计算机网络核心概述：网络通信协议及传输流程深度解析

前言：

网络背景：网络的发展

网络分层思想；OSI七层模型、TCP/IP四层模型

TCP/IP网络协议栈理解

网络传输基本要素：局域网 & 跨网络传输基本概念

[1. 计算机网络背景（网络产生的必然性）](#1. 计算机网络背景（网络产生的必然性）)
[2. 初识协议](#2. 初识协议)
- [2.1 网络协议概念](#2.1 网络协议概念)
- [2.2 能定制协议标准的组织或公司主要有以下几类（了解）](#2.2 能定制协议标准的组织或公司主要有以下几类（了解）)
- [2.3 网络协议的分层思想](#2.3 网络协议的分层思想)
- - [2.3.1 为什么要分层](#2.3.1 为什么要分层)
- [2.4 什么是网络协议栈](#2.4 什么是网络协议栈)
- [2.5 网络分层模型](#2.5 网络分层模型)
- - [2.5.1 OSI七层模型（了解）](#2.5.1 OSI七层模型（了解）)
  - [2.5.2 TCP/IP四层(或五层)模型](#2.5.2 TCP/IP四层(或五层)模型)
[3. TCP/IP网络协议栈](#3. TCP/IP网络协议栈)
- [3.1 为什么要有TCP/IP协议？](#3.1 为什么要有TCP/IP协议？)
- [3.2 什么是TCP/IP协议？](#3.2 什么是TCP/IP协议？)
- [3.3 TCP/IP协议栈](#3.3 TCP/IP协议栈)
- [3.4 TCP/IP协议与操作系统的关系(宏观上，怎么实现的)](#3.4 TCP/IP协议与操作系统的关系(宏观上，怎么实现的))
- [3.5 所以究竟什么是协议？（了解）](#3.5 所以究竟什么是协议？（了解）)
[4. 网络传输基本要素（MAC地址 & IP地址）](#4. 网络传输基本要素（MAC地址 & IP地址）)
- [4.1 局域网网络传输](#4.1 局域网网络传输)
- - [4.1.1 局域网(以太网为例)通信原理](#4.1.1 局域网(以太网为例)通信原理)
  - [4.1.2 认识MAC地址](#4.1.2 认识MAC地址)
  - [4.1.3 以太网核心特点及通信原理](#4.1.3 以太网核心特点及通信原理)
  - [4.1.4 TCP/IP 分层通信的通用核心概念](#4.1.4 TCP/IP 分层通信的通用核心概念)
  - [4.1.5 数据包封装和分用](#4.1.5 数据包封装和分用)
- [4.2 跨网络传输（IP地址）](#4.2 跨网络传输（IP地址）)
- [4.3 对比IP地址和Mac地址的区别](#4.3 对比IP地址和Mac地址的区别)

1. 计算机网络背景（网络产生的必然性）

网络发展的四个阶段

独立模式：计算机之间相互独立;	网络互联：多台计算机连接在一起, 完成数据共享;

局域网LAN：计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在一起;	广域网WAN: 将远隔千里的计算机都连在一起;

所谓 "局域网" 和 "广域网" 只是一个相对的概念。例如，某些覆盖范围较广的专用网络，在逻辑上也可视为一个大型局域网。

2. 初识协议

2.1 网络协议概念

😊网络协议 是计算机网络中不同设备（如服务器、客户端、路由器）之间进行数据交换时遵循的一套标准化规则集合，它定义了数据的传输格式、编码方式、传输时序、错误处理、寻址方式等核心细节，本质是 "网络通信的语言"------ 就像人类沟通需要共同的语言语法，不同设备 / 程序要实现有效数据交互，必须遵守统一的协议规范，否则数据会变成 "无意义的字节流"，无法被对方解析。

2.2 能定制协议标准的组织或公司主要有以下几类（了解）

国际标准化组织：

IEEE（电气和电子工程师协会）：这是一个由计算机和工程领域专家组成的庞大技术组织，在通信协议领域贡献突出。IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，包括IEEE 802系列标准，这些标准涵盖了从局域网（LAN）到广域网（WAN）等多种网络技术。
++ISO（国际标准化组织）++：ISO是由多个国家的标准化团体组成的国际组织，它在开放系统互连（OSI）模型方面的工作尤为著名。OSI模型定义了网络通信的七层协议结构，尽管在实际应用中，TCP/IP协议族更为普遍，但OSI模型仍然在学术和理论研究中占有重要地位。
ITU（国际电信联盟）：ITU是联合国下属的专门机构，负责制定电信领域的国际标准。ITU-T制定的标准涵盖了电话和网络通信，与ISO合作确保了通信技术的全球兼容性和互操作性。

区域标准化组织：

ETSI（欧洲电信标准学会）：由欧洲共同体各国政府资助，是一个由电信行业的厂商与研究机构参加并从事研究开发到标准制定的组织。
ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）：1998年由日本与韩国发起成立的标准化组织，旨在加强亚洲与太平洋地区各国信息通信基础设施及其相互连接的标准化工作的协作。

公司：

某些公司，如泰凌微，也自研各种标准的软件协议栈，包括低功耗蓝牙、zigbee、thread及Matter等，并可进行定制化改动，这是____3 16.00 Tf其核心竞争力之一。泰凌微还计划重点发展智能电子价签、智能遥控、智能家居等市场。

民间国际团体：

IETF（互联网工程师任务组）：这是一个负责开发和推广互联网协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新的或者取代老的协议标准。

官方机构：

FCC（联邦通信委员会）：美国对通信技术的管理的官方机构，主要职责是通过对无线电、电视和有线通信的管理来保护公众利益。也对包括标准化在内的通信产品技术特性进行审查和监督。

以上这些组织或公司都能在一定程度上定制协议标准，以满足特定需求或推动技术发展。

2.3 网络协议的分层思想

2.3.1 为什么要分层

网络通信是跨硬件（网卡、路由器）、软件（操作系统、应用程序）、异构设备（Linux 服务器、Windows 客户端、嵌入式终端）的复杂协同过程。若直接设计一套单一协议覆盖从物理传输到业务交互的所有逻辑，会导致：

① 职责混乱（如同时处理 "电线传输信号" 和 "用户登录数据格式"）；

② 耦合度极高（修改任一细节需全盘调整）；

③ 兼容性差（不同设备的硬件特性、软件架构无法适配统一规则）；

④ 维护与迭代困难（代码量庞大、逻辑缠绕，故障定位成本高）。

为此，行业提出网络分层模型（如 TCP/IP 四层模型、OSI 七层模型），其核心设计思想主要核心价值是"解耦、标准化和互操作性、故障定位高效化、可扩展性提高"

😉协议本质也是软件，在设计上为了更好的进行模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的

😂网络协议分层的好处举例

在这个例子中，我们的"协议"只有两层：语言层、通信设备层。
但是实际的网络通信协议，设计的会更加复杂，需要分更多的层。
但是通过上面的简单例子，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低。

网络协议栈就是分层的。

2.4 什么是网络协议栈

网络协议栈（Network Protocol Stack）是指：按分层模型（如 TCP/IP）的逻辑，将各层级协议的软件实现、硬件适配、接口调用逻辑整合而成的 "协同工作框架"。它是分层模型的 "落地形态"------ 分层模型是 "理论规则"，协议栈是 "实际可运行的代码 + 硬件交互逻辑"。

从本质上看，协议栈是一套 "自上而下、从软件到硬件" 的协同体系：上层协议依赖下层协议提供的服务，最终通过最底层的硬件（如网卡）完成数据的物理传输；接收数据时则相反，从硬件到软件、自下而上逐层解析。

2.5 网络分层模型

2.5.1 OSI七层模型（了解）

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层模型是网络通信的逻辑化参考规范，仅作为统一分层指引，无强制落地实现，核心以 "分层解耦" 为设计逻辑，为跨系统、跨网络的可靠数据传输提供框架支撑。

模型将网络通信逻辑划分为 7 层，核心物理设备对应特定层级（如路由器适配网络层、交换机适配数据链路层），并非每层都配备专属物理设备。

其核心优势是明确区分 "服务、接口、协议" 三大概念，理论体系完整，可实现不同系统、网络间的通信标准化；但因分层过细，导致协议实现复杂、效率偏低，工业界未完全落地，实际主流采用借鉴其分层思想的 TCP/IP 四层模型。

但是, 它既复杂又不实用；所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解。

其实在网络角度，OSI定的协议7层模型其实非常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表示层是不可能接入到操作系统中的，所以在工程实践中，最终落地的是5层协议。

2.5.2 TCP/IP四层(或五层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

TCP/IP通讯协议常采用教学简化的 5 层层级结构（工业界主流为 4 层模型，5 层是将 4 层的网络接口层拆分为物理层和数据链路层），每一层都调用它的下一层所提供的服务来完成自己的功能需求，上层依赖下层，下层为上层提供支撑。

物理层：负责光 / 电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线 (双绞线)、早期以太网采用的同轴电缆 (现在主要用于有线电视)、光纤，现在的 wifi 无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器 (Hub) 工作在物理层。
数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步 (就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测 (如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网、无线 LAN 等标准。交换机 (Switch) 工作在数据链路层（注：三层交换机可兼顾网络层功能）。
网络层：负责地址管理和路由选择 。例如++在 IP 协议中，通过 IP 地址来标识一台主机，并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路 (路由)。路由器 (Router) 工作在网络层。++
传输层：负责两台主机之间的端到端数据传输 。++如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机；还有用户数据报协议（UDP），提供无连接的不可靠传输。++
应用层：负责应用程序间沟通。如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）、超文本传输协议（HTTP）等。我们的网络编程主要就是针对应用层。

TCP/IP 五层模型与 OSI 七层模型的对应关系：物理层对应 OSI 物理层；数据链路层对应 OSI 数据链路层；网络层对应 OSI 网络层；传输层对应 OSI 传输层；应用层对应 OSI 会话层、表示层、应用层的合并。

物理层偏硬件实现，我们日常关注软件相关内容时一般较少考虑，因此很多时候直接称为 TCP/IP 四层模型。

一般而言

对于一台主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，内核包揽传输层协议封装、网络层路由寻址、数据链路层帧处理，同时通过驱动对接物理层硬件，支撑上层应用通信；

对于一台路由器，它实现了从网络层到物理层，核心完成网络层 IP 寻址与跨网段路由转发，依赖下层链路层和物理层实现报文传输；

对于一台交换机，它实现了从数据链路层到物理层，核心负责数据链路层 MAC 地址学习、帧的转发与差错校验，依托物理层完成信号传输；

对于集线器，它只实现了物理层，仅做光 / 电信号的放大与转发，无任何数据处理逻辑。

但是并不绝对，很多交换机（三层交换机）也实现了网络层的 IP 转发功能，可兼顾二层转发与三层路由，适配复杂局域网组网；很多路由器也实现了部分传输层的内容 (比如端口转发)，借助传输层端口号完成 NAT 映射，让内网主机对外提供服务，但不会完整实现传输层的可靠传输、拥塞控制等核心功能。

3. TCP/IP网络协议栈

3.1 为什么要有TCP/IP协议？

首先，即便是单机，你的计算机内部，其实都是存在协议的，比如：其他设备和内存通信，会有内存协议。其他设备和磁盘通信，会有磁盘相关的协议，比如：SATA，IDE，SCSI等。只不过我们感知不到罢了。而且这些协议都在本地主机各自的硬件中，通信的成本、问题比较少。
其次，网络通信最大的特点就是主机之间变远了。任何通信特征的变化，一定会带来新的问题，有问题就得解决问题，所以需要新的协议。

😍所以，为什么要有TCP/IP协议？本质就是通信主机距离变远了（这是一种解决方案，是为了解决长距离通信的问题的）

3.2 什么是TCP/IP协议？

TCP/IP协议的本质是一种解决方案
TCP/IP协议能分层，前提是因为问题们本身能分层

3.3 TCP/IP协议栈

TCP/IP 协议栈是一套基于 TCP/IP 分层逻辑、以 "内核实现核心功能 + 应用层接口调用" 为核心的通信框架，本质是将网络通信的分层规则转化为可执行的软硬件协同逻辑，负责完成数据从应用程序到物理传输的全流程处理。

其核心特征与工作逻辑完全贴合你提到的关键信息：

核心逻辑内核化：IP 路由、TCP 可靠传输等底层核心功能，均由操作系统内核深度实现，无需应用程序自行开发，确保传输的高效性与标准化；
层间交互靠系统调用：应用层程序无法直接操作内核或硬件，需通过 socket 等系统调用接口，与内核态的协议栈建立交互，实现数据收发、端口绑定等功能；
数据传输的分层处理流程 ：当应用程序发送数据时，会严格遵循 "自上而下" 的分层处理逻辑：
- 应用层：应用程序先按自身协议（如 HTTP、自定义业务协议）完成数据封装；
- 传输层：数据通过系统调用传入内核，内核的 TCP/UDP 模块对数据进行报头添加等处理；
- 网络层：内核的 IP 模块进一步添加 IP 报头，并通过路由逻辑确定数据传输路径；
- 链路层：内核与网卡驱动协同，将数据包封装为以太网帧；
- 物理层：最终通过物理硬件（如网卡）将帧转化为电信号 / 光信号发送出去。

3.4 TCP/IP协议与操作系统的关系(宏观上，怎么实现的)

TCP/IP 协议栈的核心逻辑（如 IP 路由、TCP 可靠传输）由操作系统内核实现。

对于普通网络应用开发（如你的 UdpServer、HTTP 接口、客户端程序等），我们完全不需要关心传输层、网络层、链路层的底层实现，只需专注于应用层的工作即可 ------ 包括定义应用层协议、封装 / 解析业务数据、调用 socket 接口与内核交互、处理业务逻辑，底层的封装、路由、软硬件协同全由操作系统完成。

3.5 所以究竟什么是协议？（了解）

截止到目前，我们还没接触过任何协议，但是如何朴素的理解协议，我们已经可以试试了。
OS源代码一般都是用C/C++语言写的。

下面，仔细看看下面的图

📌 问题：主机B能识别data，并且准确提取a=10，b=20，c=30吗？

回答：答案是肯定的！因为双方都有同样的结构体类型struct protocol。也就是说，用同样的代码实现协议，用同样的自定义数据类型，天然就具有"共识"，能够识别对方发来的数据，这不就是约定吗？

关于协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双方都认识的结构化的数据类型因为协议栈是分层的，所以，每层都有双方都有协议，同层之间，互相可以认识对方的协议。

4. 网络传输基本要素（MAC地址 & IP地址）

为了让数据准确到达目标主机，网络中需要两种关键地址：一是局域网内标识设备的'物理地址（MAC）'，二是跨网络标识主机位置的'逻辑地址（IP）

4.1 局域网网络传输

4.1.1 局域网(以太网为例)通信原理

同一局域网内的两台主机可以直接通信，无需路由器转发（类比课堂内同学直接交流，无需外界中转）------ 实际依赖以太网交换机实现数据转发（而非无设备中转），但无需跨网络路由。
局域网内主机的唯一标识是MAC 地址（网卡物理地址）：全球唯一，固化在网卡硬件中，核心作用是实现 "数据链路层寻址"（让交换机知道数据该转发到哪台主机），确保局域网内数据准确送达目标设备。

4.1.2 认识MAC地址

概念：MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点

属性：

长度为 48 比特位，即 6 个字节，一般用 16 进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）
MAC地址在网卡出厂时就确定了，默认不可修改，MAC 地址通常全球唯一；特殊情况除外（虚拟机中的 MAC 地址为虚拟地址，可能会冲突；部分网卡支持手动配置修改 MAC 地址）
Windows 系统可通过命令ipconfig /all查看 MAC 地址（备注：Linux 用ip addr，macOS 用ifconfig）

后面我们详细谈论数据链路层的时候，会谈mac 帧协议，此处我们做一个了解即可。

4.1.3 以太网核心特点及通信原理

以太网核心特点（以太网本身的工作规则）

传统共享式以太网半双工模式下，任何时刻仅允许一台主机发数据
多台同时发送会产生数据碰撞（冲突）
发送主机遵循 CSMA/CD 机制，执行碰撞检测与后续重发
无交换机（集线器组网）时，一个以太网为一个碰撞域

以太网局域网通信工作原理（局域网内数据传输的逻辑）

主机通过目标 MAC 地址判定收到的报文是否发给自己

这里可以试着从系统角度来理解局域网通信原理。初步明白了局域网通信原理，再来看同一个网段内的两台主机进行发送消息的过程

而其中每层都有协议，所以当我进行进行上述传输流程的时候，要进行封装和解包

局域网通信核心概念（含协议栈数据传输核心规则）

为什么要自顶向下逐层封装？

答：数据通信需贯穿操作系统 TCP/IP 协议栈，且操作系统统一管理硬件（如网卡）。逐层封装的核心价值有两点：① 实现分层解耦，让每层协议专注自身职责（如应用层处理业务、链路层适配网卡传输）；② 每层通过添加首部携带本层控制信息（如 MAC 地址、IP 地址、端口号），既保障数据有序传递，又能适配下层的传输规范（如链路层需将数据封装为帧，才能通过网卡发送）。

同层交互与逐层解包规则

通信对端遵循 "同层交互" 原则：接收数据时需自底向上逐层解封装 ------ 每一层会将收到的数据包拆分为 "报头（本层控制信息）" 和 "有效载荷（上层数据）"，报头由本层解析处理（如链路层校验 MAC 地址、网络层解析 IP 地址），有效载荷则按报头中的 "上层协议标识"，向上交付至对应上层协议。

细节 1：协议首部的核心设计要求（修正 "任何层级" 的严谨性）

除部分固定首部长度的协议（如以太网帧）外，绝大多数层级的协议需满足两个核心要求：

报头与有效载荷的精准分离能力：可变长度首部通过 "首部长度字段" 明确边界（如 TCP、IP 协议）；固定长度首部（如以太网帧前 14 字节）无需该字段，直接按标准长度拆分。
上层协议标识能力：报头中必须包含 "上层协议类型字段"（如以太网帧的 Type 字段、IP 协议的 Protocol 字段），明确将有效载荷交付给上层的具体协议（如 IP 数据包标识 "上层为 UDP"，则交付至传输层 UDP 模块）。

细节 2：数据链路层的 MAC 地址校验规则

数据链路层收到以太网帧后，会先校验目标 MAC 地址：

若目标 MAC 地址是本机 MAC 地址、广播 MAC 地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）或本机已加入的组播 MAC 地址，则继续向上层传递；
若均不匹配，则直接丢弃报文，无需向上层转发（避免无效数据占用系统资源）。

细节 3：协议栈数据传输的 "栈式逻辑"

协议栈中数据的传输流程完全契合 "栈的先进后出" 特性：

发送端（入栈）：自顶向下逐层封装，每一层在有效载荷外侧添加本层报头（如应用层数据→UDP 报头→IP 报头→以太网帧头）；
接收端（出栈）：自底向上逐层解封装，每一层剥离本层报头，仅将有效载荷向上传递，最终将应用层数据交付至目标应用程序。

4.1.4 TCP/IP 分层通信的通用核心概念

在 TCP/IP 分层协议通信中，数据从应用层到数据链路层的传输有统一的处理规范，核心围绕报文组成、分层称谓及封装解封装展开，具体规则如下：

报文 = 报头 + 有效载荷
报头部分：就是对应协议层的结构体字段，我们一般叫做报头（也可称为首部）
除了报头，剩下的叫做有效载荷（也可直接简称载荷）

然后，我们在明确一下不同层的完整报文的叫法

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段 (segment) ，在网络层叫做数据报 (datagram) ，在链路层叫做帧 (frame)，应用层称为报文 (message)

应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个对应的数据首部 (header)，这个过程称为封装 (Encapsulation)

首部信息中包含了一些关键控制信息，类似于首部长度、载荷长度、上层协议类型、校验位等信息

数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再依次剥掉相应的首部，这个过程称为解封装，同时根据首部中的「上层协议字段」将数据交给对应的上层协议处理

最后，在整体复盘一下：

在网络传输的过程中，数据不是直接发送给对方主机的，而是先要自定向下将数据交付给下层协议，最后由底层发送，然后由对方主机的底层来进行接受，在自底向上进行向上交付，下面是一张示意图。

4.1.5 数据包封装和分用

下图为数据封装的过程

下图为数据分用的过程

📌 从今天开始，我们学习任何协议，都要先宏观上建立这样的认识：

要学习的协议，是如何做到解包的？只有明确了解包，封包也就能理解

要学习的协议，是如何做到将自己的有效载荷，交付给上层协议的？

4.2 跨网络传输（IP地址）

当主机位于不同局域网（网段）时，仅靠 MAC 地址无法实现通信（MAC 地址仅在局域网内有效）。此时需要一种能标识'全局网络位置'的地址（即 IP 地址），并通过路由器完成跨网段数据转发 ------ 这就是跨网络传输的核心需求。

IP 协议有两个版本，IPv4 和 IPv6。我们整个的课程，凡是提到 IP 协议，没有特殊说明的，默认都是指 IPv4。

IP 地址是在 IP 协议中，用来唯一标识网络中不同主机的逻辑地址，是跨网段通信的核心寻址依据；
对于 IPv4 来说，IP 地址是一个 4 字节、32 位的整数，其本质是二进制数，直接读写不便才衍生出直观表示形式；
我们通常也使用 "点分十进制" 的字符串表示 IP 地址，例如 192.168.0.1；用点分割的每一个数字对应一个字节，每个字节的取值范围是 0 - 255，本质是将 32 位二进制数按每 8 位分组转换为十进制。

同一局域网内的主机可直接通过 MAC 地址通信，而跨网段的主机无法直接互通，需依赖路由器转发实现数据传输。数据从一台计算机到另一台跨网段计算机的传输过程中，要经过一个或多个路由器，依靠 IP 地址完成跨网段的路由寻址与报文转发。

下面是一张示意图

首先理解一下IP地址的意义

为什么去目标主机，先要走路由器？
目的IP的意义

然后结合封装与解包，体现路由器解包和重新封装的特点

4.3 对比IP地址和Mac地址的区别

IP 地址在整个路由转发过程中，源 IP 和目的 IP 一直不变（目前，我们只能这样说明，后续学习 NAT 等技术后再修正）
传输过程中的下一跳 MAC 地址一直在变（源 MAC 仅在本机局域网段不变，跨网段转发时会随路由器更替刷新）
目的 IP 是数据传输的长远目标，MAC 地址是每一跳转发的下一阶段目标；目的 IP 是路由器进行跨网段路径选择的重要依据，MAC 地址是局域网内数据链路层转发的重要依据

提炼IP网络的意义和网络通信的宏观流程

IP 网络层存在的意义：提供统一的网络虚拟层，实现网络的互联互通，让全球所有底层网络都能接入 IP 网络，屏蔽不同底层网络（以太网、无线 LAN、广域网等）的技术差异，为上层提供无差别的端到端 IP 通信服务