news 2026/7/24 21:18:15

系统架构师(计算机网络)

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张小明

前端开发工程师

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系统架构师(计算机网络)

1. 奈奎斯特定律

奈奎斯特定律:

(1)理想低通、无噪声信道下,仅由信道带宽决定最大码元传输速率(最高码元速率)(波特率),和信噪比无关。

Rmax​=2W (单位:波特 Baud)

其中,W为信道宽度,单位 Hz

(2)若码元携带 M 种离散电平(进制数),最大数据传输速率(比特率)

C=2×W×log₂(M)(单位:bps(bit/s))

其中,W为信道宽度,单位 Hz;M为进制数/信号可区分的离散电平数;

log₂(M)表示单个码元所能携带的比特数;

2. 香农定律

有高斯白噪声的实际信道,给出信道理论极限信息传输速率(信道容量),是物理上限,无法突破。

C=Wlog₂(1+S/N​)

其中,W为信道宽度,单位 Hz;S/N:信噪比(信号功率 / 噪声功率)

工程常用分贝SNR(dB)=10lg(S/N)

3. 子网划分和主机地址计算

IPv4网络中,子网掩码用于划分IP地址的网络位与主机位。

计算规则:先将点分十进制的子网掩码转换为二进制,数出末尾连续0的个数作为主机位位数n。子网总IP地址数:2的n次方。由于全0的网络地址和全1的广播地址无法分配给主机,常规场景下可用主机地址数为2的n次方减2。特殊场景:如点对点链路使用/31掩码(对应255.255.255.254)时,无需减去这两个地址,可直接使用全部2个地址。

例子:255.255.255.248的可用主机地址数

248转成二进制:11111000,末尾3个0,子网总IP地址数=2的3次方=8,减去网络地址(全0)和广播地址(全1)=8-2=6;所以255.255.255.248的可用主机地址为6

常用快记:254->2;252->2;248->6;240->14;224->30

4. IEEE 802.11b

工作在 2.4GHz 频段,典型速率包括 1Mbps、2Mbps、5.5Mbps 和 11Mbps。

无线局域网标准常按频段和速率区分:802.11b 使用 2.4GHz,最高 11Mbps;802.11a 常在 5GHz,最高 54Mbps;802.11g 使用 2.4GHz,最高 54Mbps

5. SSL

SSL/TLS 位于传输层之上、应用层协议之下,可为 HTTP、SMTP 等应用层协议提供认证、加密和完整性保护。它并不是只用于服务器之间通信,也不能说与应用层无关。SSL/TLS 常见混淆点在分层位置和使用场景:它不是独立应用协议,也不是只服务服务器之间通信,而是在传输层连接之上为应用协议提供安全通道。SSL/TLS 的作用是为应用层协议建立安全通道,典型安全服务包括服务器认证、可选客户端认证、会话密钥协商、加密传输和消息完整性校验。HTTPS 是 HTTP over TLS 的典型应用;它不替代 IP 层安全,也不是只在服务器之间使用

6. DNS

6.1 查DNS的方式:

迭代式:我回答不了,我替客户端去查,直到查到结果,把结果返回给客户端

递归式:我回答不了,我搞客户端谁有可能知道,让客户端自己去查

6.2 正向解析和反向解析:

DNS解析包含正向解析与反向解析两种核心类型,正向解析依赖A记录实现域名到IP地址的映射,反向解析则依赖PTR记录完成IP地址到域名的逆向映射,二者为独立的解析逻辑,正向解析正常不代表反向解析必然可用。当出现能通过域名查询到对应IP地址,但无法通过IP地址反查域名的情况,根源多为目标主机未配置对应的PTR记录,此时清理、刷新DNS缓存或重启DNS服务这类操作仅能作用于缓存数据或服务进程,无法填补记录缺失的问题,必须手动创建对应PTR记录才能解决。

7. DHCP

DHCP是用于为网络设备动态分配IP地址的协议,在地址分配的交互流程中存在多种功能各异的报文。当DHCP客户端收到服务器发送的DhcpAck报文确认IP分配后,会对该IP进行冲突检测,若检测到该IP已被其他设备占用,客户端会向服务器发送DhcpDecline报文,明确拒绝使用该已被占用的IP,请求服务器重新分配可用地址。

  • DhcpOffer是服务器向客户端推送的可用IP地址“报价”报文,
  • DhcpAck是服务器确认IP分配成功的应答报文,
  • DhcpNack则是服务器主动拒绝客户端地址请求或告知客户端IP租约已失效的报文。

在园区网等网络环境中可部署多台DHCP服务器,以此实现服务冗余与负载分担,但需注意确保各服务器的地址池范围无重叠冲突,避免出现IP分配混乱的问题。

DHCP客户端无需手动指定服务器地址,默认会通过广播DHCP Discover报文来自动探测网络中的可用DHCP服务器,IP地址等配置参数由服务器统一分配,并非客户端自行选择本网段内的IP。

另外,多数操作系统或网络设备中的DHCP服务默认处于未启用状态,需管理人员手动开启并完成相关配置后,才能为客户端提供服务。

8. 网络体系结构模型

OSI七层模型、TCP/IP四层模型、五层模型:

OSI数据类型基本功能设备常见协议
应用层报文提供网络服务接口计算机或终端设备

HTTP、FTP、TELNET

-----------

ASCII、JPEG

-----------

RPC

-----------

TCP(面向连接)、UDP(面向报文)

表示层数据加密、解密、压缩、格式转换
会话层建立、管理、终止进程间的通话
运输层TCP、UDP报文第一个端到端传输的层次,提供应用进程间的逻辑通信,差错检测、拥塞控制
网络层

数据报

(数据报分组交换是失序的)

对子网间数据报进行路由选择和IP寻址,不提供校验、允许乱序路由器、防火墙IP、ARP、ICMP报文(ping)、RIP、OSPF、BGP
数据链路层

数据帧

(以太网中帧的最小长度为64)

在不可靠的介质中提供可靠传输,流量控制、差错控制、帧同步网桥、交换机

MAC、PPP(两个均在数据链路层)

PPP:五个1后补0

物理层比特对数据传输线路信道进行定义中继器、集线器

基于TCP的应用层协议有:HTTP、FTP、SMTP(基于ASCII)、TELNET、SSH、POP

基于UDP的应用层协议:DNS、TFTP(简单文件传输协议)、SNMP:简单网络管理协议

路由协议:

1.RIP:基于距离向量、一条路径只能包含15个路由器、基于UDP

2.OSPF:使用了地杰斯特拉提出的最短路径算法、直接使用IP数据报传送

3.BGP:基于TCP

数据报,如果有错,会将其丢弃,都是不可靠的,包括IP数据报

9. 层次化局域网模型(Hierarchical LAN Model)

层次化局域网模型将局域网的设计分为多个层次,通常,这些层次包括 接入层(Access Layer)、汇聚层(Distribution Layer) 和 核心层(Core Layer)。

接入层:是终端设备与网络之间的连接层,它主要负责将用户终端设备(如计算机、打印机、电话等)与网络连接。

功能:

  • 设备接入:通过交换机连接终端设备和网络。
  • 带宽控制:限制终端用户的带宽使用,确保公平共享网络资源。
  • 用户认证与安全:通过访问控制列表(ACL)、端口安全、802.1X认证等手段确保接入安全。
  • 设备隔离:根据需求将不同设备进行隔离(如VLAN划分),减少广播风暴的影响。

汇聚层:主要负责对接入层进行数据流量的汇聚、转发、过滤,并执行一些较复杂的策略,如路由、访问控制等。它通常由高性能的交换机和路由器组成,连接着接入层和核心层。

功能:

  • 路由与交换:处理来自接入层的流量,并根据需要进行跨VLAN路由。
  • 策略实施:根据策略如访问控制列表(ACL)、质量服务(QoS)等进行流量管理。
  • 负载均衡:通过冗余路径、负载均衡等技术提高网络的可靠性。
  • 冗余与高可用性:确保网络出现故障时仍能继续运行,采用如STP(生成树协议)等冗余设计。

核心层:是网络中的骨干层,通常连接了多个汇聚层。其主要职责是快速、高效地转发大规模流量。核心层设计的重点是高速传输和最低延迟。

功能:

  • 高速数据转发:处理从汇聚层到外部网络的数据流,并保证高速的转发能力。
  • 冗余与容错:通过双活设计(如双核心路由器)确保网络的可靠性。
  • 连接广域网(WAN):核心层通常是局域网与广域网(如互联网、VPN)之间的连接点。

10. PDS/SCS-建筑物综合布线系统/结构化布线系统

1. 工作区子系统 (Work Area Subsystem)

  • 位置: 用户工作区域(如办公室隔间、会议室、前台、教室等)。
  • 功能: 将用户终端设备(电话、电脑、打印机、IP摄像头等)连接到水平布线子系统。
  • 主要组件:信息插座/模块(通常是RJ45接口)。用户设备连接线(跳线),如电话跳线、数据跳线(Cat5e, Cat6, Cat6A, Cat7等)。适配器(如果需要转换接口类型)。工作区面板/表面安装盒(用于固定信息插座)。
  • 关键点: 是用户直接接触的部分,灵活性要求高,便于设备移动和变更。

2. 水平布线子系统 (Horizontal Cabling Subsystem)

  • 位置: 从楼层配线间(管理子系统)延伸到工作区的信息插座。
  • 功能: 提供楼层配线间到工作区信息插座之间的连接。这是布线系统中覆盖范围最广的部分。
  • 主要组件:水平线缆(最常用的是4对非屏蔽双绞线 UTP - Cat5e, Cat6, Cat6A, Cat7;也可使用多模光纤MMF,特别是在高带宽或抗干扰要求高的场景)。信息插座(在工作区端)。配线架(在楼层配线间端)。楼层配线间到信息插座之间的线缆通道(如线槽、线管、架空地板、吊顶等)。
  • 关键点:线缆长度有严格限制(通常标准规定最大90米,加上两端跳线各5米,总链路不超过100米)。通常采用星型拓扑结构(每个信息插座独立一根线缆回配线间)。线缆类型和等级决定了该子系统支持的最大带宽和传输速率。

3. 设备间子系统 (Equipment Room Subsystem)

  • 位置: 建筑物内集中放置主要通信设备和主配线架(MDF - Main Distribution Frame)的专用房间。通常位于建筑的低层或核心位置。
  • 功能: 容纳进出建筑物的主干线缆的终接设备(主配线架),以及放置服务于整栋楼的公用核心网络设备(如核心交换机、服务器、PBX电话交换机、网络存储、路由器、防火墙等)。
  • 主要组件:主配线架(MDF)。核心网络设备(交换机、路由器、服务器等)。语音设备(PBX)。进线设施(来自电信运营商或建筑群子系统的线缆终接点)。不间断电源(UPS)、空调、消防、接地系统等机房基础设施。
  • 关键点: 是整个建筑物信息系统的“心脏”,对安全性、供电、制冷、物理访问控制要求极高

4. 垂直干线子系统 (Backbone Cabling Subsystem / Riser Subsystem)

  • 位置: 连接设备间子系统(主配线间)与各楼层的管理子系统(楼层配线间/电信间)之间的部分。通常沿竖井(弱电井)垂直敷设。
  • 功能: 提供设备间与各楼层配线间之间的高速主干连接,承载跨楼层的汇总流量。
  • 主要组件:主干线缆(大对数UTP电缆、多模光纤MMF、单模光纤SMF)。现代系统主要使用光纤(尤其是单模) 作为主干,因其带宽高、距离远、抗干扰性强。主干配线架(在设备间和各楼层配线间)。竖井内的线缆支撑结构(梯架、桥架等)。
  • 关键点:线缆类型和数量需要根据当前需求并预留未来扩展能力来规划。需要满足防火规范(如阻燃、低烟无卤等级要求),特别是穿越竖井的部分。长度限制比水平子系统宽松,但也要遵循标准(如光纤最长可达2000米甚至更远,具体看标准和应用)。

5. 管理子系统 (Administration Subsystem / Telecommunications Room / Enclosure)

  • 位置: 每层楼设置的配线间(电信间),通常位于楼层的中心或便于布线的地方。
  • 功能:连接水平布线子系统和垂直干线子系统。提供配线架、跳线进行灵活的线路管理和跳接。放置服务于该楼层的网络设备(如接入层交换机)。
  • 主要组件:配线架(水平配线架、垂直主干配线架)。跳线(用于连接配线架端口之间,或配线架端口到网络设备端口)。网络设备(楼层交换机、集线器等)。理线器、标签系统(实现清晰管理和维护)。机柜/机架。
  • 关键点: 是实施灵活管理和变更的核心区域,清晰的标签和文档至关重要。

6. 建筑群子系统 (Campus Backbone Subsystem)

  • 位置: 连接多栋建筑物(园区内)的设备间子系统。
  • 功能: 提供建筑群内各建筑物之间的高速主干连接。
  • 主要组件:建筑群主干线缆(几乎全部使用室外单模光纤SMF,因其传输距离最长、带宽最高、抗雷击和电磁干扰能力强)。光缆连接硬件(在每栋建筑的设备间)。地下管道、电缆沟、架空线杆等室外敷设设施。防雷击保护装置。
  • 关键点:必须考虑室外环境因素(防水、防潮、防鼠咬、防紫外线、温度变化)。敷设方式(直埋、管道、架空)需根据园区规划和成本选择。长度可能很长,单模光纤是唯一可靠的选择。接地和防雷是重中之重。

11. Web页面访问流程

浏览器访问Web页面遵循从底层到应用层的前置准备逻辑,核心流程节点及相关拓展知识如下:

  1. 域名解析是首个环节,会优先查询浏览器、操作系统等本地DNS缓存获取域名对应IP,若缓存未命中,将向DNS服务器发起递归或迭代请求完成域名到IP的映射;
  2. 接着进入网络链路寻址阶段,若目标主机处于跨网段环境,需通过ARP协议发送广播报文获取网关MAC地址,同一网段则直接获取目标主机MAC地址,ARP自身也存在缓存机制可避免重复广播
  3. 随后完成TCP三次握手建立可靠传输连接,这一步是为上层HTTP协议提供稳定通信基础;所有底层网络准备工作全部就绪后,才会触发应用层的HTTP请求报文发送。
  4. 需明确,HTTP作为依赖下层协议的应用层协议,域名解析、ARP寻址、TCP连接建立都是其发送前的必要前置操作,绝不可能在发送HTTP请求前执行该请求本身。

12.Kerberos认证

Kerberos是一种基于对称密钥加密的网络身份认证协议,主要用于开放、不安全的网络环境中为用户提供安全的身份验证服务,同时支持单点登录功能。

它的核心依赖组件是密钥分发中心KDC,该中心包含认证服务器AS和票据授予服务器TGS两部分,用户之间要实现相互访问,需向KDC申请并获取对应票据,而非向公钥基础设施中的CA证书颁发机构申请,二者分属不同的安全体系。

KDC会存储经过加密保护的所有用户账户信息及密码,避免明文存储带来的风险。

在安全防护方面,Kerberos除了采用时间戳,还会结合请求序列号等机制防范重放攻击,进一步提升认证流程的安全性。

13. 以太网交换机转发表

以太网交换机的MAC地址表也就是转发表,初始状态下为空。

交换机通过接收数据帧中的源MAC地址,记录该地址与对应接收端口的映射关系,以此动态学习生成并维护表项。在转发数据帧时,若查询到匹配的目的MAC地址表项,会从对应端口转发;若无匹配表项,则采用洪泛方式,将帧转发至除接收端口外的所有端口

此外,MAC地址表并非静态增长,而是具备老化机制,长期无交互的表项会被自动删除,且交换机重启后,整个地址表会被清空。

14. SDN 软件定义网络结构

软件定义网络(SDN)以控制与转发分离为核心架构理念,其标准架构包含三个核心层次:

控制层是架构核心,由SDN控制器组成,负责网络流量控制、流表管理与决策,统筹收集网络状态并下发控制指令;

转发层即数据平面,由交换机、路由器等网络设备构成,主要依据控制器指令完成数据包转发;

应用层是各类网络应用程序所在层级,可通过控制器与网络交互,实现流量优化、安全管理、流量监控等功能。

15. RAID5 容量计算

RAID5冗余磁盘阵列需至少3块硬盘搭建,校验信息分布式存储于所有成员盘内,总校验占用空间等同于1块硬盘的容量。

其可用容量计算规则为:若所有硬盘容量一致,可用容量=(硬盘总数-1)×单盘容量;若硬盘容量存在差异,将统一以最小容量的硬盘为基准计算,可用容量=(硬盘总数-1)×最小单盘容量。

此外,RAID5可容忍单块硬盘故障,兼具数据冗余安全性与较高的存储空间利用率,读写性能表现均衡,适合既关注数据安全又看重存储效率的业务场景。

16. 电子邮箱协议/常用端口号

电子邮件传输依赖多种专用网络协议,其中SMTP是负责邮件发送的核心协议,客户端需通过与SMTP服务器建立TCP连接完成邮件投递,该协议默认使用TCP 25端口。

邮件接收环节常用两种协议,POP3默认采用TCP 110端口,主要用于将服务器邮件下载到本地设备管理;IMAP默认使用TCP 143端口,支持用户直接在线管理服务器端的邮件。

此外还需区分其他常见网络协议端口,比如Telnet服务默认用23端口,HTTP超文本传输协议默认用80端口,避免与邮件协议端口混淆。

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