网络基础
学习。

两台设备怎样把一份内容传给对方？先认识设备、链路和通信规则，再区分地址与收发方式；遇到术语就在这里解释。

「分层」是网络里被说得最多、也最含糊的词。这一章用一个你熟悉的场景说明为什么必须分层，以及分了层之后到底解决了什么问题、又付出了什么代价。

「封装」是网络里最核心的机制 —— 数据每往下走一层，就被套上一层「信封」。这一章用一个能亲手做的实验，量出信封到底有多厚，而不是只给你一个比喻。

同一份数据，在传输层叫「段」、网络层叫「包」、链路层叫「帧」、物理层叫「比特」。搞不清这四个名字，看抓包结果时就会一片混乱。本章还要讲清两件相关的事：MTU 是什么、包太大了会怎样。

点网页要等很久、下载速度低、视频时断时续，可能是不同的问题。先把描述这些现象的概念分开，再学习如何计算和观察。

你点击一个网页，究竟是谁在和谁说话？先理解网络应用的参与者、入口和需求，再进入HTTP、DNS等具体协议。

上一章认识了客户端、服务器与网络服务。现在先假设浏览器已知道服务器地址，看看“请求首页”和“返回页面”这段对话怎样表达。这就是HTTP要规定的消息语义；传输细节在后续模块学习。

你会设 DNS，但不知道你设的 DNS 有没有真的被用上。

一台使用自动配置的IPv4电脑接入网络后，地址、子网掩码以及可能需要的网关、DNS怎样获得？先认识DHCP与链路本地地址，后续《IP地址与子网划分》再系统展开地址和子网的关系。

HTTP 的内容是明文的 —— 能观察或控制传输路径的人可能读取明文；仅同一Wi-Fi并不自动具备捕获所有流量的能力。HTTPS 在 HTTP 和 TCP 之间插了一层 TLS 来解决这件事。本章讲清 TLS 到底提供了什么保证，以及为什么它能防住中间人。

HTTP/1.1可复用持久连接，但同连接响应排序和并发连接限制会影响多资源加载。HTTP/2 号称用"一条连接"解决，HTTP/3 更进一步换掉了传输层。本章用一个需要明确控制客户端配置的实验来证明多路复用，并且会诚实记录一次失败的实验。

你的流量不一定直达目的地 —— 中间可能有个"代理"替你去取。本章会实测本机的代理配置，并且会发现一件很值得注意的事：同一个系统里有三套代理配置，而且它们可以不同，分别作用于不同API和应用。

一封邮件从发件人到收件人经过哪些服务？先区分提交、服务器之间转送和收件人访问，再看SMTP与邮件访问协议分别做什么。

一个文件如果要给一百万人下载，服务器怎么扛得住？答案有两条完全不同的路 —— 让用户互相传（P2P），或者把内容提前搬到离用户近的地方（CDN）。这一章讲清这两种思路，以及它们在什么场景下各自更合适。

浏览器和服务器怎样使用操作系统提供的网络服务？这一章从一对收发文字的程序出发，区分应用接口、套接字对象和网络协议。

IP 地址只能把数据送到设备，但设备上同时跑着几十个程序 —— 谁来决定这份数据该交给哪个程序？答案是端口。本章还会讲清 UDP 这个"不要连接"的传输层协议，以及一个惊人的实测数字：本机收到过 412 万个"没人要"的 UDP 数据报。

如果数据会损坏、丢失或重复，怎样让接收方按顺序交付一次？先推导需要的机制，后面的章节再学习TCP具体怎样实现。

你知道「三次握手、四次挥手」，但说不出为什么是 3 和 4，也分不清 TIME_WAIT 和 CLOSE_WAIT 哪个是故障。

IP 协议什么都不保证 —— 可能丢、可能乱序、可能重复。那么 TCP 凭什么说自己"可靠"？本章讲序号、确认、超时重传这三件事，并且用本机的真实统计算出你机器上的重传率。

如果 TCP 每发一个段都要等对方确认，那么不管带宽多大，实际速度都会被"等待时间"锁死。本章讲 TCP 怎么用滑动窗口解决这个问题，以及"流量控制"到底在控制什么。

上一章的流量控制是"别压垮接收方"。但还有另一个问题：别压垮中间的网络。如果所有人都猛发，路由器队列会溢出、丢包加剧，最后所有人都变慢。本章讲 TCP 怎么在不能直接看到全路径容量，但可利用ECN等反馈的情况下，自己估算出该发多快。

前面把 TCP 的机制一个个拆开了，但还有两个问题没回答：当很多条 TCP 连接挤在同一条链路上时会怎样（公平性），以及为什么给传输层加新功能这么难（演化）。后一个问题尤其现实 —— 本机就有好几处"标准早就定了、但实际用不上"的例子。

TCP 除了"可靠"和"别发太快"，还面对三个"什么时候发"的选择：有数据就立刻发，还是攒一攒？收到数据立刻回确认，还是等一等？空闲的连接怎么知道对方还活着？ 这三个问题各有机制，而且其中两个撞在一起会引发一个经典性能陷阱。

IP 头里那个 TTL 字段，初学者通常只记住"它是跳数"。但它其实是个更好用的东西 —— 它能让你反推出对端是什么系统、路上走了多少跳。本章结合历史ping记录说明这些判断需要哪些假设；TTL不能单独验证操作系统或真实地理位置。

你会看 IP 地址，但说不清后面那个 /24 或 255.255.255.0 到底在干什么。

你家里的手机、电脑、电视、扫地机器人都有自己的 IP 地址，但运营商只给了你一个公网 IP。它们是怎么同时上网的？这就是 NAT。本章还会讲清一个常见的错误认知：NAT 不是安全机制。

IPv4 地址不够用这件事，最终的解决方案是 IPv6。但 IPv6 不只是"地址变长了"—— 它顺手改掉了一批延续几十年的设计（广播被取消、ARP 被替换、路由器不再分片）。本章会实测本机的 IPv6 现状。

一个包进入路由器后，怎样找到出口、移到出口并等待发送？先理解设备中的几个环节，再讨论实现方法和排队。

路由器、防火墙与NAT的一些动作怎样用同一抽象描述？控制规则怎样形成，中间功能又怎样影响观测？先讲分工，再比较架构。

你见过 route print 那一大坨输出，但看不出头绪。而你的机器上有两条默认路由，凭什么其中一条赢？

《网络层》模块讲了"路由表怎么查"（最长前缀匹配），但没讲"表里的内容是谁写进去的"。你的机器上只有 36 条路由，而互联网存在大量地址前缀 —— 那些路由是怎么来的？

ping 和 tracert 是最常用的两个网络命令，但很多人不知道它们靠的是同一个协议 —— ICMP。本章会拆开它们的原理，并且给出一个反面案例：本机的 tracert 结果是坏的，而且坏得很有教育意义。

设备一多，"登进每一台看状态"就不现实了。网络管理要解决的就是这件事：怎么统一地采集状态、下发配置、接收告警。 教材里的答案是 SNMP —— 但本章会实测到一个有意思的情况：这台机器上根本没有 SNMP 代理，却有一套别的管理接口在起作用。

「帧」是数据在链路层的容器。这一章把以太网帧拆到字段级别，讲清每个字段是干什么的，以及一个初学者最容易卡住的问题 —— 为什么以太网帧有个最小长度。

MAC 地址是"设备身份"，但它到底是哪来的、为什么有时会变、为什么一台机器上会有好几个？这一章把 48 位拆开看，并且用本机抓到的真实 MAC 逐条验证。

交换机插上就能用，没人配置过它，它怎么知道该把数据从哪个口发出去？答案是它自己学了。本章讲清这个"自我学习"的机制，以及冲突域、广播域这两个常被混淆的概念。

你要发一个包给 192.168.31.1，可是帧头里只能填 MAC 地址。你手上只有 IP 地址 —— 这个"翻译"是谁做的？这就是 ARP。本章会在你自己的机器上，抓到 ARP 缓存的五种状态，包括一次失败解析和一次探测的瞬间。

上一章说交换机不隔离广播域。那如果一栋楼里 500 台设备接在一堆交换机上，一个 ARP 广播就要打扰 500 台设备，怎么办？VLAN 就是答案。

上一章讲到二层帧没有 TTL，连成环就会广播风暴。可现实中又需要冗余链路（一根线断了还能通）—— 要冗余就必然成环。这个矛盾怎么解？靠生成树协议（STP）。

一个比特被噪声翻转，接收方怎样发现？发现之后是丢弃、重传还是直接纠正？如果是攻击者修改数据，这些方法还够吗？

链路层有个和网络层完全不同的难题 —— 多台设备共享同一条线路时，谁能在什么时候发？ 没有规则就是一团乱撞。这一章讲三类解决思路，并用模拟复现两个经典的效率上限。

前面学习了应用、运输、网络与链路的主要机制，现在用一次网页请求串起它们。无线与安全的深入机制还在后续模块；本章先明确场景和已有配置，再看各层怎样协作。

网线插上就通，Wi-Fi 却经常"信号满格但很慢"。本章讲清无线和有线在物理层面的根本差异，并且逐项解读本机 Wi-Fi 的真实连接参数。

共享无线信道上怎样协调发送？为什么一个无线数据帧可能要区分这一跳的收发方与原始源、目的？从电脑通过AP发包的例子展开。

设备从一个接入点移到另一个接入点时，网络怎样找到它、怎样维持已有通信？分别看Wi-Fi漫游与蜂窝移动性，避免把“无线”误当成“天然不中断”。

前面七个模块讲的都是"怎么把数据送到"。但从头到尾有一个前提没被检验过：送到的东西，别人能不能看、能不能改、对方到底是不是它声称的那个人？ 这是网络安全要回答的三个问题，而且它们需要不同的工具。

接收方怎样知道内容是否被替换、消息是否来自可信持钥者？先区分普通散列、消息认证码和数字签名，再讨论实现与公钥信任。

上一章解决了"数据没被改"。但还有一个更基本的问题：你怎么知道对面真的是它声称的那个人？ 这一章讲鉴别（authentication），以及把这些技术用起来的一个真实场景 —— 电子邮件。

前面学习的加密、消息认证、签名和证书，怎样在HTTPS连接中协同工作？本章先画清一次TLS 1.3握手，再区分普通握手、恢复和0-RTT。

前面的 TLS 工作在应用层和传输层之间，它保护的是"一个应用的连接"。但如果要让整台机器的所有流量都安全地穿过一个不可信的网络呢？答案是在网络层做保护 —— 这就是 IPsec，也是 VPN 的技术基础。

前面讲的都是"怎么保护一次通信"。但如果要保护一台机器或一个网络呢？这一章讲两种基本的防护手段 —— 防火墙（决定"让不让过"）和入侵检测（决定"有没有人在干坏事"），并且会实测本机的配置，其中有一个发现值得单独说。

前面学习了协议与模型，抓包帮助观察某个位置实际看到了什么。捕获位置、权限和驱动会影响可见范围，本章比较三条路径及其限制。

前面学习了协议原理与观察限制，现在用分层方法逐步缩小故障范围。每次检查都明确能证明什么，再决定下一步；不能承诺所有问题都能在几分钟内定位。

原理懂了，但具体数字记不住 —— /20 的掩码是多少？Windows 的默认 TTL 是几？TCP 有哪些状态？这一章只放查得到的硬数据，不重复讲原理，每个主题都标了去哪个模块看细节。

网络里缩写太多，而且同一个词在不同语境下意思不同（比如"段"既指 TCP 段，也指"网段"）。这份表按主题分组，每条给一句话解释和它出现在哪一章，方便回头查。