一、計算機網絡分層結構

計算機網絡分層結構 指將計算機網絡的功能劃分為多個層次，每個層次都有其特定的功能和協議，并且層次之間通過接口進行通信。

分層設計的優勢：

• 模塊化：各層獨立發展（如IPv4→IPv6，不影響應用層）。
• 簡化復雜度：開發者只需關注特定層的實現。
• 靈活性與兼容性：不同協議可替換（如Wi-Fi替換以太網）。
• 故障隔離：問題定位更高效（如網絡層故障不影響傳輸層）。

分層模型：

• OSI
• TCP/IP

二、OSI

1、概述

OSI 由國際標準化組織ISO提出，屬于理論模型，市場實踐失敗。

層級	名稱	功能概要	典型協議/技術
7	應用層	用戶應用程序接口	HTTP, FTP, DNS, DHCP，SMTP/POP3/IMAP
6	表示層	數據格式轉換與加密	SSL/TLS, JPEG, ASCII
5	會話層	會話管理與同步	NetBIOS, RPC，SSH
4	傳輸層	端到端可靠傳輸	TCP, UDP
3	網絡層	邏輯尋址與路由	IP, ICMP, OSPF
2	數據鏈路層	物理尋址與幀傳輸	Ethernet, PPP, Wi-Fi（MAC層）
1	物理層	物理介質傳輸比特流	光纖, 雙絞線, 無線電波

OSI 每一層都定義了特定的功能和協議，為上一層提供服務，并與下一層進行交互。

OSI 按資源與通信劃分：

• 上三層（應用、表示、會話）屬于 資源子網 , 負責數據處理 ;
• 中間層（傳輸）屬于資源子網 與 數據子網的接口 ;
• 下三層（網絡上、數據鏈路、物理）屬于通信子網 , 負責數據通信 ;

通信雙方的 主機 涉及到全部 七層 模型 ；

中間的 路由器 , 只涉及 網絡層 , 數據鏈路層 , 物理層 , 三層 ;

3、分層說明

2.1 應用層（Application Layer）

“應用層” 概念 : 應用層是 用戶 與 網絡的界面，所有能與用戶交互，并產生網絡流量的程序，稱為應用層 ;

“應用層” 服務協議 :

• FTP 文件傳輸協議
• SMTP 郵件傳輸協議
• HTTP 超文本傳輸協議

2.2 表示層（Presentation Layer）

“表示層” 概念 : 處理 兩個通信系統 中交換信息的 表示方式 , 通常用于處理 語法 和 語義 ;

"通信系統 " 可以理解成一臺 網絡設備 ;

“表示層” 功能 :

• 數據格式轉換 : 將二進制數據轉為 圖片 , 文本 , 音視頻 ;
• 數據加密解密 : 用戶登錄 , 將密碼加密傳輸 ;
• 數據壓縮恢復 : 如 直播場景 , 推流時 先將圖片壓縮成 H.264 格式 , 觀看時 將 H.264 格式轉為 圖像展示 ;

表示層 不是單獨的層次 , 實際使用時 , 被 規劃到了 應用層中 ; 表示層 沒有單獨的協議 ;

2.3 會話層（Session Layer）

“會話” 概念 : 向 表示層實體 或 用戶進程 提供 建立連接的服務 , 并在該建立的連接上 , 有序地 傳輸數據 , 上述整個過程稱為 “會話” , 又稱為 “建立同步 ( SYN )” ;

會話層 功能 :

• 會話管理 : 建立 , 管理 , 終止 會話 ;
• 校驗同步 : 在數據中插入 校驗點 , 在通信失效時 , 從 校驗點 繼續恢復通信 , 使數據同步 ; 如 大文件的 斷點續傳 功能 ;

會話層 主要協議 :

• ADSP 協議
• ASP 協議

2.4 傳輸層（Transport Layer）

“傳輸層” 概念 : 負責 兩個 主機進程 間通信 , 是 “端到端” 通信 , 傳輸單位是 報文段 , 用戶數據報 ;

“傳輸層” 是 資源子網 ( 應用層 , 表示層 , 會話層 ) 與 通信子網 ( 網絡層 , 數據鏈路層 , 物理層 ) 之間的接口層 ;

區分端到端與點對點：

• 端到端（End-to-End）
  • 傳輸層關注的是通信的起點和終點（即兩個終端設備上的應用進程之間的邏輯連接）。例如，當你的瀏覽器（客戶端）與服務器（服務端）通過TCP通信時，傳輸層確保數據從客戶端進程（如Chrome）完整、可靠地傳遞到服務器進程（如Nginx）。
  • 核心任務：進程間通信（通過端口號區分）、可靠性（如TCP的確認重傳機制）、流量控制、擁塞控制等。
  • 中間節點無關性：傳輸層協議（如TCP/UDP）的頭部信息僅在通信的兩端（發送方和接收方）被解析和處理，中間的網絡設備（如路由器）僅處理網絡層（如IP）及以下的信息。
• 點對點（Point-to-Point）：
  • 點對點通信通常指相鄰節點之間的直接連接，例如數據鏈路層（如以太網、Wi-Fi）或物理層的通信。
  • 核心任務：確保數據在單條鏈路上正確傳輸（如MAC地址尋址、幀校驗等）。
  • 中間節點參與：每個中間節點（如路由器、交換機）需要處理數據鏈路層的幀信息，逐跳（Hop-by-Hop）轉發數據。

“傳輸層” 功能 :

• 數據傳輸 : 可靠傳輸 ( TCP ) , 不可靠傳輸 ( UDP )，QUIC（快速UDP互聯網連接）
• 差錯控制 : 如果傳輸出錯 , 重發 , 或糾錯 ;
• 流量控制 : 發送方 與 接收方 同步 ;
• 復用 : 發送數據時 , 多個 應用進程 , 同時使用 下一層 運輸層 的服務 ;
• 分用 : 接收數據時 , 運輸層將接收到的信息 , 根據 端口號 , 分別交給 不同的 應用進程 使用 ;

2.5 網絡層（Network Layer）

“網絡層” 概念 : 將 分組 從 源端 傳遞到 目的端 , 為 分組交換網 上 不同主機 提供 通信服務 ;

“網絡層” 數據傳輸單位 : 數據包;

“數據報” 與 “分組” : 當數據過長時 , 就會將 數據報 切割成小的 分組 , 增加傳輸的靈活性 ;

“網絡層” 功能 :

• 路由選擇 : 主機間通信時 , 選擇網絡上 路由器的 最佳路徑 ;
• 流量控制 : 限制發送端速度 , 協調 發送端 接收端 的數據流量 ;
• 差錯控制 : 分組數據校驗 , 盡量糾錯 , 確保數據的正確性 ;
• 擁塞控制 : 如果所有的節點 都 來不及接收分組 , 需要丟棄大量分組 , 此時 網絡處于擁塞狀態 , 此時 需要采取一定的措施 , 緩解這種擁塞狀態 ; 與 流量控制不同的是 該機制是 整體地控制 , 不單單是限制發送端速度 ,

“網絡層” 協議 :

• IP
• IPX
• ICMP
• IGMP
• ARP
• RARP
• OSPF

2.6 數據鏈路層（Data Link Layer）

“數據鏈路層” 概念 : 將 網絡層 傳遞下來的 數據報 組裝成 幀 ;

“數據鏈路層” 數據傳出單位 : 幀 ;

“數據鏈路層” 功能 :

• 成幀 : 定義 幀 開始 和 結束 標識 ;
• 差錯控制 : 針對 幀錯誤 ( 檢錯 ) , 位錯誤 ( 糾錯 ) , 進行處理 ;
• 流量控制 : 發送方 和 接收方 速度協調 , 防止 接收方 緩存不足 , 導致數據丟棄 ;
• 訪問控制 : 控制 主機 對于 信道 的 訪問 控制 ; 如 廣播網絡 , 同時只有一個設備能發送信息 , 誰發送 , 由數據鏈路層控制 ;

“數據鏈路層” 協議 :

• SDLC
• HDLC
• PPP
• STP

2.7 物理層（Physical Layer）

“物理層” 概念 : 在 物理媒體 上實現 比特流 透明傳輸 ;

透明傳輸 : 不管數據的內容 , 直接在鏈路上傳輸 ;

“物理層” 數據傳輸單位 : 比特 ( bit ) ;

“物理層” 功能 :

• 定義接口特性 : 傳輸介質 , 網絡接口引腳 等 ;
• 定義傳輸模式 : 單工 ( 單向傳輸 ) , 半雙工 ( 不同時 雙向傳輸 ) , 全雙工 ( 同時雙向傳輸 ) ;
• 定義傳輸速率 : 網絡的帶寬 , 百兆網 , 千兆網 ;
• 比特同步 : 使用同步時鐘 , 保證發送接收比特同步 ;
• 比特編碼 : 規定 電壓 與 比特 的關系 , 曼徹斯特編碼 , 差分曼徹斯特編碼 等 ;

“物理層” 協議 :

• 802.3
• Rj45

3、OSI 通信

主機A通過路由器向B發送HTTP請求，網絡拓撲示例

主機A（192.168.1.2） → 路由器R1（接口1：192.168.1.1，接口2：203.0.113.1） → 主機B（203.0.113.5）

3.1 主機A的封裝過程（發送端）

(7) 應用層（Application Layer）

• 功能：用戶觸發HTTP請求（如點擊網頁按鈕）。
• 數據處理：生成HTTP報文（例如：GET /index.html HTTP/1.1）。
• 協議：HTTP/HTTPS。
• 數據單位：應用數據（Message）。

(6) 表示層（Presentation Layer）

• 功能：格式化、加密數據。
• 數據處理：
  • 將HTTP報文轉換為二進制格式（如ASCII編碼）。
  • 若使用HTTPS，進行TLS加密。
• 協議：TLS/SSL（加密）、JPEG/MPEG（數據格式轉換）。
• 數據單位：格式化后的數據。

(5) 會話層（Session Layer）

• 功能：建立會話連接。
• 數據處理：
  • 在A和B之間建立會話（如TCP三次握手后維護會話狀態）。
  • 若使用RPC或SSH，管理會話的持續性和恢復能力。
• 協議：NetBIOS、RPC、SSH。
• 數據單位：會話數據。

(4) 傳輸層（Transport Layer）

• 功能：端到端可靠傳輸。
• 數據處理：
  • 將數據分段（Segment），添加源端口和目的端口（如HTTP用80端口）。
  • 若使用TCP，添加序列號、確認號、窗口大小等控制信息。
• 協議：TCP（可靠）或UDP（無連接）。
• 數據單位：數據段（Segment）。
• TCP頭部示例：

  | 源端口（A:50000） | 目的端口（B:80） | 序列號 | 確認號 | 窗口大小 | 校驗和 |
  

(3) 網絡層（Network Layer）

• 功能：邏輯尋址與路由。
• 數據處理：
  • 添加源IP地址（A的IP）和目的IP地址（B的IP）。
  • 若跨網絡傳輸，路由器根據IP地址選擇最佳路徑。
• 協議：IP（IPv4/IPv6）、ICMP、OSPF。
• 數據單位：數據包（Packet）。
• IP頭部示例：

  | 源IP（192.168.1.2） | 目的IP（203.0.113.5） | TTL | 協議（TCP=6） | 校驗和 |
  

(2) 數據鏈路層（Data Link Layer）

• 功能：物理尋址與幀傳輸。
• 數據處理：
  • 將數據包封裝成幀（Frame），添加源MAC地址（A的MAC）和目的MAC地址（下一跳設備的MAC，如路由器）。
  • 通過ARP協議查詢下一跳的MAC地址（若未知）。
• 協議：以太網（IEEE 802.3）、Wi-Fi（IEEE 802.11）。
• 數據單位：幀（Frame）。
• 以太網幀示例：

  | 目的MAC（路由器） | 源MAC（A） | 類型（IPv4=0x0800） | 數據 | CRC校驗 |
  

(1) 物理層（Physical Layer）

• 功能：比特流傳輸。
• 數據處理：
  • 將幀轉換為比特流（0和1），通過物理介質（如網線、Wi-Fi信號）傳輸。
• 協議：以太網PHY（如1000BASE-T）、Wi-Fi（IEEE 802.11ac）。
• 數據單位：比特（Bits）。

3.2 路由器R1的處理

路由器工作在網絡層（Layer 3），處理邏輯如下：

(1) 物理層 → 數據鏈路層

• 接收比特流，還原為以太網幀。
• 校驗CRC，若通過則剝離以太網幀頭部，提取IP數據包。

(2) 網絡層

• 檢查IP數據包的目的IP地址（203.0.113.5）。
• 根據路由表判斷下一跳：
  • 若目的IP屬于直連網絡（如203.0.113.0/24），直接轉發到主機B。
  • 若需跨網絡，選擇下一跳路由器（此處假設B在直連網絡中）。
• 更新TTL（Time to Live）：TTL值減1（防止數據包無限循環）。

(3) 數據鏈路層重新封裝

• 根據下一跳接口（接口2），重新封裝數據包為新的以太網幀：
• 源MAC：路由器R1的接口2的MAC地址。
• 目的MAC：主機B的MAC地址（通過ARP查詢203.0.113.5的MAC）。
• 若目的MAC未知，觸發ARP請求。

(4) 物理層

將新幀轉換為比特流，通過接口2發送到主機B所在網絡。

3.3 主機B的解封裝過程（接收端）

• 物理層：接收比特流，轉換為幀。
• 數據鏈路層：
  • 校驗幀的完整性（CRC），若正確則剝離MAC頭部，提取IP數據包。
  • 若目的MAC與B的MAC不匹配，丟棄幀。
• 網絡層：
  • 檢查目的IP地址是否為本機IP，若匹配則剝離IP頭部，將數據段傳遞給傳輸層。
  • 若目的IP不匹配且B是路由器，則重新路由。
• 傳輸層：
  • 根據目的端口號（如80）確定目標應用程序（如Web服務器）。
  • 若使用TCP，發送確認報文（ACK）給A。
• 會話層：維護會話狀態（如TCP連接保持）。
• 表示層：解密數據（如TLS）或轉換數據格式（如JSON解析）。
• 應用層：將HTTP請求傳遞給Web服務器處理，生成響應（如返回網頁內容）。

數據封裝與解封裝示意圖：

主機A發送方向（封裝）：
應用層（HTTP） → 表示層（TLS加密） → 會話層（會話ID） → 傳輸層（TCP頭部） → 網絡層（IP頭部） → 數據鏈路層（MAC頭部） → 物理層（比特流）路由器R1處理：
接收：比特流 → [MAC-A→R1 | IP|TCP|HTTP]  
剝離MAC頭部 → [IP|TCP|HTTP]  
路由決策 → 重新封裝： [MAC-R1→B | IP|TCP|HTTP] → 比特流主機B接收方向（解封裝）：
物理層（比特流） → 數據鏈路層（剝離MAC頭部） → 網絡層（剝離IP頭部） → 傳輸層（剝離TCP頭部） → 會話層（驗證會話） → 表示層（解密） → 應用層（處理HTTP請求）

三、TCP / IP

1、TCP/IP分層模型概述

TCP/IP模型最初由美國國防部設計，用于實現不同網絡設備的互聯。它分為四層（經典模型）或五層（教學常用擴展版），核心思想是分層抽象和協議獨立：

• 經典四層模型：應用層（Application） → 傳輸層（Transport） → 網絡層（Internet） → 鏈路層（Link）
• 擴展五層模型（更貼近實際實現）：應用層 → 傳輸層 → 網絡層 → 數據鏈路層 → 物理層

2、各層功能與協議

2.1 應用層（Application Layer）

• 功能：
  • 直接面向用戶或應用程序，提供端到端的數據交互服務（如文件傳輸、網頁訪問）。
  • 定義數據格式（如HTTP的請求/響應報文）。
  • 通過進程間通信（端口號）區分不同服務。
• 典型協議：
  • HTTP：網頁瀏覽（80/443端口）。
  • FTP：文件傳輸（20/21端口）。
  • SMTP/POP3：電子郵件發送與接收。
  • DNS：域名解析（53端口）。
  • SSH：加密遠程登錄（22端口）。

2.2 傳輸層（Transport Layer）

功能：

• 實現端到端的可靠或不可靠傳輸，確保數據在源主機和目標主機的應用進程之間正確交付。
• 多路復用/解復用：通過端口號區分同一主機上的多個應用進程。
• 流量控制（如TCP的滑動窗口）。
• 擁塞控制（如TCP的慢啟動、擁塞避免）。
• 可靠性（僅TCP）：通過確認應答（ACK）、超時重傳、數據排序實現。

核心協議：

• TCP（Transmission Control Protocol）：面向連接、可靠傳輸，適用于文件下載、網頁訪問等場景。
• UDP（User Datagram Protocol）：無連接、盡力交付，適用于實時視頻、語音通話等低延遲場景。

2.3 網絡層（Internet Layer）

功能：

• 負責主機到主機的邏輯尋址與路由選擇，將數據包從源主機跨網絡傳遞到目標主機。
• IP地址分配：唯一標識網絡中的設備（如IPv4的192.168.1.1）。
• 路由選擇：通過路由器決定數據包的轉發路徑。
• 分片與重組：根據鏈路最大傳輸單元（MTU）拆分/合并數據包。

核心協議：

• IP（Internet Protocol）：無連接、不可靠的數據包傳輸。
• ICMP（Internet Control Message Protocol）：網絡診斷（如ping命令）。
• ARP（Address Resolution Protocol）：將IP地址解析為MAC地址。

2.4 數據鏈路層（Data Link Layer）

功能：

• 管理同一局域網（LAN）內相鄰設備的直接通信，確保數據在物理鏈路上可靠傳輸。
• MAC地址尋址：通過硬件地址（如00:1A:2B:3C:4D:5E）標識設備。
• 幀封裝：將網絡層的數據包封裝為幀，添加頭部（源/目標MAC地址）和尾部（校驗和）。
• 差錯檢測：通過CRC校驗發現傳輸錯誤。

典型協議與技術：

• 以太網（Ethernet）：有線局域網標準。
• Wi-Fi（IEEE 802.11）：無線局域網標準。
• PPP（點對點協議）：撥號上網、廣域網連接。

2.5 物理層（Physical Layer）

功能：

• 定義物理介質的電氣、機械特性，負責比特流（0/1）的傳輸。
• 信號編碼（如曼徹斯特編碼）。
• 傳輸介質管理（如光纖、雙絞線、無線電波）。
• 物理接口規范（如RJ45網線接口、Wi-Fi天線）。

典型技術：

• 雙絞線（Cat5/Cat6）、同軸電纜、光纖。
• 調制解調器（Modem）、集線器（Hub）。

3、數據封裝與解封裝

數據在傳輸過程中會逐層添加或移除協議頭部，形成不同的數據單元：

• 應用層：生成原始數據（如HTTP請求）。
• 傳輸層：添加TCP/UDP頭部 → 生成段（Segment） 或 數據報（Datagram）。
• 網絡層：添加IP頭部 → 生成數據包（Packet）。
• 數據鏈路層：添加幀頭（MAC地址）和幀尾 → 生成幀（Frame）。
• 物理層：轉換為比特流通過物理介質傳輸。

接收方則反向操作（解封裝），逐層剝離頭部并處理。

4、實際應用示例：訪問網頁

• 應用層：瀏覽器生成HTTP請求（GET /index.html）。
• 傳輸層：TCP封裝請求，添加源端口（隨機）和目標端口（80）。
• 網絡層：IP封裝，添加源IP（客戶端）和目標IP（服務器）。
• 數據鏈路層：以太網封裝，添加源MAC（客戶端網卡）和目標MAC（下一跳路由器）。
• 物理層：通過網線/Wi-Fi傳輸比特流。

服務器反向解封裝，返回網頁數據。

四、TCP/IP vs. OSI模型

TCP/IP模型	OSI模型	功能對應
應用層	應用層、表示層、會話層	用戶交互與數據格式處理（如加密、壓縮）
傳輸層	傳輸層	端到端通信（TCP/UDP）
網絡層	網絡層	IP尋址與路由（IPv4/IPv6）
數據鏈路層	數據鏈路層	MAC尋址與幀傳輸（以太網）
物理層	物理層	比特流傳輸（電纜、光纖）

五、網絡通信

場景：主機A想與主機B通信

1、通信步驟

主機A與主機B跨網絡通信的底層過程涉及多個網絡層級和設備協作，以下是詳細步驟：

（1）確定目標地址

• IP地址獲取：主機A首先需要知道主機B的IP地址（通過DNS解析域名或直接輸入）。
• 子網判斷：主機A通過子網掩碼計算，判斷B是否與自己在同一局域網：
  • 同一局域網：直接通信（無需網關）；
  • 不同局域網：需通過路由器（默認網關）轉發。

（2）數據封裝（網絡層與數據鏈路層）

• 構造IP數據包：
  • 源IP：主機A的IP地址；
  • 目標IP：主機B的IP地址。
• 構造數據幀（鏈路層）：
  • 目標MAC地址：若B在本地網絡，直接使用B的MAC地址；否則使用默認網關的MAC地址（通過ARP協議獲取）。

（3）跨網絡通信的核心步驟

• 發送到默認網關
  • 主機A將幀發送到本地網關（路由器），目標MAC地址為網關的MAC地址，但IP包的目標IP仍是B的地址。
  • ARP協議：若網關MAC未知，主機A通過ARP廣播查詢網關的MAC。
• 路由器的逐跳轉發
  • 解封裝與路由決策：
    • 路由器剝離幀頭，讀取目標IP地址；
    • 查詢路由表確定下一跳路由器（基于最長前綴匹配）。
  • 重新封裝幀：
    • 下一跳路由器的MAC地址（通過ARP或路由表緩存獲取）；
    • 源MAC變為當前路由器的出口MAC，目標MAC變為下一跳的MAC。
    • TTL減1：防止數據包無限循環，若TTL為0則丟棄并發送ICMP超時消息。
• 跨網絡傳輸
  • 數據包經過多個路由器，每經過一跳，MAC地址更新一次，但IP地址始終不變（除非經過NAT）。
  • 路由協議（如OSPF、BGP）：路由器間動態交換路由信息，優化路徑選擇。
• 到達目標網絡
  • 最終路由器發現目標IP屬于其直連網絡：
  • 通過ARP獲取主機B的MAC地址（若緩存中不存在，則廣播ARP請求）；
  • 封裝幀（源MAC為路由器接口MAC，目標MAC為B的MAC），發送到B的局域網。

（4）數據接收與響應

主機B處理：

• 檢查幀目標MAC是否匹配，確認后解封裝；
• 網絡層檢查目標IP是否匹配，傳輸層處理（如TCP/UDP端口）。
• 響應流程：主機B的回復按相同流程反向執行。

2、關鍵技術與協議

• ARP協議：解決IP到MAC的映射（局域網內）。
• 路由協議：動態決定最佳路徑（如OSPF用于內部網絡，BGP用于互聯網）。
• NAT（網絡地址轉換）：若主機A/B位于私有網絡，路由器會將私有IP轉換為公網IP。
• ICMP：處理錯誤（如目標不可達、TTL超時）。

3、示例流程（跨局域網）

主機A（IP: 192.168.1.2）發送數據給主機B（IP: 203.0.113.5）。
判斷B不在本地網絡，發送幀到默認網關（MAC: 00:11:22:33:44:55）。
網關路由器查詢路由表，確定下一跳為ISP的路由器。
數據包經過多個自治系統（AS），由BGP協議引導至B所在的網絡。
最終路由器將幀發送給B（MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF ），完成通信。

4、總結

• MAC地址：僅在當前鏈路有效，每跳更新；
• IP地址：端到端不變（NAT除外），用于全局尋址；
• 路由器：負責跨網絡轉發，依賴路由表和協議；
• NAT：解決IPv4短缺，實現私有網絡與公網通信。

通過上述過程，即使主機A和B位于不同網絡，數據仍能通過底層協議的協作可靠傳輸。

六、網絡設備

1、路由器（Router）

• 工作層級：OSI 網絡層（Layer 3）。
• 核心功能：
  • 跨網絡通信：連接不同網絡（如局域網與互聯網），基于 IP 地址 進行數據包路由。
  • NAT（網絡地址轉換）：將私有 IP 轉換為公網 IP，實現多設備共享一個公網 IP。
  • 防火墻與安全策略：提供訪問控制（ACL）、VPN 支持等。
• 典型場景：
  -0 家庭寬帶路由器（連接內網和互聯網）。
  • 企業邊界路由器（連接分支機構或公網）。

2、集線器（Hub）

• 工作層級：OSI 物理層（Layer 1）。
• 核心功能：
  • 信號廣播：將接收到的數據信號廣播到所有端口，不區分目標設備。
  • 共享帶寬：所有設備共享同一帶寬，易引發沖突（需 CSMA/CD 機制協調）。
• 缺點：效率低、安全性差（所有設備都能收到數據），已被交換機取代。
• 典型場景：早期小型局域網（現基本淘汰）。

3、交換機（Switch）

(1) 二層交換機（Layer 2 Switch）

• 工作層級：OSI 數據鏈路層（Layer 2）。
• 核心功能：
  • 基于 MAC 地址轉發：通過 MAC 地址表 學習設備位置，將數據幀精準轉發到目標端口。
  • 沖突域隔離：每個端口為獨立沖突域，支持全雙工通信。
• 典型場景：現代局域網（如企業內網、家庭網絡），用于連接終端設備（電腦、打印機等）。

(2) 三層交換機（Layer 3 Switch）

• 工作層級：OSI 網絡層（Layer 3） + 數據鏈路層（Layer 2）。
• 核心功能：
  • 二層交換功能：支持 MAC 地址表轉發。
  • IP 路由功能：可基于 IP 地址在不同 VLAN 或子網間路由數據，替代部分路由器功能。
  • 高速轉發：通過硬件加速實現接近交換速度的路由性能。
• 典型場景：
  • 企業內網中需要高速 VLAN 間通信的場景（如不同部門子網互聯）。
  • 替代傳統路由器實現內部網絡分段。

4、設備對比總結

設備	工作層級	核心功能	適用場景	關鍵區別
集線器	Layer 1（物理層）	廣播信號到所有端口	淘汰設備，僅用于歷史參考	無智能，共享帶寬，沖突多
二層交換機	Layer 2（數據鏈路層）	基于 MAC 地址精準轉發	現代局域網內設備互聯	隔離沖突域，高效轉發
三層交換機	Layer 3（網絡層） + Layer 2	支持 IP 路由 + 二層交換	需要高速 VLAN/子網互聯的企業網絡	結合交換和路由，性能優于傳統路由器
路由器	Layer 3（網絡層）	跨網絡路由、NAT、防火墻	連接不同網絡（如內網與互聯網）	支持廣域網協議（如 BGP、PPPoE）

總結：

• 集線器：已淘汰，僅需了解其廣播特性。
• 二層交換機：局域網內高效傳輸的基石。
• 三層交換機：企業內網分段與高速路由的核心。
• 路由器：跨網絡通信與安全的守門人。

關鍵區別：

• 交換機（二層/三層）專注局域網，路由器專注跨網絡。
• 三層交換機 = 二層交換 + 簡單路由（適合內部網絡）。
• 路由器 = 復雜路由 + 廣域網協議支持（適合連接外部網絡）。

5、實際應用中的選擇

• 小型家庭網絡：使用 家用路由器（集成 NAT、Wi-Fi、簡單交換功能）。
• 企業局域網：
  • 接入層：二層交換機連接終端設備。
  • 核心層：三層交換機實現 VLAN 間高速路由。
  • 邊界：路由器連接外網（互聯網或其他分支機構）。
• 數據中心：高性能三層交換機處理大規模內部流量，路由器用于外部連接。

七、IPv6 & IPv4

1、IPv4（互聯網協議第四版）

• 地址結構：
  • 32位地址，約43億個唯一地址（理論上）。
  • 表示方式：點分十進制（如 192.168.1.1），每部分為0-255的十進制數。
• 關鍵特性：
  • 地址分類：A、B、C類地址，支持私有地址（如 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16）。
  • NAT（網絡地址轉換）：允許多個設備共享一個公網IP地址，緩解地址短缺。
  • 報頭結構：包含可選字段（如選項、填充），長度可變，處理開銷較大。
• 問題與限制：
  • 地址枯竭：設備激增導致地址不足。
  • 復雜性：依賴NAT，影響端到端通信（如P2P應用）。
  • 安全性：IPsec為可選擴展，非強制支持。

2、IPv6（互聯網協議第六版）

• 地址結構：
  • 128位地址，地址空間巨大（約3.4×103?個地址）。
  • 表示方式：八組四位十六進制數，冒號分隔（如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334），支持簡寫 （省略前導零和連續零組）。
• 關鍵特性：
  • 地址類型：
    • 全球單播地址：公網唯一地址（如 2000::/3）。
    • 本地單播地址：類似IPv4私有地址（如 fc00::/7）。
    • 鏈路本地地址：僅在同一鏈路有效（如 fe80::/10）。
    • 多播與任播：取代IPv4廣播，提升效率。
  • 自動配置：
    • SLAAC（無狀態地址自動配置）：通過路由器廣播生成地址。
    • DHCPv6：可選，用于有狀態配置（如DNS信息）。
  • 報頭優化：
    • 固定長度40字節，取消可選字段（通過擴展頭實現）。
    • 減少路由器處理開銷，提升轉發效率。
  • 內置安全性：強制支持IPsec（認證與加密）。
  • 移動性支持：設備切換網絡時地址不變（移動IPv6）。

3、IPv6 相對于 IPv4 的主要改進

• 地址空間：徹底解決地址短缺問題，支持海量設備接入。
• 簡化路由：固定報頭結構、更高效的多級路由聚合。
• 端到端通信：無需NAT，保留端到端透明性。
• 安全性：IPsec成為協議棧核心部分。
• QoS支持：通過流標簽字段實現更精細的流量控制。
• 即插即用：自動配置減少管理負擔。

4、IPv4 與 IPv6 的共存與過渡技術

• 雙棧（Dual Stack）：設備同時支持IPv4和IPv6協議棧。
• 隧道技術：將IPv6數據包封裝在IPv4中傳輸（如6to4、Teredo）。
• 協議轉換：通過NAT64/DNS64實現IPv6與IPv4網絡互通。
• 應用層代理：代理服務器處理協議差異。

十、資料

• 【計算機網絡】計算機網絡 OSI 參考模型
• B站蛋老師說計網