前言：

學習計算機網絡不僅是軟件開發的基礎功，更是成為一名合格后端工程師、網絡工程師的重要門檻。本文將基于 TCP/IP 協議體系，系統梳理網絡層、數據鏈路層、以及相關協議的核心知識，并結合實際案例與代碼示例幫助理解。

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一、網絡層：為數據尋找最佳路徑

網絡層的核心作用是在復雜的網絡環境中找到一條合適的路徑，把數據從源地址送到目標地址。

1. IP協議基礎

• 主機與路由器：主機有IP但不做路由控制，路由器既有IP又能進行路由轉發。
• 協議頭結構：包含版本號、頭部長度、TOS服務類型、總長度、標識與分片信息、TTL、生存時間、協議類型、校驗和、源/目標IP等字段。

示例：查看本機IP和路由信息

# 查看本機IP、MAC、MTU
ifconfig# 查看路由表
route -n

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2. 網段劃分與子網掩碼

• 通過子網掩碼區分網絡號和主機號，解決傳統 A/B/C 類地址浪費問題。
• CIDR 提高了IP利用率，例如 192.168.1.1/24 表示高 24 位為網絡號。
• DHCP 自動分配IP，減少人工配置。

示例：計算網絡號

import ipaddressip = ipaddress.ip_interface("192.168.1.100/24")
print("IP地址:", ip.ip)
print("網絡號:", ip.network)

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二、數據鏈路層：在相鄰節點之間可靠傳輸

數據鏈路層負責在同一鏈路上的兩個節點間傳遞數據。

1. 以太網與MAC地址

• 以太網是一種局域網技術標準，規定了拓撲結構、訪問控制、傳輸速率等。
• MAC地址是硬件唯一標識，長度48位，通常以16進制表示。

示例：查看本機MAC地址

ifconfig | grep ether

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2. MTU與分片

• 以太網最大傳輸單元（MTU）為1500字節。
• 超過MTU的大包會被分片，UDP/TCP都會受其影響。
• TCP通過MSS協商避免不必要的分片。

示例：修改MTU

sudo ifconfig eth0 mtu 1400

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三、ARP協議：IP與MAC之間的橋梁

ARP（地址解析協議）用于在已知IP的情況下，獲取對應MAC地址。

示例：查看ARP緩存表

arp -a

Python示例：發送ARP請求（需scapy庫）

from scapy.all import ARP, Ether, srptarget_ip = "192.168.1.1"
arp = ARP(pdst=target_ip)
ether = Ether(dst="ff:ff:ff:ff:ff:ff")
packet = ether/arpresult = srp(packet, timeout=2, verbose=False)[0]
for sent, received in result:print(f"IP: {received.psrc}, MAC: {received.hwsrc}")

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四、其他關鍵協議與技術

1. DNS域名解析

• 將域名映射到IP地址。
• 解析過程會先查本地hosts文件，再查詢DNS服務器。

示例：使用 dig 查看解析過程

dig www.baidu.com

Python示例：域名解析

import socket
print(socket.gethostbyname("www.baidu.com"))

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2. ICMP協議

• 用于網絡診斷和錯誤報告，如 ping、traceroute。
• 注意：ICMP是網絡層協議，沒有端口號。

示例：測試網絡連通性

ping www.baidu.com
traceroute www.baidu.com

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3. NAT與NAPT

• NAT將私有IP映射為公網IP。
• NAPT通過端口號映射支持多主機共享公網IP。

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4. 代理服務器

• 正向代理：客戶端通過代理訪問外部資源。
• 反向代理：代理作為緩存或負載均衡中間層。

示例：Python設置HTTP代理

import requestsproxies = {"http": "http://127.0.0.1:8080","https": "http://127.0.0.1:8080"
}response = requests.get("http://httpbin.org/ip", proxies=proxies)
print(response.text)

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五、總結

• 數據鏈路層：關注MAC地址、MTU、以太網標準、ARP。
• 網絡層：理解IP地址結構、路由機制、NAT原理、ICMP功能。
• 傳輸層：掌握端口號概念、TCP/UDP特性。
• 應用層：了解HTTP、DNS、代理等技術的工作流程。

掌握這些基礎知識，不僅能幫助理解互聯網的運作原理，也能為編程、網絡配置、排錯提供堅實的理論基礎。