计算机网络及 SSH

《计算机网络》是计算机专业的一门专业课，通常从协议原理、报文格式讲到性能分析。但我们在四足机器人的开发中发现，它的实用价值非常高：调试机器人要 SSH 登录、给开发板传代码、查 IP、判断”连不上”到底是网线、地址还是服务的问题，几乎每天都会用到这些知识。而且不止 SSH——ROS 2 的底层本身就是网络通信（运行在 DDS 之上），一条机器狗往往搭载主控板、树莓派、UP board 等多个联网设备，无论是它们之间的 DDS 通信，还是自己编写的 TCP/UDP 通信，都需要计算机网络基础才能真正玩转。

今年我们也计划借鉴宇树（Unitree）的架构思路。去看宇树 A1 或 MIT Mini Cheetah 的架构就会发现，它们都在很大程度上使用了网络通信：控制电脑、多块板卡与电机驱动之间大量依赖以太网和 TCP/UDP。下图是宇树 A1 的网络框架——手柄、用户电脑、主控板、树莓派/TX2 和 UP board 通过交换机连在同一个网段，用户电脑正是通过这个网段访问机器狗的各块板卡：

宇树 A1 网络框架：多块板卡通过交换机与以太网互联

因此，本节不打算复述整本教材，而是把这门课抽象成工程实践真正需要的那部分：讲清楚网络是怎么组织起来的、数据怎么找到目标机器和目标程序，再学会之后调试会一直用到的 SSH 工具。学完本节，你应该能看懂日常的网络配置，并独立完成”电脑连上机器人”这件事。

说明： 对《计算机网络》这门课程本身感兴趣的读者，可以自行搜索网课，进一步系统学习。

一. 网络的基本概念

1.1 网络要解决什么问题

网络解决的是”多台设备之间如何交换数据”。单台电脑自己运行程序不需要网络；当程序需要和其他设备协作时——比如你的电脑要把代码传到机器人、浏览器要访问网站——就需要一条通路，以及一套”怎么找到对方、怎么把数据送过去”的规则。

1.2 设备靠两个地址标识自己：MAC 与 IP

网络中的每台设备都有两个重要身份：

• MAC 地址：网卡出厂自带、全球唯一的硬件地址，类似”身份证”，由链路层使用。
• IP 地址：网络层分配的逻辑地址，类似”收件地址”，既标识设备，也表明设备属于哪个网络。

数据从一台机器发往另一台时，网络层凭借 IP 地址找到目标机器所在的网络并规划路径；进入目标所在网段后，再用 ARP 把 IP 翻译成 MAC 地址，由链路层完成最后的实际发送。一个负责”送到哪个网络、哪台机器”，一个负责”落到哪块网卡上”。

这两个概念后面第三、四节还会详细展开，这里先建立整体印象。

1.3 局域网（LAN）与交换机

局域网（Local Area Network，LAN） 是覆盖范围较小、通常由同一批人管理的网络，例如实验室的网络、宿舍的路由器网络。同一个局域网内的设备可以直接通信。

把几台设备连起来，最早常用集线器（hub），但它会把数据发给所有人；现在普遍使用交换机（switch）：

• 交换机记住每个接口上连接设备的 MAC 地址；
• 收到数据后，只转发给目标设备所在的接口，而不是广播给所有人；
• 交换机在链路层工作，通常不关心 IP，只关心”同一个网段内送到哪台设备”。

可以把局域网想象成一个办公室：大家能互相喊话，交换机就是负责把话递到具体某个人桌上的收发员。

1.4 路由器与广域网（WAN）

局域网能解决小范围内的通信，但不同局域网之间呢？比如实验室网络和学校网络、你家和公司机房之间，需要用路由器（router）把它们连起来。跨越多个局域网、覆盖范围更大的网络叫广域网（Wide Area Network，WAN）。

路由器在网络层工作，根据 IP 地址决定数据”下一跳送到哪里”，把数据从一个网络转发到另一个网络。家庭和实验室里那个”上网用的盒子”通常是路由器，它一边接入上级网络（WAN 口），一边提供局域网（LAN 口/无线）。

1.5 互联网：把许多网络互连起来

把许多局域网、广域网用路由器连接起来，就得到一张”网络的网络”，也就是互连网络（internet）；我们平时说的”上网”里的互联网 / 因特网（Internet），特指全球范围那张互连起来的大网。它本身不属于任何人，而是由无数网络和路由器共同组成。

主机（host） 指网络中收发数据的设备：你的电脑、机器人开发板、服务器都算主机。下图中，“你的电脑”发数据给”服务器”，数据要先在局域网 A 内经过交换机，再被路由器逐跳转发出局域网、进入互联网，最后到达局域网 B：

局域网内用交换机转发，跨网络用路由器逐跳转发

1.6 本节术语小结

术语	含义
主机（host）	网络中收发数据的设备，例如电脑、开发板、服务器
局域网（LAN）	覆盖范围小、通常同一网段的网络
广域网（WAN）	覆盖范围大、跨区域的网络
交换机（switch）	链路层设备，按 MAC 地址在同一网段内转发
路由器（router）	网络层设备，按 IP 地址在不同网络之间转发
网关（gateway）	局域网通往其他网络的出口，通常就是路由器在局域网内的地址
互联网（Internet）	由无数网络互连而成的全球大网

二. TCP/IP 四层模型

2.1 为什么需要分层

从”发一句话”到”对方收到这句话”，中间要做很多事：物理上怎么传送比特、怎么找到目标设备、数据属于哪个程序、内容怎么解释。把这些工作分层，每一层只负责一件事，并向上一层提供简单接口，问题就变得可管理：某层出问题时，也更容易定位。

现实中最常用的是 TCP/IP 四层模型，从上到下是：应用层、传输层、网络层、链路层。

2.2 四层各负责什么

层	主要职责	关键概念
应用层	定义程序之间”说什么”，例如网页、远程登录	HTTP、SSH、DNS
传输层	端到端地把数据交给正确的程序	端口、TCP、UDP
网络层	跨网络寻址，把数据送到正确的机器	IP 地址、子网掩码、路由
链路层	同一网段内完成实际传输	MAC 地址、交换机、以太网/Wi-Fi

2.3 数据是层层打包的

发送数据时，应用层的数据先交给传输层，传输层加上”源端口、目标端口”等头部；网络层再包上”源 IP、目标 IP”；链路层最后加上帧头和帧尾，变成一整个以太网帧发送出去。接收方再自下而上逐层拆开，取出原始数据：

四层模型左右一一对应：发送时从应用数据开始，自内向外逐层封装

三. 链路层：同一网段内怎么传输

链路层只负责相邻设备之间、同一网段之内的数据传输，不关心数据最终要去哪个网络。

3.1 MAC 地址

每块网卡在出厂时都有一个全球唯一的 MAC 地址（48 位，通常写成 6 组十六进制，例如 a0:b1:c2:d3:e4:f5），相当于设备的”硬件身份证”。它跟设备走，一般不会因为换网络而改变。

3.2 以太网帧

链路层传输的数据单位叫帧（frame）。以太网帧里包含目标 MAC、源 MAC、上层数据和一个校验字段，接收方用校验字段检查数据有没有在传输中出错。常用的有线”以太网”和无线 Wi-Fi 都属于链路层技术，只是具体实现不同。

3.3 交换机在链路层做什么

交换机学习并维护”MAC 地址 → 接口”的对照表。收到帧后，查表把帧只转发到目标 MAC 对应的接口；如果还不知道目标在哪，才会向其他接口广播。路由器在把数据从自己的一个网络转发到另一个网络时，链路层负责的是”这一跳”的实际收发。

链路层对工程实践来说，记住”MAC 是网卡身份证、交换机按 MAC 转发”就基本够用了。至于”知道对方 IP、怎么找到对方 MAC”，需要网络层的 IP 和 ARP，接下来讲。

四. 网络层：让数据到达正确的机器（重点）

网络层回答的问题是：目标设备在哪个网络、数据该走哪条路。 它解决跨网络通信，是理解日常网络配置的重点。

4.1 IP 地址

IP 地址是网络层给每台主机分配的逻辑地址，相当于”邮寄地址”：既标识了设备，也包含了”它在哪个网络”的信息。目前最常用的是 IPv4：

• IPv4 是 32 位二进制数，写成 4 组十进制数字，每组 0–255，例如 192.168.1.10。
• 同一个网络内，IP 地址不能重复，否则会出现冲突（后接的设备或双方都可能无法正常通信）。
• IPv6 用 128 位地址解决 IPv4 地址不够用的问题，写法如 fe80::1。多数局域网调试仍以 IPv4 为主，本节重点讲 IPv4。

IPv4 地址分公有和私有：

• 公有地址可以在互联网上被直接路由，全球唯一；
• 私有地址只在局域网内使用，例如 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16 这些网段。家用/实验室设备常用私有地址，路由器通过 NAT（网络地址转换） 把它们转换成公有地址后再上网。这就是为什么多台设备共用一个”外网 IP”也能同时上网。

提示： 127.0.0.1 是一个特殊地址，表示”本机”（也叫 loopback），一般对应主机名 localhost。在本机测试服务时很常用。

4.2 子网掩码：区分网络部分和主机部分

IP 地址要拆成两半理解：网络部分（标识属于哪个网络）和主机部分（标识网络内的哪台设备）。从哪里拆开，由**子网掩码（subnet mask）**决定。

子网掩码也是 32 位，左边连续的一串 1 对应网络部分，右边连续的 0 对应主机部分。例如常见的 255.255.255.0，写成二进制是前 24 位为 1、后 8 位为 0，表示前 24 位是网络部分、后 8 位是主机部分。这种写法也常用 CIDR 记法 /24 表示。

把 IP 和掩码逐位做”与”运算，就得到网络地址（网络号）。例如：

IP 地址：   192.168.1.37   -> 11000000.10101000.00000001.00100101
子网掩码： 255.255.255.0   -> 11111111.11111111.11111111.00000000
与运算结果：192.168.1.0    -> 11000000.10101000.00000001.00000000

于是 192.168.1.37/24 属于网络 192.168.1.0/24。同一网络内，主机部分全 0 的 192.168.1.0 是网络地址本身，不分配给设备；主机部分全 1 的 192.168.1.255 是广播地址，发给它等于发给网段内所有设备。所以 /24 网段可分配的主机地址是 $2^8 - 2 = 254$ 个。

4.3 子网划分

子网划分就是”把一个大网络切成若干个小网络”。比如把 192.168.1.0/24 的 8 位主机部分借出 2 位给网络部分，得到掩码 /26（255.255.255.192），可以分成 4 个子网：

子网	网络地址	可用主机范围	广播地址
第 1 个	192.168.1.0/26	192.168.1.1 – 192.168.1.62	192.168.1.63
第 2 个	192.168.1.64/26	192.168.1.65 – 192.168.1.126	192.168.1.127
第 3 个	192.168.1.128/26	192.168.1.129 – 192.168.1.190	192.168.1.191
第 4 个	192.168.1.192/26	192.168.1.193 – 192.168.1.254	192.168.1.255

每个 /26 子网有 $2^6 - 2 = 62$ 个可用地址。工程上更常见的是直接用现成的网段（如 /24），划分子网的价值在于理解”掩码不同，网络就不同”。

对调试最重要的一条结论是：

两台设备的网络地址相同，才能算”同一网段”；同一网段内可以直接通信，不同网段必须经过路由器转发。 电脑和机器人连不上时，第一步往往就是检查两者的 IP 是否在同一个网段。

之后的 SSH、ROS 2 多机通信等操作，通常都要求电脑和机器人处于同一局域网、同一网段。

4.4 路由与路由器

路由器连接多个网络，内部维护一张路由表，记录”要去某个网络，下一跳该发给谁、从哪个接口出去”。

• 目标在同一网段：直接交给链路层送达，不需要路由器。
• 目标在其他网段：发给本网段的网关，由路由器按路由表逐跳转发，直到到达目标网络。
• 默认网关（default gateway）：路由表里 0.0.0.0/0 那条”其他都走这里”的规则，通常就是局域网路由器在局域网内的地址，例如 192.168.1.1。

一次跨网访问的过程大致是：主机把数据发给网关 → 路由器查表转发给下一跳 → 逐跳重复 → 最后一跳进入目标网络交给目标主机。你可以把路由器理解为接力赛里的中转站，每站只看”下一站去哪”。

4.5 ARP：在网段内把 IP 换成 MAC

网络层用 IP 地址找到目标，但链路层实际发送帧时用的是 MAC 地址。同一个网段内，“知道对方 IP、不知道对方 MAC”的问题由 **ARP（地址解析协议）**解决：

1. 发送方向网段内广播：“谁的 IP 是 192.168.1.20？请告诉我你的 MAC。”
2. 拥有该 IP 的设备单播回复自己的 MAC。
3. 发送方把结果缓存到 ARP 表（Linux 里可用 ip neigh 查看），之后直接使用。

跨网段时，目标 IP 不是网关自己，但数据要先发给网关，所以主机用 ARP 找到的是网关的 MAC，再由网关继续转发。

4.6 DHCP：自动拿到网络配置

一台设备要上网，通常需要四样配置：IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器。手动设置容易出错，DHCP（动态主机配置协议） 让设备开机时自动向网络申请这四项配置：

• 设备广播 DHCP 请求；
• DHCP 服务器（通常集成在路由器里）分配一个未使用的 IP 和对应配置，并约定一个”租期”；
• 到期前设备可以续租，长时间离线后地址可能被回收分给别人。

家用电脑、手机默认都开 DHCP。但机器人开发板经常配成静态 IP：地址固定，你随时都知道该连 192.168.1.20，不会因为租约到期而换地址，调试更稳定。

4.7 动手检查网络

命令	作用
ip addr	查看本机所有网卡的 IP 地址和掩码
ip route	查看路由表，包括默认网关
ip neigh	查看 ARP 缓存（IP 与 MAC 的对应关系）
ping 目标IP	测试与目标是否可达，是最常用的连通性检查
traceroute 目标	查看数据逐跳经过哪些路由器

ip addr                # 找到本机 IP，例如 192.168.1.10/24
ip route               # 找到 default via 192.168.1.1 这样的默认网关
ping 192.168.1.20      # 测试能不能到达机器人

提示： ping 不通只能说明”网络层不可达”，不能区分是网线、IP 配置、交换机还是防火墙的问题；ping 通但服务连不上，则问题通常出在传输层或应用层，例如端口没监听、防火墙拦截。

五. 传输层：把数据交给正确的程序

5.1 为什么需要端口

IP 地址只能把数据送到”哪台机器”。但一台机器上同时跑着很多程序：SSH 服务、网页服务、ROS 程序……数据到达机器后，还要知道该交给哪个程序。端口（port） 就是给程序用的编号，用来在传输层区分不同的应用。

IP + 端口 才能唯一确定一个通信端点。例如 192.168.1.20:22 表示”这台机器的 22 端口”，即 SSH 服务。端口是 16 位数字，范围 0–65535，常见的知名端口有：

端口	服务
22	SSH（远程登录）
80	HTTP（网页）
443	HTTPS（加密网页）
53	DNS（域名解析）

5.2 TCP：面向连接的可靠传输

TCP（传输控制协议） 的目标是让数据可靠、有序地到达：先建立连接，再传输数据，收到后要确认，丢失会重传，接收方还会按顺序重组。大多数要求”一条数据都不能错”的场景用 TCP，例如 SSH、网页、文件传输。

TCP 把数据看成字节流，并给每个字节编号（序号 seq），接收方回复”期待下一个收到的序号”（ack），以此实现确认和重传。

5.3 三次握手与四次挥手

TCP 建立连接要交换三个报文，叫三次握手；关闭连接要交换四个报文，叫四次挥手：

三次握手建立连接，四次挥手关闭连接

可以类比打电话：

• 三次握手：“喂，能听到吗？”——“能听到，你呢？”——“我也能听到，开始说吧。“双方确认能双向通信后才开始。
• 四次挥手多一步，是因为一方收到”我要挂了”后，可能还有话没说完：先回”知道了”，把剩余内容发完，再说”我也说完了”，最后对方确认。

5.4 UDP：尽力而为的快速传输

UDP（用户数据报协议） 不需要建立连接，把数据包发出去就不管了：不保证到达、不保证顺序、不自动重传，所以叫”尽力而为”（best effort）。

那为什么还要用它？因为它没有连接建立和确认的开销，更快、延迟更低，适合对实时性敏感、丢一点数据也能接受的场景，例如视频通话、直播、一些传感器数据流。想象实时画面：一帧画面丢了，继续播下一帧即可，重传反而会让画面卡顿。

5.5 TCP 与 UDP 对比

	TCP	UDP
是否建立连接	是（三次握手）	否
可靠性	可靠、有序、自动重传	尽力而为，可能丢包乱序
开销	较大	较小
典型用途	SSH、网页、文件传输	实时音视频、直播、部分传感器数据

5.6 检查本机端口

Linux 中可以用 ss 查看哪些端口正在被监听：

ss -tlnp        # 列出正在监听（LISTEN）的 TCP 端口及对应程序
ss -ulnp        # 列出正在监听的 UDP 端口

调试时”连不上服务”，先看服务有没有在对应端口监听，再看防火墙是否放行。

六. 应用层：人直接接触的协议

应用层是离人最近的一层。你上网时看到的很多东西都属于应用层协议：

• 浏览器地址栏的 http://xxx 用的是 HTTP 协议：浏览器向服务器发请求，服务器返回网页内容；https:// 则是加了 TLS 加密的 HTTP，默认端口 443。一个地址如 https://www.example.com/docs/ 可以拆成协议（https）、主机名（www.example.com）和路径（/docs/）。
• 你输入 www.baidu.com 这样的域名，计算机先用 DNS 把它翻译成 IP 地址，再真正发起连接——DNS 就像”域名电话本”。
• 登录网站后刷新还保持登录状态，常常靠 Cookie：服务器让浏览器保存一小段标识，浏览器以后每次请求都带上它，服务器据此认出”还是这个用户”。

应用层定义了浏览器、服务器等程序之间如何”说同一种语言”。本节的重点在下面要讲的 SSH——它也是应用层协议，之后的实机调试会一直用到。对 HTTP、DNS 的更多细节感兴趣，可以按文末资料自行学习。

七. SSH：远程调试的钥匙

7.1 为什么需要 SSH

机器人开发板、服务器通常没有屏幕和键盘，或者不方便直接在设备上操作。SSH（Secure Shell） 让你通过网络在自己的电脑上打开一个加密的远程终端，输入的命令实际在远端执行，就像坐在设备面前一样。它默认使用 TCP 的 22 端口，传输过程加密，比早期不加密的远程登录方式安全。

之后传代码、跑程序、看日志、重启机器人，很多操作都是在 SSH 会话里完成的。

7.2 用 ssh 登录

基本格式：

ssh 用户名@目标地址

例如登录开发板上的 robot 用户（IP 用实际地址替换）：

ssh robot@192.168.1.20

第一次连接时，SSH 会让你确认对方主机的指纹（host key），防止有人冒充目标机器：

The authenticity of host '192.168.1.20' can't be established.
ECDSA key fingerprint is SHA256:xxxx... .
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?

确认主机没问题就输入 yes。之后输入密码即可登录。登录成功后，终端提示符会变成远端主机，你输入的每条命令都在远端执行；输入 exit 退出。

提示： 连接前先用 ping 192.168.1.20 确认网络可达，并确认双方 IP 在同一网段。

7.3 用 scp 传文件

调试时经常要把代码传到开发板、把日志下载回来，可以用 scp（基于 SSH 的文件复制）：

scp 本地文件 用户名@目标地址:远端路径       # 上传
scp 用户名@目标地址:远端路径 本地路径       # 下载

例如：

scp ./main.cpp robot@192.168.1.20:/home/robot/code/    # 把 main.cpp 传到远端目录
scp robot@192.168.1.20:/home/robot/log.txt ./           # 把远端 log.txt 下载到当前目录

上传整个目录加 -r：

scp -r ./my_project robot@192.168.1.20:/home/robot/

7.4 配置密钥免密登录

每次输密码很麻烦，配置密钥登录后，SSH 会改用一对密钥验证身份：

ssh-keygen -t ed25519    # 在本机生成一对密钥（一路回车即可）
ssh-copy-id robot@192.168.1.20   # 把公钥安装到远端（最后一次输密码）
ssh robot@192.168.1.20          # 之后不再需要密码

ssh-keygen 生成的私钥保存在本机，千万不要外传；ssh-copy-id 把公钥追加到远端对应用户的 ~/.ssh/authorized_keys 里，远端就认得这把”钥匙”了。

7.5 连不上时怎么排查

按从下到上的顺序检查：

1. ping 目标IP——不通先检查网线/无线、IP 和网段（ip addr）。
2. IP 是否同一网段——电脑 192.168.1.10/24、开发板 192.168.1.20/24 才是同一网段。
3. 远端 SSH 服务是否在监听——在远端执行 ss -tlnp | grep 22（或 systemctl status ssh 查看服务状态）。
4. 端口和防火墙——确认连接的是 22 端口，防火墙放行 SSH。
5. 用户名与认证——确认用户名拼写、密码或密钥是否正确，出现 Permission denied 优先检查这一点。

八. 常见问题

电脑和机器人 ping 不通，可能是什么原因？

先看两者的 IP 和掩码是否同一网段，再看物理连接（网线、无线、交换机）；同一网段还不同，检查防火墙。跨网段通信还要看默认网关是否正确。

为什么要把机器人配成静态 IP？

DHCP 分配的地址可能随租约变化，之后 SSH、程序配置里写死的 IP 都会失效。静态 IP 保证地址固定，调试更省心。

ping 通了，但 SSH 连不上？

说明网络可达，问题更可能在传输层/应用层：SSH 服务没启动、没监听 22 端口、防火墙拦截或认证信息错误。

TCP 和 UDP 应该选哪个？

需要保证数据完整、顺序正确的用 TCP（SSH、文件、网页）；能容忍少量丢失、更看重实时性的用 UDP（音视频流等）。多数编程库中都能显式选择。

参考资料

• 《计算机网络：自顶向下方法》，James F. Kurose、Keith W. Ross 著：经典教材，适合进一步系统学习。
• 《TCP/IP 详解 卷一：协议》，Kevin R. Fall 等：深入协议细节。
• Linux ip 命令手册：ip addr、ip route、ip neigh 等命令。
• OpenSSH 官方文档：ssh、scp、ssh-keygen 的完整说明。