1.3w字带你初步了解TCP/IP协议

0 简介

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。 TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

1 TCP（传输控制协议）

TCP 的全称传输控制协议（Transmission Control Protocol），提供了一种面向连接的、可靠的字节流服务，大部分应用使用的是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 有很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。

1.1 TCP段格式

TCP协议的数段据格式，大致如下图所示：

1.1.1 头部字段

源端口号（Source Port，16位）

源端口号表示报文的发送端口，占16位，范围0-65535。源端口和源IP地址组合起来，可以标识报文的发送地址。

目的端口号（Destination Port，16位）

目的端口号表示报文的接收端口，占16位，范围0-65535。目的端口和目的IP地址相结合，可以标识报文的接收地址。

TCP协议是基于IP协议的基础上传输的，TCP报文中的源端口号+源IP，与TCP报文中的目的端口号+目的IP一起，组合起来唯一性的确定一条TCP连接。

序列号（Sequence Number，32位）

TCP传输过程中，在发送端出的字节流中，传输报文中的数据部分的每一个字节都有它的编号。序列号占32位，发起方发送数据时，都需要标记序号。用于数据重组和丢包检测。

序列号的语义与SYN控制标志（Control Bits）的值有关。根据控制标志中的SYN是否为1，序列号表达不同的含义： （i）当SYN = 1时，当前为连接建立阶段，此时的序号为初始序号ISN（Initial Sequence Number），通过算法来随机生成序号； （ii）当SYN = 0时，SYN 包的序列号为初始序号 ISN，该包不携带数据；数据传输阶段的首个字节序号为 ISN+1，后面的报文的序号，为前一个报文的序列号值+TCP报文的净荷字节数（不包含TCP头）。比如，如果发送端发送的一个TCP帧的净荷为12byte，序号为5，则发送端接着发送的下一个数据包的时候，序号的值应该设置为5+12=17。

在数据传输过程中，TCP协议通过序号==对上层提供有序的数据流==。发送端可以用序号来==跟踪发送的数据量==；接收端可以用序号识别==出重复接收到的TCP包==，从而丢弃重复包；对于乱序的数据包，接收端也可以依靠序号对其进行==排序==。

确认序号（Acknowledgment Number，32位）

确认序号标识了报文接收端期望接收的字节序列。仅在ACK标志位为1时有效，表示期望收到的下一个字节的序列号。

举个例子，假设客户端发送3个净荷为1000byte、起始序列号序号为1的数据包给服务端。服务端每收到一个包之后，需要回复一个ACK响应确认数据包给客户端。ACK响应数据包的ACK Number值，为每个客户端包的为序列号+包净荷，既表示服务端已经确认收到的字节数，还表示期望接收到的下一个客户端发送包的序列号序号，具体的ACK值如下图左边的正常传输部分所示。

保留字段（Reserved，6位）

必须设置为0，保留供未来使用。

控制标志（Control Flags，6位）

URG：紧急指针字段有效。 ACK：确认字段有效。 PSH：接收方应尽快将数据推送给应用层。 RST：重置连接。 SYN：同步序列号，用于建立连接。 FIN：发送方完成数据发送。

窗口大小（Window Size，16位）

接收方的可用缓冲区大小，用于流量控制。

校验和（Checksum，16位）

用于检测数据传输过程中是否出现错误。校验TCP头部、数据和伪头部（IP部分字段）。

紧急指针（Urgent Pointer，16位）

仅在URG标志为1时有效，指示紧急数据的末尾位置。

选项字段（Options，可变长度）

可选字段，如最大报文段长度（MSS）、窗口缩放因子等。必须以4字节对齐，不足时用填充（Padding）。

数据部分（Payload）

包含上层协议（如HTTP、FTP）的实际数据。长度由IP数据包的总长度减去IP和TCP头部长度决定。

1.2 TCP通信过程

由于TCP需要双方建立连接，因此TCP的通信过程分为三个步骤：三次握手，传输确认，四次挥手。

1.2.1 三次握手

握手过程中使用了两个标识量:SYN（synchronize） 和ACK（acknowledgement） 。

过程

第一次握手：建立连接时，客户端A发送SYN包（SYN=j）到服务器B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认。 第二次握手：服务器B收到SYN包，必须确认客户A的SYN（ACK=j+1），同时自己也发送一个SYN包（SYN=k），即SYN+ACK包，此时服务器B进入SYN_RECV状态。 第三次握手：客户端A收到服务器B的SYN＋ACK包，向服务器B发送确认包ACK（ACK=k+1），此包发送完毕，完成三次握手。

若在握手过程中某个阶段莫名中断， TCP 协议会再次以相同的顺序发送相同的数据包。

为什么需要三次握手？

如果是四次握手，需要把SYN和ACK分开发送，效率低，可以合并成一次，减少一次传输。 如果是两次握手，无法确保双方成功建立连接，可能会造成重复历史连接的初始化等问题。

例如，因为网络阻塞原因，客户端向服务器发送了两次SYN报文，旧的SYN报文先到达服务端，服务端回一个ACK+SYN报文。在三次握手的情况下，客户端收到后可以根据自身的上下文，判断这是一个历史连接（序列号过期或超时），那么客户端就会发送RST 报文给服务端，表示中止这一次连接。服务器收到RST报文，会释放连接，新的SYN报文抵达之后，客户端和服务器之间进行正常的三次握手。 如果只是两次握手，服务端在收到SYN报文之后，就进如到 ESTABLISHED 状态，服务器端并不知道这次是历史连接，直接与客户端建立连接并向客户端发送数据（造成资源浪费），但是客户端会判定这次连接是历史连接，从而发送RST报文来断开连接。

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

TCP还设有一个保活计时器，客户端如果出现故障，服务端不能一直等下去，这样会浪费系统资源。每收到一次客户端的数据帧后，服务端都的保活计时器会复位。计时器的超时时间通常是设置为2小时，若2小时还没有收到客户端的任何数据帧，服务端就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务端就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。如果觉得保活计时器的2个多小时的间隔太长，可以自行调整TCP连接的保活参数。

1.2.2四次挥手

1. 客户端A发送一个FIN，用来关闭客户A到服务器B的数据传送。
2. 服务器B收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1。
3. 服务器B关闭与客户端A的连接，发送一个FIN给客户端A。
4. 客户端A发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1。

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这个原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方被动关闭。

半双工：在节点之间点到点连接中，同一节点同一时刻只能接收或发送数据，不能同时接收、发送数据。这种同一时刻只能接收或发送数据的工作模式为半双工模式。在半双工模式下，使用CSMA/CD的机制来避免冲突。 全双工：同一时刻可以同时接收和发送数据帧。

TIME_WAIT 状态持续2 倍 MSL 时间（2MSL）。MSL（Maximum Segment Lifetime）是单个报文在网络中的最大生存时间，2MSL 用于确保双向通信的最后一个 ACK 到达对端，并避免旧连接的报文干扰新连接。具体来说，2MSL对应于一次消息的来回（一个发送和一个回复）所需的最大时间。如果直到2MSL，主动断开方都没有再一次收到对方的报文（如FIN报文），则可以推断ACK已经被对方成功接收，此时，主动断开方将最终结束自己的TCP连接。所以，TCP的TIME_WAIT状态也称为2MSL等待状态。 有关MSL的具体的时间长度，在RFC1122协议中推荐为2分钟。在SICS（瑞典计算机科学院）开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈——LwIP开源协议栈中MSL默认为1分钟。在源自Berkeley的TCP协议栈实现中MSL默认长度为30秒。总体来说，TIME_WAIT（2MSL）等待状态的时间长度，一般维持在1-4分钟之间。

为什么需要四次挥手？

关闭连接时，客户端发送FIN报文，表示其不再发送数据，但还可以接收数据。服务端收到FIN报文，可以直接发送SYN+ACK报文。由于ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，服务端可能还要数据需要处理和发送，所以先回一个ACK应答报文，等到其不再发送数据时，才发送FIN报文给客户端表示同意关闭连接。 从上面过程可知：服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的ACK和FIN一般都会分开发送，从而比三次握收导致多了一次。

为什么主动断开方在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间？

1. 主动断开方等待2MSL的时间，是为了确保两端都能最终关闭。假设网络是不可靠的，被动断开方发送FIN+ACK报文后，其主动方的ACK响应报文有可能丢失，这时候的被动断开方处于LAST-ACK状态的，由于收不到ACK确认被动方一直不能正常的进入CLOSED状态。在这种场景下，被动断开方会超时重传FIN+ACK断开响应报文，如果主动断开方在2MSL时间内，收到这个重传的FIN+ACK报文，会重传一次ACK报文，后再一次重新启动2MSL计时等待，这样，就能确保被动断开方能收到ACK报文，从而能确保被动方顺利进入到CLOSED状态。只有这样，双方都能够确保关闭。反过来说，如果主动断开方在发送完ACK响应报文后，不是进入TIME_WAIT状态去等待2MSL时间，而是立即释放连接，则将无法收到被动方重传的FIN+ACK报文，所以不会再发送一次ACK确认报文，此时处于LAST-ACK状态的被动断开方，无法正常进入到CLOSED状态。

2. 防止旧连接的已失效的数据报文出现在新连接中。主动断开方在发送完最后一个ACK报文后，再经过2MSL，才能最终关闭和释放端口，这就意味着，相同端口的新TCP新连接，需要在2MSL的时间之后，才能够正常的建立。2MSL这段时间内，旧连接所产生的所有数据报文，都已经从网络中消失了，从而，确保了下一个新的连接中不会出现这种旧连接请求报文。

1.3 UDP

UDP 相对来说就很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以。

例如，实时音视频协议 RTP/RTCP 通过应用层序列号、时间戳和反馈机制实现部分可靠性，或使用 QUIC 协议（基于 UDP）实现拥塞控制和加密传输。

UDP的特点有：

1. 无连接（直接开干）不需要握手和挥手，直接发送数据。比如直播时，主播直接推流，观众直接收，中间没有确认过程。
2. 不保证可靠性（佛系传输）不检查数据是否到达、是否顺序正确、是否损坏。 比如视频通话中，丢几帧画面也无所谓，直接跳过继续播。
3. 无流量控制（全力冲刺）发送方不会根据网络状况调整速度，能发多快发多快。适合对延迟敏感的场景（如游戏、直播）。
4. 支持广播和多播（一对多撒网）UDP 可以向多个设备同时发送数据（广播或多播）。比如局域网内通过广播发现打印机；视频会议中向多个用户推送流媒体。

1.3.1 TCP与UDP的区别

表格对比如下：

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠（重传、排序、校验）	不可靠（尽力而为）
传输单位	字节流（Segment）	数据报（Datagram）
流量控制	有（滑动窗口）	无
典型应用	HTTP、FTP、邮件	直播、游戏、DNS

根本的不同点在于TCP是闭环的机制，发端会收取对端的反馈从而调整发送参数，进行闭环流量整形。而UDP是单向机制，不需要对端反馈信息。

2 IP（网际协议）

IP，全称Internet Protocol，即互联网协议，是计算机网络领域中的一个核心概念。它主要用于为网络中的每一台设备分配一个唯一的数字标识，这个标识就是IP地址。通过这个地址，设备可以在网络上被准确地定位和识别，从而实现数据的传输和共享。

2.1 IP地址的组成

IP地址由一组数字组成。对于IPv4（第四版互联网协议），它使用32位二进制数来表示，这通常被划分为四个8位（一个字节）的十进制数，各数之间用点号.分隔。例如，常见的IPv4地址格式如192.168.1.1。

2的32次方约等于43亿，而现在的的设备早已超过43亿，因此可以通过NAT技术使连接的设备超过43亿。

NAT（Network Address Translation），是指网络地址转换，1994年提出的。NAT是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局 IP 地址的技术。NAT实际上是为解决IPv4地址短缺而开发的技术。 NAT旨在通过将一个外部 IP 地址和端口映射到更大的内部 IP 地址集来转换 IP 地址。 基本上，NAT 使用流量表将流量从一个外部（主机）IP 地址和端口号路由到与网络上的终结点关联的正确内部 IP 地址。 后续会做更详细的介绍。

同时，也可以使用IPV6来解决IP不够分配的问题。IPv6（第六版互联网协议）则使用128位二进制数来表示地址，其表示方式相较于IPv4更为复杂，通常使用冒号分隔的十六进制数来表示，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

IPv6 不仅仅只是可分配的地址变多了，它还有非常多的亮点：

• IPv6 可自动配置，即使没有 DHCP 服务器也可以实现自动分配IP地址，真是便捷到即插即用啊。
• IPv6 包头包首部长度采用固定的值 40 字节，去掉了包头校验和，简化了首部结构，减轻了路由器负荷，大大提高了传输的性能。
• IPv6 有应对伪造 IP 地址的网络安全功能以及防止线路窃听的功能，大大提升了安全性。

IPV4与IPV6的对比如下表所示：

特性	IPv4	IPv6
地址长度	32 位（约 43 亿地址）	128 位（(2^{128})地址）
头部结构	可变长（20-60 字节）	固定长 40 字节，简化字段
自动配置	依赖 DHCP	支持无状态自动配置（SLAAC）
安全性	需额外协议（如 IPsec）	内置 IPsec，支持加密和认证
多播	支持有限原生	支持任意播（Anycast）

2.2 协议报文

以下是一个关于IP协议（以IPv4为例）的展示：

字段名称	字段长度（bit）	描述
版本号（Version）	4	指定IP协议的版本，IPv4为4
首部长度（Internet Header Length, IHL）	4	IP头部的长度，以4字节为单位，取值范围为5-15（即20-60字节）
服务类型（Type of Service, TOS）	8	包括优先权（已弃用）、延迟、吞吐量、可靠性和花费等子字段，声明数据报被网络系统传输时可以被怎样处理
总长度（Total Length）	16	整个IP报文的总长度（包括头部和数据），以字节为单位，最大长度为65535字节
标识（Identification）	16	用于标识一组属于同一数据包的分片，在组装时，相同标识的放到一起组装
标志（Flags）	3	包括是否分片、禁止分片、更多分片等子字段
片偏移（Fragment Offset）	13	描述分片相对于原始IP报文开始处的偏移，以8字节为单位
生存时间（Time to Live, TTL）	8	数据报到达目的地的最大报文跳数，每经过一个路由器转发，TTL值减1，减到0时数据报被丢弃
协议（Protocol）	8	表示上层协议的类型，如ICMP（1）、IGMP（2）、TCP（6）、UDP（17）等
头部校验和（Header Checksum）	16	使用CRC进行校验，鉴别头部是否损坏，只校验IP的首部，载荷中的TCP/UDP都自带校验
源地址（Source Address）	32	发送端IP地址
目标地址（Destination Address）	32	接收端IP地址
可选项（Options, 可变长度）	32的整数倍	定义一些任选项，如记录路径、时间戳等，长度可变，但必须是32比特的整数倍，不足时需填充0

2.3 IP的分类

IP 地址分类成了 5 种类型，分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。

A类IP地址

由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”。 可用的A类网络有126（2^7^-2）个，地址范围从1.0.0.0到126.255.255.255，每个网络能容纳1亿多（2^24^-2）个主机。

其中： 0.0.0.0/8 是保留地址（未指定网络）； 127.0.0.0/8 是回环地址（本地测试）； 特殊地址： 127.0.0.1表示主机本身，用于本地机器的测试。

默认子网掩码：255.0.0.0。 A类IP地址一般用于大型网络。

B类IP地址

由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。 可用的B类网络有16384（2^14^-2）个，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255，每个网络能容纳（2^16^-2）个主机。

其中： 128.0.0.0/16 是保留网络（全 0 主机号）； 191.255.0.0/16 是广播地址（全 1 主机号）；

默认子网掩码：255.255.0.0。 B类IP地址一般用于中等规模网络，如大学、科研所等。

C类IP地址

由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。 C类网络可达2097152（2^21^-2）个，地址范围从192.0.0.0到223.255.255.255，每个网络能容纳254（2^8^-2）个主机。

其中： 192.0.0.0/24 是保留网络； 223.255.255.0/24 是广播地址；

默认子网掩码：255.255.255.0。 C类IP地址一般用于小型网络，如公司、家庭网络（wifi）。

D类IP地址

无网络号和主机号之分，IP地址最前面为“1110”（二进制）。 地址范围从224.0.0.0到239.255.255.255。 D类地址作为组播地址（一对多的通信），用于多点广播（Multicast）。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

E类IP地址

无网络号和主机号之分，IP地址最前面为“1111”（二进制）。 地址范围从240.0.0.0到255.255.255.255。 E类地址为保留地址，供以后使用，通常用于科学研究。

其他特殊类型的IP地址： 全零地址：“0.0.0.0”地址对应于当前主机。 全1地址：“255.255.255.255”是当前子网的广播地址。 私有地址（专用地址）：不会在全球使用，只具有本地意义。包括A类私有地址10.0.0.0/8（范围是10.0.0.0-10.255.255.255），B类私有地址172.16.0.0/12（范围是172.16.0.0-172.31.255.255），C类私有地址192.168.0.0/16（范围是192.168.0.0-192.168.255.255）。

2.4 子网掩码

子网掩码是一个32位地址（对于IPv4），用于屏蔽IP地址的一部分，以区分网络标识（网络地址）和主机标识（主机地址）。它必须与IP地址一起使用，不能单独存在。

2.4.1 主要功能

• 区分网络地址和主机地址：通过子网掩码，可以将IP地址划分为网络部分和主机部分，从而确定设备所在的网络以及该网络中的具体位置。
• 提高IP地址分配效率：子网掩码允许将一个大的网络划分为多个小的子网，从而更有效地利用IP地址资源，减少浪费。
• 支持路由决策：路由器使用子网掩码来确定数据包的目标网络，并根据路由表进行转发，从而确保数据包能够正确地到达目的地。

2.4.2 表示方法

子网掩码通常有两种表示方法：

• 点分十进制表示法：将32位的子网掩码划分为四个8位（一个字节）的十进制数，并用点号（.）分隔。例如，255.255.255.0。
• CIDR表示法：使用斜杠（/）后跟一个数字来表示子网掩码中网络位的长度（即二进制数字“1”的个数）。例如，/24表示子网掩码为255.255.255.0。

2.4.3 子网掩码与IP地址的关系

子网掩码与IP地址一起使用，将32位的子网掩码与32位的IP地址进行按位与运算。运算结果即为网络地址，它表示了设备所在的网络。

3 四层模型

TCP/IP 网络通常是由上到下分成 4 层：应用层，传输层，网络层和网络接口层。TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。 相对于OSI模型，TCP/IP的四层模型简化了一下，对比如图所示：

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连。 一般都叫OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架。

各层封装关系如下所示：

应用层数据 → 传输层（TCP/UDP头部） → 网络层（IP头部） → 网络接口层（MAC头部+物理层比特流） 

当应用数据向下传递时，每一层都会添加本层协议头部，形成层层封装；接收方则从下至上逐层剥离头部，实现解封装。 我们从上往下，一层层来看。

3.1 应用层

应用层是TCP/IP协议的第一层，是直接为应用进程提供服务的，比如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。 应用层不去关心数据是如何传输的。就类似于，我们寄快递的时候，只需要把包裹交给快递员，由他负责运输快递，我们不需要关心快递是如何被运输的。 当两个不同设备的应用需要通信的时候，应用就把应用数据传给下一层，也就是传输层。 应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

3.2 传输层

传输层（Transport Layer）主要负责实现端到端（End-to-End）的通信，确保数据在应用程序之间的可靠、高效传输。

在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。

TCP协议就像是打电话给对方，在这一系列流程都能得到及时反馈，并能确保对方及时接收到。 UDP协议就像是写信给对方，寄出去信件之后不知道对方是否收到信件，信件内容是否完整，不能得到及时反馈。

TCP段

应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度） ，就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）。

当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。 比如 80 端口通常是 Web 服务器用的，22 端口通常是远程登录服务器用的。而对于浏览器（客户端）中的每个标签栏都是一个独立的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端口号。 由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

3.3 网络层

网络层在TCP/IP协议中的位于第三层，主要负责网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等。

实际场景中的网络环节是错综复杂的，中间有各种各样的线路和分叉路口，如果一个设备的数据要传输给另一个设备，就需要在各种各样的路径和节点进行选择，而传输层的设计理念是简单、高效、专注，如果传输层还负责这一块功能就有点违背设计原则了。 也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层（Internet Layer）。 网络层最常使用的是 IP 协议（Internet Protocol），IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过 MTU（以太网中一般为 1500 字节）就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的 IP 报文。

TCP 根据 MSS（最大段大小）分段，IP 根据 MTU（最大传输单元）分片。 TCP 分段发生在传输层，目的是适配 IP 层的 MTU； IP 分片发生在网络层，若 IP 包超过链路 MTU（如以太网 1500 字节），会被拆分为多个分片，需在接收端重组。 【注】IP 分片会增加传输延迟和丢包风险（若一个分片丢失，整个数据报需重传）。现代网络通过 MTU 发现机制（Path MTU Discovery）动态调整传输单元，尽量避免分片。TCP 通过 MSS 设置主动适配 MTU，进一步减少 IP 分片的需求。

网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢？因此，网络层需要有区分设备的编号。 我们一般用 IP 地址给设备进行编号，对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段（比如，192.168.100.1），每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配？这显然不科学。 因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

• 一个是网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；
• 一个是主机号，负责标识同一「子网」下的不同主机；

因此需要配合子网掩码才能算出 IP 地址 的网络号和主机号。

举个例子，比如 10.100.122.0/24，后面的/24表示就是 255.255.255.0 子网掩码，255.255.255.0 二进制是11111111-11111111-11111111-00000000，为了简化子网掩码的表示，用/24代替255.255.255.0。

IP地址：10.100.122.2		→ 二进制：00001010.01100100.01111010.00000010  
子网掩码：255.255.255.0	→ 二进制：11111111.11111111.11111111.00000000  
------------------------ 按位与运算 -----------------------------------  
网络号：10.100.122.0		→ 二进制：00001010.01100100.01111010.00000000  

将 255.255.255.0 取反后与IP地址进行进行按位与运算，就可以得到主机号。

在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号（表示要找到同一个子网），才会去找对应的主机。

除了寻址能力， IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。 路由器寻址工作中，就是要找到目标地址的子网，找到后进而把数据包转发给对应的网络内。 所以，IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据 下一个目的地 选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

3.4 网络接口层

在TCP/IP协议中，网络接口层位于第四层。网络接口层涵盖数据链路层和物理层，负责物理介质上的比特流传输和帧处理。所以，网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路。 在生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层（Link Layer）在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上。

MAC地址，全称为媒体访问控制地址（Media Access Control Address），是一种用于网络通信的唯一标识符。它是由IEEE 802标准定义的，用于在局域网（LAN）和城域网（MAN）中识别网络设备。MAC地址通常由12位十六进制数字组成，分为6个字节，每个字节由两个十六进制数字表示，例如：00-1A-2B-3C-4D-5E。 MAC 地址在设计上由 IEEE 保证全球唯一性，每个网络设备在生产时都会被分配一个唯一的MAC地址。这种唯一性确保了在网络中不会出现地址冲突，从而保证了网络通信的顺畅。MAC地址通常被烧录在网络设备的硬件上，如网卡、路由器、交换机等。 当一个设备需要发送数据时，它会使用目标设备的MAC地址作为目的地址，以确保数据能够正确地发送到目标设备。同时，接收设备也会根据MAC地址来判断数据是否是发送给自己的，从而决定是否接收该数据。 此外，MAC地址还与IP地址相互配合，共同完成网络通信。IP地址用于在互联网上标识设备的位置，而MAC地址则用于在局域网内标识设备。当数据在局域网内传输时，主要依赖MAC地址进行寻址；而当数据需要跨越不同网络时，IP地址则起到了关键作用。通过ARP（地址解析协议），可以将IP地址解析为MAC地址，从而实现不同网络之间的通信。

IP 头部中的接收方 IP 地址表示网络包的目的地，通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里，但在以太网的世界中，这个思路是行不通的。

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

在网络中，计算机使用传输介质（例如网线）进行连接，网络数据通过传输介质进行传输来完成整个通信。 以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同，因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而 MAC 头部就是干这个用的，所以，在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。 所以说，网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标识网络上的设备。