網絡原理學習筆記：TCP/IP 核心概念

本文是我在學習網絡原理時整理的筆記，主要涵蓋傳輸層、網絡層和數據鏈路層的核心協議和概念，特別是 TCP, UDP, IP, 和以太網。

一、傳輸層 (Transport Layer)

傳輸層負責提供端到端（進程到進程）的數據傳輸服務。它建立在網絡層之上，為應用層提供通信支持。主要協議有 UDP 和 TCP。

1.1 UDP協議 (User Datagram Protocol)

UDP 是一種簡單的、面向數據報的傳輸層協議。

UDP 報文段格式 (UDP Segment Format):

• 16位源端口號 (Source Port): 標識發送方進程。
• 16位目的端口號 (Destination Port): 標識接收方進程。
• 16位UDP長度 (Length): 表示整個UDP報文段（UDP首部+UDP數據）的總長度（字節），最大為 65535 字節 (理論值，實際受 IP 層限制約為 64KB)。
• 16位檢驗和 (Checksum): 用于檢測 UDP 報文段（首部和數據）在傳輸中是否出錯。如果出錯，報文將直接被丟棄。此字段在 IPv4 中可選，但在 IPv6 中是強制的。

UDP的特點:

• 無連接 (Connectionless): 發送數據前無需建立連接。只需知道對方的 IP 和端口號即可發送數據報。
• 不可靠 (Unreliable): 不保證數據報一定到達，不保證順序，不保證不重復。沒有確認機制，沒有重傳機制。如果因網絡問題無法將報文傳輸給對方，UDP 不會向應用層返回任何錯誤信息。
• 面向數據報 (Datagram-Oriented): 應用層交給 UDP 多長的報文，UDP 就照樣發送，即一次發送一個報文。接收方也一次接收一個完整的報文。它保留了消息的邊界，不會發生粘包問題，但可能丟包或亂序。
• 開銷小，效率高: 頭部只有 8 字節，協議處理簡單快速。

1.2 TCP協議 (Transmission Control Protocol)

TCP 的全稱為傳輸控制協議，是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層協議。它旨在對數據的傳輸進行精確控制，確保數據可靠、有序地到達。

TCP 報文段格式 (TCP Segment Format):

• 源/目的端口號 (Source/Destination Port): 各 16 位，表示數據從哪個進程來，要到哪個進程去。
• 32位序號 (Sequence Number - seq): 由發送方填充，表示本報文段所發送數據的第一個字節在整個數據流中的字節編號。
• 32位確認序號 (Acknowledgement Number - ack): 由接收方填充，表示期望收到對方下一個報文段數據的第一個字節的序號。也就是說，序號 ack-1 為止的所有數據都已成功接收。僅當 ACK 標志位為 1 時有效。
• 4位首部長度 (Header Length / Data Offset): 表示 TCP 首部有多少個 32位字（即多少個 4 字節）。乘以 4 即可得到首部的字節長度。最小值為 5 (20 字節)，最大值為 15 (60 字節)。無選項時為 20 字節。
• 6位保留 (Reserved): 保留給以后使用，當前必須置為 0。
• 6位標志位 (Flags):
  • URG: 緊急指針（Urgent Pointer）有效。指示報文中有緊急數據，應優先處理。
  • ACK: 確認序號（Acknowledgement Number）字段有效。建立連接后，所有傳送的報文段都必須將 ACK 置為 1。
  • PSH: 推送（Push）功能。接收方接到 PSH=1 的報文時，應盡快將數據交付給應用層，而不是等待緩沖區填滿。
  • RST: 重置連接（Reset）。用于異常中斷連接（如連接請求到不存在的端口、連接異常）。
  • SYN: 同步序號（Synchronize）。用于發起連接請求。SYN=1, ACK=0 表示連接請求；SYN=1, ACK=1 表示同意連接。
  • FIN: 結束連接（Finish）。表示發送方數據已發送完畢，請求斷開連接。
• 16位窗口大小 (Window Size): 用于流量控制。表示接收方當前可用的接收緩沖區的大小（單位是字節）。告知發送方還能發送多少數據。
• 16位檢驗和 (Checksum): 用于差錯檢測。覆蓋 TCP 首部和數據部分。發送方計算并填充，接收方驗證。
• 16位緊急指針 (Urgent Pointer): 只有當 URG 標志位為 1 時，該字段才有效。它是一個偏移量，指出緊急數據在數據部分的結束位置。
• 選項 (Options): 長度可變，最大為 40 字節。用于協商 MSS (Maximum Segment Size)、窗口擴大因子、時間戳等。
• 數據 (Data / Payload): 有效載荷，包含應用層的數據。長度可變。

1.2.1 TCP 核心機制

TCP 通過多種機制來保證可靠性和效率：

• 1. 確認應答 (Acknowledgement - 可靠性):

  • 目的: 保證數據的可靠傳輸，發送方需要知道接收方是否成功收到了數據。
  • 機制: 發送方發送數據（攜帶 seq），接收方收到后回復一個 ACK 報文（攜帶 ack），ack 值為 seq + 數據長度，表示期望收到的下一個字節序號。

• 2. 超時重傳 (Timeout Retransmission - 可靠性):

  • 目的: 處理數據包或確認包在網絡中丟失的情況。
  • 機制:
    • 發送丟包: 發送方發送數據后啟動一個計時器。如果在計時器到期前未收到對應的 ACK，則認為數據包丟失，重新發送該數據包。
    • 應答丟包: 接收方發送了 ACK，但在網絡中丟失。發送方未收到 ACK，同樣會觸發超時重傳。接收方收到重復的數據包時，根據序號可以識別并丟棄。
  • 超時時間: TCP 動態計算 RTO (Retransmission Timeout)，基于 RTT (Round-Trip Time) 的測量。
  • 快速重傳: 作為優化，如果發送方收到三個或以上的重復 ACK（指示同一個丟失的包），它會不等超時計時器到期就立即重傳該數據包。

• 3. 連接管理 (Connection Management - 可靠性):

  • 目的: 安全地建立和終止 TCP 連接，確保雙方都準備好收發數據，并且所有數據都傳輸完畢。
  • 三次握手 (Three-Way Handshake - 建立連接):
    1. 客戶端 -> 服務器: 發送 SYN 包 (標志位 SYN=1, seq=x) 請求建立連接。客戶端進入 SYN_SENT 狀態。
    2. 服務器 -> 客戶端: 收到請求后，如果同意連接，則回復 SYN-ACK 包 (標志位 SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1)。服務器進入 SYN_RCVD 狀態。
    3. 客戶端 -> 服務器: 收到 SYN-ACK 包后，回復 ACK 包 (標志位 ACK=1, seq=x+1, ack=y+1)。客戶端進入 ESTABLISHED 狀態。服務器收到此 ACK 后也進入 ESTABLISHED 狀態。連接建立完成。
    • 目的: 確認雙方的發送和接收能力都正常。
  • 四次揮手 (Four-Way Handshake - 斷開連接):
    1. 主動方 -> 被動方: 數據發送完畢后，發送 FIN 包 (標志位 FIN=1, seq=u) 請求關閉連接。主動方進入 FIN_WAIT_1 狀態。
    2. 被動方 -> 主動方: 收到 FIN 后，回復 ACK 包 (標志位 ACK=1, ack=u+1, seq=v)。被動方進入 CLOSE_WAIT 狀態。主動方收到此 ACK 后進入 FIN_WAIT_2 狀態。（此時被動方可能還有數據要發送）
    3. 被動方 -> 主動方: 當被動方也準備好關閉連接（應用層調用 close），發送 FIN 包 (標志位 FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1)。被動方進入 LAST_ACK 狀態。
    4. 主動方 -> 被動方: 收到被動方的 FIN 后，回復 ACK 包 (標志位 ACK=1, seq=u+1, ack=w+1)。主動方進入 TIME_WAIT 狀態（等待 2*MSL 時間，確保最后的 ACK 到達對方）。被動方收到此 ACK 后進入 CLOSED 狀態。主動方等待 TIME_WAIT 結束后也進入 CLOSED 狀態。連接斷開。
    • 目的: 確保雙方數據都傳輸完畢，并各自確認連接關閉。

• 4. 滑動窗口 (Sliding Window - 效率):

  • 目的: 提高傳輸效率，允許發送方在收到一個 ACK 之前連續發送多個報文段。
  • 機制:
    • 發送窗口: 發送方維護一個窗口，表示當前允許發送但尚未收到確認的數據范圍。收到 ACK 后，窗口向前滑動。
    • 接收窗口: 接收方根據自己的緩沖區大小，通過 TCP 頭部的 窗口大小 (Window Size) 字段告知發送方自己還能接收多少數據。
  • 窗口大小限制了在途（未確認）的數據量。

• 5. 流量控制 (Flow Control - 效率/可靠性):

  • 目的: 防止發送方發送數據太快，導致接收方緩沖區溢出而處理不過來。
  • 機制: 接收方通過 TCP 頭部的 16位窗口大小 (Window Size) 字段，告知發送方自己當前可用的接收緩沖區大小。發送方根據這個值動態調整自己的發送速率，確保發送的數據量不超過接收方的處理能力。如果窗口大小為 0，發送方暫停發送數據（除了探測報文）。

• 6. 擁塞控制 (Congestion Control - 可靠性/效率):

  • 目的: 防止過多數據注入網絡導致網絡擁塞（路由器過載、丟包率增加），維護網絡穩定性。
  • 機制: TCP 通過感知網絡擁塞狀況（如丟包、超時）來動態調整擁塞窗口 (cwnd) 的大小，從而控制發送速率。與流量控制（點對點）不同，擁塞控制是全局性的考量。主要算法包括：慢啟動 (Slow Start)、擁塞避免 (Congestion Avoidance)、快速重傳 (Fast Retransmit)、快速恢復 (Fast Recovery)。

• 7. 延遲應答 (Delayed ACK - 效率):

  • 目的: 減少網絡中純 ACK 包的數量，降低協議開銷。
  • 機制: TCP 接收方收到數據后，不立即發送 ACK，而是稍等片刻（比如 200ms 或等待有數據要發回時）。如果這段時間內有數據要發給對方，就可以將 ACK 捎帶在數據包中一起發送。

• 8. 捎帶應答 (Piggybacking - 效率):

  • 目的: 提高傳輸效率，將數據回復和確認應答合并在一個 TCP 報文段中發送。
  • 機制: 當接收方既要發送確認 ACK，又有數據要發送給對方時，將 ACK 信息搭載在包含數據的 TCP 報文段中一起發送，而不是單獨發送一個 ACK 包。

• 9. 面向字節流 (Byte Stream - 特性):

  • 概念: TCP 為上層應用層提供的是一個無邊界的、有序的字節流服務。TCP 不關心應用層發送的消息的邊界。發送方寫入多少次、每次寫多少字節，與接收方讀取多少次、每次讀多少字節沒有必然聯系。

• 10. 粘包問題 (Sticky Packets - 應用層問題):

  • 現象: 由于 TCP 是面向字節流的，接收方從緩沖區讀取數據時，可能一次讀到了多個應用層消息（粘在一起），或者一個消息的一部分。這被稱為“粘包”或“半包”問題。
  • 原因: 這是 TCP 字節流特性在應用層數據處理上的體現，并非 TCP 協議本身的錯誤。
  • 解決方案 (應用層): 需要應用層協議自行解決。常見方法有：
    • 使用固定長度的消息。
    • 在消息之間使用特殊的分隔符（如 \r\n）。
    • 在每個消息頭部添加一個字段來表示該消息的長度。

• 11. 異常情況處理 (Exception Handling):

  • TCP 設計了處理各種網絡異常情況的機制：
    • 丟包 (Packet Loss): 通過超時重傳和快速重傳機制恢復。
    • 包損壞 (Packet Corruption): 通過 16位檢驗和 (Checksum) 檢測。損壞的包會被接收方丟棄，發送方通過超時重傳或快速重傳機制恢復。
    • 失序包 (Out-of-Order Packets): 通過 32位序號 (Sequence Number) 識別。接收方會緩存失序的包，等待中間缺失的包到達后，按序重新組裝并交給應用層。
    • 重復包 (Duplicate Packets): 通過 序號 識別并直接丟棄。
    • 連接重置 (Connection Reset): 如果收到一個指向不存在的連接的報文段，或發生嚴重錯誤，TCP 會發送一個帶有 RST 標志位的報文段，強制中斷連接。在 Java 等應用中，這可能表現為 SocketException: Connection reset。
    • 半打開連接 (Half-Open Connection): 一方異常崩潰（如宕機），另一方不知情。當存活方嘗試發送數據時，會因為收不到 ACK 而超時，或者如果崩潰方恢復并收到舊連接的數據，可能會回復 RST。

1.3 TCP 和 UDP 的對比

特性	TCP (Transmission Control Protocol)	UDP (User Datagram Protocol)
連接性	面向連接 (Connection-Oriented)	無連接 (Connectionless)
可靠性	可靠傳輸	不可靠 (盡力而為 - Best Effort)
傳輸單元	字節流 (Byte Stream)	數據報 (Datagram)
頭部開銷	較大 (至少 20 字節)	小 (固定 8 字節)
傳輸效率	相對較低 (因確認、重傳等機制)	相對較高
流量控制	有 (滑動窗口)	無
擁塞控制	有	無
應用場景	文件傳輸 (HTTP, FTP), 郵件 (SMTP), 遠程登錄 (Telnet, SSH) 等要求高可靠性的場景	實時音視頻傳輸 (RTP), DNS 查詢, SNMP, 直播, 游戲等對實時性要求高、能容忍少量丟包的場景, 以及廣播/多播
應用層問題	可能出現粘包問題 (需應用層解決)	可能出現丟包、亂序 (需應用層處理)

總結: TCP 和 UDP 沒有絕對的優劣之分。它們是程序員可以根據具體應用場景和需求選擇的工具。需要可靠性時選 TCP，需要速度和實時性或廣播時選 UDP。

二、網絡層 (Network Layer)

網絡層位于傳輸層之下，數據鏈路層之上。

• 核心功能: 實現數據包（Packet/Datagram）在不同網絡之間的路由和轉發。它負責將數據從源主機傳送到目的主機，即使它們位于不同的網絡（局域網）中。
• 關鍵任務:
  • 邏輯尋址 (Logical Addressing): 使用 IP 地址 (IP Address) 來唯一標識網絡中的主機和設備。
  • 路由 (Routing): 根據目的 IP 地址，查找路由表，決定數據包的下一跳轉發路徑。路由器 (Router) 是執行此功能的關鍵設備。
  • 轉發 (Forwarding): 將數據包從路由器的輸入端口移動到合適的輸出端口。

2.1 IP 協議 (Internet Protocol)

IP 協議是網絡層的核心協議，是 TCP/IP 協議棧的基石。目前主要有兩個版本：IPv4 和 IPv6。這里主要討論更常用的 IPv4。

• 特點:
  • 無連接 (Connectionless): 發送 IP 數據報前不需要建立連接。每個數據報都獨立尋址和路由，可能走不同的路徑到達目的地。
  • 不可靠 / “盡力而為” (Best Effort Delivery): IP 協議不保證數據報一定能到達目的地，不保證按序到達，也不保證數據報在傳輸過程中不損壞、不丟失或不重復。可靠性由上層協議（如 TCP）負責。

2.1.1 基本概念 (Basic Concepts)

• IP 地址 (IP Address): 一個 32 位（IPv4）或 128 位（IPv6）的數字標識符，用于在網絡中唯一標記一臺主機或網絡接口。IPv4 地址通常寫成點分十進制形式（如 192.168.1.1）。
• 數據報/包 (Datagram/Packet): 網絡層傳輸數據的基本單元，包含 IP 頭部 (Header) 和數據載荷 (Payload)。載荷通常是來自上層（如 TCP 或 UDP）的報文段。
• 路由 (Routing): 路由器根據其內部維護的路由表 (Routing Table)，查找 IP 數據報中的目的 IP 地址，決定將該數據報轉發給哪個下一跳 (Next Hop) 路由器或直接發送給目標主機（如果目標在本地網絡）。
• 分片與重組 (Fragmentation & Reassembly): 當一個 IP 數據報的大小超過了下一跳鏈路的最大傳輸單元 (Maximum Transmission Unit - MTU) 時，發送方（或中間路由器，僅限 IPv4）可以將其分割成多個更小的片段（分片）進行傳輸。每個分片都有自己的 IP 頭部。目標主機的 IP 層負責將接收到的所有分片根據標識信息重新組裝成原始的數據報。

2.1.2 IP 協議頭格式 (IPv4 Header Format)

IPv4 數據報由頭部和數據部分組成。頭部通常為 20 字節（無選項字段時），包含以下關鍵信息：

• 版本 (Version): 4 位。指明 IP 協議版本，IPv4 為 4。
• 首部長度 (IHL - Internet Header Length): 4 位。表示 IP 頭部有多少個 32位字（4字節）。最小值為 5（即 20 字節），最大為 15（60 字節）。
• 服務類型 (Type of Service - TOS / Differentiated Services - DS): 8 位。用于指示期望的服務質量（如低延遲、高吞吐量）。現多被 DSCP/ECN 字段使用。
• 總長度 (Total Length): 16 位。整個 IP 數據報（頭部+數據）的總字節數。最大為 65535 字節。
• 標識 (Identification): 16 位。唯一標識一個數據報。當數據報被分片時，所有分片具有相同的標識號，用于重組。
• 標志 (Flags): 3 位。
  • 第 0 位：保留，必須為 0。
  • 第 1 位：DF (Don’t Fragment) - DF=1 表示禁止分片；DF=0 允許分片。
  • 第 2 位：MF (More Fragments) - MF=1 表示后面還有分片；MF=0 表示這是最后一個分片（或未分片）。
• 片偏移 (Fragment Offset): 13 位。表示該分片的數據部分相對于原始數據報數據部分的偏移量（以 8 字節為單位）。第一個分片的偏移量為 0。
• 生存時間 (Time To Live - TTL): 8 位。數據報在網絡中允許經過的最大路由器跳數。每經過一個路由器，TTL 值減 1。當 TTL 減到 0 時，數據報被丟棄，并通常會向源主機發送一個 ICMP 超時消息。防止數據包在網絡中無限循環。
• 協議 (Protocol): 8 位。指示 IP 包數據部分承載的是哪個上層協議。常用值：1 (ICMP), 6 (TCP), 17 (UDP)。
• 首部檢驗和 (Header Checksum): 16 位。用于校驗 IP 頭部的完整性（注意：僅校驗頭部，不校驗數據部分）。每經過一個路由器，由于 TTL 等字段會改變，需要重新計算校驗和。
• 源 IP 地址 (Source IP Address): 32 位。發送方主機的 IP 地址。
• 目的 IP 地址 (Destination IP Address): 32 位。接收方主機的 IP 地址。
• 選項 (Options): 可變長度 (0 到 40 字節)。用于擴展功能，如記錄路由、時間戳等。實際中較少使用，且會增加處理開銷。
• 填充 (Padding): 如果選項字段存在且長度不是 4 字節的整數倍，則添加 0 比特進行填充，以確保 IP 頭部總長度是 4 字節的整數倍。

2.2 地址管理 (Address Management)

如何有效地分配、組織和使用 IP 地址。

2.2.1 網段劃分 (Subnetting)

• 目的: 將一個大的 IP 網絡（如 ISP 分配的地址塊）劃分成多個更小的、邏輯上獨立的子網絡（Subnet）。這有助于：
  • 網絡管理: 更方便地管理不同部門或區域的網絡。
  • 提高效率: 限制廣播域，減少網絡流量。
  • 增強安全性: 在子網間設置訪問控制。
• 機制: 通過子網掩碼 (Subnet Mask) 來實現。子網掩碼是一個 32 位的值，結構與 IP 地址類似，用于區分 IP 地址中的網絡部分和主機部分。
  • 將 IP 地址和子網掩碼進行按位與 (AND) 運算，可以得到該 IP 地址所在的網絡地址 (Network Address)。
  • 子網掩碼中，值為 1 的位對應 IP 地址的網絡部分，值為 0 的位對應 IP 地址的主機部分。
• 示例:
  • IP 地址: 192.168.1.100
  • 子網掩碼: 255.255.255.0 (二進制 11111111.11111111.11111111.00000000)
  • 網絡地址 = 192.168.1.100 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0
  • 在這個例子中，前 24 位 (192.168.1) 是網絡部分，后 8 位是主機部分。
  • 該子網可容納的主機數 = 2^(主機位數) - 2 = 2^8 - 2 = 254 臺。（減去全 0 的網絡地址和全 1 的廣播地址）。
• CIDR (Classless Inter-Domain Routing - 無類別域間路由):
  • 使用更靈活的表示法：在 IP 地址后面加上 / 和網絡部分的位數（即子網掩碼中 1 的個數）。
  • 例如，192.168.1.0/24 表示網絡部分是前 24 位，等同于子網掩碼 255.255.255.0。
  • CIDR 取代了過去 A/B/C 類地址的劃分方式，使得 IP 地址分配更加高效。

2.2.2 特殊的 IP 地址 (Special IP Addresses)

這些地址具有特殊含義，不能分配給普通主機接口：

• 網絡地址 (Network Address): 主機部分全為 0 的地址（如 192.168.1.0/24）。它代表整個子網，不能分配給單個主機。
• 廣播地址 (Broadcast Address): 主機部分全為 1 的地址（如 192.168.1.255/24）。向該地址發送數據包，會到達該子網內的所有主機。
• 回環地址 (Loopback Address): 127.0.0.1 是最常用的回環地址，整個 127.0.0.0/8 網段都屬于回環地址范圍。它代表本機。發送到回環地址的數據包會直接被本機的 IP 棧接收，常用于網絡軟件測試或本地進程間通信。域名 localhost 通常解析為此地址。
• 全零地址 (Zero Address): 0.0.0.0。通常表示 “任意” 或 “未知” 地址。
  • 在服務器綁定監聽時，0.0.0.0 表示監聽本機所有可用的網絡接口。
  • 在 DHCP 客戶端請求 IP 地址的初始階段，源 IP 地址可能使用 0.0.0.0。
• 受限廣播地址 (Limited Broadcast Address): 255.255.255.255。發往此地址的數據包只會廣播到發送者所在的物理網段 (廣播域)，不會被路由器轉發到其他網絡。

2.2.3 IP 地址的數量限制 (IP Address Quantity Limits)

• IPv4: 使用 32 位地址，理論上最多有 2^32 ≈ 43 億個地址。然而，由于地址分配方式、保留的特殊地址段（如私有地址、回環地址）、網絡和廣播地址的開銷等原因，可用的全球唯一（公網）地址遠少于此數，并且已基本耗盡。
• IPv6: 使用 128 位地址，提供 2^128 ≈ 3.4 x 10^38 個地址。這是一個極其龐大的數字，足以滿足可預見的未來全球所有設備和應用的需求，是解決 IPv4 地址耗盡問題的根本方案。

2.2.4 私有 IP 地址和公網 IP 地址 (Private and Public IP Addresses)

為了緩解 IPv4 地址耗盡問題，并允許組織內部網絡使用 IP 地址而無需向互聯網管理機構申請，RFC 1918 定義了以下三段私有 IP 地址 (Private IP Addresses)：

• 范圍 1: 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (CIDR: 10.0.0.0/8)
• 范圍 2: 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (CIDR: 172.16.0.0/12)
• 范圍 3: 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (CIDR: 192.168.0.0/16)

特點:

• 私有地址: 可以在任何組織內部（如家庭、學校、公司局域網）自由使用和重復使用，無需注冊。這些地址不能在公共互聯網 (Internet) 上進行路由。
• 公網 IP 地址 (Public IP Addresses): 指除了私有地址、特殊地址（回環、廣播等）之外的所有 IP 地址。這些地址需要向互聯網注冊機構（通常通過 ISP）申請獲得，是全球唯一的，可以在互聯網上直接訪問。

NAT (Network Address Translation - 網絡地址轉換):

• 目的: 允許使用私有 IP 地址的內部網絡設備能夠訪問公共互聯網。
• 機制: 通常在連接內部網絡和外部互聯網的路由器（NAT 網關）上實現。當內部主機（使用私有 IP）訪問外部服務器（使用公網 IP）時，NAT 網關將數據包的源 IP 地址從私有 IP 替換為網關的公網 IP（通常還需要轉換端口號，稱為 NAPT 或 PAT）。當外部服務器的響應返回到網關時，網關再根據記錄將目的 IP 地址從公網 IP 換回原來的私有 IP，并將數據包轉發給內部主機。
• 優點: 極大地節約了 IPv4 公網地址；提供了一定程度的內部網絡安全（內部主機不易被外部直接訪問）。
• 缺點: 破壞了端到端的地址透明性；某些依賴端到端連接的應用（如一些 P2P 應用、VoIP）可能需要特殊處理（如 NAT 穿透）。

三、數據鏈路層 (Data Link Layer)

數據鏈路層位于物理層之上，網絡層之下。

• 主要作用: 負責在同一個局域網 (LAN) 內的相鄰節點之間，或者在兩個直接相連的節點之間（點對點鏈路），可靠地傳輸數據幀 (Frame)。它處理的是節點到節點 (Node-to-Node / Hop-to-Hop) 的通信。
• 核心功能:
  • 組幀 (Framing): 將網絡層遞交下來的數據包（如 IP 數據報）封裝成幀，添加數據鏈路層特定的頭部 (Header) 和尾部 (Trailer) 信息。
  • 物理尋址 (Physical Addressing): 使用 MAC 地址 (Media Access Control Address) 來標識源和目的設備的網絡接口卡 (NIC)。
  • 流量控制 (Flow Control): （在某些鏈路類型上）控制發送速率，防止快的發送方淹沒慢的接收方。
  • 差錯控制 (Error Control): 檢測（有時也糾正）在物理線路上傳輸時可能發生的比特錯誤。通常通過在幀尾部添加幀檢驗序列 (Frame Check Sequence - FCS) 來實現檢測（如 CRC 校驗）。出錯的幀通常會被丟棄。
  • 介質訪問控制 (Media Access Control - MAC): 當多個設備共享同一個傳輸介質時（如早期的總線型以太網或現在的 Wi-Fi 無線網絡），需要一套規則來協調誰可以在何時使用介質發送數據，以避免或解決沖突。常見協議有 CSMA/CD (用于傳統以太網) 和 CSMA/CA (用于 Wi-Fi)。

3.1 認識以太網 (Understanding Ethernet)

• 定義: 以太網（Ethernet）是目前應用最廣泛的一種局域網 (LAN) 技術標準（IEEE 802.3 系列標準）。它定義了物理層（如線纜類型、接口、信號編碼）和數據鏈路層（如幀格式、MAC 地址、訪問控制方法）的規范。
• 特點: 技術成熟、成本低廉、速率多樣（從 10 Mbps 到 10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps 甚至更高）、易于部署和管理。
• 演進:
  • 早期: 使用同軸電纜的總線型結構或集線器 (Hub) 連接，所有設備共享帶寬，采用 CSMA/CD 協議避免沖突，工作在半雙工模式。
  • 現代: 普遍使用交換機 (Switch) 連接設備（通常使用雙絞線或光纖）。每個設備連接到交換機的一個獨立端口，交換機基于 MAC 地址進行幀轉發。這使得設備通常可以工作在全雙工模式（同時收發數據），沖突域被大大縮小（每個端口一個沖突域），極大地提高了網絡性能和效率。

3.1.1 以太網幀格式 (Ethernet Frame Format)

以太網傳輸的基本數據單元是幀 (Frame)。最常用的是 Ethernet II (也稱 DIX Ethernet V2) 幀格式：

字段	大小 (Bytes)	描述
目的 MAC 地址	6	接收方網絡接口卡 (NIC) 的物理地址。可以是單播、多播或廣播地址。
源 MAC 地址	6	發送方網絡接口卡 (NIC) 的物理地址。
類型 (Type)	2	指示幀的數據部分（Payload）承載的是哪種上層協議（網絡層協議）。例如：0x0800 表示 IPv4，0x0806 表示 ARP，0x86DD 表示 IPv6。
數據 (Data Payload)	46 - 1500	包含來自上層（網絡層）的數據，如 IP 數據報。如果上層數據不足 46 字節，數據鏈路層會進行填充 (Padding) 以滿足最小幀長要求 (64 字節，不含前導碼)。
幀檢驗序列 (FCS)	4	對整個幀（從目的 MAC 地址到數據部分結束）進行 CRC (Cyclic Redundancy Check) 循環冗余校驗。接收方用它來檢測幀在傳輸過程中是否出現比特錯誤。

注意:

• 最小/最大幀長: 以太網幀（從目的 MAC 到 FCS）的最小長度為 64 字節，最大長度為 1518 字節。
• 前導碼 (Preamble) & 幀起始定界符 (SFD): 在物理傳輸時，每個以太網幀前面還有 7 字節的前導碼（用于時鐘同步）和 1 字節的幀起始定界符 (Start Frame Delimiter)（標記幀的開始）。這兩個字段共 8 字節，有時不計入幀的正式長度。
• IEEE 802.3 格式: 還有一種稍有不同的 IEEE 802.3 格式，它使用相同的 2 字節字段來表示長度 (Length)（如果值 ≤ 1500 或 1536，取決于具體標準），而不是類型。需要配合 LLC 子層來標識上層協議。現代網絡中，Ethernet II 格式更為普遍。

3.1.2 認識 MAC 地址 (Understanding MAC Address)

• 定義: MAC 地址（Media Access Control Address），也稱為物理地址 (Physical Address) 或硬件地址 (Hardware Address)。它是在網絡設備（主要是網卡 NIC）出廠時就被燒錄在硬件中的一個唯一標識符。
• 格式: 一個 48 位 (6 字節) 的二進制數。通常表示為 12 位的十六進制數，并用冒號 (:)、破折號 (-) 或點 (.) 分隔開，每 2 位十六進制數為一組（代表 1 字節）。
  • 示例: 08:00:27:7D:99:A5 或 08-00-27-7D-99-A5 或 0800.277D.99A5
• 唯一性: 由 IEEE（電氣和電子工程師協會）負責管理和分配。
  • 前 3 個字節（24 位）是組織唯一標識符 (Organizationally Unique Identifier - OUI)，由 IEEE 分配給硬件制造商。
  • 后 3 個字節（24 位）由制造商自行分配，確保在其生產的設備中唯一。
  • 理論上，全球每個網絡接口的 MAC 地址都是唯一的（盡管可以通過軟件手段臨時修改或偽造）。
• 作用域: MAC 地址主要用于本地局域網 (LAN) 內部的通信。它用于標識同一廣播域內的具體設備接口。當數據包需要跨越路由器到達另一個網絡時，源和目的 MAC 地址會逐跳改變。

3.2 對比理解 MAC 地址和 IP 地址 (Comparing MAC Address and IP Address)

理解 MAC 地址和 IP 地址的區別與聯系對于掌握網絡通信至關重要。它們在 TCP/IP 協議棧的不同層級工作，共同完成數據從源到目的的傳輸。

特性	MAC 地址 (物理地址)	IP 地址 (邏輯地址)
層級	數據鏈路層 (Layer 2)	網絡層 (Layer 3)
用途	在本地網絡 (同一廣播域) 內唯一標識一個網絡接口卡 (NIC)	在整個互聯網或跨網絡環境中唯一標識一臺主機或路由器接口
作用范圍	本地局域網 (LAN)，不跨越路由器	全局 (公網 IP) 或 跨網絡 (私網 IP 需經 NAT)
地址類型	硬件地址 (通常固化在網卡 ROM 中)	邏輯地址 (軟件配置，可手動設置或通過 DHCP 動態獲取)
格式	48 位，通常表示為 6 字節十六進制數	32 位 (IPv4) 或 128 位 (IPv6)，通常表示為點分十進制等
分配/管理	IEEE 分配 OUI 給制造商，制造商分配后半部分	IANA/RIR/ISP 分配公網地址段，網絡管理員分配內部地址
變化性	通常固定不變 (與硬件綁定)，但可被軟件修改/偽造	可以改變 (主機移動到不同網絡時，IP 地址通常會改變)
誰主要使用	交換機 (Switch) - 根據目的 MAC 地址在本地 LAN 內轉發幀	路由器 (Router) - 根據目的 IP 地址在不同網絡間轉發數據包
數據傳輸中	逐跳改變 (Hop-by-Hop) - 每經過一個路由器，源/目的 MAC 地址都會更新為當前跳發送者和接收者的 MAC 地址	端到端不變 (End-to-End) - 源 IP 和目的 IP 地址在整個傳輸過程中通常保持不變 (NAT 除外)

簡單類比:

• IP 地址 就像你的 家庭住址（例如：XX 市 XX 區 XX 路 XX 號）。這個地址用于跨城市、跨區域的長途通信，標識你的最終目的地，需要郵政系統（相當于路由器）來規劃路線。
• MAC 地址 就像你的 身份證號碼 或者你家門口的 門牌號。當快遞員（相當于數據幀）到達你所在的小區或樓棟（相當于本地網絡/子網）時，他需要根據這個更具體的本地標識（門牌號/身份證）找到你本人（具體的網卡）。在一個小區內部（局域網內）找人，可能直接看門牌號就夠了，不需要寫完整的家庭住址。