网络层和数据链路层中的常见协议解析

缪懿2026-05-30 14:39
网络层协议

网络层的核心工作内容是:地址管理和路由选择

其中最常用的就是IP协议.IP协议又分为 IPv4 和 IPv6,负责给设备分配地址、数据包路由转发.在此我仅介绍IPv4协议原理

IP协议格式
  • 4位版本号
    • 指定IP协议的版本号,我们现在演示的是IPv4,也就是4
  • 4位头部长度
    • 表示IP头部的长度是多少个32bit,长度即该值*4的字节数.4bit表示的最大数字是15,因此IP头部最大长度为60字节
  • 8位服务类型
    • 虽然是8位,但因为历史遗留问题,实际只有4bit有效
    • 在4bit中,只有一个值为1,其它三个值都为0.这4bit的意义如下
      1. D(Delay):低延迟
        传输过程中,尽量花更短的时间
      2. T(Throughput):高吞吐量
        单位时间中,尽量传输更多的数据
      3. R(Reliability):高可靠性
        传输过程中,尽量保证数据不丢失
      4. C(Cost):低费用
        传输过程中,尽量选择最低成本的链路
  • 16位总长度
    • 整个IP数据报的长度(头部加数据),最大为64kb
      IP数据包内置了拆包组包的功能(通过16位标识,3位标志,13位片偏移实现).当传输数据较大时回自动拆包,接收方会自动组包
  • 16位标识
    • 同一个数据报的分片会有吧相同的标识.通过该标识来确定是否为同一个数据
  • 3位标志
    • 表示该数据是否是分片,是否是该数据的最后一个分片
    • 每一位的具体意义如下:
      0. 第零位:保留,必须为0
      1. 第一位:若为1表示非分片;为0表示为分片
      2. 第二位:若为1表示后面还有分片;为0表示该数据的最后一片
  • 13位片偏移
    • 类似于TCP中的序列号,通过片偏移可以确定分片数据的正确顺序
  • 8位生存时间TTL
    • 描述了一个数据包最多可经历几个路由器,每经过一个路由器就减一,为0时丢弃数据
  • 8位协议
    • 说明载荷中的协议类型.如TCPUDP这样
  • 16位首部检验和
    • 只检验首部数据,不包含载荷.且每经过一个路由器 TTL 会减少,得重新计算
  • 32位源IP地址
  • 32位目的IP地址
IPv4

IP地址就像是你的住址,可变.通过IP地址能大抵确认你在哪一块地区

而MAC地址就像是你的身份证,不可变.通过MAC地址能精确找到你

在局域网中,可以仅通过MAC地址来进行通信,相当于在小区里找一个人.但是当通信升级到广域网时,再使用MAC地址来找会发现很困难,因为此时面对的不是一个小区,而是一整个国家.故在广域网通信时,都得结合IP地址来找人在哪个地方,再通过MAC地址来在这一小块区域中找到对应的人

  • IPv4格式
    IP地址是一个32位的二进制数.通常被分割为4个8位二进制数:例如11000000.10101000.00000001.00000001代表的就是192.168.1.1

IPv4的数量也很好计算.32位二进制数表示的最大值为2^32,大约43亿.43亿虽然看起里很大,但人均分配IPv4地址仅为0.2个.因此IPv4地址是远远不够使用的

  • 分配方式
    由于IP地址远远不够使每一个设备都有不重复的IP地址.而为了让每一个设备都能通过IP通信,就有了主要的两种分配方式

    1. 动态分配
      设备上网时才分配IP.不上网时就回收IP
      这种方法只能在较小的程度上减轻IP不够用的问题.本质上只是提高了IP地址的利用效率
    2. NAT机制(主要)
      NAT的主要机制在下
      • 不强求每个设备都有独立的公网IP地址
      • 约定,每个局域网中的IP不能重复
      • 约定,不同局域网中的IP允许重复
        NAT机制在很大程度上解决了IPv4地址不够用的问题.但其也有一个弊端.就是不同局域网的设备不能直接通信,必须借助公网IP中转才能通信

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    NAT转换
    NAT转换
    NAT转换
    NAT转换
    NAT转换
    路由器1

    10.10.10.1
    路由器2

    10.10.10.2
    公网
    PC1

    192.168.1.1
    PC2

    192.168.1.2
    PC3

    192.168.1.3
    PC4

    192.168.1.4
    PC5

    192.168.1.5
    PC6

    192.168.1.6

NAT原理

上图展示了路由器通过NAT转换来做到一个路由器IP可以让多个设备进行网络通信.实现原理是路由器中的NAT映射表

  • NAT映射
    路由器会对进入网关的数据包进行重新封装.主要是切换源IP和源端口,伪装该数据是由路由器发送的

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源端口:2000

目的IP:8.8.8.8

目的端口:80
源IP:10.10.10.1

源端口:1234

目的IP:8.8.8.8

目的端口:80
源IP:10.10.10.1

源端口:1234

目的IP:8.8.8.8

目的端口:80
主机A

IP:192.168.1.1

路由器

IP:10.10.10.1

保存新的NAT映射

192.168.1.1:2000<-->10.10.10.1:1234
公网
服务器

IP:8.8.8.8

此时路由器中会存一个NAT映射表,当外部有数据发向路由器的指定端口时,会自动修改数据包的源IP和源端口

当服务器返回给主机A数据包时,路由器会检查目的IP和端口,若满足NAT映射表则自动修改
#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z p{margin:0;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .label text,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node rect,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node circle,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node ellipse,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node polygon,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .rough-node .label text,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node .label text,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .image-shape .label,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .rough-node .label,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node .label,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .image-shape .label,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .icon-shape,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .icon-shape p,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-wWLwDf5rYD6O4I2z :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 源IP:8.8.8.8

源端口:80

目的IP:10.10.10.1

目的端口:1234
源IP:8.8.8.8

源端口:80

目的IP:10.10.10.1

目的端口:1234
源IP:8.8.8.8

源端口:80

目的IP:192.168.1.1

目的端口:2000
主机A

IP:192.168.1.1

路由器

IP:10.10.10.1

保存的NAT映射

192.168.1.1:2000<-->10.10.10.1:1234
公网
服务器

IP:8.8.8.8

以上便是在NAT中,内网设备如何给外网设备发送的接收消息的数据处理流程

IPv6
  • IPv6的协议格式和IPv4一模一样
    IPv4和IPv6在使用感知上没有任何不同.就比如你自己上网,不专门去查IP你也不知道你用的是IPv4还是IPv6
    IPv6完全可以理解为IPv4的升级版
    在IPv4中,我们会遇到可用地址不多,人均只有0.2个IPv4地址.但在IPv6中,由于把4个字节表示升级为了16个字节,其可表达的数就已经达到了恐怖的2^128,约等于3.4* 10^38.这个数字甚至足够给地球上的每一粒沙子都分配一个IPv6地址
    由于IPv6的可用地址非常多,故在通信中,不会像IPv4那样频繁使用NAT机制.而是真正的实现端到端直连
    不过现在IPv6的普及率还很低,现在IPv6普及程度最高的国家就是中国
网段划分

前面说到什么局域网广域网的.这些是如何区分的呢?

对于一个IP,我们会把它分为主机号和网络号.区分规则很简单,前面的是主机号,后面的网络号.

网络号:同一个局域网中,所有设备的IP地址的网络号必须相同;两个相邻局域网,网络号也必须不同

主机号:同一个局域网中,所有设备的IP地址的主机号必须不同

当一个IP有相同的主机号192.168.1时,192.168.1.100和192.168.1.101就是在同一个网段内,而主机号后面的100和101就是网络号了

但并不是所有的IP地址前面三组数据都是网络号,这个依靠的是子网掩码进行区分

当我们在电脑上cmd里输入一个ipconfig时,一个网络接口会有以下信息

bash 复制代码 
无线局域网适配器 WLAN:

   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.11.200
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.11.1

其中有熟悉的IPv4地址,还有暂时不了解的子网掩码和默认网关

  • 什么是子网掩码?
    对于上面255.255.255.0.我们转换为二进制会发现是11111111.11111111.11111111.00000000
    其实子网掩码的设定就是二进制前面都为1,后面都为0.比如11111111.11111111.11110000.00000000,这个对应的子网掩码就是255.255.240.0

在某些设备上配置网络时,会要求以192.168.1.1 /24 这样的格式进行配置.其中/24就代表的子网掩码,该子网掩码有24个1,即255.255.255.0

  • 分块间隔
    子网掩码区分IP是局域网还是广域网靠的就是计算该网络号在不在分块间隔中
    分块间隔计算公式是256-二进制不全为1的子网掩码对应值=分块间隔
    对于子网掩码255.255.255.0.其二进制不全为1的值是0,说明从0开始,每隔一个256都是属于同一个局域网

例如主机号是192.168.0.0 /24 每个256都是同一个局域网.即192.168.0.0 ~ 192.168.0.255为一个局域网.到了192.168.1.0就不是同一个局域网了

再例如主机号是192.168.0.0 /20 子网掩码是255.255.240.0 不全为1的子网掩码为240,因此分块间隔是256-249=16.即192.168.0.0~192.168.15.255为一个局域网,到了192.168.16.0就不再是同一个局域网了

还是以192.168.0.0 /24 为例子.当局域网内的一个主机想要向192.168.0.100通信时,由于该IP属于局域网内,故可以直接通过路由器/交换机通信.但如果向192.168.1.100通信时,由于该IP不属于同一个局域网内,设备就会把这个请求发给网关(也就是路由器),让路由器把这个请求交给广域网中的设备处理
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路由器收到后将该请求转发到路由器的广域网中(通常可以理解为公网)
主机A

IP:192.168.0.100

子网掩码:255.255.255.0

默认网关:192.168.0.1
路由器

局域网IP:192.168.10.1

广域网IP:10.10.10.1
公网

  • 古早的网段划分方式
    最早网段是按照ABCDE五类网段这样的方式进行分类的
    分类过程如下
类别 地址范围 默认子网掩码 网络位 主机位 特点 常见用途
A 类 1.0.0.0 ～ 126.255.255.255 255.0.0.0 8 位 24 位 网络少，主机多 大型网络
B 类 128.0.0.0 ～ 191.255.255.255 255.255.0.0 16 位 16 位 网络和主机数量适中 中型网络
C 类 192.0.0.0 ～ 223.255.255.255 255.255.255.0 24 位 8 位 网络多，主机少 小型局域网
D 类 224.0.0.0 ～ 239.255.255.255 无 无 无 组播地址 视频会议、直播
E 类 240.0.0.0 ～ 255.255.255.255 无 无 无 保留实验 科研实验

由于该分段方式会浪费大量网段,故现今不再主流使用

  • 特殊网段
网段段 用途
127.0.0.0/8 回环地址，本机测试
10.0.0.0/8 A类私有内网地址
172.16.0.0/12 B类私有内网地址
192.168.0.0/16 C类私有内网地址
路由选择

前面我们知道当主机不知道目的IP在哪时会发往路由器,那么路由器又是怎么找到对应的目的服务器的呢?

其实,路由器有自己的一套规则

当主机把数据交给路由器时,路由器会查询路由表.假设有一个路由表是下面这样的

目标网络 下一跳 出接口
192.168.1.0/24 直连 G0/0
10.0.0.0/8 1.1.1.2 G0/1
0.0.0.0/0 100.1.1.1 G0/2

当目标IP是8.8.8.8时,前面两条地址都不匹配,于是就走默认路由,即0.0.0.0/0

直接把这个数据包传递给它的上一级路由器,如果上一级路由器还是没在路由表里找到,那么就继续把数据传递给上级路由器的再上一级

  • 假设一个武汉某家庭的主机想要把数据发送到广东,那么路由过程大概如下

#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO p{margin:0;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .label text,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node rect,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node circle,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node ellipse,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node polygon,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .rough-node .label text,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node .label text,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .image-shape .label,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .rough-node .label,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node .label,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .image-shape .label,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .icon-shape,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .icon-shape p,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-Ir6aXOIpk8ZqiOqO :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 发送到广东的数据包
路由表中没有通往广东的信息

默认传递给上级路由器
路由表中没有通往广东的信息

默认传递给上级路由器
路由表中没有通往广东的信息

默认传递给上级路由器
路由表中没有通往广东的信息

默认传递给上级路由器
路由表中有通往广东的信息
主机
家庭路由器
小区路由器
区级路由器
市级路由器
省级路由器
广东路由器

更规范的路由流程
#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra p{margin:0;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster-label span p{background-color:transparent;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .label text,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node rect,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node circle,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node ellipse,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node polygon,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .rough-node .label text,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node .label text,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .image-shape .label,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .icon-shape .label{text-anchor:middle;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node .katex path{fill:#000;stroke:#000;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .rough-node .label,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node .label,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .image-shape .label,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .icon-shape .label{text-align:center;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .root .anchor path{fill:#333333!important;stroke-width:0;stroke:#333333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edgeLabel{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edgeLabel p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .labelBkg{background-color:rgba(232, 232, 232, 0.5);}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .flowchartTitleText{text-anchor:middle;font-size:18px;fill:#333;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra rect.text{fill:none;stroke-width:0;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .icon-shape,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .image-shape{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);text-align:center;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .icon-shape p,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .image-shape p{background-color:rgba(232,232,232, 0.8);padding:2px;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .icon-shape .label rect,#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .image-shape .label rect{opacity:0.5;background-color:rgba(232,232,232, 0.8);fill:rgba(232,232,232, 0.8);}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .label-icon{display:inline-block;height:1em;overflow:visible;vertical-align:-0.125em;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra .node .label-icon path{fill:currentColor;stroke:revert;stroke-width:revert;}#mermaid-svg-HkCSB68x6iGEc9ra :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 是
否
是
否
主机A
目标是否同网段?
ARP获取目标MAC
直接发送
发送给默认网关
路由器查询路由表
是否存在匹配路由?
最长前缀匹配
确定下一跳
TTL减1
重新封装MAC
转发到下一台路由器
丢弃数据包

数据链路层

前面我们说过数据链路层的作用,即负责两个相邻节点的数据转发

在了解数据链路层中的协议前,我们应该先知道什么是MAC地址

MAC地址
  • MAC地址是什么?
    MAC地址也被称为物理地址,是用来标识网络设备物理硬件的地址,是网卡出厂自带的唯一硬件编号.简单来说,它就是你电脑的身份证,你的电脑上的MAC地址只属于你,不可重复,也不可修改.但由于一个电脑上通常具有多个网卡,而每一个网卡都有一个MAC地址,故你的电脑很可能有多个不同的MAC地址
  • 查看自己的MAC地址
    windows电脑可在cmd中输入ipconfig /all来查看自己各网卡对应的MAC地址
bash 复制代码 
无线局域网适配器 WLAN:

   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . : lan
   描述. . . . . . . . . . . . . . . : RZ608 Wi-Fi 6E 80MHz
   物理地址. . . . . . . . . . . . . : 50-C2-E8-F8-ED-A3
   DHCP 已启用 . . . . . . . . . . . : 是
   自动配置已启用. . . . . . . . . . : 是
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.1.134(首选)
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
   DHCP 服务器 . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
   DNS 服务器  . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
   TCPIP 上的 NetBIOS  . . . . . . . : 已禁用

可以看到我电脑无线网卡的MAC地址是50-C2-E8-F8-ED-A3

MAC是由48位二进制数组成的,通常写成12位十六进制.相较于IPv4,MAC地址的数量还足以给每一个电子设备分配独立的MAC地址.

在网络通信中,MAC地址常用于同一局域网内进行通信,而IP地址常用于跨网段通信.

简单来说:IP管外网,MAC管内网

  • 特殊MAC地址
    广播数据报地址:FF:FF:FF:FF:FF:FF

发送⼀个⼴播数据报,对同⽹段所有主机发送数据报

以太网帧
  • 以太网帧格式
    6位目的MAC地址|6位源MAC地址|2位类型|数据|4位CRC
  • 2位类型:帧协议类型字段有3个值,分别对应IP,ARP,RARP
  • 4位CRC:CRC效验码,用于确认数据无误
MTU

MTU表示的是最大传输单元,即链路能一次发的最大数据包字节长度

对于以太网,默认MTU为1500字节.其中包含:IP头(20)+TCP头(20)+数据(1460)

当一个IP数据包的小于MTU时,路由器可以直接将数据封装成一个帧一次发送

当数据包大于MTU时,路由器会进行分片操作,将大的数据包切分成一个个小的数据包发送

其它协议

数据链路层中最常见的是以太网帧.但以下常用协议也属于数据链路层

  • WIFI
  • 蓝牙
  • 5G
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