网络层概述

网络层两个核心作用

图中符号	现实物流类比	具体作用
主机 A / 主机 B	发件人 / 收件人	数据的真正起点（A）和终点（B）。
网络 N1~N6	某个小区 / 某个城市	比如 “N1 是北京朝阳区”，“N2 是上海浦东新区”。它是路由器连接的一个区域。
路由器 R1~R4	物流集散中心 / 中转站	路由器是网络层的核心设备。它的任务是：接收数据包，决定往哪条路走，然后转发出去。

路由寻址

通过路由器的路由表算出最优的路径，

例如是走A->N1->R1->N2->R2->N3->B

还是A->N1->R1->N4->R4->N6->R3->N5->R2->N3->B

分组转发

将数据切割成一个个小数据包，然后让路由器转发

网际协议IP

网际协议IP是TCP/IP体系结构网际层中的核心协议，注意区分网际协议IP，传输控制协议TCP

什么是网际协议IP？

IP协议是互联网世界的统一的底层规则，所有要上网的设备（手机，电脑，服务器），必须严格遵守这个协议，才能在互联网中传输数据

IP协议的3大核心作用

1.编址寻址：给每台上网设备分配全球唯一的IP地址

2.路由与转发：让数据包跨网络，跨地域，从源主机一站站传到目的主机

3.封装与解封：把上层应用数据（比如微信文字/视频）打包成标准IP数据包，到达目的地再拆包

IP协议核心特点

1.无连接：发数据包前不需要提前建立连接，不确认对方是否收到

2.不可靠（尽最大努力交付）：不保证数据包100%可以到达，不保证顺序，不保证不丢包

3.透明传输：不管上层传的是文字，视频，语音，IP协议都一视同仁，只负责转发，不修改内容

这里给大家梳理一下思路：

网络层存在的原因是什么？

网络层存在的终极目的就是实现异构型网络互连；让全世界技术，协议，介质完全不相同的网络（比如你家的WiFi，你朋友的5G，小区的光纤网）能够实现互相通信，实现全球范围内端到端数据传输

网络层怎么实现异构型网络互连的？（核心功能）

路由寻址+分组转发，这也是网络层区别其他层的核心标志：

数据链路层：只负责同一个局域网内的传输（比如你家WiFi里手机到路由器）

网络层：负责跨网络，跨地域的传输，必须靠【路由选择+分组转发】才能实现

1.路由寻址：路由器根据目标地址，算出从源主机到目标主机的最优传输路径

2.分组转发：把数据切成一个一个小数据包，按照选好的路线，一站站接力转发到目标地

网络层是怎么实现核心功能的？（核心工具/协议）

IP协议；这是底层规则，给每台设备分配唯一的IP地址，统一封装数据包，屏蔽底层网络差异，让路由和转发成为可能

IPv4地址的表示方法及其编码方式

IPv4地址的编址方式经历了三个历史阶段：

分类编址（二级结构：网络号+主机号）->划分子网（三级结构：网络号+子网号+主机号）->无分类编址（二级结构：网络前缀+主机号）

表示方法：

IPv4地址由32位二进制数，用点分十进制表示

知识拓展：

网卡：

计算机"接受数据"的物理硬件，负责把设备连接到网络，把电信号转化为网络可以懂的语言

分为两种：

有线网卡（插网线的口）和无线网卡(连WiFi的模块)

就像我们手机的SIM卡槽，没有它，手机就不能打电话，上网

MAC地址

网卡的身份证号，出厂时烧录在硬件里，通常不可更改。全球唯一，格式如 00:1A:2B:3C:4D:5E。

它是局域网内找设备的底层标识

子网掩码

它是一种规则，用来判断另一台计算机是“内人”（同处于一个局域网下，比如家里面的WiFi，手机，电脑，电视都是连着同一个WiFi）还是“外人”（互联网，彼此之间的通信则需要经过网关）

例如：

我的ip是“192.168.1.5

我的字码掩码是：255.255.255.0

子网掩码决定了哪些段是固定的，哪些段是可以变化的。

255：完全固定

0：随意变化（0-255）

所以只要子网在192.168.1.0到192.168.1.255之间的都属于子网

，可以直接通过MAC寻址找到另一台设备

网关

网关通常就是路由器，如果想访问外网（百度，抖音，微信），则需要通过网关联通互联网。网关通常有两个接口，一个是内网网关，一个是外网网关，我们在Windows电脑上使用ipconfig命令时看到的默认网关，就是内网网关。外网网关就是运营商分配给我们的公网ip，这是路由器连接光猫、连接运营商网络的接口。

IPv4地址的分类编址方法

ipv4地址由网络号+主机号组成

主机号：标识同一网络内的具体设备，同一网络内，所有设备的主机号必须唯一

网络号：标识设备所在的网络，同一网络内，所有设备的网络号相同

网络地址：作为一个网段的标识，代表这个网段的集合，通常是该网段的第一个地址，不分配给任何主机使用

广播地址：用于向同一个网络中所有的设备发送数据包，通常作为该网段的最后一个地址

IPv4编址方法

子网划分

为什么要子网划分？

1.减少广播流量，提高广播效能。如果不划分子网，一个地址通过广播地址发送，所有的设备都会收到，即使有的设备不需要。浪费资源

2.提高IP地址利用率，避免浪费。设备很少，但是地址很多，会导致闲置浪费，划分子网给不同的部门，提高利用率

无分类编址（CIRD）

为什么要有这个？

在 CIDR 之前，IPv4 地址是按固定分类分配的：

A 类：前 8 位网络号，主机号 24 位 → 一个 A 类网络有 1600 多万个地址（太大了，浪费严重）

B 类：前 16 位网络号，主机号 16 位 → 一个 B 类网络有 65534 个地址（很多组织根本用不完）

C 类：前 24 位网络号，主机号 8 位 → 一个 C 类网络只有 254 个可用地址（小公司不够用）

问题：

要么太大（浪费），要么太小（不够），没有中间选项。

路由表爆炸，因为每个 C 类网都要单独一条路由记录。

解决方案：CIDR（1993 年提出，RFC 1517-1519）。
它彻底抛弃了 A/B/C 类，采用可变长度的网络前缀。

怎么表示？

斜线记法：

例如：128.14.35.7/20

从左往右，前20位是网络前缀，代表网络号，后12位是主机号

什么是【路由信息】？

路由器里面有路由表，里面记录着两件事：

1.目标网络：数据包要去的目标地址段

下一跳：这个数据包该发往哪个路由器

什么是【路由聚合】？

就是把多个连续的小网络，合成一个大的网络前缀，让路由条目变少

IPv4地址的应用划分

1.定长子网掩码：容易造成浪费，平均分配

2.可变子网掩码：提高利用率，按需分配

IPv4地址与MAC寻址

接下来，我们举一个具体【微信发送消息】的的例子来讲解一下

例如：

你给你朋友【发消息：今晚吃火锅吗？】，点击发送之后，此时应用层发挥作用。

应用层作用

微信会把消息+自己的协议数据打包成应用层报文（软件按照自己的规则打包业务数据）

大概这样：

【消息ID: msg_20250520_123456】

【发送人ID: wxid_abc123xyz】

【接收人ID: wxid_def456uvw】

【消息内容: 今晚去吃火锅吗？】

【加密校验: xF9sK7p2】

【时间戳: 2025-05-20 18:30:22】

但是需要注意的是，数据报文只是应用层的最终生成的数据，但并不是所有的软件生成的数据报文都一样

例如：

【微信】：消息+微信自己的聊天协议

打包成：

---

消息ID: msg_20250520_123456

发送人ID: wxid_abc123xyz

接收人ID: wxid_def456uvw

消息内容: 今晚去吃火锅吗？

...

---

【浏览器】：操作+http协议

比如：把访问百度这件事，写成http格式

---

GET / HTTP/1.1 Host: baidu.com

---

由此可以看出，只是软件不同，他们的报文的格式也不同，但是他们的层级都一样，都是应用层的产物

特点：没有IP，MAC，没有端口，只关心内容

接下来，报文进入【运输层】

运输层的作用

运输层会给报文加上一个运输层首部 （TCP首部）

首部写清楚：

        源端口：53000（你的微信）

        目标端口：443（微信服务器）

作用：标记是哪个软件进程发送的，要发送给哪个软件进程，让收到数据的设备知道把数据交给微信APP，而不是其他软件（QQ，浏览器）

特点：现在数据有了“端口标识”，但是还没有IP和MAC地址

这里再来讲解一下知识点

什么是端口？

是运输层用于标识同一台主机内不同的应用程序/进程的编号，是一个0~65535的数字

作用：当数据到达一台主机后，端口号告诉操作系统这条数据应该交给哪个软件处理

什么是TCP协议（传输控制协议）？

是一种面向连接，可靠的传输层控制协议

作用：在通信双方之间建立可靠连接，保证数据不丢失，不错乱，不重复，并在丢包时自动重发

接下来就到网际层

网际层的作用

网际层会给运输层下来的数据【TCP首部+应用层报文】加上一个IP首部

首部写清：

源IP：192.168.1.10（你的手机地址）

目的IP：120.232.145.148（微信服务器IP）

网际层的主要作用是路由寻址+路由转发

主要负责的是在整个互联网中设备到设备的查找转发

接下来到数据链路层

数据链路层的作用

给上面的IP数据报【IP+TCP+报文】加帧首部和帧尾部

帧首部写清源MAC（你的手机），目标MAC（你家路由器LAN口MAC）

帧尾部是校验码，检查数据传输中有没有出错

作用：在当前这一段链路内找到下一个设备

MAC地址只在当前的局域网有效，出了你家WiFi就会被换掉

需要注意的是，IP地址固定不变，但是MAC地址会一直在变

例如你家的局域网内：

你的手机MAC地址->路由器 LAN口的MAC

出了你家局域网：

路由器WAN口MAC->运营商设备MAC

最后进入物理层

物理层的作用

把完整的数据帧换成0/1组成的无线电波，通过WIFI发给路由器

特点：转化为物理信号

ARP地址解析协议

所属层级：网际层

作用：通过IP地址，查询获取对应的MAC地址

为什么要有ARP？

1.网际层（IP）：路由计算完毕，确定下一跳IP

2.数据链路层：封装数据帧必填源MAC，目的MAC

但是由于不知道目标的MAC，便无法封装发送不出去，所以必须用ARP查IP对应 的MAC

过程

手机发消息给路由器，不知道路由器的MAC，触发ARP

步骤1：ARP广播请求

在同一个局域网内广播查找目标IP的设备，询问MAC地址，广播所有设备都可以收到

步骤2：目标设备单独回应

步骤3：双方保存ARP缓存表

手机记下：目标IP->路由器MAC

后续在发数据，直接查缓存表，不用广播重复询问，提高效率

IPv4数据报的首部格式

1.IPv4首部 固定最小20字节，后面有可选字段，最大60字节

版本 |  4位

内容：4/6

作用：标识是IPv4协议还是IPv6协议

首部长度 | 4位

最小取值5：5*4=20字节

最大取值15：15*4=60字节

作用：告诉设备IP头部一共多长，方便剥离头部读取数据

生存时间TTL | 8位

原理：每经过一台路由器，数字自动-1

作用：防止数据包无线循环转发

规则：TTL减到0，路由器直接自动丢弃报文，Windows默认128，linux默认64

协议 | 8位

标记IP上层用的是什么协议

常见的固定编号：

6=TCP（微信，网页，购物）

靠谱，稳重，慢一点但不出错

面向连接，数据不丢失，不乱序，不重复

丢包自动重发

17=UDP（抖音直播，视频）

超快，简单，不保证靠谱

不提前连接，直接发出去

不确认，不重发，不管丢不丢包

所读快，开销小

1=ICMP（ping命令）

应用：

分组网间探测ping:测试主机或路由器之间的连通性

路由追踪tracert:探测IP数据报从源主机到达目标主机之间经过哪些路由器

网络侦察，测试，报错专用协议

询问报文

测试网络通不通

差错报告报文：

网络报错：目标不可达，网络拥堵，TTL超时

首部校验和

作用：只校验IP首部有没有传输损坏

虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

NAT地址转换

把内网设备的私有IP转换成公网IP，让多台内网设备能共享少量公网IP访问互联网

工作在：路由器（网络层）

为什么要有NAT？

1.全球的公网IPv4地址数量有限，不够用

互联网只认公网

两种NAT

【SNAT】源地址转换
方向：内网 → 外网
场景：公司几十人共用 1 个公网 IP 上网

【DNAT】目的地址转换
方向：外网 → 内网
场景：把公网 IP:8080 映射到内网 192.168.1.50:8080

VPN虚拟专用网

在开放，公共的互联网上，强行搭建一条加密，封闭，专属的虚拟隧道

运输层 （核心协议：TCP、UDP）

需要注意的是，这是TCP/IP模型，把数据链路层和物理层合并了，叫网络接口层。

TCP/IP是工程实践出来的模型，不是教科书式的完美分层。

---

TCP传输控制协议

为其上层提供面向连接，可靠的数据传输服务使用TCP通信的双方，在传输数据之前必须首先建立TCP连接（逻辑连接而非物理连接），数据传输结束之后必须释放TCP连接

什么叫面向连接？

发数据之前先“握手”，确认对方在线且能接收

源主机发送请求->目标主机确认请求->源主机确认目标主机收到请求

这就是著名的TCP三次握手协议，三次握手完成之后，才开始发数据

什么叫可靠？

TCP通过三个机制来保证数据完整，按序，不重复的送到

机制1：编号+确认（ACK）

源主机把一整个数据切割成许多小小的数据包，每一个小数据包都有编号（1，2，......10000）

每发送一个小数据包。目标主机收到后必须回复：收到了第3个数据包了（ACK=3）

如果源主机没有收到确认回复，就知道这个小数据包丢失了

机制2：超时重发

源主机发送的编号为5的数据包后，等了2秒没收到确认回复，TCP自动重发编号为5 的数据包，直到收到确认为止

机制3：按序组装+去重

编号2的数据包走的比编号3的数据包慢，目标主机先把编号3的数据包缓存起来，第编号2的数据包到了再按照1->2->3的顺序组装起来

如果因为网络抖动收到两份编号4的数据包，则TCP会自动丢弃重复的一份

使用场景

http/https（网页），SMTP（邮件）,FTP(文件传输) ---------所有不能丢数据的场景

例如，网页数据量大，（HTML,CSS,JS,图片），TCP保证不丢，不错，按序

用户数据报服务UDP       ---不可靠传输

特点：无连接，不可靠，快

无连接：直接发，不握手

不可靠：不保证送达，不保证顺序，丢了不管

快：头部开销小，没有重传等待

使用场景：DNS（域名解析）,RTP（视频/直播）

运输层的端口号，复用与分用的概念

端口号

端口号就操作系统是用来区分同一台设备上具体是哪个网络程序

范围	名称	谁在用	实习/日常例子
0 ~ 1023	熟知端口（Well-known）	系统保留，不能随便占用	80（HTTP网页）、443（HTTPS加密网页）、22（SSH远程登录）、53（DNS）
1024 ~ 49151	登记端口（Registered）	常用软件默认注册使用	3306（MySQL数据库）、6379（Redis缓存）、8080（测试环境/代理）、27017（MongoDB）
49152 ~ 65535	动态/私有端口（Dynamic/Private）	操作系统临时分配给客户端	你手机上的微信、抖音、浏览器打开网页时，系统随机从这里面挑一个

 

因为端口号在TCP/IP头部占16个比特（2字节），2的16次方是65536，所以端口的范围是0~65536

常见端口：HTTP 80、HTTPS 443、SSH 22、MySQL 3306、Redis 6379 DNS 53

复用和分用

复用和分用本质上是很多APP共用同一个通道发数据和到了之后按照编号分发给对应的APP

概念	方向	一句话
复用	发送方（从上到下）	手机上的微信、抖音、浏览器……很多个 App，共用同一个运输层（TCP/UDP）和同一个 IP 地址发数据
分用	接收方（从下到上）	数据包到了你的手机/电脑后，运输层根据端口号拆开，精准递给对应的 App

复用：多个上层应用，复用同一个下层运输层服务

例如：

微信的数据  ──┐
             ├──► 运输层（TCP）──► 网际层（IP）──► 网络接口层（WiFi）──► 互联网
抖音的数据  ──┤      （统一贴上不同端口号）
             │
浏览器的数据 ─┘

三者共用一个IP地址，共用一个TCP协议栈，但是运输层给每一个APP的数据贴上不同的端口号，防止混在一起

分用：运输层根据端口号将不同的数据分发给不同的应用程序

互联网 ──► 网卡 ──► 运输层（TCP）───┬──► 端口号 54000 → 交给微信
                                                                        ├──► 端口号 62001 → 交给抖音
                                                                        └──► 端口号 52138 → 交给浏览器

TCP和UDP的区别

对比项	TCP	UDP
连接	面向连接：发数据前必须三次握手	无连接：直接发，不握手
可靠性	可靠：不丢、不错、不乱序、不重复	不可靠：可能丢、可能错、可能乱序
速度	慢（握手+确认+重传需要时间）	快（没有额外开销）
头部大小	大（至少 20 字节）	小（8 字节）
传输单位	报文段（Segment）	数据报（Datagram）
典型场景	浏览器网页、微信传文件、发邮件	DNS 查询、王者荣耀、抖音直播、视频通话

TCP三次报文握手连接

前提知识储备：

SYN：标志位，请求建立连接

seq:序号，随机生成

ACK：标识位：确认SYN

第一次握手

客户端->服务器

        客户端发送：

                SYN = 1                // 标志位：请求建立连接
                seq = x                // 序号：我这次发送的起始字节编号是 x（随机生成）

客户端从 closed -> SYN-SENT

第二次握手

服务器->客户端

        服务器收到第一次握手之后，回复：

                SYN = 1                // 标志位：我也请求建立连接（双方都要同步序号）
                ACK = 1                // 标志位：确认收到你的 SYN
                seq = y                // 序号：我这次发送的起始字节编号是 y（随机生成）
                ack = x + 1            // 确认号：我期待你下次从 x+1 开始发

服务器从 listen -> SYN -> RCVD

第三次握手

客户端->服务器

        客户端收到第二次握手之后：，回复：

                ACK = 1                // 标志位：确认收到你的 SYN
                seq = x + 1            // 序号：我从 x+1 开始发（呼应服务器的 ack）
                ack = y + 1            // 确认号：我期待你下次从 y+1 开始发

为什么不能是两次握手？

第一点：服务器不知道自己发送的能力是否被客户端验证

第二点：防止“历史重复连接”浪费资源

• 你手机发了两次 SYN，第一次的卡在路由器里

• 第二次的正常建立了连接、传完数据、关闭了

• 半小时后，第一次的旧 SYN 突然到达服务器

• 如果是两次握手：服务器直接回复 SYN+ACK，进入 ESTABLISHED，分配内存傻等

• 但你手机早不管这个旧连接了，不会回第三次 ACK

• 服务器资源白白浪费

三次握手能避免： 服务器回复 SYN+ACK 后，必须等第三次 ACK。等不到？就知道这是废连接，直接扔掉，不分配资源。

四报文挥手断开TCP连接

分四步：“我说完了”，“我知道了”，“我也说完了”，“我知道了”，才能彻底断开连接

DNS域名系统

因特网采用层次树状的域名结构

域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用.隔开，分别代表不同级别的域名

·····.三级域名.二级域名.顶级域名

例如，湖南科技大学网络信息中心的域名

nic（四级域名，学校自行管理的国家信息中心  ）.hnust（三级域名，湖南科技大学）.edu（其下注册的二级域名，表示教育机构）.cn(表示中国，顶级域名)

解析过程

                                         在 Edge 输入 www.baidu.com

第0步：浏览器缓存（最快）

第1步：查操作系统本机DNS缓存

cmd命令：ipconfig /displaydns

第2步：hosts文件（本地硬编码）

Windows：C:\Windows\System32\drivers\etc\host

这个文件里可以手写规则：

        127.0.0.1    localhost
        192.168.1.50    test.mycompany.com

如果在 hosts 里找到了 www.baidu.com 对应的 IP，直接返回，不再问任何 DNS 服务器。

第3步：路由器缓存（本地DNS代理）

hosts 没找到？请求发给你家路由器。很多路由器自带 DNS 缓存，或者帮你转发给运营商 DNS。

第4步：公网DNS查询

两种查询方式：递归查询/迭代查询