网络层(IP协议) && 数据链路层(以太网)

原创已于 2025-09-16 22:50:54 修改 · 1.2k 阅读

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#tcp/ip #服务器 #网络协议 #arm开发 #信息与通信 #信号处理

于 2025-09-16 22:40:00 首次发布

网络协议图

先介绍网络层(IP协议)

一.基本概念

• 主机:配有IP地址,但是不进⾏路由控制的设备;

• 路由器:即配有IP地址,⼜能进⾏路由控制;

• 节点:主机和路由器的统称;

二.协议报文格式

IP协议的复杂程度不亚于TCP，这里就不介绍那么详细，日常开发最多用到传输层就够了，网络层一般不会涉及到

三.IP协议/网络层做的两个工作

1.地址管理：使用IP地址，这样的概念，来表示网络上某个设备的位置

报头属性的介绍

思考：如果基于UDP实现传输超过64kb的数据要怎么设计？

在应用层协议中就可以表示符，指定片偏移，指定标志位

接下来重点讨论32IP地址 (版本IPV4也是现今世界用的最多的)

32位ip地址是否够用？

32位IP地址能表示的数量最多也就42万亿9千多万(2的32次方)，现今能上网的设备早就突破这个数字来，全球的手机电脑，各种只能家具什么的，都需要一个IP地址

不够用了怎么办？

1.动态分配IP地址(治标不治本)

2.NAT网络地址转换(主力方案)

3.IPV6(中级方案) 16个字节来表示ip地址共有2^32 * 2^32 * 2^32 * 2^32 = 天文数字

接下来介绍NAT(网络地址转换)机制

NAT背景下网络通信时如何进行的

1)如果同一个局域网内部的两台设备想通信，是否可以通信？

肯定是没问题的，因为同一个局域网的两台电脑的IP地址肯定是不一样的，可以正常通信

2)两个公网设备进行通信是否可行？

也是没问题的，公网ip都是不重复的，可以正常通信

3)如果两个局域网的两台电脑要通信呢，这两台设备很可能IP地址一样，这时候咋整呢？
当前的规则，是禁止这种情况的！！！！！
如果必要的时间，迫切需要两台设备通信呢？比如两个人在地球的两端发微信通信，这就需要有一个带有外网IP的设备进行中转！

4)局域网内部的设备访问带有外网IP的设备, 是否可行？

可行的，这个过程就涉及到NAT工作机制了

上述是经过IP和端口号经过NAT机制转换的全过程

但是还有一个问题，万一又有一个舍友2的端口号和我俩的重复该怎么办？

这是小概率事件，真出现了也没关系，比如下图舍友2的端口号和我的端口号一样，经过NAT不就跟我的IP冲突了吗

不会的

上述就是NAT机制工作的全过程

5)公网设备尝试访问局域网设备是否可行？

不行！！！公网中只能看到路由器的公网IP，无法直接定位到局域网内的具体设备，相当于给局域网加了一层"隐身保护"。

但是有特殊情况，比如：内网穿透

为什么主流是NAT机制而不是使用IPV6版本？

其实IPv6和NAT诞生的时间差不多，为啥NAT能成功呢，而IPv6举步维艰呢？
是因为IPv6和IPv4不兼容，要想升级IPv6，就要更换路由器设备==>花钱
（升级IPv6不会提高网速，更不会提高流畅性）
相比之下，NAT方案只需要路由器开发商开发出新版本的软件（路由器固件），升级软件，即可直接支持（成本非常低）

中国IPV6的普及程度非常高，但是只是普及还没使用，想要使用随时可以大规模更换，主要原因分配IPV4的IP地址的分配权在美国手里，在中美关系下行的局势下，美国一旦不给中国分配IP地址，分分钟让中国全国都不能通信，虽然IPV6美国有话语权，但是中国也有

IP地址的组成

IP地址分为两个部分：网络号+主机号
网络号：标识网段（局域网），保证相互连接的两个网段具有不同的标识
主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号

如果手动把路由器网络号设置成与相邻局域网的网络号，那么这两个路由器都无法通信

子网掩码

特殊IP地址

强制要求

习惯用法

小结

2.路由选择

上面介绍的知识,主要是IP 协议如何管理地址的.(地址管理)
IP 协议的另一个重要的功能,路由选择.(数据报在 IP 协议下是如何进行传输的)
互联网,整体来说,非常庞大,复杂.任何一个路由器,都无法认识到网络的全貌!!

在高德地图上,如果你搜一个目的地,就能够规划处几条路线.地图软件路径规划,是站在全局的角度,地图服务商这边能够知道整个的城市道路情况, 交通情况做出一个"最优解"但是路由器,无法做到理解全貌,只能认识部分网络环境 (路由器能够知道和它相邻的一些设备的情况)
在这个前提下,进行路由转发,就只能"摸着石头过河”,走一步算一步,这里给出的路径,也不一定是最优解,只能说是"较优解”

路由器转发数据的过程,类似于"问路"

比如↓

四.数据链路层

在这里只简单的介绍以太网协议

以太网协议不只是数据链路层的协议还包含更下一层的物理层

但凡你的电脑是通过网线上网的走的协议就是以太网协议，网线==以太网线

通过WiFi上网走的是801.11协议

以太网数据帧

这里就有一个问题：IP地址和mac地址有啥区别，有了IP地址为啥还有mac地址?

其实理论上来说，网络通信中,有一组地址,就够用了
最初构建网络层协议的大佬和构建数据链路层协议的大佬,不是一伙人~~
发明之前没讨论，所以都发明出来了，但是发明出来之后谁也不服谁，就都留下了
IP 就专门给网络层使用,mac 专门给数据链路层使用~~
程序员日常开发的时候,基本都是和 IP 打交道,不会涉及到 mac

IP 是在网络层使用,关注于整个网络路径的转发传输过程
Mac 是在数据链路层使用,关注与转发的细节,两个相邻设备之间的转发~~

举个例子

因此我们在通讯的时候，只需要自动填写对方的IP地址，操作系统会查询arp表，自动获取对方的MAC地址，从网卡发出

以太网数据帧其他属性

第二种数据类型发送接收ARP

第三种就不介绍了

三.DNS域名解析系统

平时我们上网要访问服务器，需要知道服务器的IP地址，而IP地址是渔船数字，虽然这个数字使用点分十进制已经清晰不少了，但是仍然不方便人们传播记忆，于是就使用单词来代替IP地址
使用baidu，taobao等单词来代替IP地址
这样的单词就称为域名，实践中为了保证域名的唯一性，域名往往是分级
www.baidu.com com是一级，baidu是二级，www是三级
域名是给人看的，但是机器不认识，于是就有一套系统，把域名自动翻译成IP地址，这个系统就是DNS