块⽹卡

中判断应该使⽤哪个⼀块⽹卡来发送包。

这个时候就需要根据路由表规则，来判断哪⼀个⽹卡作为源地址 IP。

在 Linux 操作系统，我们可以使⽤ route -n 命令查看当前系统的路由表

举个例⼦，根据上⾯的路由表，我们假设 Web 服务器的⽬标地址是 192.168.10.200 。

⾸先先和第⼀条⽬的⼦⽹掩码（ Genmask ）进⾏ 与运算，得到结果为 192.168.10.0 ，但是第⼀个

条⽬的 Destination 是 192.168.3.0 ，两者不⼀致所以匹配失败。

再与第⼆条⽬的⼦⽹掩码进⾏ 与运算，得到的结果为 192.168.10.0 ，与第⼆条⽬的 Destination192.168.10.0 匹配成功，所以将使⽤ eth1 ⽹卡的 IP 地址作为 IP 包头的源地址。

那么假设 Web 服务器的⽬标地址是 10.100.20.100 ，那么依然依照上⾯的路由表规则判断，判断后的结

果是和第三条⽬匹配。

第三条⽬⽐较特殊，它⽬标地址和⼦⽹掩码都是 0.0.0.0 ，这表示默认⽹关，如果其他所有条⽬都⽆法匹

配，就会⾃动匹配这⼀⾏。并且后续就把包发给路由器， Gateway 即是路由器的 IP 地址。

19.IP报文如何生成的

⾄此，⽹络包的报⽂如下图

此时，加上了 IP 头部的数据包表示：“有 IP ⼤佬给我指路了，感谢 IP 层给我加上了 IP 包头，让我有了远程

定位的能⼒！不会害怕在浩瀚的互联⽹迷茫了！可是⽬的地好远啊，我下⼀站应该去哪呢？”

20.介绍一下MAC包头格式

MAC 头部是以太⽹使⽤的头部，它包含了接收⽅和发送⽅的 MAC 地址等信息。

在 MAC 包头⾥需要发送⽅ MAC 地址和接收⽅⽬标 MAC 地址，⽤于两点之间的传输。

⼀般在 TCP/IP 通信⾥，MAC 包头的协议类型只使⽤：

0800 ： IP 协议

0806 ： ARP 协议

21.MAC 发送⽅和接收⽅如何确认?

发送⽅的 MAC 地址获取就⽐较简单了，MAC 地址是在⽹卡⽣产时写⼊到 ROM ⾥的，只要将这个值读取

出来写⼊到 MAC 头部就可以了。

接收⽅的 MAC 地址就有点复杂了，只要告诉以太⽹对⽅的 MAC 的地址，以太⽹就会帮我们把包发送过

去，那么很显然这⾥应该填写对⽅的 MAC 地址。

所以先得搞清楚应该把包发给谁，这个只要查⼀下路由表就知道了。在路由表中找到相匹配的条⽬，然后

把包发给 Gateway 列中的 IP 地址就可以了。

此时就需要 ARP 协议帮我们找到路由器的 MAC 地址

ARP 协议会在以太⽹中以⼴播的形式，对以太⽹所有的设备喊出：“这个 IP 地址是谁的？请把你的 MAC

地址告诉我。然后就会有⼈回答：“这个 IP 地址是我的，我的 MAC 地址是 XXXX”。

如果对⽅和⾃⼰处于同⼀个⼦⽹中，那么通过上⾯的操作就可以得到对⽅的 MAC 地址。然后，我们将这

个 MAC 地址写⼊ MAC 头部，MAC 头部就完成了

在后续操作系统会把本次查询结果放到⼀块叫做 ARP 缓存的内存空间留着以后⽤，不过缓存的时间

就⼏分钟

也就是说，在发包时：

先查询 ARP 缓存，如果其中已经保存了对⽅的 MAC 地址，就不需要发送 ARP 查询，直接使⽤ ARP

缓存中的地址。

⽽当 ARP 缓存中不存在对⽅ MAC 地址时，则发送 ARP ⼴播查询

22.如何查看 ARP 缓存内容

在 Linux 系统中，我们可以使⽤ arp -a 命令来查看 ARP 缓存的内容

23.MAC报文如何生成的

此时，加上了 MAC 头部的数据包万分感谢，说道：“感谢 MAC ⼤佬，我知道我下⼀步要去哪了！我现在有

很多头部兄弟，相信我可以到达最终的⽬的地！”。

带着众多头部兄弟的数据包，终于准备要出⻔了。

24.网卡的作用是什么

⽹络包只是存放在内存中的⼀串⼆进制数字信息，没有办法直接发送给对⽅。因此，我们需要将数字信息

转换为电信号，才能在⽹线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程。

负责执⾏这⼀操作的是⽹卡，要控制⽹卡还需要靠⽹卡驱动程序。

⽹卡驱动获取⽹络包之后，会将其复制到⽹卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，

在末尾加上⽤于检测错误的帧校验序列

起始帧分界符是⼀个⽤来表示包起始位置的标记
末尾的 FCS （帧校验序列）⽤来检查包传输过程是否有损坏

最后⽹卡会将包转为电信号，通过⽹线发送出去。

唉，真是不容易，发⼀个包，真是历经千⾟万苦。致此，⼀个带有许多头部的数据终于踏上寻找⽬的地的征

途了

25.交换机的包接受操作是什么

⾸先，电信号到达⽹线接⼝，交换机⾥的模块进⾏接收，接下来交换机⾥的模块将电信号转换为数字信

号。

然后通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没问题则放到缓冲区。这部分操作基本和计算机的⽹卡相同，但

交换机的⼯作⽅式和⽹卡不同。

计算机的⽹卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收⽅ MAC 地址判断是不是发给⾃⼰的，如果

不是发给⾃⼰的则丢弃；相对地，交换机的端⼝不核对接收⽅ MAC 地址，⽽是直接接收所有的包并存放

**到缓冲区中。**因此，和⽹卡不同，交换机的端⼝不具有 MAC 地址。

将包存⼊缓冲区后，接下来需要查询⼀下这个包的接收⽅ MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。

交换机的 MAC 地址表主要包含两个信息：

⼀个是设备的 MAC 地址，
另⼀个是该设备连接在交换机的哪个端⼝上。

举个例⼦，如果收到的包的接收⽅ MAC 地址为 00-02-B3-1C-9C-F9 ，则与图中表中的第 3 ⾏匹配，根

据端⼝列的信息，可知这个地址位于 3 号端⼝上，然后就可以通过交换电路将包发送到相应的端⼝了。

所以，交换机根据 MAC 地址表查找 MAC 地址，然后将信号发送到相应的端⼝

26.当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址会怎么样？

地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包，或者这个

设备⼀段时间没有⼯作导致地址被从地址表中删除了。

这种情况下，交换机⽆法判断应该把包转发到哪个端⼝，只能将包转发到除了源端⼝之外的所有端⼝上，

⽆论该设备连接在哪个端⼝上都能收到这个包。

这样做不会产⽣什么问题，因为以太⽹的设计本来就是将包发送到整个⽹络的，然后只有相应的接收者才

接收包，⽽其他设备则会忽略这个包。

有⼈会说：“这样做会发送多余的包，会不会造成⽹络拥塞呢？”

其实完全不⽤过于担⼼，因为发送了包之后⽬标设备会作出响应，只要返回了响应包，交换机就可以将它

**的地址写⼊ MAC 地址表，**下次也就不需要把包发到所有端⼝了。

局域⽹中每秒可以传输上千个包，多出⼀两个包并⽆⼤碍。

此外，如果接收⽅ MAC 地址是⼀个⼴播地址，那么交换机会将包发送到除源端⼝之外的所有端⼝。

以下两个属于⼴播地址：

MAC 地址中的 FF:FF:FF:FF:FF:FF
IP 地址中的 255.255.255.255

27.路由器与交换机的区别是什么

⽹络包经过交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下⼀个路由器或⽬标设备。

这⼀步转发的⼯作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的⽬标。

不过在具体的操作过程上，路由器和交换机是有区别的。

因为路由器是基于 IP 设计的，俗称三层⽹络设备，路由器的各个端⼝都具有 MAC 地址和 IP 地址；

⽽交换机是基于以太⽹设计的，俗称⼆层⽹络设备，交换机的端⼝不具有 MAC 地址。

28.路由器基本原理是什么

路由器的端⼝具有 MAC 地址，因此它就能够成为以太⽹的发送⽅和接收⽅；同时还具有 IP 地址，从这个

意义上来说，它和计算机的⽹卡是⼀样的。

当转发包时，⾸先路由器端⼝会接收发给⾃⼰的以太⽹包，然后路由表查询转发⽬标，再由相应的端⼝作

为发送⽅将以太⽹包发送出去。

29.路由器的包接收操作是什么

⾸先，电信号到达⽹线接⼝部分，路由器中的模块会将电信号转成数字信号，然后通过包末尾的 FCS 进

⾏错误校验。

如果没问题则检查 MAC 头部中的接收⽅ MAC 地址，看看是不是发给⾃⼰的包，如果是就放到接收缓冲区

中，否则就丢弃这个包。

总的来说，路由器的端⼝都具有 MAC 地址，只接收与⾃身地址匹配的包，遇到不匹配的包则直接丢弃。

30.路由器如何查询路由表确定输出端口

完成包接收操作之后，路由器就会去掉包开头的 MAC 头部。

MAC 头部的作⽤就是将包送达路由器，其中的接收⽅ MAC 地址就是路由器端⼝的 MAC 地址。因此，当

包到达路由器之后，MAC 头部的任务就完成了，于是 MAC 头部就会被丢弃。

接下来，路由器会根据 MAC 头部后⽅的 IP 头部中的内容进⾏包的转发操作。

转发操作分为⼏个阶段，⾸先是查询路由表判断转发⽬标。

具体的⼯作流程根据上图，举个例⼦。假设地址为 10.10.1.101 的计算机要向地址为 192.168.1.100 的服务器发送⼀个包，这个包先到达图中

的路由器。

判断转发⽬标的第⼀步，就是根据包的接收⽅ IP 地址查询路由表中的⽬标地址栏，以找到相匹配的记录。

路由匹配和前⾯讲的⼀样，每个条⽬的⼦⽹掩码和 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后，得到的结果与对应

条⽬的⽬标地址进⾏匹配，如果匹配就会作为候选转发⽬标，如果不匹配就继续与下个条⽬进⾏路由匹

配。

如第⼆条⽬的⼦⽹掩码 255.255.255.0 与 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后，得到结果是 192.168.1.0

，这与第⼆条⽬的⽬标地址 192.168.1.0 匹配，该第⼆条⽬记录就会被作为转发⽬标。

实在找不到匹配路由时，就会选择默认路由，路由表中⼦⽹掩码为 0.0.0.0 的记录表示「默认路由」。

31.路由器的发送操作是什么

接下来就会进⼊包的发送操作。

⾸先，我们需要根据路由表的⽹关列判断对⽅的地址。

如果⽹关是⼀个 IP 地址，则这个IP 地址就是我们要转发到的⽬标地址，还未抵达终点，还需继续需

要路由器转发。

如果⽹关为空，则 IP 头部中的接收⽅ IP 地址就是要转发到的⽬标地址，也是就终于找到 IP 包头⾥的

⽬标地址了，说明已抵达终点。

知道对⽅的 IP 地址之后，接下来需要通过 ARP 协议根据 IP 地址查询 MAC 地址，并将查询的结果作为

接收⽅ MAC 地址。

路由器也有 ARP 缓存，因此⾸先会在 ARP 缓存中查询，如果找不到则发送 ARP 查询请求。

接下来是发送⽅ MAC 地址字段，这⾥填写输出端⼝的 MAC 地址。还有⼀个以太类型字段，填写 0800

（⼗六进制）表示 IP 协议。

⽹络包完成后，接下来会将其转换成电信号并通过端⼝发送出去。这⼀步的⼯作过程和计算机也是相同

的。

发送出去的⽹络包会通过交换机到达下⼀个路由器。由于接收⽅ MAC 地址就是下⼀个路由器的地址，所

以交换机会根据这⼀地址将包传输到下⼀个路由器。

接下来，下⼀个路由器会将包转发给再下⼀个路由器，经过层层转发之后，⽹络包就到达了最终的⽬的

地。

不知你发现了没有，在⽹络包传输的过程中，源 IP 和⽬标 IP 始终是不会变的，⼀直变化的是 MAC 地

址，因为需要 MAC 地址在以太⽹内进⾏两个设备之间的包传输。

Linux系统是如何收发网络包的

32.什么是七层OSI网络模型和四层TCP/IP网络模型

由于 OSI 模型实在太复杂，提出的也只是概念理论上的分层，并没有提供具体的实现⽅案。事实上，我们⽐较常⻅，也⽐较实⽤的是四层模型，即 TCP/IP ⽹络模型，Linux 系统正是按照这套⽹络模

型来实现⽹络协议栈的。

TCP/IP ⽹络模型共有 4 层，分别是应⽤层、传输层、⽹络层和⽹络接⼝层，每⼀层负责的职能如下：

应⽤层，负责向⽤户提供⼀组应⽤程序，⽐如 HTTP、DNS、FTP 等;
传输层，负责端到端的通信，⽐如 TCP、UDP 等；
⽹络层，负责⽹络包的封装、分⽚、路由、转发，⽐如 IP、ICMP 等；
⽹络接⼝层，负责⽹络包在物理⽹络中的传输，⽐如⽹络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测，以及通

过⽹卡传输⽹络帧等；

TCP/IP ⽹络模型相⽐ OSI ⽹络模型简化了不少，也更加易记，它们之间的关系如下图

不过，我们常说的七层和四层负载均衡，是⽤ OSI ⽹络模型来描述的，七层对应的是应⽤层，四层对应的是传输层

33.什么是Linux网络协议栈

我们可以把⾃⼰的身体⽐作应⽤层中的数据，打底⾐服⽐作传输层中的 TCP 头，外套⽐作⽹络层中 IP

头，帽⼦和鞋⼦分别⽐作⽹络接⼝层的帧头和帧尾。在冬天这个季节，当我们要从家⾥出去玩的时候，⾃然要先穿个打底⾐服，再套上保暖外套，最后穿上帽

⼦和鞋⼦才出⻔，这个过程就好像我们把 TCP 协议通信的⽹络包发出去的时候，会把应⽤层的数据按照⽹

络协议栈层层封装和处理。

其中：

传输层，给应⽤数据前⾯增加了 TCP 头；

⽹络层，给 TCP 数据包前⾯增加了 IP 头；

⽹络接⼝层，给 IP 数据包前后分别增加了帧头和帧尾；

这些新增的头部和尾部，都有各⾃的作⽤，也都是按照特定的协议格式填充，这每⼀层都增加了各⾃的协

议头，那⾃然⽹络包的⼤⼩就增⼤了，但物理链路并不能传输任意⼤⼩的数据包，所以在以太⽹中，规定

了最⼤传输单元（MTU）是 1500 字节，也就是规定了单次传输的最⼤ IP 包⼤⼩。

当⽹络包超过 MTU 的⼤⼩，就会在⽹络层分⽚，以确保分⽚后的 IP 包不会超过 MTU ⼤⼩，如果 MTU 越

⼩，需要的分包就越多，那么⽹络吞吐能⼒就越差，相反的，如果 MTU 越⼤，需要的分包就越少，那么

⽹络吞吐能⼒就越好。

知道了 TCP/IP ⽹络模型，以及⽹络包的封装原理后，那么 Linux ⽹络协议栈的样⼦，你想必猜到了⼤概，

它其实就类似于 TCP/IP 的四层结构：

从上图的的⽹络协议栈，你可以看到：

应⽤程序需要通过系统调⽤，来跟 Socket 层进⾏数据交互；

Socket 层的下⾯就是传输层、⽹络层和⽹络接⼝层；

最下⾯的⼀层，则是⽹卡驱动程序和硬件⽹卡设备；

34.Linux 接收⽹络包的流程是什么

⽹卡是计算机⾥的⼀个硬件，专⻔负责接收和发送⽹络包，当⽹卡接收到⼀个⽹络包后，会通过 DMA 技****术，将⽹络包写⼊到指定的内存地址，也就是写⼊到 Ring Buffer ，这个是⼀个环形缓冲区，接着就会告诉操作系统这个⽹络包已经到达。

那应该怎么告诉操作系统这个⽹络包已经到达了呢？

最简单的⼀种⽅式就是触发中断，也就是每当⽹卡收到⼀个⽹络包，就触发⼀个中断告诉操作系统。

但是，这存在⼀个问题，在⾼性能⽹络场景下，⽹络包的数ᰁ会⾮常多，那么就会触发⾮常多的中断，要

知道当 CPU 收到了中断，就会停下⼿⾥的事情，⽽去处理这些⽹络包，处理完毕后，才会回去继续其他事情，那么频繁地触发中断，则会导致 CPU ⼀直没完没了的处理中断，⽽导致其他任务可能⽆法继续前进，从⽽影响系统的整体效率。

所以为了解决频繁中断带来的性能开销，Linux 内核在 2.6 版本中引⼊了 NAPI 机制，它是混合「中断和轮询」的⽅式来接收⽹络包，它的核⼼概念就是不采⽤中断的⽅式读取数据，⽽是⾸先采⽤中断唤醒数据接收的服务程序，然后 poll 的⽅法来轮询数据。

因此，当有⽹络包到达时，会通过 DMA 技术，将⽹络包写⼊到指定的内存地址，接着⽹卡向 CPU 发起硬件中断，当 CPU 收到硬件中断请求后，根据中断表，调⽤已经注册的中断处理函数。

硬件中断处理函数会做如下的事情：

需要先「暂时屏蔽中断」，表示已经知道内存中有数据了，告诉⽹卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，不要再通知 CPU 了，这样可以提⾼效率，避免 CPU 不停的被中断。
接着，发起「软中断」，然后恢复刚才屏蔽的中断。

⾄此，硬件中断处理函数的⼯作就已经完成。

硬件中断处理函数做的事情很少，主要耗时的⼯作都交给软中断处理函数了。

内核中的 ksoftirqd 线程专⻔负责软中断的处理，当 ksoftirqd 内核线程收到软中断后，就会来轮询处理数据。

ksoftirqd 线程会从 Ring Buffer 中获取⼀个数据帧，⽤ sk_buff 表示，从⽽可以作为⼀个⽹络包交给⽹络协议栈进⾏逐层处理。

⾸先，会先进⼊到⽹络接⼝层，在这⼀层会检查报⽂的合法性，如果不合法则丢弃，合法则会找出该⽹络

包的上层协议的类型，⽐如是 IPv4，还是 IPv6，接着再去掉帧头和帧尾，然后交给⽹络层。

到了⽹络层，则取出 IP 包，判断⽹络包下⼀步的⾛向，⽐如是交给上层处理还是转发出去。当确认这个⽹络包要发送给本机后，就会从 IP 头⾥看看上⼀层协议的类型是 TCP 还是 UDP，接着去掉 IP 头，然后交给传输层。

传输层取出 TCP 头或 UDP 头，根据四元组「源 IP、源端⼝、⽬的 IP、⽬的端⼝」作为标识，找出对应的 Socket，并把数据放到 Socket 的接收缓冲区。

最后，应⽤层程序调⽤ Socket 接⼝，将内核的 Socket 接收缓冲区的数据「拷⻉」到应⽤层的缓冲区，然后唤醒⽤户进程。

⾄此，⼀个⽹络包的接收过程就已经结束了，你也可以从下图左边部分看到⽹络包接收的流程，右边部分刚好反过来，它是⽹络包发送的流程。

35.Linux发送网络包的流程是什么

如上图的右半部分，发送⽹络包的流程正好和接收流程相反。

⾸先，应⽤程序会调⽤ Socket 发送数据包的接⼝，由于这个是系统调⽤，所以会从⽤户态陷⼊到内核态中

的 Socket 层，内核会申请⼀个内核态的 sk_buff 内存，将⽤户待发送的数据拷⻉到 sk_buff 内存，并将其****加⼊到发送缓冲区。

接下来，⽹络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出 sk_buff，并按照 TCP/IP 协议栈从上到下逐层处理。

如果使⽤的是 TCP 传输协议发送数据，那么先拷⻉⼀个新的 sk_buff 副本，这是因为 sk_buff 后续在调⽤

⽹络层，最后到达⽹卡发送完成的时候，这个 sk_buff 会被释放掉。⽽ TCP 协议是⽀持丢失᯿传的，在收

到对⽅的 ACK 之前，这个 sk_buff 不能被删除。所以内核的做法就是每次调⽤⽹卡发送的时候，实际上传递出去的是 sk_buff 的⼀个拷⻉，等收到 ACK 再真正删除。

接着，对 sk_buff 填充 TCP 头。这⾥提⼀下，sk_buff 可以表示各个层的数据包，在应⽤层数据包叫data，在 TCP 层我们称为 segment，在 IP 层我们叫 packet，在数据链路层称为 frame。

你可能会好奇，为什么全部数据包只⽤⼀个结构体来描述呢？协议栈采⽤的是分层结构，上层向下层传递

数据时需要增加包头，下层向上层数据时⼜需要去掉包头，如果每⼀层都⽤⼀个结构体，那在层之间传递

数据的时候，就要发⽣多次拷⻉，这将⼤⼤降低 CPU 效率。

于是，为了在层级之间传递数据时，不发⽣拷⻉，只⽤ sk_buff ⼀个结构体来描述所有的⽹络包，那它是如何做到的呢？是通过调整 sk_buff 中 data 的指针，⽐如

当接收报⽂时，从⽹卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据报，通过增加 skb->data 的值，来逐

步剥离协议⾸部。

当要发送报⽂时，创建 sk_buff 结构体，数据缓存区的头部预留⾜够的空间，⽤来填充各层⾸部，在

经过各下层协议时，通过减少 skb->data 的值来增加协议⾸部。

⾄此，传输层的⼯作也就都完成了。

然后交给⽹络层，在⽹络层⾥会做这些⼯作：选取路由（确认下⼀跳的 IP）、填充 IP 头、netfilter 过滤、

对超过 MTU ⼤⼩的数据包进⾏分⽚。处理完这些⼯作后会交给⽹络接⼝层处理。

⽹络接⼝层会通过 ARP 协议获得下⼀跳的 MAC 地址，然后对 sk_buff 填充帧头和帧尾，接着将 sk_buff

放到⽹卡的发送队列中。

这⼀些⼯作准备好后，会触发「软中断」告诉⽹卡驱动程序，这⾥有新的⽹络包需要发送，驱动程序会从

发送队列中读取 sk_buff，将这个 sk_buff 挂到 RingBuffer 中，接着将 sk_buff 数据映射到⽹卡可访问的内

存 DMA 区域，最后触发真实的发送。

当数据发送完成以后，其实⼯作并没有结束，因为内存还没有清理。当发送完成的时候，⽹卡设备会触发

⼀个硬中断来释放内存，主要是释放 sk_buff 内存和清理 RingBuffer 内存。

最后，当收到这个 TCP 报⽂的 ACK 应答时，传输层就会释放原始的 sk_buff 。

36.发送⽹络数据的时候，涉及⼏次内存拷⻉操作？

第⼀次，调⽤发送数据的系统调⽤的时候，内核会申请⼀个内核态的 sk_buff 内存，将⽤户待发送的数据

拷⻉到 sk_buff 内存，并将其加⼊到发送缓冲区。

第⼆次，在使⽤ TCP 传输协议的情况下，从传输层进⼊⽹络层的时候，每⼀个 sk_buff 都会被克隆⼀个新

的副本出来。副本 sk_buff 会被送往⽹络层，等它发送完的时候就会释放掉，然后原始的 sk_buff 还保留在

传输层，⽬的是为了实现 TCP 的可靠传输，等收到这个数据包的 ACK 时，才会释放原始的 sk_buff 。

第三次，当 IP 层发现 sk_buff ⼤于 MTU 时才需要进⾏。会再申请额外的 sk_buff，并将原来的 sk_buff 拷

⻉为多个⼩的 sk_buff。